KR100492917B1 - 비드상 고흡수성 수지의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 비드상 고흡수성 수지의 제조방법에 관한 것으로서, 질소 기류하에서, 비중이 0.9 내지 1.3으로 미리 조절된 유기용매에 분산제를 분산시켜 분산액을 제조하고, 별도의 용기에서 친수성 단량체, 가교제 및 중합개시제가 포함된 단량체 수용액을 증점제로 수용액의 점도를 5,000 내지 30,000 cps 범위로 조절하고 제조하여, 상기에서 제조한 분산액과 단량체 수용액을 혼합해서, 중합반응을 시키되, 중합과정에 발생되는 뭉침 현상을 방지하기 위해 윤활제를 첨가하고, 50 내지 150 rpm으로 교반속도로 혼합용액을 분산시켜 중합물을 얻었던 바, 여기서 얻어진 건조상태의 수지는 평균 입자크기가 700 내지 3,000 ㎛ 범위로, 완전 비드상 입자이며, 입도분포도 좁았고, 물을 흡수해서 팽윤되어도 투명한 비드상을 유지했으며, 염용액 및 알콜 혼합수용액에 대한 흡수능과 겔강도가 양호했던 것으로, 이러한 비드상의 고흡수성 수지의 제조방법에 관한 것이다.

Description

비드상 고흡수성 수지의 제조방법{Process for preparing Bead-typed hydrogel}

본 발명은 비드상 고흡수성 수지의 제조방법에 관한 것으로서, 질소 기류하에서 비중이 0.9 내지 1.3으로 조절된 유기용매에 분산제를 분산시켜 분산액을 제조하고, 별도의 용기에서 친수성 단량체, 가교제 및 중합개시제가 포함된 단량체 수용액을 증점제로 수용액의 점도를 5,000 내지 30,000 cps 범위로 조절하고 제조하여, 상기에서 제조한 분산액과 단량체 수용액을 혼합하고, 중합시키되, 중합과정 중에 발생하는 뭉침을 방지하기 위해 윤활제를 첨가한 후, 50 내지 150 rpm의 교반속도로 분산시키며 중합하여, 평균 입자크기가 700 내지 3,000 ㎛ 범위의 완전 비드상 입자로, 입도분포가 좁고, 물을 흡수해서 팽윤되어도 투명한 비드상을 유지했으며, 염용액 및 알콜 혼합수용액에 대한 흡수능과 겔강도가 양호한 비드상 고흡수성 수지의 제조방법에 관한 것이다.

고흡수성 수지는 자체중량의 수십 내지 수백 배의 물을 흡수한 후 어느 정도의 압력을 가해도 물을 쉽게 방출하지 않는 특성을 가지는 기능성 고분자의 일종으로, 위생용품인 종이기저귀, 생리대, 모유패드 등에 주로 사용되어져 오고 있다. 그 외에 고습수성 수지는 원예용으로 보수제, 수경 재배용 모판 등에, 화장품용으로 헤어 세팅겔, 보습제 등에, 건축용으로 동결방지재, 보수재, 실링재, 콘크리트혼화제 등에, 전기전자용으로 광섬유 통신케이블의 지수재, 실링재 등 광범위한 분야에 이용되고 있고, 기타 수분제거 및 수처리용, 겔형 방향제, 휴대용 화장지, 인공눈 등에도 널리 이용되어져 왔다. 또한, 고흡수성 수지에 서방성을 부여하여서는 원예용으로 서방성 비료, 서방성 농약, 서방성 약제 등에, 생활용품으로 서방성 방향제, 서방성 소취제, 서방성 살충제 및 습도조절제 등의 용도로도 이용이 기대되고 있다.

일반적으로 판매되고 있는 고흡수성 수지는 분말형 제품이 주를 이루고 있으며, 이는 무정형으로 흡수 후, 풀림 현상에 의해 일정한 형상을 유지하기가 어려운 단점을 가지고 있다.

고흡수성 수지를 서방성 제제 등 특별 용도로 사용되기 위해서는 일정한 크기 및 형상을 가지고 있고, 또 물을 흡수한 후 장시간 방치하더라도 입자의 풀림 현상이 발생하지 않아야 만이 목적하는 서방효과를 얻을 수 있게 되는 바, 무정형이 아닌 특정 형상을 가지는 고흡수성 수지 입자의 개발이 절실히 필요하다.

일반적으로 고흡수성 수지는 -OH, -NH₂, -COOH, -SO₃H 등의 친수성기를 갖는 단량체를 가교제와 같이 중합하여 3차원의 망상 구조를 갖도록 만들어진 합성 물질로 이루어져 있다. 친수성 단량체로는 부분 중화된 아크릴산을 이용하고 있고, 합성법으로는 괴상중합, 용액중합, 역상 현탁중합법, 역상 유화중합법이 주로 사용되고 있으며, 다른 방법으로는 중합성 단량체를 가열된 판상에 스프레이 하여 중합하는 방법이 사용되고 있다.

괴상중합은 친수성 단량체를 가교제와 같이 중합하여 3차원 가교를 시키거나 자기 가교에 의한 방법으로 물에 불용성인 고흡수성 수지를 제조하는 방법으로, 중합열 제어가 어려우며, 일정한 모양을 갖는 중합체를 얻기가 어렵다. 용액중합의 경우에도 입자 상태를 만들기 위해서는 건조 후, 파쇄공정이 필요하고, 크기별로 입자크기를 선별하는 공정 등이 필요하며, 또한 물을 흡수한 후 방치해 두면 입자의 풀림 현상이 발생하여 일정한 형상을 유지할 수 없는 단점이 있어 장시간 일정 형상이 유지 되어야하는 서방성 재료로 사용에는 부적합하다. 따라서, 괴상중합법 또는 용액중합법에 의해서는 일정 형상을 가지는 고흡수성 수지를 제조할 수는 없다.

일정한 입자 모양을 가지는 고흡수성 수지를 제조하기 위해서는 일반적으로 역상 현탁중합법 또는 역상 유화중합법이 적용되고 있으며, 특히 수용성 단량체를 용매상에 분산시켜 중합시키는 역상 현탁중합법은 비드상의 고흡수성 수지를 제조하는데 가장 바람직한 방법으로 채택되어 왔다.

역상 현탁중합에 의해 형성되는 고흡수성 수지의 입자크기는 대략 10 내지 500 ㎛ 범위이다. 수지입자의 크기를 제어할 수 있는 인자로서는 사용원료, 계면활성제의 HLB값, 분산 안정제의 종류 및 양, 개시제의 종류 및 양, 가교제의 종류 및 양, 교반속도, 반응온도 등이 있으며, 이중 가장 큰 영향인자로는 교반속도, 분산제의 종류 및 양, 반응온도 등인 것으로 알려져 있다. 일반적으로 교반속도를 증가시키면 입자크기가 작아지고, 교반속도를 감소시키면 입자크기가 커지는데, 평균 입자크기가 700 내지 3000 ㎛ 범위로서 비교적 큰 비드상의 고흡수성 수지를 제조하기 위해서는 교반속도가 감소되어야 하지만 용매와 친수성 단량체의 비중차이가 크기 때문에 일정 교반속도 이상으로 교반하지 않으면 뭉침현상이 일어나게 된다. 따라서, 일반적인 역상 현탁중합법으로는 입자크기가 700 내지 3000 ㎛ 범위인 비드상 고흡수성 수지를 제조하는 데에는 한계가 있다.

비드상 고흡수성 수지의 제조와 관련된 선행기술은 다음과 같다 : 미국특허 제4,459,396호 및 제4,497,930호에서는 에틸셀룰로오스, 셀룰로오스 아세테이트, 솔비탄 지방산 에스테르, 슈크로스 지방산 에스테르, 글리세롤 지방산 에스테르, 노닐페닐 에테르 등을 보호콜로이드로 사용하고, 톨루엔, 키실렌, 시클로헥산, 메틸시클로헥산을 분산매로 사용하여 역상 현탁중합법으로 비드상의 입자를 제조하였으나, 이렇게 만들어진 비드상 고흡수성 수지의 경우 평균입자 크기가 100 내지 350 ㎛ 범위였다. 또한, 일본특허공개 평6-293802호에서는 분산매로 솔비탄 지방산 에스테르, 폴리옥시에틸렌 지방산 에스테르, 당류 지방산 에스테르 외에 무기염으로 실리카 분말을 사용하고 중합이 진행되어 전환율이 50% 이상이 되었을 때 교반속도를 올려 분산력을 증가시키는 방법으로 뭉침이 없이 입자크기를 확대시키는 방법을 제시하였으나, 이 방법에서도 평균입자 크기는 120 내지 450 ㎛의 범위였다. 또한, 미국특허 제4,937,632호에서는 단량체의 점도를 증가시켜 입자크기를 향상시키는 방법을 사용하였다. 사용된 증점제로는 히드록시에틸셀룰로오스, 히드록시프로필셀룰로오스, 메틸셀룰로오스, 카르복시메틸셀룰로오스, 전분, 폴리아크릴산 등을 사용하였으며, 분산매로는 슈크로스 지방산 에스테르 단독으로 사용하여 역상 현탁중합법으로 비드상 고흡수성 수지를 제조하는 기술이 공개되어 있고, 단량체의 점도를 15 내지 5,000 cps 범위로 하여 제조시 입자크기가 100 내지 600 ㎛ 범위의 비드상 수지를 얻을 수 있었으나, 5,000 내지 10,000 cps 범위로 증점시켰을 경우에는 비드상이 아닌 소세지 모양의 입자를 얻었으며 흡수율 및 겔강도가 좋지 않은 단점을 가지고 있다. 그 밖의 공지된 방법으로서, 대한민국 특허공개 제1999-57609호 및 미국특허 제4,389,513호에서는 중합성 단량체를 가열판상에 분사하는 방식이나, 유동성 중합체를 가교제와 혼합하여 판상에 분사하는 방식을 이용하여 입자 형태의 고흡수성 수지를 제조하는 방법이 공지되어 있으나, 대부분 입자형상이 비드형이 아니고 타원형으로 이루어져 있으며, 입자크기가 작고, 별도의 설비가 제작되어야 하는 단점을 가지고 있다.

상기한 선행기술에서도 입자크기가 큰 고흡수성 수지를 제조하고자 하였으나, 중합도중 급격한 중합열로 인한 입자간의 뭉침으로 인해 비드상으로 입자크기를 키우는 데는 한계가 있었다. 교반속도의 증가로 중합열을 제어하면 입자크기가 작아지고, 교반속도의 감소는 입자간의 중합열의 제어를 할 수 없어 결국 입자간의 뭉침이 발생하게 되는 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이, 고흡수성 수지의 응용분야가 서방성 재료 등으로 확대되면서 특정 형상을 가진 고흡수성 수지의 요구가 증가하게 되고 있으며, 특히 외관을 중요시하는 제품인 방향제, 탈취제, 원예용 재료 등의 서방성 제제에 응용하기 위해서는 흡수 후에도 일정한 형태를 유지하며 입자크기를 크게 한 제품이 필요한데, 현재까지 알려진 방법으로 제조된 고흡수성 수지의 경우 입자 크기가 작아 그것의 적용에 어려움이 있다. 또한 기존의 고흡수성 수지는 기능성 재료를 포함하는 수용액(향, 소취제, 살충제 등)에 대한 흡수능이 떨어지며, 겔강도가 좋지 않아 입자 눌림 현상에 의해 형태의 구분이 어려워 외관을 중요시하는 제품 등에 사용하기에는 한계가 있다.

이에 본 출원인은 큰 입자크기를 가지는 완전 비드상 고흡수성 수지를 제조함에 있어, 수용성 증점제를 통해 단량체의 점도를 조절하여 분산성을 향상시켜 입도 분포 및 입자크기 조절이 가능하도록 하며, 용매의 적절한 조합을 통해 용매와 단량체 상간의 비중차이를 줄여 저속의 교반속도에서도 분산을 잘 이루어지게 하여 중합열 및 입자크기 조절이 용이하게 하고, 비드상을 유지시키기 위해 분산제와 더불어 중합시 발생하는 중합열에 의한 입자간의 뭉침을 방지하기 위해 윤활제를 혼합하여 사용하고, 사용 단량체의 비와 가교제의 사용량을 조절하는 것에 의하여 겔강도 및 알콜과 염수용액에 대한 흡수능을 높일 수 있으며, 상기한 모든 조건을 만족시켰을 때 목적하는 완전 비드상 고흡수성 수지를 제조할 수 있음을 알게 됨으로써 본 발명을 완성하게 되었다.

따라서, 본 발명은 흡수능 및 겔강도가 우수하고, 입자크기가 700 내지 3,000 ㎛ 범위인 완전 비드상 고흡수성 수지를 제조하는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 (1) 질소 기류하에서, 비중이 0.9 내지 1.3인 유기용매에 분산제를 분산시켜 분산액을 제조하는 과정; (2) 별도의 용기로 친수성 단량체, 가교제, 중합개시제 및 수용성 증점제 등을 완전히 혼합하고, 점도가 5,000 내지 30,000 cps 범위로 조절하는 단량체 수용액을 제조하는 과정; 및 (3) 상기 제조된 분산액과 단량체 수용액을 혼합하고, 여기에 윤활유를 첨가하고 50 내지 150 rpm 범위의 교반속도로 중합하여 평균 입자크기가 700 내지 3,000 ㎛ 범위인 비드상 고흡수성 수지를 제조하는 과정이 포함되는 비드상 고흡수성 수지의 제조방법을 그 특징으로 한다:

이와 같은 본 발명을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 제조방법을 수행하는데 있어, 적정한 비중의 유기용매와 단량체 수용액의 활용이 중요하다. 일반적인 역상 현탁중합방법에 사용되는 유기용매의 경우 비중이 0.9 이하로 단량체 수용액과의 비중차이가 커서 고른 분산을 위해서는 250 rpm 이상의 고속교반이 이루어져야만 하고, 이런 고속교반을 수행하게 되면 생성된 수지입자의 크기가 작아져서 본 발명이 목적하는 바와 같은 700 내지 3,000 ㎛인 비드상 고흡수성 수지를 제조하는 것은 불가능하며, 교반속도를 줄이게 되면 분산이 잘 이루어지지 않아 중합열 제어가 어려우며 입자간의 뭉침 현상이 발생하게 된다. 그러나, 본 발명에서는 단량체 수용액과 유기용매간의 비중 차이를 분산성이 양호한 범위로 조절함으로써, 50 내지 150 rpm 범위의 저속교반 조건에서도 충분한 분산력을 발휘할 수 있고 비교적 큰 입자크기의 수지합성이 가능하게 된 것이다. 즉, 유기용매는 비중이 0.9 내지 1.3 범위인 단일 또는 혼합용매를 사용토록 하며, 단량체 수용액은 비중이 1.0 내지 1.2 범위가 되도록 조절하여 사용하는 것이 매우 중요하다.

본 발명의 제조방법을 수행하는데 있어, 단량체 수용액의 점도를 5,000 내지 30,000 cps 범위로 증점시키는 것이 중요하다. 단량체의 점도를 증점시키게 되면 입자간의 분산능력이 증가하기 때문에 교반속도를 줄일 수 있어 입자 크기가 700 ㎛ 이하로 작아지는 것을 방지할 수 있으며, 입도분포도 조절이 가능하다.

본 발명의 제조방법을 수행하는데 있어, 가교제 사용에 의한 겔강도 및 흡수능을 조절하는 것이 중요하다. 고흡수성 수지를 수용성 약품 등에 흡수시켜 서방성 제재로 사용하기 위해서는 염이나 알콜 수용액에 대한 흡수능이 좋아야 하며 눌림에 의해 탈수가 되지 않도록 하기 위해서는 일정 강도 이상의 겔강도가 필요하다. 일반적으로 알려진 바대로 아크릴산금속염 단독 사용하여 가교시켜 제조된 고흡수성 수지의 경우는 이온교환수에 대한 흡수량은 뛰어나지만 염용액 또는 알콜류 등에 대한 흡수능이 떨어질 뿐만 아니라 겔강도가 낮은 단점을 가지고 있다. 그러나, 본 발명에서는 친수성 단량체로서 이온성 단량체와 비이온성 단량체 간에 적절한 조합비를 두고 가교제와 같이 중합하여 고흡수성 수지가 망상구조를 가지도록 함으로써, 일정강도 이상의 겔강도를 유지할 수 있었고, 이온교환수에서는 물론 염용액 또는 알콜 수용액에 대한 흡수능이 개선된 비드상의 고흡수성 수지를 제조할 수 있었다.

본 발명의 제조방법을 수행하는데 있어, 분산제와 더불어 윤활제를 함께 사용하여 중합시 중합체의 표면에 발생하는 접착력을 제거함으로써 입자간의 뭉침을 방지하는 것이 중요하다.

상기한 바대로 본 발명의 제조방법을 수행하는 데에는 중요한 기술요건들이 존재하고, 이러한 요건들이 서로 충족된 관계에 있을 때 비로소 본 발명이 목적하는 건조상태로 700 내지 3,000 ㎛ 범위의 입자크기를 가지는 비드상 고흡수성 수지를 제조할 수 있는 것이다.

본 발명에 따른 제조방법에서 사용되는 각 성분 및 이들의 사용량에 대해서 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 사용되는 유기용매로는 노말펜탄, 노말헥산, 시클로옥탄, 시클로헥산, 메틸시클로헥산, 벤젠, 에틸벤젠, 톨루엔, 키실렌, 클로로벤젠, 브롬모벤젠, 사염화탄소, 클로로포름, 에틸아세테이트, 1,2-디클로로에탄 및 1,1,2-트리클로로에탄 등 중에서 선택된 단독 또는 혼합용매를 사용하는 것이 더욱 바람직하다. 본 발명에서는 단량체 수용액과 유기용매 두 상간의 비중차이를 줄이기 위해 단량체 수용액의 비중(1.0 내지 1.2)과 유사하게 유기용매의 비중을 조절하기 위해 두 가지 이상의 유기용매를 적절하게 조합하여 사용한다. 교반속도를 줄여도 분산이 잘되며, 입자크기 및 중합열 조절이 용이한 유기용매의 적정 비중 범위는 0.9 내지 1.3이며, 중합열 제어 및 교반력 등을 고려하여 볼 때 단량체 수용액에 대하여 유기용매는 1 : 1 내지 5 부피비로 사용하는 것이 적당하다.

본 발명에서 사용하는 분산제는 입자상을 유지하며 분산상을 안정한 계로 유지 시켜주기 위해 사용하는데, 분산제로는 솔비탄지방산 에스테르, 폴리옥시에틸렌 지방산 에스테르, 슈크로스 지방산 에스테르, 에틸 셀룰로오스 및 셀룰로오스 아세테이트 등 중에서 선택된 1 종 이상을 사용한다. 상기한 분산제는 친수성 단량체 사용량에 대비 0.1 내지 5.0 중량% 범위로 사용하는 것이 바람직한데, 분산제 양이 적어지게 되면 분산안정성이 떨어져 뭉침 현상이 발생하게 되고, 그 양이 많으면 입자크기가 아주 미세해진다.

본 발명에 사용되는 친수성 단량체로는 45 내지 95 mol%로 부분 중화된 아크릴산 혹는 메타크릴산을 필수성분으로 사용한다. 필요에 따라서는 말레인산, 말레인산무수물, 푸마르산, 아크릴아미드, 메타크릴아미드, 2-아크릴아미드-2-메틸프로판술폰산, 스티렌술폰산 및 2-히드록시메타크릴레이트 중에서 선택된 1 종 이상의 친수성 단량체를 병용할 수도 있다. 특히, 제조된 수지의 겔강도 및 흡수능을 개선하기 위해서는 음이온성 단량체 30 내지 90 중량%와 비이온성 단량체 10 내지 70 중량%를 조합하여 사용하였고 중합시 가교제의 의해 망상구조를 형성하도록 한다. 본 발명에서는 친수성 단량체의 필수성분으로서 45 내지 95 mol% 범위로 부분 중화된 아크릴산 혹는 메타크릴산을 사용하는 바, 중화도가 45% 이하이면 물과의 전하 밀도차가 적어 침투압이 적게 발생하여 흡수능이 떨어지게 되므로 바람직하지 못하다. 상기한 친수성 단량체의 사용량은 단량체 수용액 대비 30 내지 50 중량% 범위로 하는 것이 좋은데, 친수성 단량체의 사용량이 30 중량% 미만이면 수율이 떨어져 경제성이 없으며, 50 중량%를 초과하면 중합시 점도가 너무 높아져 뭉침 현상이 발생하게 된다.

본 발명에서 사용되는 중합 개시제는 수용성 라디칼 개시제로 과황산칼륨, 과황산나트륨, 과황산암모늄, 과산화수소, t-부틸하이드로퍼옥사이드, 큐멘하이드로퍼옥사이드, 2,2＇-아조비스-2-아미노프로판 디하이드로클로라이드 등 중에서 선택 사용한다. 이러한 개시제는 친수성 단량체 대비 0.01 내지 1.0 중량%가 적당하다.

본 발명에서 사용되는 가교제는 친수성 단량체가 망상구조를 형성할 수 있도록 2 개 이상의 관능기를 갖는 가교제를 사용하도록 한다. 가교제로는 에틸렌글리콜 디아크릴레이트, 에틸렌글리콜 디메타아크릴레이트, 폴리에틸렌글리콜 디아크릴레이트, 폴리에틸렌글리콜 디메타아크릴레이트, 글리시딜 아크릴레이트, 에틸렌글리콜디 글리시딜에테르, 폴리에틸렌글리콜 디글리시딜에테르, N,N-메틸렌비스아크릴아미드, N-메틸올아크릴아미드, 트리알릴아민, 트리알릴시아네이트, 트리알릴이소시아네이트 및 펜타에리트리톨 등 중에서 선택 사용한다. 상기한 가교제는 친수성 단량체 사용량에 대비 0.05 내지 2.0 중량% 범위로 사용하는데, 가교제의 사용량이 0.05 중량% 미만이면 흡수능은 우수하나 겔강도가 너무 약하며, 2.0 중량%를 초과하면 겔강도는 우수하나 흡수능이 현저히 떨어지게 된다.

본 발명에서 사용되는 증점제는 입자의 크기를 유지시키기 위해 사용되는 것으로, 잔탄검, 아라비아검, 메틸셀룰로오스, 히드록시에틸셀룰로오스, 히드록시프로필셀룰로오스, 히드록시메틸프로필셀룰로오스, 카르복시메틸셀룰로오스, 폴리아크릴산, 폴리아크릴아마이드, 카바폴(초고분자량의 아크릴산) 및 전분 등 중에서 선택된 수용성 증점제를 사용하는 것이 바람직하다. 상기한 증점제는 단량체 수용액의 점도를 5,000 내지 30,000 cps(브룩필드 점도계, spindle #2, 20 ℃, 0.6 rpm) 범위로 증가시킬 수 있는 양만큼 사용하도록 하는 바, 대체로 친수성 단량체 사용량에 대비 0.1 내지 5.0 중량% 범위이다. 증점제를 소량 첨가하여 단량체 수용액의 점도가 5,000 cps 미만이면 수지입자의 크기가 작아지게 되고, 과량 첨가하여 점도가 30,000 cps를 초과하면 취급하기가 용이하지 않아 단량체의 손실이 많으며 입도분포가 고르지 않고, 비드 형성수율이 50% 이하로 떨어지게 된다. 따라서, 본 발명의 제조방법을 수행하는데 있어 단량체 수용액의 점도 조절이 중요한 바, 적량의 수용성 증점제 첨가를 통해 점도를 적당히 조절함으로써 분산안정성이 향상되게 되고 결국 낮은 교반력 하에서도 안정하게 반응이 진행되어 입자크기가 커졌으며, 입자크기의 다소를 조절하기도 용이해진 것이다.

본 발명에서 사용하는 윤활제는 뭉침 방지 및 비드상을 유지할 목적으로 분산제와 함께 사용하는데, 이러한 윤활제로는 실리콘오일(점도 100 내지 1,000 cps), 가소제로 사용되고 있는 디옥틸 프탈레이트, 디부틸 프탈레이트, 유용성 고분자로 분자량(Mw) 50,000 이하인 스티렌/말레인산무수물 공중합체, 이소프렌/말레인산무수물 공중합체, 이소부틸렌/말레인산무수물 공중합체, 부타디엔/말레인산 공중합체, 말레인산 부가 폴리부타디엔 등 중에서 선택 사용하는 것이 바람직하다. 상기한 유화제는 친수성 단량체 사용량에 대비 0.2 내지 10.0 중량% 범위로 사용하는 것이 바람직한 바, 유화제는 중합체 표면에 존재하여 중합도중 중합체가 갖는 점성에 의해 서로 뭉쳐지는 것을 방지할 수 있는데, 윤활제의 사용량이 너무 많으면 경제성이 떨어지며 중합 후 수지 표면에 잔존하여 투명성 및 흡수속도를 저해하는 요인이 된다.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명은 다음의 실시예에 의거하여 더욱 상세히 설명하겠는 바, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.

실시예 1

응축기가 달린 2 L의 둥근 플라스크에 톨루엔과 1,1,2-트리클로로에탄을 조합하여 비중이 1.0이 되도록 조절한 유기용매 600 g에, 에틸셀룰로오스 1.5 g을 넣고, 질소 기류하, 60 ℃에서 2시간 이상 교반시켜 완전히 용해시켰다.

다른 비이커에 아크릴산 50 g과 물 100 g을 넣고, 용액온도를 20 ℃ 이하로 유지시키면서 50% 수산화나트륨 25 g을 이용하여 45 mol%가 중화되도록 한 후, 여기에 40% 아크릴아미드 용액 125 g과 가교제로 에틸렌글리콜 디아크릴레이트 1.2 g 및 증점제인 히드록시에틸셀룰로오스 3 g 등을 넣고 완전히 용해하였는데, 이 때의 점도는 약 5,000 cps(브룩필드 점도계, 0.6 rpm)였다. 이어서, 10 g의 물에 과황산칼륨 0.2 g을 용해시킨 개시제를 이 단량체 수용액에 넣었으며, 이 때 얻어진 단량체 혼합물 용액의 비중은 1.0 이었다.

상기에서 제조한 단량체 만들어진 혼합용액을 플라스크에 천천히 첨가하고, 뭉침 방지를 위해 실리콘오일(점도 100 cps) 10 g을 첨가한 후, 교반속도를 125 rpm으로 고정하고, 중합반응은 65 ℃에서 4 시간 동안, 70 ℃로 올려 2 시간 동안 진행하였다.

중합반응이 완결되면 플라스크 밑 부분에 물을 함유한 비드상의 고흡수성 수지가 쌓이게 되는데, 정치상태에서 반응용액을 제거한 후, 메탄올을 투입하여 비드상 수지 중의 수분을 제거하는 과정을 2회 반복하였다. 더욱 정결히 하기 위하여, 에탄올로 세척한 후, 열풍 건조기로 110 ℃에서 4 시간 동안 건조하여 뭉침이 없는 완전 비드상의 고흡수성 수지를 얻었다.

실시예 2

유기용매들로 시클로헥산과 1.2-디클로로에탄을 조합하여 비중을 1.0으로, 히드록시에틸셀룰로오스를 증점제로 사용하여 단량체 점도를 10,000 cps로 각각 맞추는 것 이외에는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하였다

실시예 3

유기용매들로 시클로헥산과 1.2-디클로로에탄을 조합하여 비중을 1.0으로, 히드록시에틸셀룰로오스를 증점제로 사용하여 점도를 15,000 cps로 각각 맞추는 것 이외에는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하였다.

실시예 4

상기 실시예 1에서와 같은 둥근 플라스크에 메틸시클로헥산과 1,2 디클로로에탄을 조합하여 비중을 1.0으로 조절한 유기용매 600g에, 분산제로 에틸 셀룰로오스 1.5 g을 넣고, 질소 기류하에서, 60 ℃에서 2 시간 이상 교반하여 에틸셀룰로오스를 완전히 용해시켰다.

다른 비이커에 아크릴산 50 g과 물 100 g을 넣고, 이 용액온도를 20 ℃ 이하로 유지시키면서, 50% 수산화나트륨 50 g을 이용하여 90 mol%가 중화되도록 한 후, 여기에 40% 아크릴아미드 125 g, 가교제인 메틸렌비스아크릴아미드 0.7 g 및 증점제인 히드록시에틸셀룰로오스 3 g 등을 단계적으로 넣고 완전히 용해하였는데, 이 때의 점도는 약 15,000 cps이었다. 이어서, 10 g의 물에 과황산칼륨 0.2 g을 용해시킨 개시제를 이 단량체 수용액에 넣었으며, 이 때 얻어진 단량체 수용액의 비중은 1.0 이었다.

분산액이 포함되어 있는 플라스크에 상기에서 제조한 단량체 수용액을 천천히 첨가하고, 여기에 뭉침 방지를 위해 윤활제로 부타디엔/말레인산 공중합체 20 g을 첨가한 후, 교반속도를 125 rpm으로 고정시키고, 중합반응은 65 ℃로 유지하여 4 시간, 70 ℃로 올려 2 시간 동안 진행하였다.

중합반응이 완결되면 반응기 밑 부분에 물을 함유한 비드상의 고흡수성 수지가 쌓이게 되는데, 정치상태에서 반응용액을 제거한 후 메탄올을 투입하여 비드상 수지의 수분을 제거하는 과정을 2회 반복하였다. 더욱 정결히 하기 위하여, 에탄올로 세척한 후, 열풍 건조기로 110 ℃에서 4 시간 동안 건조하여 완전 비드상 고흡수성 수지를 얻었다.

비교예 1

유기용매들로 시클로헥산과 1.2-디클로로에탄을 조합하여 비중을 1.0으로, 히드록시에틸셀룰로오스를 증점제로 사용하여 점도를 1,000 cps로 각각 맞추고, 교반속도를 125 rpm으로 조절하는 것 이외에는 실시예 4와 동일하게 수행하였다.

비교예 2

유기용매들로 시클로헥산과 1.2-디클로로에탄을 조합하여 비중을 1.0으로, 히드록시에틸셀룰로오스를 증점제로 사용하여 점도를 50,000 cps로 각각 맞추고, 교반속도를 125 rpm으로 조절하는 것 이외에는 상기 실시예 4와 동일하게 수행하였다.

비교예 3

윤활제를 전혀 함유시키지 않는 것 이외에는 상기 실시예 4와 동일하게 수행하였다.

비교예 4

유기용매의 비중을 맞추지 않고 톨루엔(비중 0.87)을 단독으로 사용하는 것 이외에는 상기 실시예 4와 동일하게 수행하였다

비교예 5

상기 실시예 1에서와 동일한 플라스크에 톨루엔(비중 0.87) 600 g과 분산제로 에틸셀룰로오스 5 g을 넣고, 질소 기류하, 60 ℃에서 2 시간 이상 교반시켜 에틸셀룰로오스를 완전히 용해시켰다.

다른 비이커에 아크릴산 100 g과 물 200 g을 넣고, 이 용액온도를 20 ℃ 이하로 유지시키면서 50% 수산화나트륨 50 g을 이용하여 45 mol%가 중화되도록 한 후, 가교제로 에틸렌글리콜 디아크릴레이트 1.2 g을 넣고 완전히 용해시켰다. 별도의 증점제는 첨가하지는 않았다. 이어서, 과황산칼륨 0.2 g을 10 g의 물에 완전 용해시킨 개시제를 이 단량체 수용액에 넣었고, 이 때 얻어진 단량체 수용액의 비중은 0.87 이었으며, 점도는 100 cps 이하였다.

분산액이 포함되어 있는 플라스크에 상기에서 제조한 단량체 수용액을 천천히 첨가하고, 윤활제를 첨가하지 않은 상태에서, 교반속도를 125 rpm으로 고정하고, 중합반응은 65 ℃에서 4 시간, 70 ℃로 올려 2시간 동안 진행시켰다.

중합반응이 완결되면 플라스크 밑 부분에 물을 함유한 비드상의 고흡수성 수지가 쌓이게 되는데, 정치상태에서 반응용매를 제거한 후, 메탄올을 투입하여 비드상 수지의 수분을 제거하는 과정을 2 회 반복하였다. 더욱 정결히 하기 위하여, 에탄올로 세척한 후, 열풍 건조기로 110 ℃에서 4 시간 동안 건조하여 고흡수성 수지를 얻었다.

비교예 6

히드록시에틸셀룰로오스를 증점제로 사용하여 점도를 15,000 cps로 맞추는 것 이외에는 상기 비교예 5와 동일하게 수행하였다.

비교예 7

교반속도를 250 rpm에서 125 rpm으로 줄인 것 이외에는 상기 비교예 6과 동일하게 수행하였다.

상기 실시예 1 ∼ 4 및 비교예 1 ∼ 7에서 보는 바와 같이 고흡수성 수지 제조할 때의 주요 조건들을 살펴서 요약해보면 다음 표 1과 같았다.

상기 실시예 1 ∼ 4 및 비교예 1 ∼ 7에서 제조한 각각의 고흡수성 수지에 대해서 다음과 같은 요령으로 각 물성 항목을 측정하여 다음 표 2에 나타내었다.

(1) 입도크기 분포 및 평균입도

KS 표준체와 체가름기를 사용하여 30분간 체가름한 후 각 표준체에 남아있는 양을 계산하여 평균입도 및 입도크기 분포를 정하였다.

(2) 흡수후 겔강도

고흡수성 수지 입자를 최대로 하기 위하여 이온교환수에 흡수시킨 후 압축강도 측정기를 이용하여 파괴시의 겔강도를 측정하였다.

(3) 이온교환수 흡수량

500 mL 비이커에 고흡수성 수지 2.0 g을 이온교환수 500 g에 첨가하고, 1 시간 동안 충분히 흡수시킨 후 200 mesh의 체로 쳐서 30 분간 물기를 빼고 흡수시킨 후의 중량을 측정하였다.

(4) 염용액 흡수율

500 mL 비이커에 고흡수성 수지 2.0 g을 0.9% 식염수 500 g에 첨가하고, 1시간 동안 충분히 흡수시킨 후 200 mesh의 체로 쳐서 30 분간 물기를 빼고 흡수시킨 후의 중량을 측정하였다.

(5) 에탄올 수용액 흡수율

500 mL 비이커에 고흡수성 수지 2.0 g을 20% 에탄올 수용액 500 g에 첨가하고, 1시간 동안 충분히 흡수시킨 후 200 mesh의 체로 쳐서 30 분간 물기를 빼고 흡수된 중량을 측정하였다.

상기 표 1에서 확인되는 바와 같이, 본 발명의 제조방법에 의해 제조되어 건조된 고흡습성 수지는 평균 입자크기가 700 내지 3,000 ㎛ 범위이며, 입도분포가 좁으며, 수용액에 첨가하면 고팽윤의 완전 비드상을 유지하였다 팽윤된 수지는 겔강도가 양호하고 에탄올 또는 염용액에서의 흡수능도 우수하였다. 건조상태로 제조된 비드상의 고흡수성 수지는 물을 흡수하여 크기가 커진 후에도 비드형상을 그대로 유지하며, 맑고 투명한 형태로 유지되므로, 토양개질용, 탈취제, 방향제, 원예용 비료, 살충제, 가정용 살충제와 같은 서방성 재료, 위생용품 및 탈수제, 보수제와 같은 산업 용도에 적합하게 사용될 수 있다.

도 1은 비드상 고흡수성 수지에 대한 디지털 사진들로서,

(a) 및 (b)는 본 발명에서 얻어진 건조 및 수팽윤된 상태의 시료이고,

(c) 및 (d)는 일본 G사의 것으로, 건조 및 수팽윤된 상태의 시료이다.

Claims (10)

1) 질소 기류하에서, 비중이 0.9 내지 1.3인 유기용매를 분산제에 분산시켜 분산액을 제조하는 과정,

2) 별도의 용기에서 친수성 단량체, 가교제, 중합개시제 및 수용성 증점제가 포함되어 있고, 점도가 5,000 내지 30,000 cps 범위로 조절되는 단량체 수용액을 제조하는 과정, 및

3) 상기 제조된 분산액과 단량체 수용액을 혼합한 후, 윤활유를 첨가하고, 50 내지 150 rpm 범위의 교반속도로 분산시키며 중합반응을 하고 평균 입자크기가 700 내지 3,000 ㎛ 범위인 비드상 고흡수성 수지를 제조하는 과정이

포함되는 것으로 특징으로 하는 제조방법.

제 1 항에 있어서, 상기 단량체 수용액의 비중이 1.0 내지 1.2인 것을 특징으로 하는 제조방법.

제 1 항에 있어서, 상기 단량체 수용액의 사용량에 대하여 유기용매는 1 : 1 내지 5 부피비로 사용하는 것을 특징으로 하는 제조방법.

제 1 항에 있어서, 상기 유기용매로는 노말펜탄, 노말헥산, 시클로옥탄, 시클로헥산, 메틸시클로헥산, 벤젠, 에틸벤젠, 톨루엔, 키실렌, 클로로벤젠, 브롬모벤젠, 사염화탄소, 클로로포름, 에틸아세테이트, 1,2-디클로로에탄 및 1,1,2-트리클로로에탄 중에서 선택된 1 종 이상을 사용하는 것을 특징으로 하는 제조방법.

제 1 항에 있어서, 상기 친수성 단량체로는 45 내지 95 mol% 범위로 부분 중화된 아크릴산 혹는 메타크릴산을 단독 사용하거나, 이와 함께 말레인산, 말레인산무수물, 푸마르산, 아크릴아미드, 메타크릴아미드, 2-아크릴아미드-2-메틸프로판술폰산, 스티렌술폰산 및 2-히드록시메타크릴레이트 중에서 선택된 1 종 이상의 친수성 단량체를 병용하는 것을 특징으로 하는 제조방법.

제 5 항에 있어서, 상기 친수성 단량체는 음이온성 단량체 30 내지 90 중량%와 비이온성 단량체 10 내지 70 중량% 범위의 조합을 이루고 있는 것을 특징으로 하는 제조방법.

제 1 항에 있어서, 상기 분산제로는 솔비탄지방산 에스테르, 폴리옥시에틸렌 지방산 에스테르, 슈크로스 지방산 에스테르, 에틸셀룰로오스 및 셀룰로오스 아세테이트 중에서 선택된 1 종 이상을 사용하며, 친수성 단량체 사용량에 대비 0.1 내지 5.0 중량% 범위로 사용하는 것을 특징으로 하는 제조방법.

제 1 항에 있어서, 상기 윤활제로는 실리콘오일, 디옥틸 프탈레이트, 디부틸 프탈레이트, 스티렌/말레인산무수물 공중합체, 이소프렌/말레인산무수물 공중합체, 이소부틸렌/말레인산무수물 공중합체, 부타디엔/말레인산 공중합체 및 말레인산 부가 폴리부타디엔 중에서 선택된 1 종 이상을 사용하며, 친수성 단량체 사용량에 대비 0.2 내지 10.0 중량% 범위로 사용하는 것을 특징으로 하는 제조방법.

제 1 항에 있어서, 상기 가교제로는 에틸렌글리콜 디아크릴레이트, 에틸렌글리콜 디메타크릴레이트, 폴리에틸렌글리콜 디아크릴레이트, 폴리에틸렌글리콜 디메타크릴레이트, 글리시딜 아크릴레이트, 에틸렌글리콜 디글리시딜에테르, 폴리에틸렌글리콜 디글리시딜에테르, N,N-메틸렌비스아크릴아미드, N-메틸올아크릴아미드, 트리알릴아민, 트리알릴시아네이트, 트리알릴이소시아네이트 및 펜타에리트리톨 중에서 선택된 것으로, 친수성 단량체 사용량에 대비 0.05 내지 2.0 중량% 범위로 사용하는 것을 특징으로 하는 제조방법.

제 1 항에 있어서, 상기 수용성 증점제로는 잔탄검, 아라비아검, 메틸셀룰로오스, 히드록시에틸셀룰로오스, 히드록시프로필셀룰로오스, 히드록시메틸프로필셀룰로오스, 카르복시메틸셀룰로오스, 폴리아크릴산, 폴리아크릴아마이드, 카바폴(초고분자량의 폴리아크릴산) 및 전분 중에서 선택된 것으로, 친수성 단량체 사용량에 대비 0.1 내지 5.0 중량% 범위로 사용하여 단량체 수용액의 점도를 5,000 내지 30,000 cps 범위로 조절하는 것을 특징으로 하는 제조방법.