KR101126678B1 - 고흡수성 수지 제조용 중합 반응기 및 이를 이용한 고흡수성 수지의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 고흡수성 수지 제조용 중합 반응기 및 이를 이용한 고흡수성 수지의 제조 방법에 관한 것이다. 구체적으로, 상기 중합 반응기는 둘 이상의 회전축과, 상기 회전축 사이에 걸쳐 설치되고, 상기 회전축의 회전에 의해 일정 방향으로 진행 가능하도록 형성된 컨베이어 벨트와, 상기 컨베이어 벨트 상에 위치한 중합 에너지 공급부를 각각 포함하는 제 1 및 제 2 벨트 중합기를 포함하고, 상기 제 2 벨트 중합기는 상기 제 1 벨트 중합기에서 중합 에너지가 공급된 시트상 중합겔의 제 1 면과 반대되는 제 2 면에 중합 에너지가 공급되도록 배열되거나, 또는 상기 제 1 및 제 2 벨트 중합기 사이에 위치하는 중합겔 분쇄부를 포함하고, 상기 중합겔 분쇄부 및 제 2 벨트 중합기는 상기 제 1 벨트 중합기에서 중합된 시트상 중합겔이 중합겔 분쇄부에서 분쇄된 후 상기 제 2 벨트 중합기의 컨베이어 벨트 상에 전달될 수 있게 배열된다.
이와 같은 중합 반응기를 이용하여 고흡수성 수지를 제조하면, 보다 효율적으로 중합 반응을 진행할 수 있어, 생산성을 높일 수 있고, 또한 잔존 모노머 함량을 최소화하여 물성이 우수한 고흡수성 수지를 제조할 수 있다.
이와 같은 중합 반응기를 이용하여 고흡수성 수지를 제조하면, 보다 효율적으로 중합 반응을 진행할 수 있어, 생산성을 높일 수 있고, 또한 잔존 모노머 함량을 최소화하여 물성이 우수한 고흡수성 수지를 제조할 수 있다.
Description
본 발명은 고흡수성 수지의 제조 방법에 관한 것이다.
고흡수성 수지(Super Absorbent Polymer, SAP)란 자체 무게의 5백 내지 1천 배 정도의 수분을 흡수할 수 있는 기능을 가진 합성 고분자 물질로, 개발업체마다 SAM (Super Absorbency Material), AGM(Absorbent Gel Material) 등 각기 다른 이름으로 명명하고 있다. 상기와 같은 고흡수성 수지는 생리용구로 실용화되기 시작해서, 현재는 어린이용 종이기저귀 등 위생용품 외에 원예용 토양보수제, 토목, 건축용 지수재, 육묘용 시트, 식품유통분야에서의 신선도 유지제, 및 찜질용 등의 재료로 널리 사용되고 있다.
상기와 같은 고흡수성 수지를 제조하는 방법으로는 역상현탁중합에 의한 방법 또는 수용액 중합에 의한 방법 등이 알려져 있다. 역상현탁중합에 대해서는 예를 들면 일본 특개소 56-161408, 특개소 57-158209, 및 특개소 57-198714 등에 개시되어 있다. 수용액 중합에 의한 방법으로는 또 다시, 여러 개의 축을 구비한 반죽기 내에서 함수겔상 중합체를 파단, 냉각하면서 중합하는 열중합 방법, 및 고농도 수용액을 벨트상에서 자외선 등을 조사하여 중합과 건조를 동시에 행하는 광중합 방법 등이 알려져 있다.
한편, 보다 우수한 물성을 가진 함수겔상 중합체를 얻기 위해, 최근 벨트 상에서 일정량의 단량체 조성물을 공급하여 광조사하는 방법이 널리 이용되고 있다. 하지만, 이와 같은 벨트 상의 중합 방법은 일정 부분에만 자외선 등의 중합 에너지 원이 전달되어 중합 효율이 높지 않고, 또한 잔존 모노머가 일정량 포함되어, 이러한 잔존 모노머의 존재로 인해 고흡수성 수지의 물성 개선에 한계가 있어 왔다.
이에, 본 발명의 발명자들은 보다 우수한 물성을 갖는 고흡수성 수지를 제조하기 위해 벨트 상 중합 방법을 이용하면서도, 종래 벨트 상 중합 방법의 문제점이었던, 낮은 전환율 및 높은 잔존 모노머 함량 등의 문제를 해결하기 위해 연구를 거듭하던 중 본 발명을 완성하였다.
본 발명은 잔존 모노머 함량이 낮고, 물성이 우수한 고흡수성 수지를 제조할 수 있는 고흡수성 수지 제조용 중합 반응기 및 이를 이용한 고흡수성 수지의 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명은 둘 이상의 회전축과, 상기 회전축 사이에 걸쳐 설치되고, 상기 회전축의 회전에 의해 일정 방향으로 진행 가능하도록 형성된 컨베이어 벨트와, 상기 컨베이어 벨트 상에 위치한 중합 에너지 공급부를 각각 포함하는 제 1 및 제 2 벨트 중합기를 포함하고, 상기 제 2 벨트 중합기는 상기 제 1 벨트 중합기에서 중합 에너지가 공급된 시트상 중합겔의 제 1 면과 반대되는 제 2 면에 중합 에너지가 공급될 수 있게 배열되는 고흡수성 수지 제조용 중합 반응기를 제공한다.
또한, 본 발명은 둘 이상의 회전축과, 상기 회전축 사이에 걸쳐 설치되고, 상기 회전축의 회전에 의해 일정 방향으로 진행 가능하도록 형성된 컨베이어 벨트와, 상기 컨베이어 벨트 상에 위치한 중합 에너지 공급부를 각각 포함하는 제 1 및 제 2 벨트 중합기; 및 상기 제 1 및 제 2 벨트 중합기 사이에 위치하는 중합겔 분쇄부를 포함하고, 상기 중합겔 분쇄부 및 제 2 벨트 중합기는 상기 제 1 벨트 중합기에서 중합된 시트상 중합겔이 중합겔 분쇄부에서 분쇄된 후 상기 제 2 벨트 중합기의 컨베이어 벨트 상에 전달될 수 있게 배열되는 고흡수성 수지 제조용 중합 반응기를 제공한다.
그리고, 본 발명은 둘 이상의 회전축과, 상기 회전축 사이에 걸쳐 설치되고, 상기 회전축의 회전에 의해 일정 방향으로 진행 가능하도록 형성된 컨베이어 벨트와, 상기 컨베이어 벨트 상에 위치한 제 1 중합 에너지 공급부를 포함하는 벨트 중합기; 및 상기 벨트 중합기에서 중합되고 컨베이어 벨트의 타측 끝단에 이르러 낙하하는 시트상 중합겔의 양면에 중합 에너지를 공급하도록 설치된 제 2 중합 에너지 공급부를 포함하는 고흡수성 수지 제조용 중합 반응기를 제공한다.
마지막으로, 본 발명을 상술한 고흡수성 수지 제조용 중합 반응기를 이용하여 고흡수성 수지를 제조하는 방법을 제공한다.
이하, 발명의 구체적인 구현예에 따른 고흡수성 수지 제조용 중합 반응기 및 이를 이용한 고흡수성 수지의 제조 방법에 대해 설명하기로 한다.
발명의 일 구현예에 따라, 둘 이상의 회전축과, 상기 회전축 사이에 걸쳐 설치되고, 상기 회전축의 회전에 의해 일정 방향으로 진행 가능하도록 형성된 컨베이어 벨트와, 상기 컨베이어 벨트 상에 위치한 중합 에너지 공급부를 각각 포함하는 제 1 및 제 2 벨트 중합기를 포함하고, 상기 제 2 벨트 중합기는 상기 제 1 벨트 중합기에서 중합 에너지가 공급된 시트상 중합겔의 제 1 면과 반대되는 제 2 면에 중합 에너지가 공급될 수 있게 배열되는 고흡수성 수지 제조용 중합 반응기를 제공한다.
이와 같은 고흡수성 수지 제조용 중합 반응기를 이용하면, 하기의 고흡수성 수지의 제조 방법에 관한 구현예에서 상세히 설명하겠지만, 제 1 벨트 중합기에서 중합 에너지가 공급된 시트상 중합겔(또는 단량체 조성물)의 제 1 면뿐만 아니라, 상기 제 1 면의 후면인 제 2 면 모두에 골고루 중합 에너지가 전달되어 시트상 중합겔의 양면에서 중합 반응이 균일하게 일어나, 중합 효율을 높일 수 있을 뿐 아니라, 잔존 모노머의 함량도 최소화할 수 있다.
또한, 이와 같이 중합 에너지 공급부에서 공급된 중합 에너지에 의한 가교 중합 반응이 단량체 조성물 및/또는 시트상 중합겔 부피 전반에 걸쳐 골고루 일어나, 잔존 모노머 함량도 최소화 되고, 최종 제조되는 고흡수성 수지의 물성 또한 우수하게 나타난다.
한편, 상술한 구현예에 따른 중합 반응기에 있어서, 상기 제 2 벨트 중합기는 상기 제 1 벨트 중합기의 하단에 설치되며, 상기 제 1 벨트 중합기의 컨베이어 벨트의 일측 끝단에서 타측 끝단으로 진행된 단량체 조성물이 상기 제 2 벨트 중합기의 컨베이어 벨트의 타측 끝단으로 낙하하여 상기 제 2 벨트 중합기의 컨베이어 벨트의 일측 끝단으로 진행되도록 설계될 수 있다. 즉, 제 1 벨트 중합기에서 중합 에너지가 공급된 시트상 중합겔의 제 1 면과 반대되는 제 2 면에 중합 에너지가 공급될 수 있게 제 2 벨트 중합기를 배열하기 위해, 상기 제 2 벨트 중합기는 제 1 벨트 중합기 하단에 설치될 수 있다. 이와 같이 제 2 벨트 중합기를 제 1 벨트 중합기의 하단에 나란히 설치하기만 하면, 별도의 수단 없이도 제 1 벨트 중합기의 컨베이어 벨트 타측 끝단으로 진행된 시트상 중합겔이 제 2 벨트 중합기의 컨베이어 타측 끝단으로 낙하하여, 제 1 벨트 중합기에서 중합 에너지가 직접 공급되지 않았던 시트상 중합겔의 제 2 면이 상면으로 노출되어 중합 에너지가 직접 공급될 수 있다.
이와 같은 중합 반응기를 간략히 도시한 것이 도 1이다. 도 1에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명의 일 구현예에 따른 중합 반응기(100)는 회전축(12), 컨베이어 벨트(14), 및 중합 에너지 공급부(16)를 포함하는 제 1 벨트 중합기(10) 및 동일한 구성으로 회전축(22), 컨베이어 벨트(24), 및 중합 에너지 공급부(26)를 포함하는 제 2 벨트 중합기(20)를 포함하는 구성이다. 한편, 이와 같은 제 2 벨트 중합기는 상기 제 1 벨트 중합기에서 중합 에너지가 공급된 시트상 중합겔의 제 1 면과 반대되는 제 2 면에 중합 에너지가 공급되도록 배열될 수 있는데, 이와 같이 제 2 벨트 중합기를 제 1 벨트 하단에 설치한 일 예가 도 1과 같다.
한편, 도 1에서 볼 수 있는 바와 같이, 제 1 벨트 중합기의 컨베이어 벨트(14)에 공급된 단량체 조성물(60)은 회전축(12)의 회전에 의한 컨베이어 벨트(14)의 이동에 따라 컨베이어 벨트 일측 끝단에서 타측 끝단으로 이동한다. 이와 같이 이동 중에 단량체 조성물은 제 1 벨트 중합기의 중합 에너지 공급부(16)로부터 공급된 중합 에너지에 의한 가교 중합 반응을 진행하게 된다. 그리고, 제 1 벨트 중합기의 타측 끝단으로 이동된 시트상 중합겔은 제 2 벨트 중합기(20)의 타측 끝단으로 낙하하여, 상기 제 2 벨트 중합기의 컨베이어 벨트(24)의 일측 끝단으로 진행한다. 이때, 제 1 벨트 중합기의 타측 끝단으로 이동된 시트상 중합겔을 낙하시켜, 하단에 설치된 제 2 벨트 중합기에 공급하기 위해서는 제 1 벨트 중합기와 제 2 벨트 중합기의 회전축들의 이동 방향은 서로 반대 방향이 되도록 운전할 수 있다. 이와 같이, 운전하는 경우 별도의 조작 없이도 제 1 벨트 중합기의 일측 끝단으로 진행된 시트상 중합겔의 제 1 면과 반대되는 제 2 면이 제 2 벨트 중합기의 컨베이어 벨트 상면에 노출된 형태로 낙하하여 제 2 벨트 중합기에 전달될 수 있다. 따라서, 이와 같이 운전하여 제 1 벨트 중합기에 공급된 단량체 조성물의 전 부피에 걸쳐 중합 에너지가 골고루 공급되어, 가교 중합 반응이 고르게 일어난 중합겔을 얻을 수 있다.
한편, 본 발명의 또 다른 구현예에 따라 둘 이상의 회전축과, 상기 회전축 사이에 걸쳐 설치되고, 상기 회전축의 회전에 의해 일정 방향으로 진행 가능하도록 형성된 컨베이어 벨트와, 상기 컨베이어 벨트 상에 위치한 중합 에너지 공급부를 포함하는 하나 이상의 벨트 중합기가, 상술한 구현예에 따른 중합 반응기의 제 2 중합기 하단에 추가 설치된 중합 반응기를 제공한다.
이와 같은 중합 반응기를 추가로 다단으로 설치하여, 시트상 중합겔의 양면에 고르게 중합 에너지를 공급하여 중합 효율을 더욱 높일 수 있다. 제 2 중합 반응기의 하단에 추가로 설치되는 중합 반응기의 개수는 중합 반응 조건, 생산 효율, 생산량, 생산 원가 등을 고려하여 그 개수에 한정이 없이 선택하여 설계할 수 있다.
한편, 상술한 구현예들에 따른 중합 반응기는 추가로 상기 제 1 벨트 중합기의 컨베이어 벨트 표면에 형성된 고분자 보호필름을 더 포함한 형태일 수 있다. 제 1 벨트 중합기의 컨베이어 벨트 표면에 공급되는 단량체 조성물은 어느 정도 점성이 있고, 컨베이어 벨트 끝단으로 이동하여 중합 반응이 진행되어 시트상 중합겔의 형태를 띄더라도, 벨트 표면과 시트상 중합겔이 맞닿는 부분에서는 어느 정도 중합겔 오염물이 벨트 표면에 남아 있을 수 있다. 따라서, 일정 시간 운전 시, 이와 같은 오염물은 공급되는 단량체 조성물과도 섞이게 되어, 중합 효율을 떨어뜨릴 뿐 아니라, 최종 생성되는 고흡수성 수지의 물성에도 열악하게 할 수 있다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위해, 제 1 벨트 중합기의 컨베이어 벨트 표면은 일정 시간 운전 후, 별도로 청소를 해야 한다. 반면, 제 2 벨트 중합기의 컨베이어 벨트 표면의 경우, 어느 정도 중합이 이루어져 점성이 거의 없는 시트상 중합겔이 컨베이어 벨트면에 접촉하게 되어 제 1 컨베이어 벨트 표면에 나타나는 상기와 같은 문제점은 거의 없다. 한편, 제 1 벨트 중합기의 컨베이어 벨트 표면에 형성된 고분자 보호필름을 더 포함하는 벨트 중합기의 경우, 상술한 제 1 벨트 중합기의 벨트 표면 오염 문제를 해결할 수 있다. 즉, 상기 고분자 보호필름은 몇 회 운전 또는 일정 시간 운전 후, 용이하게 제거될 수 있도록 컨베이어 벨트 표면에 형성되며, 일정 시간 운전 후 오염된 고분자 필름을 제거하고 나서, 새로운 고분자 보호필름을 추가하여 벨트 중합기를 운전하면 생산 효율도 높일 수 있고, 운전 조작도 용이해지는 이점이 있다.
한편, 이와 같은 고분자 필름은 그 구성의 한정은 없으나, 폴리염화비닐(PVC) 필름, 폴리에틸렌(PE)필름, 테프론(Teflon, poly Tetra Fluoro Ethylene) 필름, 테프론(Teflon, poly Tetra Fluoro Ethylene)이 코팅된 필름, 상기 PVC, PE 및 Teflon으로 이루어진 군에서 선택되는 2종 이상의 고분자 복합체 필름, 상기 PVC, PE 및 Teflon으로 이루어진 군에서 선택되는 2종 이상의 고분자 복합체로 코팅된 필름 등을 들 수 있다. 다만, 이와 같은 구성에 한정되지 않고, 일정 수준 이상의 함수율을 가진 중합겔이 들러붙지 않는 재질이면, 그 구성의 한정은 없다.
한편으로는 단량체 조성물이 제 1 벨트 중합기의 컨베이어 벨트 표면에 들러붙는 현상을 방지하기 위해 상기와 같이 용이하게 제거 가능한 고분자 보호필름을 사용하거나, 또는 제 1 벨트 중합기의 컨베이어 벨트 표면 자체를 단량체 조성물 또는 중합겔이 잘 들러붙지 않는 재질로 코팅 처리할 수 있다. 이 때, 컨베이어 벨트 표면 코팅에 사용될 수 있는 재료는 중합체 겔의 분리를 용이하게 할 수 있는 재료이면 그 구성의 한정은 없으나, 바람직하게 테프론, 실리콘, 또는 폴리이미드 등을 사용할 수 있다. 또는 테프론, 실리콘 및 폴리이미드로 이루어진 군에서 선택되는 2 종 이상을 포함하는 공중합체로 벨트 표면을 코팅할 수도 있다.
그리고, 상술한 구현예에 따른 중합 반응기는 상기 제 1 벨트 중합기의 컨베이어 벨트의 타측 끝단에서 낙하하는 단량체 조성물을 제 2 벨트 중합기의 컨베이어 벨트의 타측 끝단으로 전달하기 위한 가이드 부재(50)를 더 포함할 수 있다. 이와 같은 가이드 부재(50)에 대해서는 도 1에 도시된 바와 같다. 가이드 부재 없이도, 제 1 벨트 중합기의 타측 끝단으로 진행된 시트상 중합겔은 제 2 벨트 중합기의 컨베이어 벨트 상에 자유 낙하하여 추가 중합을 진행할 수 있으나, 이와 같은 가이드 부재의 설치로 인해, 보다 용이하게 시트상 중합겔을 제 2 벨트 중합기로 전달할 수 있다. 가이드 부재와 중합기 내벽과의 부설 각도는 제 1 벨트 중합기에서 중합되는 시트상의 단량체 조성물의 점도 및 제 1 벨트 중합기와의 부착력 정도 등을 고려하여 적절한 각도로 부설될 수 있다. 바람직하게는 중합 반응기 내벽과 10° 내지 75°의 각도를 이루는 형태로 부설될 수 있으며, 경우에 따라 각도를 조절할 수 있도록 내벽과 가이드 부재의 접합부를 설계할 수도 있다. 한편, 상술한 구현예들에 따른 중합 반응기에 있어서, 상기 중합 에너지 공급부는 고흡수성 수지 제조를 위한 단량체 조성물에 중합 에너지를 전달할 수 있는 것이면, 그 구성의 한정은 없으나, 자외선 조사부, 열풍 공급부, 마이크로파 조사부, 및 적외선 조사부로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있다. 바람직하게는 제 1 벨트 중합기의 중합 에너지 공급부는 자외선 조사부이고, 제 2 벨트 중합기의 중합 에너지 공급부는 자외선 조사부, 열풍 공급부, 마이크로파 조사부 및 적외선 조사부로 이루어진 군에서 선택되는 1 종 이상일 수 있다. 이와 같이 제 1 벨트 중합기의 중합 에너지 공급부로 자외선 조사부를 이용함에 따라, 시트 상으로 넓게 제 1 벨트 중합기에 공급되는 단량체 조성물에 골고루 중합 에너지가 전달되어 가교 중합 반응이 효율적으로 일어날 수 있다.
그리고, 상술한 구현예에 따른 중합 반응기에서 중합 에너지 공급부는 경우에 따라, 컨베이어 벨트의 길이 방향을 따라 복수로 설치될 수도 있다. 도 1 은 제 1 벨트 중합기(10)에 하나의 중합 에너지 공급부(16)를 설치한 중합 반응기를 나타낸 것인데, 운전 조건에 따라 복수의 중합 에너지 공급부를 설치할 수도 있다. 또한, 중합 에너지 공급부의 부설 위치는 바람직하게는 단량체 조성물이 공급되어 중합이 시작되는 컨베이어 벨트의 일측 상이 될 수 있다.
한편, 상술한 구현예들에 따른 중합 반응기는 제 1 벨트 중합기의 컨베이어 벨트 일측 끝단 상에 단량체 조성물 공급부(30)를 더 포함한 형태일 수 있다. 단량체 조성물 공급부(30)를 추가로 포함한 중합 반응기는 도 1에 도시한 바와 같다. 그리고, 상기와 같은 중합 반응기는 추가로 제 2 벨트 중합기의 컨베이어 벨트 타측 끝단에 중합겔 배출부(40)를 더 포함한 형태일 수 있는데, 이와 같은 중합체 시트 배출부(40)를 더 포함한 중합 반응기는 도 1에 도시한 바와 같다. 그리고, 상술한 구현예들에 따른 중합 반응기는 상기 중합체 시트 배출부(40)와 연결된 중합겔 분쇄부(70)를 더 포함할 수 있다. 이와 같이 제 2 벨트 중합기에서 시트상 중합겔의 제 2 면에 중합 에너지가 공급되어 최종적으로 중합된 시트상 중합겔(60)은 중합겔 배출부(40)를 통해 중합 반응기 밖으로 배출되며, 추가로 연결된 상기 중합겔 분쇄부(70)에서 1차 분쇄를 진행할 수 있다. 한편, 상기 중합겔 분쇄부(70)는 시트상 중합겔을 1차 분쇄할 수 있는 분쇄기기를 포함한 형태이면, 그 구성의 한정은 없다.
구체적으로, 수직형 절단기(Vertical pulverizer), 터보 커터(Turbo cutter), 터보 글라인더(Turbo grinder), 회전 절단식 분쇄기(Rotary cutter mill), 절단식 분쇄기(Cutter mill), 원판 분쇄기(Disc mill), 조각 파쇄기(Shred crusher), 파쇄기(Crusher), 초퍼(chopper) 및 원판식 절단기(Disc cutter)로 이루어진 분쇄 기기 군에서 선택되는 어느 하나를 포함할 수 있으나, 상술한 예에 한정되지는 않는다.
한편, 본 발명은 다른 구현예에 따라, 둘 이상의 회전축과, 상기 회전축 사이에 걸쳐 설치되고, 상기 회전축의 회전에 의해 일정 방향으로 진행 가능하도록 형성된 컨베이어 벨트와, 상기 컨베이어 벨트 상에 위치한 중합 에너지 공급부를 각각 포함하는 제 1 및 제 2 벨트 중합기; 및 상기 제 1 및 제 2 벨트 중합기 사이에 위치하는 중합겔 분쇄부를 포함하고, 상기 중합겔 분쇄부 및 제 2 벨트 중합기는 상기 제 1 벨트 중합기에서 중합된 시트상 중합겔이 중합겔 분쇄부에서 분쇄된 후 상기 제 2 벨트 중합기의 컨베이어 벨트 상에 전달될 수 있게 배열되는 고흡수성 수지 제조용 중합 반응기를 제공한다.
상술한 바와 같이 제 1 및 제 2 벨트 중합기 사이에 위치하는 중합겔 분쇄부(70)를 더 포함하는 중합 반응기를 간단히 도시한 것이 도 2이다. 도 2에 나타난 바와 같이, 제 1 벨트 중합기(10)의 일측 끝단으로 진행된 시트상 중합겔(60)은 제 1 벨트 중합기의 컨베이어 벨트의 이동으로 하단의 중합겔 분쇄부(70)로 낙하하여, 중합겔 분쇄부에서 일정 크기로 분쇄된 후, 분쇄된 중합겔 (61)은 제 2 벨트 중합기의 컨베이어 벨트 표면으로 낙하하여, 벨트의 진행 방향과 함께, 제 2 벨트 중합기의 중합 에너지 공급부(26)로부터 공급된 중합 에너지에 의해 중합을 진행하게 된다.
한편, 이와 같은 중합 반응기는 추가로, 제 2 벨트 중합기의 벨트 상에 형성된 입자 혼합부(28)를 더 포함할 수 있다. 이와 같은 입자 혼합부(28)에 대해서는 도 2에 나타낸 바와 같다. 이와 같은 입자 혼합부로 인해, 제 2 벨트 중합기에 공급된 중합겔 입자는 서로 응집되는 일이 없이 제 2 벨트 중합기에서 골고루 중합 에너지를 전달받아 중합이 될 수 있다.
한편, 이와 같이 제 1 벨트 중합기 및 제 2 벨트 중합기 사이에 설치되는 중합겔 분쇄부는 시트상 중합겔을 1차 분쇄할 수 있는 기기이면, 그 구성의 한정은 없다, 구체적으로, 수직형 절단기(Vertical pulverizer), 터보 커터(Turbo cutter), 터보 글라인더(Turbo grinder), 회전 절단식 분쇄기(Rotary cutter mill), 절단식 분쇄기(Cutter mill), 원판 분쇄기(Disc mill), 조각 파쇄기(Shred crusher), 파쇄기(Crusher), 초퍼(chopper) 및 원판식 절단기(Disc cutter)로 이루어진 분쇄 기기 군에서 선택되는 어느 하나를 포함할 수 있으나, 상술한 예에 한정되지는 않는다.
그리고, 상기와 같은 중합 반응기는 추가로, 상기 중합겔 분쇄부(70)상에 첨가제 공급부(72)를 더 포함할 수 있다. 이와 같이 첨가제 공급부가 부설된 중합 반응기는 도 2에 나타난 바와 같다. 상기와 같은 첨가제 공급부를 통해서, 시트상 중합겔의 분쇄를 용이하게 하기 위한 각종 첨가제 등을 추가할 수 있는데, 구체적으로 공급될 수 있는 첨가제의 종류는 그 구성의 한정은 없으나, 스팀, 물, 계면활성제, Clay 나 Silica 등의 무기 분말 등과 같은 미분 응집 방지제; 과황산염계 개시제, 아조계 개시제, 과산화수소, 및 아스코르빈산와 같은 열중합 개시제, 에폭시계 가교제, 디올(diol)류 가교제, 2 관능기 또는 3 관능기 이상의 다관능기의 아크릴레이트를 포함하는 가교제, 수산화기를 포함하는 1관능기의 화합물과 같은 가교제일 수 있으나, 상술한 예에 한정되지 않는다.
그리고, 추가로 상기 중합 반응기는 상기 제 1 벨트 중합기에서 중합된 시트상 중합겔을 중합겔 분쇄부로 전달하거나, 상기 중합겔 분쇄부에서 분쇄된 중합겔을 제 2 벨트 중합기의 컨베이어 벨트 상에 전달하기 위한 가이드 부재를 더 포함한 형태일 수 있다.
그리고, 본 발명의 또 다른 구현예에 따라 둘 이상의 회전축과, 상기 회전축 사이에 걸쳐 설치되고, 상기 회전축의 회전에 의해 일정 방향으로 진행 가능하도록 형성된 컨베이어 벨트와, 상기 컨베이어 벨트 상에 위치한 제 1 중합 에너지 공급부를 포함하는 벨트 중합기; 및 상기 벨트 중합기에서 중합되고 컨베이어 벨트의 타측 끝단에 이르러 낙하하는 시트상 중합겔의 양면에 중합 에너지를 공급하도록 설치된 제 2 중합 에너지 공급부를 포함하는 고흡수성 수지 제조용 중합 반응기를 제공한다.
이와 같은 제 2 중합 에너지 공급부는 벨트 중합기의 끝단으로 진행된 시트상 중합겔의 양면에 중합 에너지를 공급할 수 있도록, 낙하하는 시트상 중합겔의 양면을 따라 나란히 설계된 형태일 수도 있고, 또한 도 3에 나타난 바와 같이 컨베이어 벨트의 타측 끝단 측 하부에 복수 단으로 배열되어, 이러한 복수 단의 제 2 에너지 공급부를 따라 상기 시트상 중합겔이 절곡되면서 이동될 수 있도록 설계될 수도 있다.
그리고, 본 발명은 다른 구현예에 따라 상술한 중합 반응기를 이용하여 고흡수성 수지를 제조하는 방법을 제공한다.
구체적으로, 본 발명의 일 구현예에 따라, 상술한 구현예들에 따른 중합 반응기에서 고흡수성 수지를 제조하는 방법으로서, 수용성 에틸렌계 불포화 단량체 및 중합개시제를 포함하는 단량체 조성물을 상기 제 1 벨트 중합기의 컨베이어 벨트 상에 공급하는 단계; 상기 제 1 벨트 중합기의 회전축의 회전으로 상기 제 1 벨트 중합기의 컨베이어 벨트 및 단량체 조성물을 진행시키면서 상기 단량체 조성물의 제 1 면에 중합 에너지를 공급하여 시트상 중합겔을 형성하는 단계; 상기 1 벨트 중합기에서 중합 에너지가 공급된 시트상 중합겔의 제 1 면과 반대되는 제 2 면에 중합 에너지가 공급되도록 상기 시트상 중합겔을 제 2 벨트 중합기의 컨베이어 벨트 상에 전달하는 단계; 및 상기 제 2 벨트 중합기의 회전축의 회전으로 상기 제 2 벨트 중합기의 컨베이어 벨트 및 시트상 중합겔을 진행시키면서, 상기 시트상 중합겔의 제 2 면에 중합 에너지를 공급하여 중합을 진행하는 단계를 포함하는 고흡수성 수지의 제조 방법을 제공한다.
상기와 같은 제조 방법에 따르면, 컨베이어 벨트 상에 공급된 단량체 조성물의 전 부피에 걸쳐 중합 에너지가 공급되어, 중합 효율을 높일 수 있어 생산효율을 향상시킬 수 있을 뿐 아니라, 골고루 중합 에너지가 전달됨에 따라 균일한 중합 반응이 진행되어, 잔존 모노머 함량을 최소화할 수 있고, 또한 물성이 우수한 고흡수성 수지를 제조할 수 있다.
한편, 본 발명의 또 다른 구현예에 따라 제 1 벨트 중합기 및 제 2 벨트 중합기의 사이에 중합겔 분쇄부를 더 포함하는 중합 반응기를 이용하여, 고흡수성 수지를 제조하는 방법을 제공한다.
구체적으로, 상기 방법은 수용성 에틸렌계 불포화 단량체 및 중합개시제를 포함하는 단량체 조성물을 상기 제 1 벨트 중합기의 컨베이어 벨트 상에 공급하는 단계; 상기 제 1 벨트 중합기의 회전축의 회전으로 상기 제 1 벨트 중합기의 컨베이어 벨트 및 단량체 조성물을 진행시키면서, 상기 단량체 조성물의 제 1 면에 중합 에너지를 공급하여 시트상 중합겔을 형성하는 단계; 상기 시트상 중합겔을 제 1 및 제 2 벨트 중합기 사이에 위치하는 중합겔 분쇄부에 전달하는 단계; 상기 중합겔 분쇄부에서 시트상 중합겔을 분쇄하는 단계; 상기 중합겔 분쇄부에서 분쇄된 중합겔을 제 2 벨트 중합기에 전달하는 단계; 및 상기 제 2 벨트 중합기에 공급된 중합겔에 중합 에너지를 전달하여 중합을 진행하는 단계를 포함한다.
이와 같이 제 1 벨트 중합기에서 형성된 시트상 중합겔을 1차 적으로 분쇄한 후에, 제 2 벨트 중합기에 공급하여 추가 중합을 진행함으로서, 중합겔 입자 전반에 거쳐 중합 에너지를 골고루 전달하여 중합 효율을 보다 높일 수 있다. 그리고, 상기 시트상 중합겔을 중합겔 분쇄부에 전달하는 단계에서는 추가로 첨가제 공급부로부터 열중합 개시제, 미분응집 방지제, 및 가교제로 이루어진 첨가제 군에서 선택되는 1 종 이상을 공급할 수 있는데, 이와 같은 첨가제를 첨가하여, 분쇄의 효율을 높일 뿐 아니라, 제 2 벨트 중합기에서의 중합 효율을 더욱 높일 수 있다. 한편, 상기 열중합 개시제, 미분응집 방지제 및 가교제의 구체적인 종류는 고흡수성 수지의 제조에 통상으로 사용되는 것이면, 그 구성의 한정이 없고, 구체적인 예는 상술한 바로 갈음한다.
한편, 상기 분쇄 단계에서는 제 2 벨트 중합기에서의 중합 효율을 높이기 위해서, 바람직하게 중합겔의 중량 평균 입경이 1 mm 내지 25 mm, 더욱 바람직하게는 5 mm 내지 20 mm가 되도록 분쇄할 수 있다.
한편, 본 발명의 또 다른 구현예에 따라, 벨트 중합기에서 중합되고 컨베이어 벨트의 타측 끝단에 이르러 낙하하는 시트상 중합겔의 양면에 중합 에너지를 공급하도록 설치된 제 2 중합 에너지 공급부를 포함하는 고흡수성 수지 제조용 중합 반응기를 이용한 고흡수성 수지 제조 방법을 제공한다.
구체적으로, 상기 방법은 수용성 에틸렌계 불포화 단량체 및 중합개시제를 포함하는 단량체 조성물을 벨트 중합기의 컨베이어 벨트 상에 공급하는 단계; 상기 벨트 중합기의 회전축의 회전으로 상기 벨트 중합기의 컨베이어 벨트 및 단량체 조성물을 진행시키면서 상기 단량체 조성물의 제 1 면에 중합 에너지를 공급하여 시트상 중합겔을 형성하는 단계; 상기 벨트 중합기의 타측 끝단으로 진행된 시트상 중합겔을 제 2 중합 에너지 공급부로 전달하는 단계; 제 2 중합 에너지 공급부로부터 중합 에너지를 시트상 중합겔 양면에 공급하여 중합을 진행하는 단계를 포함한다.
이때, 상기 제 2 중합 에너지 공급부는 도 3 과 같은 형태일 수도 있으며, 이 경우 벨트 중합기에서 낙하하는 시트상 중합겔은 다단으로 설치된 제 2 중합 공급부 사이를 절곡하면서 이동하여, 시트상 중합겔 양면에 골고루 중합 에너지가 공급되어 중합 효율을 높힐 수 있다.
한편, 상술한 구현예에 따른 고흡수성 수지의 제조 방법에 있어서 제 1 및 제 2 벨트 중합기의 컨베이어 벨트 이동속도는 동일한 것이 운전의 편의를 위해 바람직하며, 이동 속도는 단량체 조성물의 공급 속도 벨트의 길이 및 너비 등을 고려하여 적절한 범위로 선택할 수 있으나, 0.5 m/min 내지 10 m/min의 속도로 운전하는 것이 중합 효율을 위해 바람직하다.
한편, 상술한 구현예들에 따른 제조 방법에 있어서, 상기 단량체 조성물은 중합개시제를 포함하는데, 중합 에너지 공급부에서 자외선이 조사되는 경우에는 광중합 개시제를 열풍이 공급되는 경우 열중합 개시제 등을 포함할 수 있다. 한편, 자외선 조사에 따란 광중합 반응만 진행하더라도, 자외선 조사에 의해 일정량의 열이 발생하고, 또한 발열 반응인 중합 반응의 진행에 따라 어느 정도의 열이 발생하므로, 추가적으로 열중합 개시제를 포함할 수도 있다. 구체적으로는 열중합 개시제로 과황산염계 개시제, 아조계 개시제, 과산화수소, 및 아스코르빈산으로 이루어진 개시제 군에서 선택되는 하나 이상을 사용할 수 있다. 구체적으로, 과황산염계 개시제의 예로는 과황산나트륨(Sodium persulfate; Na2S2O8), 과황산칼륨(Potassium persulfate; K2S2O8), 과황산암모늄(Ammonium persulfate; (NH4)2S2O8) 등이 있으며, 아조(Azo)계 개시제의 예로는 2, 2-아조비스-(2-아미디노프로판)이염산염(2, 2-azobis(2-amidinopropane) dihydrochloride), 2, 2-아조비스-(N, N-디메틸렌)이소부티라마이딘 디하이드로클로라이드(2,2-azobis-(N, N-dimethylene)isobutyramidine dihydrochloride), 2-(카바모일아조)이소부티로니트릴(2-(carbamoylazo)isobutylonitril), 2, 2-아조비스[2-(2-이미다졸린-2-일)프로판] 디하이드로클로라이드(2,2-azobis[2-(2-imidazolin-2-yl)propane] dihydrochloride), 4,4-아조비스-(4-시아노발레릭 산)(4,4-azobis-(4-cyanovaleric acid)) 등을 사용할 수 있다. 보다 다양한 열개시제에 대해서는 Odian 저서인 Principle of Polymerization(Wiley, 1981년), p203에 잘 명시되어 있으며, 상술한 예에 한정되지 않는다.
한편, 광중합 개시제로는 벤조인 에테르(benzoin ether), 디알킬아세토페논(dialkyl acetophenone), 하이드록실 알킬케톤(hydroxyl alkylketone), 페닐글리옥실레이트(phenyl glyoxylate), 벤질디메틸케탈(Benzyl Dimethyl Ketal), 아실포스핀(acyl phosphine) 및 알파-아미노케톤(α-aminoketone)으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 사용할 수 있다. 한편, 아실포스핀의 구체예로, 상용하는 lucirin TPO, 즉, 2,4,6-트리메틸-벤조일-트리메틸 포스핀 옥사이드(2,4,6-trimethyl-benzoyl-trimethyl phosphine oxide)를 사용할 수 있다. 보다 다양한 광개시제에 대해서는 Reinhold Schwalm 저서인 UV Coatings: Basics, Recent Developments and New Application(Elsevier 2007년) p115에 잘 명시되어 있으며, 상술한 예에 한정되지 않는다.
또한, 상기 수용성 에틸렌계 불포화 단량체로는 고흡수성 수지의 제조에 통상 사용되는 단량체라면 그 구성의 한정이 없이 사용될 수 있다. 크게, 음이온성 단량체와 그 염, 비이온계 친수성 함유 단량체, 및 아미노기 함유 불포화 단량체 및 그의 4급화물로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상을 사용할 수 있다.
구체적으로는 아크릴산, 메타아크릴산, 무수말레인산, 푸말산, 크로톤산, 이타콘산, 2-아크릴로일에탄 술폰산, 2-메타아크릴로일에탄술폰산, 2-(메타)아크릴로일프로판술폰산, 또는 2-(메타)아크릴아미드-2-메틸 프로판 술폰산의 음이온성 단량체와 그 염; (메타)아크릴아미드, N-치환(메타)아크릴레이트, 2-히드록시에틸(메타)아크릴레이트, 2-히드록시프로필(메타)아크릴레이트, 메톡시폴리에틸렌글리콜(메타)아크릴레이트 또는 폴리에틸렌 글리콜(메타)아크릴레이트의 비이온계 친수성 함유 단량체; 및 (N, N)-디메틸아미노에틸(메타)아크릴레이트 또는 (N, N)-디메틸아미노프로필(메타)아크릴아미드의 아미노기 함유 불포화 단량체 및 그의 4급화물로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상을 바람직하게 사용할 수 있다.
더욱 바람직하게는 아크릴산 또는 그 염을 사용할 수 있는데, 아크릴산 또는 그 염을 단량체로 하는 경우, 특히 흡수성이 향상된 고흡수성 수지를 얻을 수 있다는 있다.
한편, 단량체 조성물 중 수용성 에틸렌계 불포화 단량체의 농도는 중합 시간 및 반응 조건 등을 고려하여 적절히 선택하여 사용할 수 있으나, 바람직하게는 25 내지 55 중량%로 할 수 있다. 수용성 에틸렌계 불포화 단량체의 농도가 25 중량% 미만인 경우, 경제성 면에서 불리하며, 55 중량% 초과하는 경우, 중합된 중합체 시트의 분쇄 시 분쇄 효율이 낮게 나타난다.
그리고, 이와 같은 단량체 조성물의 공급 속도는 컨베이어 벨트의 이동 속도 및 중합 에너지 공급부에서 공급되는 중합 에너지의 공급량 및 강도 등을 고려하여 적절히 조절하여 운전할 수 있다. 다만, 벨트 상에 공급되는 단량체 조성물의 전 부피에 걸쳐 가교 중합 반응이 효율적으로 일어나게 함과 동시에 생산 효율 등을 고려하여, 공급 시에 컨베이어 벨트 상에 두께가 0.5 cm 내지 5 cm가 되도록 공급할 수 있다.
한편, 상술한 구현예들에 따른 제조 방법에 있어서, 중합 에너지 공급부에서 자외선을 조사하는 경우, 자외선 조사부의 광조사량은 공급되는 단량체 조성물의 농도, 컨베이어 벨트 상에서의 공급 두께, 컨베이어 벨트의 이동 속도, 컨베이어 벨트의 전체 길이 등을 고려하여 적절히 선택할 수 있다. 바람직하게는 0.1 mW/cm2 내지 300 mW/cm2의 조사량으로 조사할 수 있다.
한편, 제 1 벨트 중합기 및 제 2 벨트 중합기를 포함하는 중합 반응기로 고흡수성 수지를 제조하는 경우, 중합 에너지 공급부에서 공급되는 중합 에너지는 운전 편의상 제 1 벨트 중합기 및 제 2 벨트 중합기 각각에 동일한 강도로 공급할 수 있다. 다만, 제 2 벨트 중합기에 공급되는 시트상 중합겔 또는 분쇄된 중합겔은 이미 제 1 벨트 중합기에서 어느 정도 중합이 이루어진 상태라, 제 1 벨트 중합기의 중합 에너지 공급부에서 공급되는 에너지 공급강도 대비 100% 이하로 공급될 수 있다.
한편, 제 2 벨트 중합기의 중합 에너지 공급부가 자외선 조사부인 경우, 바람직하게는 상술한 0.1 mW/cm2 내지 300 mW/cm2의 조사량의 범위 내에서, 제 1 벨트 중합기의 자외선 조사부에서 조사되는 광조사량 대비 25 내지 100%의 광조사량으로 조사할 수 있다.
한편, 상기 구현예들에 있어서, 제 2 벨트 중합기에서 2차 중합이 완료된 중합체 시트의 함수율은 통상 30 중량% 내지 65 중량%이다. 이 때, 중합체 시트의 함수율은 전체 중합체 중량에 대해, 차지하는 수분의 함량으로 중합체의 중량에서 건조 상태의 중합체의 중량을 뺀 값을 의미한다. 구체적으로는, 본 명세서의 시험예 1에 기재된 바와 같이, 적외선 가열을 통해 중합체의 온도를 올려 건조하는 과정에서 중합체 중의 수분증발에 따른 무게감소분을 측정하여 계산된 값으로 정의한다. 시험예 1에 기재된 바와 같이, 건조 조건은 상온에서 180℃까지 온도를 상승시킨 뒤 180℃에서 유지하는 방식으로 총 건조시간은 온도상승단계 5분을 포함하여 20분으로 설정하여, 함수율을 측정하였다.
한편, 상술한 방법들에 따라 중합된 시트상 중합겔 또는 중합겔 입자는 추가로 분쇄단계를 거칠 수 있다. 이와 같이 분쇄 단계를 진행하여, 추후 행해질 건조 단계의 건조효율을 높일 수 있다. 분쇄 단계에서의 중합체 시트는 통상 수 에서 수백 밀리미터의 크기로 분쇄될 수 있다. 바람직하게는 건조 효율을 고려하여, 분쇄 후의 중합체의 중량평균 입경이 2 내지 20 mm가 되도록 분쇄할 수 있다. 이 때, 분쇄 단계 후의 함수겔상 중합체 입자의 중량 평균 입경은 2 내지 20 mm인 것이 되도록 분쇄하는 것이 바람직하다. 중량 평균 입경이 2mm미만으로 분쇄하면 분쇄에 따른 에너지가 지나치게 소비되는 문제점 있고, 중량평균 입경이 20mm를 초과하면 적절한 정도의 표면적을 나타내지 않아, 추후 행해질 건조 단계의 효율을 높일 수 없다. 더욱 바람직하게는 상기 분쇄 단계 후의 함수겔상 중합체 입자의 중량 평균 입경이 3 내지 10mm가 되도록 분쇄 할 수 있다.
한편, 상기와 같이 분쇄 단계를 거친 중합체 입자는 최종적으로 분말 상태의 고흡수성 수지의 형태로 준비하기 위해, 건조 단계를 추가로 진행할 수 있다. 상기 건조 단계는 함수겔상 중합체의 함수율이 1 내지 5 중량%가 되도록 진행할 수 있다. 그리고, 상기 건조 단계 직전 또는 직후에 함수겔상 중합체 입자를 표면 가교제와 혼합하여, 중합체 입자를 표면 처리할 수 있다. 이와 같은 표면 처리를 통해, 보다 가압흡수능과 같은 물성이 우수하게 나타나고, 최종 제품인 기저귀에 사용시 gel blocking이 적으면서도 수분을 잘 전달할 수 있는 우수한 물성의 고흡수성 수지를 제조할 수 있다.
이때, 사용될 수 있는 표면 가교제로는 중합체가 갖는 관능기와 반응 가능한 화합물이라면 그 구성의 한정이 없으나, 바람직하게는 다가 알코올류, 다가 에폭시 화합물, 다가 아민 화합물, 알킬렌 카보네이트 화합물, 다가 옥사졸린 화합물, 할로 에폭시 화합물, 할로 에폭시 화합물과 폴리아민의 부가물, 폴리아미드와 에피할로 히드린의 혼합물 등에서 선택되는 하나 이상을 사용할 수 있다.
이때, 상기 다가 알코올류로는 바람직하게 프로필렌 글리콜(propylene glycol), 글리세린(glycerin), 부탄디올(butanediol) 등을 사용할 수 있고, 상기 다가 에폭시 화합물로는 바람직하게 에틸렌 글리콜 디글리시딜 에테르(ethylene glycol dlycol diglycidyl ether)를 사용할 수 있고, 다가 아민으로는 폴리에틸렌 이민(poly ethylene imine) 등을 사용할 수 있다.
그리고, 상기와 같이 표면 가교제를 혼합하여, 중합체 입자를 표면 처리하기 위해 혼합할 때 첨가되는 표면 가교제의 함량은 구체적으로 추가되는 표면 가교제의 종류나 반응 조건에 따라 적절히 선택될 수 있지만, 통상 중합체 100 중량부에 대해, 0.001 내지 5 중량부, 바람직하게는 0.01 내지 3 중량부, 더욱 바람직하게는 0.05 내지 2 중량부를 사용할 수 있다.
한편, 상기와 같은 건조 단계 후, 또는 표면 가교제로 표면처리한 후 건조 단계를 거치거나, 또는 건조 단계 후 표면 처리를 거친 1 내지 5 중량%의 함수율을 갖는 중합체는 최종 분쇄 단계를 거쳐, 중량평균 입경이 150 내지 850 ㎛인 고흡수성 수지 분말의 형태로 제공된다. 고흡수성 수지 분말의 준비를 위해서 주로 쓰이는 분쇄 장치로는 중합체를 수지 분말의 형태로 분쇄할 수 있는 것이면, 그 구성의 한정은 없다. 구체적으로, 핀 밀(pin mill), 해머 밀(hammer mill), 스크류 밀(screw mill), 롤 밀(roll mill), 디스크 밀(disc mill) 또는 조그 밀(jog mill) 등을 사용할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 중합 반응기를 이용하여 고흡수성 수지를 제조하면, 보다 효율적으로 중합 반응을 진행할 수 있어, 생산성을 높일 수 있고, 또한 잔존 모노머 함량을 최소화하여 물성이 우수한 고흡수성 수지를 제조할 수 있다.
도 1 내지 3은 본 발명의 일 실시예들에 따른 고흡수성 수지 제조용 중합 반응기를 간단히 도시한 것이다.
이하, 발명의 구체적인 실시예를 통해, 발명의 작용 및 효과를 보다 상세히 서술하기로 한다. 다만, 이러한 실시예는 발명의 예시로 제시된 것에 불과하며, 이에 의해 발명의 권리범위가 정해지는 것은 아니다.
실시예
: 중합체 시트의 제조
실시예
1: 2 단으로 배열된 벨트 중합기를 포함하는 중합 반응기를 사용
아크릴산 400g 정량하여 주입하고 이 라인에 10% 아크릴산에 희석된 트리에틸렌 디아크릴레이트(TEGDA) 혼합액 10g 및 2% 아크릴산에 희석된 광개시제(lucirin TPO, 2,4,6-trimethyl-benzoyl-trimethyl phosphine oxide) 혼합액 2.1g를 혼합하여 혼합용액을 제조하였다(혼합용액 A). 다른 한편으로는 35% 가성소다 456g을 물 250g에 희석하여 혼합용액을 제조하였다(혼합용액 B). 혼합용액 A와 B를 외부 온도조절되는 쟈캣 반응기에 넣고 교반하면서 충분히 혼합이 되도록 하며 혼합액의 온도가 70도를 넘지 않도록 유지하여 아크릴산과 아크릴산 염을 포함하는 단량체 조성물을 준비하였다.
또한, 길이 1 m, 너비 20 cm를 갖는 실리콘 재질의 컨베이어 벨트를 포함하는 벨트 중합기 두 개를 상 하단으로 2단으로 설치한 후, 블랙라이트 자외선 램프를 각각의 컨베이어 벨트의 상단으로부터 20cm 위에 설치한 중합 반응기를 준비하였다.
상기와 같은 중합 반응기에, 상단에 위치한 제 1 벨트 중합기의 벨트 상에 액상의 단량체 조성물의 두께가 2 cm가 되도록 공급한 후, 50 cm/min의 속도로 벨트가 이동하도록 한 후, 1.4 mW/cm2 광량의 자외선을 조사하여, 중합을 시작하였다.
제 1 벨트 중합기에서 1차 중합된 시트 상의 중합체는 제 2 벨트 중합기의 컨베이어 벨트에 낙하하여, 제 1 벨트 중합기에서 자외선을 조사 받지 않은 후면이 조사되도록 중합을 진행하였다. 이때, 제 2 벨트 중합기의 자외선 조사부의 조사량은 1.4 mW/cm2 로 조절하였다.
제 2 벨트 중합기의 벨트 이동 속도 또한, 50 cm/min로 고정하여, 운전하였다.
실시예
2: 중합체 시트의 제조
제 1 벨트 중합기 및 제 2 벨트 중합기에서 컨베이어 벨트의 재질을 실리콘이 아닌 스테인리스 스틸 메쉬벨트로 달리한 점만 제외하고는, 상기 실시예 1에서와 동일한 중합 반응기를 이용하여, 상기 실시예 1 에서와 같은 조건으로 중합을 진행하여 중합체 시트를 얻었다.
실시예
3 : 중합체 시트의 제조
제 1 벨트 중합기에서 중합을 완료한 후, 커터를 이용하여 중합체 시트를 분쇄한 후, 제 2 벨트 중합기로 전달한 점만 제외하고는, 상기 실시예 1에서와 동일한 방법으로 중합체 시트를 얻었다.
비교예
1 : 1단 구성의 컨베이어 벨트에서 중합체 시트의 제조
2m의 길이, 20cm의 너비를 갖는 벨트 중합기를 준비하였다. 이와 같은 벨트 중합기에, 상기 실시예 1에서 준비한 단량체 조성물을 50cm/min의 이동 속도로 운전 중인 벨트 중합기에 벨트 상에 적체된 두께가 2cm가 되도록 공급하였다. 이때, 단량체 조성물 공급과 동시에 벨트 상단에 설치된 자외선 조사부에서 1.4 mW/cm2 의 조사량의 자외선을 조사하여 광중합 반응을 진행하여, 중합체 시트를 얻었다. 한편, 비교예 1에 따른 벨트 중합기에서 자외선 조사부는 벨트 상으로부터 20cm 위에 설치된 것이였다.
비교예
2: 중합체 시트의 제조
벨트 이동속도를 1 m/min로 운전한 점만 달리하고는 비교예 2에서와 동일한 조건에서 중합하여, 중합체 시트를 얻었다.
비교예
3: 중합체 시트의 제조
벨트 중합기의 끝단에, 자외선 조사부를 하나 더 설치한 벨트 중합기를 이용하였다. 벨트 중합기의 끝단에 설치된 자외선 조사부의 광조사량은 5.6 mW/cm2로, 30초 동안 단량체 조성물에 조사되도록 설계하였다.
이와 같이, 중합의 종료 시점인 벨트 끝단에서 강하고 짧게 자외선 조사를 더 진행한 점을 제외하고는 상기 비교예 1 과 동일한 방법으로 중합을 진행하여 중합체 시트를 얻었다.
비교예
4: 폼 형성 후, 중합하여 중합체 제조
비교예 4는 공급되는 단량체 조성물의 온도를 80℃ 정도로 조절하여, 폼을 형성할 수 있도록 한 점만을 제외하고는 비교예 1에서와 같은 조건으로 중합을 진행하였다. 80℃ 정도로 온도가 조절된 단량체 조성물을 주입하고 난 후, 15초가 경과했을 때 발포가 발생하기 시작하였으며, 발포는 벨트의 너비 방향 및 상단을 향해 일어났고, 초기 단량체 조성물 부피의 50배 이상의 부피로 발포되는 것을 관찰하였다.
실시예
및
비교예의
중합체의 1차 분쇄 후, 최종 건조 및 최종 분쇄
상기 실시예 및 비교예들에 따라 준비된 중합체 시트를 미트 초퍼(meat chopper)를 이용하여, 1차 분쇄하였으며, 1차 분쇄 단계를 거친 중합체 입자들을 150℃로 셋팅된 열풍순환건조기(air-convention oven; 제조사 Jeotech)에 3시간 넣어 건조시켰다.
건조된 함수겔상 중합체 입자를 Food mixer(한일 전기, 모델명 FM681)에서 30초간 분쇄한 후 30 내지 50 메쉬의 메쉬망을 이용하여, 입경이 300 내지 600 ㎛ 인 수지분말을 분급한 후, 물성을 평가하였다.
시험예
:
함수겔상
중합체의 함수율 및 고흡수성 수지 분말의 물성 평가
시험예
1:
함수겔상
중합체의 함수율 평가
상기 실시예 및 비교예에 따른 중합체의 함수율은 하기와 같은 방법으로 측정하였다.
중합체 중의 함수율은 적외선 가열을 통해 중합체의 온도를 올려 건조하는 과정에서 중합체 중의 수분증발에 따른 무게감소분을 측정하는 방식을 사용하였다. 건조조건은 상온에서 180℃까지 온도를 상승시킨 뒤 180℃에서 유지하는 방식으로 총 건조시간은 온도상승단계 5분을 포함하여 20분으로 설정하여 함수량을 측정하였다.
시험예
2: 잔존
모노머
함량 측정
상기 실시예 및 비교예에서 얻은 수지분말 1g을 물 1 kg에 2.5cm spin bar가 들어있는 비이커에서 500 rpm으로 1시간 교반하여 미반응 아크릴산을 추출하였다. 추출된 용액을 LC(액체 크로마토그라피)를 이용하여 분석하여 잔존하는 아크릴산의 양을 정량하였다.
시험예
3; 중합 효율(전환율) 평가
건조 전의 함수겔 0.5g을 물 1kg에 2.5cm spin bar가 들어있는 비이커에서 500 rpm으로 1시간 교반하여 미반응 아크릴산을 추출하였다. 이 용액을 LC(액체 크로마트그라피)를 이용하여 분석하여 잔존하는 아크릴산의 양을 정량한 후 이로부터 전환율을 계산하였다.
한편, 실시예들 및 비교예들에 따른 고흡수성 수지 분말의 물성을 평가하기 위해 하기와 같은 시험을 진행하였다
시험예
4:
보수능
상술한 방법으로 분급된 입자를 대상으로 보수능을 측정하였다. 보수능 측정은 EDANA 법 WSP 241.2에 따랐다. 30~50 메쉬로 분급한 시료 0.2g을 티백에 넣고 30 분간 0.9% 염수 용액에 불린 뒤 250G로 설정된 원심분리기에서 3분 동안 물을 제거하고 무게를 재어 고흡수성 수지가 보유하고 있는 물의 양을 측정하는 방식으로 보수능을 측정하였다.
시험예
5:
수가용
성분
상술한 방법으로 분급된 입자를 대상으로 수가용 성분을 측정하였다. 수가용 성분 측정은 EDANA 법 WSP 270.2에 따랐다. 30~50 메쉬로 분급한 시료 1.0g을 200g 0.9% 염수용액에 넣고 500rpm 으로 교반하면서 16시간을 불린 뒤 filter paper로 수용액을 걸렀다. 상기와 같이 걸러진 용액을 pH 10.0의 가성소다 용액으로 1차 적정한 뒤, pH 2.7의 염화수소 용액으로 역정적을 실시하여 중화시에 필요한 양으로부터 가교화되지 않은 고분자 물질을 수가용성분으로 계산하였다.
| 중합체 시트의 함수율 (wt%) |
잔존 모노머 함량(ppm) | 중합 효율(전환율) (%) | 보수능 (g/g) |
수가용 성분 (wt%) |
|
| 실시예 1 | 49.8 | 1200 | 99.3 | 41 | 13 |
| 실시예 2 | 51.4 | 2100 | 98.8 | 42 | 14 |
| 실시예 3 | 54.2 | 1300 | 99.1 | 40 | 12 |
| 비교예 1 | 50.5 | 3500 | 97.2 | 38 | 13 |
| 비교예 2 | 45.2 | 13000 | 96.1 | 48 | 25 |
| 비교예 3 | 48.8 | 2700 | 98.3 | 37 | 12 |
| 비교예 4 | 47.2 | 21000 | 94.8 | 42 | 21 |
상술한 시험결과로부터, 2 단의 벨트 중합기에서 중합된 고흡수성 수지는 잔존 모노머의 함량도 낮고, 중합 효율(전환율)도 높은 것을 확인할 수 있었다. 즉, 동일한 길의 벨트 중합기를 사용하는 경우(비교예 1 내지 3)와 비교하여, 실시예 1 내지 3의 중합 반응기를 사용하는 경우, 중합체의 양면에 자외선이 골고루 조사되어, 중합이 중합체 전면에 걸쳐 골고루 일어나 잔존 모노머의 함량이 낮고, 따라서 중합 효율이 높은 고흡수성 수지를 얻을 수 있음을 확인하였다.
한편, 실시예들의 방법에 따라 제조된 고흡수성 수지는 비교예에 따른 고흡수성 수지와 비교하여 보수능은 높으면서도, 동시에 수가용 성분의 함량은 낮게 나타나는 것을 확인할 수 있었다.
고흡수성 수지의 보수능은 수분을 흡수하는 성능의 평가에 관한 것으로, 고흡수성 수지의 기본적인 성능에 관련되며, 수가용 성분은 고흡수성 고흡수성 수지 중의 물에 가용화될 수 있는 성분의 함량, 예들 들어, 저분자량 중합 성분의 함량에 관한 것이다.
그런데, 일반적으로 보수능은 높을수록 고흡수성 수지의 물성이 우수한 것으로 평가될 수 있고, 또한, 수가용 성분이 낮을수록 고흡수성 수지가 기저귀 등의 생활 용품에 적용되었을 때, 축축함 등에 의한 사용자의 불쾌감이 적어 고흡수성 수지의 물성이 우수한 것으로 평가될 수 있다.
다만, 일반적으로 보수능이 높을수록, 수가용 성분의 함량이 높아지는 것으로 알려져 있어, 고흡수성 수지의 전체적인 물성을 향상시키는 데에는 어려운 점이 있었다.
그런데, 실시예 1 내지 3에서 제조된 고흡수성 수지는 2 단의 벨트 중합기에서 제조되어, 단량체 조성물의 혼합 및 중합, 분쇄 등이 균일하게 이루어져, 수가용 성분의 함량이 낮으면서도 보수능이 높게 나타나는 등, 종래의 방법으로 제조된 고흡수성 수지보다 우수한 물성을 나타냄을 확인하였다.
100: 중합 반응기
10: 제 1 벨트 중합기
12: 제 1 벨트 중합기의 회전축
14: 제 1 벨트 중합기의 컨베이어 벨트
16: 제 1 벨트 중합기의 중합 에너지 공급부
20: 제 2 벨트 중합기
22: 제 2 벨트 중합기의 회전축
24: 제 2 벨트 중합기의 컨베이어 벨트
26: 제 2 벨트 중합기의 중합 에너지 공급부
28: 입자 혼합부
30: 단량체 조성물 공급부
40: 중합겔 배출부
50: 가이드 부재
60: 시트상 중합겔
61: 중합겔
70: 중합겔 분쇄부
72: 첨가제 공급부
80: 제 2 중합 에너지 공급부
81: 자외선 조사부
10: 제 1 벨트 중합기
12: 제 1 벨트 중합기의 회전축
14: 제 1 벨트 중합기의 컨베이어 벨트
16: 제 1 벨트 중합기의 중합 에너지 공급부
20: 제 2 벨트 중합기
22: 제 2 벨트 중합기의 회전축
24: 제 2 벨트 중합기의 컨베이어 벨트
26: 제 2 벨트 중합기의 중합 에너지 공급부
28: 입자 혼합부
30: 단량체 조성물 공급부
40: 중합겔 배출부
50: 가이드 부재
60: 시트상 중합겔
61: 중합겔
70: 중합겔 분쇄부
72: 첨가제 공급부
80: 제 2 중합 에너지 공급부
81: 자외선 조사부
Claims (18)
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 둘 이상의 회전축과, 상기 회전축 사이에 걸쳐 설치되고, 상기 회전축의 회전에 의해 일정 방향으로 진행 가능하도록 형성된 컨베이어 벨트와, 상기 컨베이어 벨트 상에 위치한 중합 에너지 공급부를 각각 포함하는 제 1 및 제 2 벨트 중합기; 및
상기 제 1 및 제 2 벨트 중합기 사이에 위치하는 중합겔 분쇄부를 포함하고,
상기 중합겔 분쇄부 및 제 2 벨트 중합기는 상기 제 1 벨트 중합기에서 중합된 시트상 중합겔이 중합겔 분쇄부에서 분쇄된 후 상기 제 2 벨트 중합기의 컨베이어 벨트 상에 전달될 수 있게 배열되고,
제 2 벨트 중합기의 벨트 상에 형성된 입자 혼합부를 포함하는 고흡수성 수지 제조용 중합 반응기.
- 삭제
- 제 7 항에 있어서,
상기 중합겔 분쇄부 상에 첨가제 공급부를 더 포함하는 중합 반응기. - 제 7 항에 있어서,
상기 제 1 벨트 중합기에서 중합된 시트상 중합겔을 중합겔 분쇄부로 전달하거나, 상기 중합겔 분쇄부에서 분쇄된 중합겔을 제 2 벨트 중합기의 컨베이어 벨트 상에 전달하기 위한 가이드 부재를 더 포함하는 중합 반응기. - 둘 이상의 회전축과, 상기 회전축 사이에 걸쳐 설치되고, 상기 회전축의 회전에 의해 일정 방향으로 진행 가능하도록 형성된 컨베이어 벨트와, 상기 컨베이어 벨트 상에 위치한 제 1 중합 에너지 공급부를 포함하는 벨트 중합기; 및
상기 벨트 중합기에서 중합되고 컨베이어 벨트의 타측 끝단에 이르러 낙하하는 시트상 중합겔의 양면에 중합 에너지를 공급하도록 설치된 제 2 중합 에너지 공급부를 포함하는 고흡수성 수지 제조용 중합 반응기. - 제 11 항에 있어서,
상기 제 2 중합 에너지 공급부는 상기 컨베이어 벨트의 타측 끝단 측 하부에 복수 단으로 배열되어 있고, 이러한 복수 단의 제 2 에너지 공급부를 따라 상기 시트상 중합겔이 절곡되면서 이동되는 고흡수성 수지 제조용 중합 반응기. - 삭제
- 제 7 항의 중합 반응기에서 고흡수성 수지를 제조하는 방법으로서,
수용성 에틸렌계 불포화 단량체 및 중합개시제를 포함하는 단량체 조성물을 상기 제 1 벨트 중합기의 컨베이어 벨트 상에 공급하는 단계;
상기 제 1 벨트 중합기의 회전축의 회전으로 상기 제 1 벨트 중합기의 컨베이어 벨트 및 단량체 조성물을 진행시키면서, 상기 단량체 조성물의 제 1 면에 중합 에너지를 공급하여 시트상 중합겔을 형성하는 단계;
상기 시트상 중합겔을 제 1 및 제 2 벨트 중합기 사이에 위치하는 중합겔 분쇄부에 전달하는 단계;
상기 중합겔 분쇄부에서 시트상 중합겔을 분쇄하는 단계;
상기 중합겔 분쇄부에서 분쇄된 중합겔을 제 2 벨트 중합기에 전달하는 단계; 및
상기 제 2 벨트 중합기에 공급된 중합겔에 중합 에너지를 전달하여 중합을 진행하는 단계를 포함하는 고흡수성 수지의 제조 방법. - 제 11 항의 중합 반응기에서 고흡수성 수지를 제조하는 방법으로서,
수용성 에틸렌계 불포화 단량체 및 중합개시제를 포함하는 단량체 조성물을 벨트 중합기의 컨베이어 벨트 상에 공급하는 단계;
상기 벨트 중합기의 회전축의 회전으로 상기 벨트 중합기의 컨베이어 벨트 및 단량체 조성물을 진행시키면서 중합 상기 단량체 조성물의 제 1 면에 에너지를 공급하여 시트상 중합겔을 형성하는 단계;
상기 벨트 중합기의 타측 끝단으로 진행된 시트상 중합겔을 제 2 중합 에너지 공급부로 전달하는 단계;
제 2 중합 에너지 공급부로부터 중합 에너지를 시트상 중합겔 양면에 공급하여 중합을 진행하는 단계를 포함하는 고흡수성 수지의 제조 방법. - 제 14 항 내지 제 15항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 컨베이어 벨트 이동속도는 0.5 m/min 내지 10 m/min인 고흡수성 수지의 제조 방법. - 제 14 항 내지 제 15항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 단량체 조성물은 컨베이어 벨트 상에 두께가 0.5 cm 내지 5 cm가 되도록 공급하는 고흡수성 수지의 제조 방법. - 제 14 항 내지 제 15항 중 어느 한 항에 있어서,
광조사량 0.1 mW/cm2 내지 300 mW/cm2의 자외선을 조사하여, 중합 에너지를 공급하는 고흡수성 수지의 제조 방법.
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