KR101871968B1 - 고흡수성 수지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고흡수성 수지에 관한 것으로, 상기 고흡수성 수지는 부분 팽윤된 겔 입자의 크기가 최적화되어 부분 팽윤된 상태에서도 빠른 흡수 속도 및 높은 겔 강도를 나타낼 수 있다. 이에 따라 상기 고흡수성 수지를 이용하면 재습윤 현상을 효과적으로 방지할 수 있다.

Description

고흡수성 수지{SUPER ABSORBENT POLYMER}
본 발명은 재습윤 방지 효과가 현저하게 개선된 고흡수성 수지에 관한 것이다.
고흡수성 수지(Super Absorbent Polymer, SAP)란 자체 무게의 5백 내지 1천 배 정도의 수분을 흡수할 수 있는 기능을 가진 합성 고분자 물질로서, 개발업체마다 SAM(Super Absorbency Material), AGM(Absorbent Gel Material) 등 각기 다른 이름으로 명명하고 있다. 상기와 같은 고흡수성 수지는 생리용구로 실용화되기 시작해서, 현재는 어린이용 종이기저귀나 생리대 등 위생용품 외에 원예용 토양보수제, 토목, 건축용 지수재, 육묘용 시트, 식품유통분야에서의 신선도 유지제, 및 찜질용 등의 재료로 널리 사용되고 있다.
가장 많은 경우에, 이러한 고흡수성 수지는 기저귀나 생리대 등 위생재 분야에서 널리 사용되고 있는데, 이러한 용도를 위해 수분 등에 대한 높은 흡수력을 나타낼 필요가 있고, 외부의 압력에도 흡수된 수분이 빠져 나오지 않아야 하며, 이에 더하여, 물을 흡수하여 부피 팽창(팽윤)된 상태에서도 형태를 잘 유지하여 우수한 통액성(permeability)을 나타낼 필요가 있다.
그런데, 상기 고흡수성 수지의 기본적인 흡수력 및 보수력을 나타내는 물성인 보수능(CRC)과, 외부의 압력에도 흡수된 수분을 잘 보유하는 특성을 나타내는 가압하 흡수능(AUL)은 함께 향상시키기 어려운 것으로 알려져 있다. 이는 고흡수성 수지의 전체적인 가교 밀도가 낮게 제어될 경우, 보수능은 상대적으로 높아질 수 있지만, 가교 구조가 성기게 되고 겔 강도가 낮아져 가압하 흡수능은 저하될 수 있기 때문이다. 반대로, 가교 밀도를 높게 제어하여 가압하 흡수능을 향상시키는 경우, 빽빽한 가교 구조 사이로 수분이 흡수되기 어려운 상태로 되어 기본적인 보수능이 저하될 수 있다. 상술한 이유로 인해, 보수능 및 가압하 흡수능이 함께 향상된 고흡수성 수지를 제공하는데 한계가 있다.
그러나, 최근 기저귀나 생리대 등과 같은 위생재의 박막화에 따라 고흡수성 수지에 보다 높은 흡수 성능이 요구되고 있다. 이 중에서도, 상반되는 물성인 보수능과 가압 흡수능의 동반 향상과 통액성의 개선 등이 중요한 과제로 대두되고 있다.
또한, 기저귀나 생리대 등의 위생재에는 사용자의 무게에 의해 압력이 가해질 수 있다. 특히, 기저귀나 생리대 등의 위생재에 적용되는 고흡수성 수지가 액체를 흡수한 이후, 이에 사용자의 무게에 의한 압력이 가해지면 고흡수성 수지에 흡수된 일부 액체가 다시 배어 나오는 재습윤(rewet) 현상이 발생할 수 있다. 따라서, 이러한 재습윤 현상을 억제하고자 가압하 흡수능 및 통액성 등을 향상시키는 여러 가지 시도들이 진행되고 있다. 하지만 아직까지 재습윤 현상을 효과적으로 억제할 수 있는 구체적인 방안이 제시되지 못하고 있는 실정이다.
본 발명은 우수한 흡수 제반 물성을 나타내면서도 재습윤 현상을 효과적으로 억제할 수 있는 고흡수성 수지를 제공한다.
발명의 일 구현예는 하기의 구성을 가진다.
(1) 평균 입경이 300㎛ 내지 600㎛인 고흡수성 수지로서, 상기 고흡수성 수지 1g을 0.9 중량%의 염화나트륨 수용액 20g에 10 분간 팽윤시켜 얻은 겔의 평균 입경이 600㎛ 내지 1000㎛인 고흡수성 수지.
(2) 300㎛ 내지 600㎛의 입경을 가지는 입자가 45 내지 85 중량%인 상기 (1)에 기재된 고흡수성 수지.
(3) 0㎛ 초과 300㎛ 이하의 입경을 가지는 입자가 15 내지 25 중량%인 상기 (1) 또는 (2)에 기재된 고흡수성 수지.
(4) 0㎛ 초과 600㎛ 이하의 입경을 가지는 겔의 분율이 5 중량% 내지 30 중량%인 상기 (1) 내지 (3) 중 어느 하나에 기재된 고흡수성 수지.
(5) 생리 식염수에 대한 원심분리 보수능(CRC)이 28 내지 35 g/g이고, 생리 식염수에 대한 0.9 psi의 가압 흡수능(AUL)이 14 내지 22 g/g이고, 생리 식염수에 대한 자유 팽윤 겔 베드 투과율(GBP)이 40 내지 100 darcy이고, 볼텍스 시간이 20 내지 60초인 상기 (1) 내지 (4) 중 어느 하나에 기재된 고흡수성 수지.
발명의 다른 일 구현예는 하기 구성을 가진다.
(6) 적어도 일부가 중화된 산성기를 갖는 수용성 에틸렌계 불포화 단량체, 발포제, 기포 촉진제, 계면 활성제를 포함하는 단량체 혼합물을 내부 가교제 존재 하에 가교 중합하여 함수겔 중합체를 형성하는 단계; 상기 함수겔 중합체를 건조, 분쇄 및 분급하여 베이스 수지 분말을 형성하는 단계; 및 표면 가교제 존재 하에, 상기 베이스 수지 분말의 표면을 추가 가교하여 표면 가교층을 형성하는 단계를 포함하는 제조 방법.
(7) 상기 발포제로 탄산마그네슘, 탄산칼슘, 탄산수소나트륨, 탄산나트륨, 탄산수소칼륨 및 탄산칼륨으로 이루어진 군에서 선택된 1 종 이상이 사용되는 상기 (6) 에 기재된 고흡수성 수지의 제조 방법.
(8) 상기 계면 활성제로 폴리에테르를 측쇄로 포함하는 폴리실록세인이 사용되는 상기 (6) 또는 (7)에 기재된 고흡수성 수지의 제조 방법.
(9) 상기 기포 촉진제로는 무기산 알루미늄 염 및/또는 유기산 알루미늄 염이 사용되는 상기 (6) 내지 (8) 중 어느 하나에 기재된 고흡수성 수지의 제조 방법.
(10) 상기 발포제는 전체 단량체 혼합물에 대해 약 0.05 내지 약 5.0 중량%, 상기 기포 촉진제는 전체 단량체 혼합물에 대해 약 0.01 내지 약 3 중량%, 계면 활성제는 전체 단량체 혼합물에 대해 약 0.001 내지 약 1 중량%로 사용되는 상기 (6) 내지 (9) 중 어느 하나에 기재된 고흡수성 수지의 제조 방법.
발명의 일 구현예에 따른 고흡수성 수지는 부분 팽윤된 겔 입자의 크기가 최적화되어 부분 팽윤된 상태에서도 빠른 흡수 속도 및 높은 겔 강도를 나타낼 수 있다. 이에 따라 상기 고흡수성 수지를 이용하면 재습윤 현상을 효과적으로 방지할 수 있다.
도 1 내지 도 3은 겔 베드 투과율을 측정하기 위한 예시적인 장치와 상기 장치에 구비된 부품의 모식도이다.
이하 발명의 구체적인 구현예에 따른 고흡수성 수지 등에 대해 설명하기로 한다.
발명의 일 구현예에 따르면, 평균 입경이 300㎛ 내지 600㎛인 고흡수성 수지로서, 상기 고흡수성 수지 1g을 0.9 중량%의 염화나트륨 수용액 20g에 10 분간 팽윤시켜 얻은 겔의 평균 입경이 600㎛ 내지 1000㎛인 고흡수성 수지가 제공된다.
본 발명자들의 실험 결과, 평균 입경이 300㎛ 내지 600㎛인 고흡수성 수지를 상기와 같은 조건에서 부분 팽윤시켜 얻은 겔의 평균 입경이 600㎛ 내지 1000㎛ 내라면, 이러한 고흡수성 수지는 최적화된 기공 크기 및 기공율 등을 가져 빠른 흡수 속도 및 우수한 통액성을 나타냄을 확인하였다. 그리고, 이러한 특성에 의해 상기 고흡수성 수지는 일부 팽윤된 상태에서도 빠른 흡수 속도, 우수한 가압 흡수능 및 통액성 등을 나타내어 외부 압력에 의해 고흡수성 수지에 흡수된 액체가 다시 배어 나오는 재습윤(rewet) 현상을 효과적으로 방지할 수 있음을 확인하고 발명을 완성하였다.
이에 따라, 어떠한 종류의 고흡수성 수지라도 상술한 조건에서 부분 팽윤시켜 얻은 겔의 평균 입경이 상술한 범위를 만족하도록 제조하여 재습윤 현상이 효과적으로 억제된 고흡수성 수지를 제공할 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 고흡수성 수지는 상기 조건에서 일부 팽윤시켜 얻은 겔의 평균 입경이 600㎛ 내지 1000㎛, 650㎛ 내지 950㎛ 또는 700㎛ 내지 900㎛인 것일 수 있다. 이러한 고흡수성 수지는 최적화된 기공 크기 및 기공율 등을 가져 빠른 흡수 속도 및 우수한 통액성을 나타낼 수 있으며, 이에 따라 보다 우수한 재습윤 방지 효과를 나타낼 수 있다.
상기 부분 팽윤 시켜 얻은 겔의 평균 입경은 상술한 조건하에서 고흡수성 수지를 부분 팽윤 시켜 얻은 겔을 이용하여 본 발명이 속하는 기술분야에 알려진 다양한 방법을 통해 측정할 수 있다.
구체적으로, 비닐백에 고흡수성 수지 1g을 넣고, 0.9 중량%의 생리 식염수 20g을 주입하여 고흡수성 수지를 10분 간 팽윤시켜 겔을 얻을 수 있다. 상기 비닐백으로는 생리 식염수를 흡수하지 않는 소재의 모든 비닐백이 사용될 수 있으며, 비제한적인 예로 PE(polyethylene) 소재의 비닐백이 사용될 수 있다.
상기와 같이 얻어진 겔에는 겔의 평균 입경 측정을 용이하게 하기 위해 실리카가 첨가될 수 있다. 실리카는 겔의 표면이 젖어 있어 겔의 분급 과정에서 서로 들러 붙는 현상을 억제할 수 있다. 실리카의 첨가로 인해 겔의 입도 분포가 변경되지 않으므로, 실리카로는 겔의 분급 과정 동안 서로 들러 붙는 현상을 억제할 수 있다면 소수성 혹은 친수성 실리카가 모두 사용될 수 있다. 또한, 겔의 입도 분포는 실리카의 첨가 함량에도 영향을 받지 않으므로, 실리카는 적절한 함량으로 사용될 수 있다. 비제한적인 예로, 동일한 입도 분포를 재현성 있게 얻기 위해 충분한 실리카를 겔 표면에 도포하여 겔의 입경을 측정할 수 있다.
겔의 평균 입경은 본 발명이 속하는 기술분야에 알려진 다양한 방법을 통해 측정될 수 있다. 일 예로, 상기 겔의 평균 입경은 유럽부직포산업협회(European Disposables and Nonwovens Association, EDANA) 규격 EDANA WSP 220.2 방법에 따라 측정될 수 있다.
한편, 본 명세서에서 상온은 가온 또는 감온되지 않은 자연 그대로의 온도로서 약 1 내지 30℃, 약 5 내지 30℃ 혹은 약 15 내지 25℃의 온도를 의미할 수 있다.
상기 일 구현예에 따라 상술한 조건에서 부분 팽윤시켜 얻은 겔의 평균 입경이 상술한 범위를 만족하는 고흡수성 수지는 균일한 입도 분포를 나타낼 수 있다.
일 예로, 상기 일 구현예의 고흡수성 수지는 300㎛ 내지 600㎛의 입경을 가지는 입자를 45 내지 85 중량%로 포함할 수 있다. 이에 따라, 상기 고흡수성 수지는 부분 팽윤된 이후에도 빠른 흡수 속도와 우수한 겔 강도를 보일 수 있다.
또한, 다른 일 예로, 상기 일 구현예에 따른 고흡수성 수지는 0㎛ 초과 300㎛ 이하의 입경을 가지는 입자를 15 내지 25 중량%로 포함할 수 있다.
상기 고흡수성 수지는 부분 팽윤되어 균일한 입도 분포의 겔을 용이하게 형성하므로, 작은 입경의 고흡수성 수지로부터 작은 입경의 겔 입자를 제공할 수 있다. 이에 따라, 상기 입도 분포를 나타내는 고흡수성 수지는 보다 개선된 재습윤 방지 효과를 나타낼 수 있다.
그리고, 상기 고흡수성 수지는 300㎛ 내지 600㎛의 입경을 가지는 입자를 45 내지 85 중량%로 포함하며, 0㎛ 초과 300㎛ 이하의 입경을 가지는 입자를 15 내지 25 중량%로 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 고흡수성 수지는 잔량의 600㎛ 초과의 입경을 가지는 입자를 포함할 수 있다. 상기와 같은 입도 분포를 가지는 고흡수성 수지는 부분 팽윤된 상태에서 더욱 향상된 흡수 속도 및 겔 강도를 나타낼 수 있다.
또한, 일 구현예에 따른 고흡수성 수지는 0㎛ 초과 600㎛ 이하의 입경을 가지는 겔의 분율이 5 중량% 내지 30 중량% 혹은 5 중량% 내지 20 중량%인 것일 수 있다. 이때, 상기 겔은 고흡수성 수지를 상술한 조건에서 부분 팽윤시켜 얻은 것이다.
이러한 고흡수성 수지는 일부 팽윤된 상태에서도 작은 입경의 겔 입자들로 인해, 보다 빠른 흡수 속도 및 높은 겔 강도를 나타낼 수 있다. 이에 따라, 상기 고흡수성 수지는 현저하게 개선된 재습윤(rewet) 방지 효과를 나타낼 수 있다.
특히, 고흡수성 수지가 상술한 입도 분포를 가질 경우 0㎛ 초과 600㎛ 이하의 입경을 가지는 겔의 분율이 상술한 범위를 만족할 수 있다.
한편, 상술한 조건에서 고흡수성 수지를 일부 팽윤시켜 얻은 겔의 평균 입경이 상술한 범위를 만족하는 상기 일 구현예에 따른 고흡수성 수지는 최적화된 기공 크기 및 기공율 등을 가져 우수한 흡수 제반 성능을 나타낼 수 있다.
보다 구체적으로, 일 구현예에 따른 고흡수성 수지는 생리 식염수에 대한 원심분리 보수능(CRC)이 28 g/g 내지 35 g/g, 28.5 g/g 내지 34 g/g 또는 29 g/g 내지 33 g/g이고, 생리 식염수에 대한 0.9 psi의 가압 흡수능(AUL)이 14 g/g 내지 22 g/g, 15 g/g 내지 21 g/g, 16 g/g 내지 20 g/g 또는 18 g/g 내지 20 g/g 이고, 생리 식염수에 대한 자유 팽윤 겔 베드 투과율(GBP)이 40 내지 100 darcy, 45 내지 90 darcy 또는 50 내지 80 darcy이고, 볼텍스 시간이 20초 내지 60초, 25 내지 55초 또는 30 내지 50초 인 특성을 나타낼 수 있다.
이와 같은 특성을 나타내는 상기 일 구현예에 따른 고흡수성 수지는 기본적인 흡수 제반 성능이 우수할 뿐 아니라, 현저하게 향상된 재습윤 방지 효과를 나타낼 수 있어 기저귀 등 각종 위생 용품에 적용되어 전체적으로 매우 우수한 물성을 나타낼 수 있다.
특히, 이와 같은 특성을 나타내는 일 구현예에 따른 고흡수성 수지가 300㎛ 내지 600㎛의 입경을 가지는 입자를 45 내지 85 중량%로 포함하거나, 0㎛ 초과 300㎛ 이하의 입경을 가지는 입자를 15 내지 25 중량%로 포함하거나, 0㎛ 초과 600㎛ 이하의 입경을 가지는 겔의 분율을 5 중량% 내지 30 중량%로 포함하거나 혹은 이 조건들 중 두 개 이상의 조건들을 만족한다면 고흡수성 수지의 기본적인 제반 물성이 뛰어나면서도 일부 팽윤된 상태에서도 우수한 흡수 속도 및 겔 강도 등을 나타내 현저하게 향상된 재습윤 방지 효과 및 높은 건조 효율 등을 나타낼 수 있다.
한편, 상기 생리 식염수에 대한 원심분리 보수능(CRC)은 EDANA 법 WSP 241.2의 방법에 따라 측정될 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 보수능은 고흡수성 수지를 분급하여 입경이 300㎛ 내지 600㎛의 입경을 가지는 고흡수성 수지를 준비하고, 이를 30분에 걸쳐 생리 식염수에 흡수시킨 후, 다음과 같은 계산식 1에 의해 산출될 수 있다:
[계산식 1]
CRC(g/g) = {[W2(g) - W1(g)]/W0(g)} - 1
상기 계산식 1에서,
W0(g)는 300㎛ 내지 600㎛의 입경을 가지는 고흡수성 수지의 초기 무게(g)이고, W1(g)는 고흡수성 수지를 사용하지 않고, 원심분리기를 사용하여 250G로 3분간 탈수한 후에 측정한 장치 무게이고, W2(g)는 상온에서 0.9 중량%의 생리 식염수에 300㎛ 내지 600㎛의 입경을 가지는 고흡수성 수지를 30분 동안 침수하여 흡수시킨 다음, 원심분리기를 사용하여 250G로 3분간 탈수한 후에, 고흡수성 수지를 포함하여 측정한 장치 무게이다.
또한, 상기 0.9 psi의 가압 흡수능(AUL)은 EDANA 법 WSP 242.2의 방법에 따라 측정될 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 가압 흡수능은 고흡수성 수지를 1 시간에 걸쳐 약 0.9 psi의 가압 하에 생리 식염수에 흡수시킨 후, 하기 계산식 2에 따라 산출될 수 있다:
[계산식 2]
AUL(g/g) = [W4(g) - W3(g)]/ W0(g)
상기 계산식 2에서,
W0(g)는 고흡수성 수지의 초기 무게(g)이고, W3(g)는 고흡수성 수지의 무게 및 상기 고흡수성 수지에 하중을 부여할 수 있는 장치 무게의 총합이고, W4(g)는 하중(0.9 psi) 하에 1시간 동안 상기 고흡수성 수지에 생리 식염수를 흡수시킨 후에, 고흡수성 수지의 무게 및 상기 고흡수성 수지에 하중을 부여할 수 있는 장치 무게의 총합이다.
상기 계산식 1 내지 2에 기재된 W0(g)는 고흡수성 수지를 생리 식염수에 흡수시키기 전의 초기 무게(g)에 해당하는 것으로, 각각 동일하거나 상이할 수 있다.
상기 생리 식염수에 대한 겔 베드 투과율(GBP)은 특허 출원 제 2014-7018005호에 기재된 이하의 방법에 따라 다르시(Darcy) 또는 cm2의 단위로 측정될 수 있다. 1darcy는 1cm 당 1기압의 압력 구배 하에서 1cP의 점성도를 가진 액체가 1cm2을 통하여 1초당 1mm를 유동하는 것을 의미한다. 겔 베드 투과율은 면적과 동일한 단위를 가지며 1darcy는 0.98692 x 10-12 m2 또는 0.98692 x 10-8 cm2과 같다.
보다 구체적으로, 본 명세서에서 GBP는 0 psi의 자유 팽윤 상태라 불리는 상태하에서 팽윤된 겔 층(또는 베드)에 대한 침투도(또는 투과율)(Gel Bed Permeability(GBP) Under 0psi Swell Pressure Test)를 의미하며, 상기 GBP는 도 1 내지 도 3에 나타낸 장치를 이용하여 측정할 수 있다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, GBP를 측정하기 위한 장치(500)에서 시험 장치 조립체(528)는 샘플 용기(530) 및 플런저(536)를 포함한다. 플런저는 종축 아래로 뚫린 실린더 홀을 갖는 샤프트(538) 및 샤프트의 바닥에 위치된 헤드(550)를 포함한다. 샤프트 홀(562)의 직경은 약 16mm이다. 플런저 헤드는, 예를 들면, 접착제에 의해 샤프트에 부착되어 있다. 12개의 구멍(544)이 샤프트의 방사축으로 뚫려 있으며, 90°마다 위치한 3개의 구멍의 직경은 약 6.4mm이다. 샤프트(538)는 LEXAN 막대 또는 동등한 재료로부터 기계 가공되며, 외경이 약 2.2cm이고 내경이 약 16mm이다. 플런저 헤드(550)는 7개의 내측 구멍(560)와 14개의 외측 구멍(554)을 가지며, 모든 구멍의 직경은 약 8.8mm이다. 또한 약 16mm의 구멍이 샤프트와 일직선으로 되어 있다. 플런저 헤드(550)는 LEXAN 막대 또는 균등한 재료로부터 기계 가공되며, 높이가 약 16mm이고, 직경은 최소한의 벽 간격(wall clearance)을 갖고 실린더(534) 내부에 꼭 맞지만 여전히 자유롭게 움직일 정도의 크기로 만들어져 있다. 플런저 헤드(550)와 샤프트(538)의 총 길이는 약 8.25cm이지만, 샤프트의 상부에서 기계 가공되어 플런저(536)의 원하는 크기를 획득할 수 있다. 플런저(536)는 2축으로 신장되어 팽팽하고, 플런저(536)의 하단에 부착된 100 mesh의 스테인리스 강 클로스 스크린(564)을 포함한다. 스크린을 플런저 헤드(550)에 확실히 접착시키는 적절한 용매를 사용하여 플런저 헤드(550)에 부착시킨다. 과잉의 용매가 스크린의 개구부로 이동하여, 액체 유동을 위한 구멍 면적을 감소시키는 것을 피하도록 주의해야 한다. IPS Corporation(사업장 소재지: 미국 캘리포니아주 가데나)의 아크릴 용매 Weld-on 4가 적합하게 이용될 수 있다. 샘플 용기(530)는 실린더(534) 및 2축으로 신장되어 팽팽하고 실린더(534)의 하단에 부착된 400 mesh 스테인리스 강 클로스 스크린(566)을 포함한다. 스크린을 실린더에 확실히 접착시키는 적절한 용매를 사용하여 실린더에 부착시킨다. 과잉의 용매가 스크린의 개구부로 이동하여, 액체 유동을 위한 구멍 면적을 감소시키는 것을 피하도록 주의해야 한다. IPS Corporation(사업장 소재지: 미국 캘리포니아주 가데나)의 아크릴 용매 Weld-on 4가 적합하게 이용될 수 있다. 도 2에 568로 표시된 겔 입자 샘플(팽윤된 고흡수성 수지)은, 시험하는 동안에 실린더(534) 내부의 스크린(566) 위에 받쳐져 있다.
실린더(534)는 투명한 LEXAN 막대 또는 균등한 재료에 구멍을 뚫거나, LEXAN 관(tubing) 또는 균등한 재료를 절단하여, 내경이 약 6cm(예를 들면, 단면적이 약 28.27cm2), 벽 두께가 약 0.5cm, 높이가 약 7.95cm로 제조될 수 있다. 스텝은 외경 66mm를 갖는 부위(534a)가 실린더(534)의 바닥 31mm에 존재하도록 실린더(534)의 외경을 기계 가공하여 형성할 수 있다. 부위(534a)의 직경을 맞게 하는 오-링(540)을 스텝의 상부에 둘 수 있다.
환형 추(annular weight)(548)는 직경 약 2.2cm 깊이 1.3cm의 반대로 뚫어진(counter-bored) 홀을 갖고, 따라서 이것은 샤프트(538) 상으로 자유롭게 미끄러진다. 환형 추는 또한 약 16mm의 스루-보어(thru-bore)(548a)를 갖는다. 환형 추(548)는 스테인리스강 또는 0.9 중량%의 생리 식염수(염화나트륨 수용액)에 의한 부식에 저항할 수 있는 다른 적합한 재료로 만들어질 수 있다. 플런저(536)와 환형 추(548)의 조합 중량은 약 596g과 같으며, 이것은, 샘플(568)에 가해지는 압력이 약 28.27cm2의 샘플 면적에 걸쳐 약 0.3psi 또는 약 20.7dyne/cm2 (2.07kPa)인 것에 상응한다.
GBP를 시험하는 동안에 시험 용액이 시험 장치를 통과하여 유동할 때, 샘플 용기(530)는 일반적으로 웨어(weir)(600) 상에 놓인다. 웨어의 목적은 샘플 용기(530)의 상부에서 오버플로우하는 액체를 우회시키는 것이며, 오버플로우 액체는 별도의 수집 장치(601)로 우회시킨다. 웨어는 비커(603)가 놓여 있는 저울(602) 위에 위치시켜, 팽윤된 샘플(568)을 통과하는 생리 식염수를 수집할 수 있다.
"자유 팽윤" 조건하에 겔 베드 투과율 시험을 수행하기 위해, 추(548)가 장치된 플런저(536)를 빈 샘플 용기(530) 안에 위치시키고, 적합한 게이지를 사용하여 정확도 0.01mm까지, 추(548)의 상부로부터 샘플 용기(530)의 바닥까지의 높이를 측정한다. 측정하는 동안에 두께 게이지가 인가하는 힘은 가능한 작아야 하며, 바람직하게는 약 0.74N 미만이다. 다중 시험 장치를 사용하는 경우, 각각의 비어 있는 샘플 용기(530), 플런저(536) 및 추(548)와 이들이 사용된 트랙을 유지하는 것이 중요하다.
또한, 샘플 용기(530)가 놓여 있는 받침대(base)는 편평하고, 추(548)의 표면은 샘플 용기(530)의 바닥 표면과 평행한 것이 바람직하다. 그리고, GBP를 측정할 고흡수성 수지로부터 시험할 샘플을 준비한다. 일 예로, 미국 표준 30 mesh 스크린은 통과하고, 미국 표준 50 mesh 스크린 위에는 유지되는 약 300 내지 약 600㎛의 입경을 갖는 고흡수성 수지로 시험 샘플을 준비한다. 약 2.0g의 샘플을 샘플 용기(530) 안에 넣고, 샘플 용기의 바닥 위에 골고루 펼친다. 이어서, 플런저(536)와 추(548)는 들어 있지 않고 2.0g의 샘플이 담긴 이 용기를 0.9 중량%의 생리 식염수 속에 약 60분 동안 담가서 무가압 하에서 샘플이 팽윤되도록 한다. 이때, 샘플 용기(530)가 액체 저장소의 바닥보다 약간 올라오도록 샘플 용기(530)를 액체 저장소 내에 위치된 mesh 위에 올려 놓는다. 상기 mesh로는 샘플 용기(530)로의 생리 식염수의 이동에 영향을 미치지 않는 것을 사용할 수 있다. 이러한 mesh로는 Eagle Supply and Plastic(사업장 소재지: 미국 위스콘신주 애플톤)의 부품 번호 7308이 사용될 수 있다. 포화되는 동안 생리 식염수의 높이는 샘플 용기 내의 표면이 생리 식염수가 아니라 샘플에 의해 규정되도록 조절될 수 있다.
이 기간의 종료시에, 플런저(536)와 추(548)의 조립체를 샘플 용기(530) 내의 포화된 샘플(568) 위에 올려놓은 다음, 샘플 용기(530), 플런저(536), 추(548) 및 샘플(568)을 용액으로부터 꺼낸다. 이후, GBP 측정 전에, 샘플 용기(530), 플런저(536), 추(548) 및 샘플(568)을 편평하고 큰 그리드의 균일한 두께의 비-변형성 플레이트 상에 약 30초 동안 그대로 둔다. 상기 플레이트는 샘플 용기 내의 액체가 표면 장력으로 인해 편평한 표면 상으로 방출되는 것을 방지할 것이다. 이 플레이트는 전체 치수가 7.6cm x 7.6cm이며, 각각의 그리드 치수는 길이 1.59cm x 폭 1.59cm x 깊이 1.12cm일 수 있다. 적합한 플레이트 재료는 McMaster Carr Supply Company(사업장 소재지: 미국 일리노이즈주 시카고)로부터 입수 가능한 포물선형 확산판, 카탈로그 번호 1624K27이며, 이것은 적절한 치수로 절단되어 사용될 수 있다.
그리고, 초기 높이 측정으로부터 제로 지점이 변하지 않았다면, 앞서 사용한 것과 동일한 두께 게이지를 사용하여, 추(548)의 상부로부터 샘플 용기(530)의 바닥까지의 높이를 다시 측정한다. 높이 측정은 두께 게이지를 장치한 후 가능한 한 빨리 이루어져야 한다. 빈 샘플 용기(530) 안에 플런저(536) 및 추(548)가 위치된 빈 조립체의 높이 측정값을 샘플(568)을 포화시킨 후에 획득된 높이 측정값에서 빼야 한다. 그 결과 수득된 값이 포화된 샘플(568)의 두께 또는 높이 "H"이다. 또한, 포화된 샘플(568)을 포함하는 조립체에 플레이트가 포함되어 있다면, 빈 조립체의 높이 측정 시에도 플레이트를 포함하여 높이를 측정하여야 한다.
GBP 측정은 포화된 샘플(568), 플런저(536) 및 추(548)가 들어 있는 샘플 용기(530) 안으로 0.9% 생리 식염수를 전달하는 것으로 시작된다. 생리 식염수가 실린더(534)의 상부로 오버플로우되도록 용기 안으로의 생리 식염수의 유량(flow rate)을 조정하고, 이에 의해 샘플 용기(530)의 높이와 동등한 일관된 헤드 압력이 나타나도록 한다. 계기 펌프(604) 등이 구비된 실린더의 상부로부터 소량이지만 일관된 양의 오버플로우를 확보하기에 충분한 임의의 수단에 의해 생리 식염수를 첨가할 수 있다. 오버플로우 액체는 별도의 수집 장치(601) 안으로 우회시킨다. 저울(602) 및 비커(603)를 사용하여, 샘플(568)을 통과하는 용액의 양 대 시간을 중량측정법으로 측정한다. 일단 오버플로우가 시작되면, 60초 이상 동안 매초마다 저울(602)로부터 데이터 포인트들을 수집한다. 데이터 수집은 수동으로 또는 데이터 수집 소프트웨어를 사용하여 획득할 수 있다. 팽윤된 샘플(568)을 통과하는 유량(Q)은, 샘플(568)을 통과하는 액체(g) 대 시간(sec)의 선형 최소제곱 적합(linear least-square fit)에 의해 g/sec 단위로 결정한다.
이렇게 얻어진 데이터를 이용하여 다음의 계산식 3에 따라 상기 GBP(cm2)를 산출하여 겔 베드 투과율을 확인할 수 있다.
[계산식 3]
K = [Q * H * μ]/[A * ρ * P]
상기 계산식 3에서,
K는 겔 베드 투과율 (cm2)이고,
Q는 유량 (g/sec)이고,
H는 팽윤된 샘플의 높이(cm)이고,
μ는 액체 점도(P)(이번 시험에 사용하는 시험 용액의 점도는 약 1cP)이고,
A는 액체 유동에 대한 단면적(이번 시험에 사용하는 샘플 용기에 대해서는 28.27㎠)이고,
ρ는 액체 밀도(g/cm3)(이번 시험에 사용하는 시험 용액에 대해서는 약 1 g/cm3)이고,
P는 정수압(dyne/cm2)(정상적으로는 약 7,797dyne/cm2)이다.
정수압은 식 P = ρ * g * h로부터 계산되며, 여기서 ρ는 액체 밀도(g/cm3)이고, g는 중력 가속도(공칭적으로는 981cm/sec2)이고, h는 액체 높이(예를 들면, 본 명세서에 기재된 GBP 시험에 대해서는 7.95cm)이다.
한편, 볼텍스 시간(vortex time)은 국제 공개 출원 제1987-003208호에 기재된 방법에 준하여 초 단위로 측정될 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 볼텍스 시간은 50mL의 생리 식염수에 2g의 고흡수성 수지를 넣고, 600rpm으로 교반하여 와류(vortex)가 사라질 때까지의 시간을 초 단위로 측정하여 산출될 수 있다.
상기 상술한 조건에서 부분 팽윤시킨 겔의 평균 입경이 상술한 범위인 상기 일 구현예의 고흡수성 수지는 본 발명이 속하는 기술분야에 알려진 다양한 종류의 고흡수성 수지의 구조 혹은 물성 등을 적절히 조절하여 제공할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 일 구현예의 고흡수성 수지는 기본적으로 이전의 고흡수성 수지와 마찬가지로 수용성 에틸렌계 불포화 단량체가 가교 중합된 가교 중합체를 베이스 수지 분말로서 포함하며, 이러한 베이스 수지 분말 상에 형성된 표면 가교층을 포함할 수 있다. 이에 더하여, 상기 일 구현예의 고흡수성 수지는 상술한 조건에서 부분 팽윤되어 얻어진 겔이 상술한 범위의 평균 입경을 가지도록 조절된 구조 혹은 추가된 성분을 포함할 수 있다.
일 예로, 일 구현예의 고흡수성 수지는 기존 대비 증가된 흡수 면적을 가져 상술한 조건에서 부분 팽윤시킨 겔이 상술한 범위의 평균 입경을 나타내게 할 수 있다. 구체적으로, 베이스 수지 분말의 중합 시에 기포를 발생시킬 수 있는 발포제, 기포 발생을 촉진시키는 기포 촉진제 및 안정적인 발포를 위한 계면 활성제를 사용하여 상술한 조건에서 부분 팽윤시킨 겔이 상술한 범위의 평균 입경을 나타내는 고흡수성 수지를 제공할 수 있다.
보다 구체적으로, 일 구현예의 고흡수성 수지는, 적어도 일부가 중화된 산성기를 갖는 수용성 에틸렌계 불포화 단량체, 발포제, 기포 촉진제, 계면 활성제를 포함하는 단량체 혼합물을 내부 가교제 존재 하에 가교 중합하여 함수겔 중합체를 형성하는 단계; 상기 함수겔 중합체를 건조, 분쇄 및 분급하여 베이스 수지 분말을 형성하는 단계; 및 표면 가교제 존재 하에, 상기 베이스 수지 분말의 표면을 추가 가교하여 표면 가교층을 형성하는 단계를 포함하는 제조 방법을 통해 제조될 수 있다.
상기 제조 방법에서, 수용성 에틸렌계 불포화 단량체로는, 아크릴산, 메타크릴산, 무수말레인산, 푸말산, 크로톤산, 이타콘산, 2-아크릴로일에탄 술폰산, 2-메타크릴로일에탄술폰산, 2-(메트)아크릴로일프로판술폰산, 또는 2-(메트)아크릴아미드-2-메틸 프로판 술폰산의 음이온성 단량체와 이의 염; (메트)아크릴아미드, N-치환(메트)아크릴아미드, 2-히드록시에틸(메트)아크릴레이트, 2-히드록시프로필(메트)아크릴레이트, 메톡시폴리에틸렌글리콜(메트)아크릴레이트 또는 폴리에틸렌 글리콜(메트)아크릴레이트의 비이온계 친수성 함유 단량체; 및 (N,N)-디메틸아미노에틸(메트)아크릴레이트 또는 (N,N)-디메틸아미노프로필(메트)아크릴아미드의 아미노기 함유 불포화 단량체와 그의 4급화물;로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 사용할 수 있다. 이중에서도, 아크릴산 또는 이의 염, 예를 들어, 아크릴산의 적어도 일부가 중화된 아크릴산 및/또는 이의 나트륨염 등의 알칼리 금속염을 사용할 수 있는데, 이러한 단량체를 사용하여 보다 우수한 물성을 갖는 고흡수성 수지의 제조가 가능해 진다. 상기 아크릴산의 알칼리 금속염을 단량체로 사용하는 경우, 아크릴산을 가성소다(NaOH)와 같은 염기성 화합물로 중화시켜 사용할 수 있다. 이때, 상기 수용성 에틸렌계 불포화 단량체의 중화 정도는 약 50 내지 95% 혹은 약 70 내지 85%로 조절될 수 있으며, 이러한 범위 내에서 중화 시 석출의 우려 없이 보수능이 뛰어난 고흡수성 수지를 제공할 수 있다.
상기 수용성 에틸렌계 불포화 단량체를 포함한 단량체 혼합물 중에서, 상기 수용성 에틸렌계 불포화 단량체의 농도는, 후술하는 각 원료 물질 및 용매를 포함하는 전체 단량체 혼합물에 대해 약 20 내지 약 60 중량%, 혹은 약 40 내지 약 50 중량%로 될 수 있으며, 중합 시간 및 반응 조건 등을 고려해 적절한 농도로 될 수 있다. 다만, 상기 단량체의 농도가 지나치게 낮아지면 고흡수성 수지의 수율이 낮고 경제성에 문제가 생길 수 있고, 반대로 농도가 지나치게 높아지면 단량체의 일부가 석출되거나 중합된 함수겔 중합체의 분쇄 시 분쇄 효율이 낮게 나타나는 등 공정상 문제가 생길 수 있으며 고흡수성 수지의 물성이 저하될 수 있다.
상기 베이스 수지 분말 내에 복수의 기공이 형성되도록 사용되는 발포제로는 상기 기포 촉진제에 의해 기포 발생이 촉진될 수 있으며, 상기 계면 활성제에 의해 안정적인 발포가 가능한 탄산염이 사용될 수 있다.
이러한 탄산염의 보다 구체적인 예로는, 탄산마그네슘(magnesium carbonate), 탄산칼슘(calcium carbonate), 탄산수소나트륨(sodium bicarbonate), 탄산나트륨(sodium carbonate), 탄산수소칼륨(potassium bicarbonate) 및 탄산칼륨(potassium carbonate)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 들 수 있다.
그리고, 상기 발포제의 발포를 촉진하기 위한 기포 촉진제로는 알루미늄 설페이트, 알루미늄 클로라이드 등과 같은 무기산 알루미늄 염 혹은 알루미늄 락테이트, 알루미늄 옥살산, 알루미늄 시트르산, 알루미늄 요산 등과 같은 유기산 알루미늄 염 등이 사용될 수 있다.
만일 기포 촉진제를 사용하지 않고 발포제 및 계면 활성제만 사용하여 함수겔 중합체를 형성하면, 최적화된 기공율 및 기공 구조를 구현할 수 없어 일 구현예에 따라 상술한 조건에서 부분 팽윤된 겔의 평균 입경이 상술한 범위를 벗어나게 된다.
상기 발포제 및 기포 촉진제로 인해 안정적인 기포 발생을 유도하기 위한 계면 활성제로는 실리콘계 계면 활성제가 사용될 수 있다. 이러한 실리콘계 계면 활성제는 적절한 다공성을 가져 양호한 보수능 및 가압 흡수능을 나타내며, 적절한 밀도를 가져 분급 등의 공정 시에 핸들링이 쉬운 고흡수성 수지를 제공하는데 크게 기여할 수 있다.
상기 실리콘계 계면 활성제로는 폴리에테르를 측쇄로 포함하는 폴리실록세인 등이 사용될 수 있다. 이 중에서도 폴리디메틸실록세인(polydimethylsiloxane) 골격에 폴리(에틸렌 옥사이드) 또는 폴리(프로필렌 옥사이드) 등의 폴리에테르 측쇄가 결합되어 있는 구조의 실리콘계 계면 활성제가 사용될 수 있다. 이러한 계면 활성제의 예로는 Xiameter(R)의 OFX-0190 Fluid (PEG/PPG-18/18 Dimethicone), OFX-0193 Fluid (PEG-12 Dimethicone), OFX-5220 Fluid (PEG/PPG-17/18 Dimethicone), OFX-5324 Fluid (PEG-12 Dimethicone) 등을 들 수 있다.
상기 수용성 에틸렌계 불포화 단량체 등을 포함하는 단량체 혼합물 중에서, 상기 발포제의 농도는, 전체 단량체 혼합물에 대해 약 0.05 내지 약 5.0 중량%, 혹은 약 0.1 내지 약 3 중량%로 될 수 있으며, 상기 기포 촉진제의 농도는, 전체 단량체 혼합물에 대해 약 0.01 내지 약 3 중량%, 혹은 약 0.5 내지 약 2 중량%로 될 수 있고, 계면 활성제의 농도는 전체 단량체 혼합물에 대해 약 0.001 내지 약 1 중량%, 혹은 약 0.01 내지 약 0.5 중량%로 될 수 있다.
이러한 범위로 발포제, 기포 촉진제 및 계면 활성제를 사용하면 고흡수성 수지의 기공 크기 및 기공율 등을 최적화하여 흡수 표면적을 현저하게 향상시킬 수 있고, 이에 따라 흡수 속도 및 재습윤 방지 효과를 개선할 수 있다.
한편, 상기 발포제, 기포 촉진제 및 계면 활성제를 사용하여 발생시킨 다량의 기포가 함수겔 중합체에 함유되게 하고, 함수겔 중합체에 함유된 복수의 기공이 후속 공정에서도 안정적으로 유지될 수 있도록 상기 함수겔 중합체를 형성하는 단계에서 히드록시기 함유 화합물을 사용할 수 있다.
보다 구체적으로, 함수겔 중합체를 형성하는 단계에서 히드록시기 함유 화합물이 사용되면, 수용성 에틸렌계 불포화 단량체 등을 포함하는 단량체 혼합물의 가교 중합 시에 중합액의 점도를 향상시켜 겔화 시간을 단축시킬 수 있다. 이에 따라, 발포제 등에 의해 형성된 다량의 기포가 중합액으로부터 빠져 나가는 것이 효과적으로 방지되어 다량의 기포가 함수겔 중합체에 함유되게 한다. 또한, 히드록시기 함유 화합물은 최종 생성된 고흡수성 수지에 포함되어 고흡수성 수지의 젖음성을 향상시킬 수 있다. 이에 따라, 고흡수성 수지의 무가압 및 가압 흡수 속도를 보다 증가시킬 수 있다.
이러한 히드록시기 함유 화합물로는 폴리비닐알코올, 또는 폴리에틸렌글리콜과 같은 폴리알킬렌글리콜과 같은 화합물이 사용될 수 있다. 이러한 히드록시기 함유 화합물의 농도는, 전체 단량체 혼합물에 대해 약 0.1 내지 1 중량%로 사용될 수 있다. 이러한 함량 범위에서 고흡수성 수지의 흡수 면적과 젖음성이 효과적으로 증가될 수 있다.
상기 베이스 수지 분말에 기본적인 가교 구조를 도입하기 위한 내부 가교제로는, 기존부터 고흡수성 수지의 제조에 사용되던 가교성 작용기를 갖는 내부 가교제를 별다른 제한 없이 모두 사용할 수 있다. 다만, 상기 베이스 수지 분말에 적절한 가교 구조를 도입하여 고흡수성 수지의 물성을 보다 향상시키기 위해, 복수의 에틸렌 옥사이드기를 갖는 다관능 아크릴레이트계 화합물이 내부 가교제로 사용될 수 있다. 이러한 내부 가교제의 보다 구체적인 예로는, 폴리에틸렌글리콜 디아크릴레이트(PEGDA), 글리세린 디아크릴레이트, 글리세린 트리아크릴레이트, 비개질 또는 에톡실화된 트리메틸올프로판 트리아크릴레이트(TMPTA), 헥산디올디아크릴레이트, 및 트리에틸렌글리콜 디아크릴레이트로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 들 수 있다. 이러한 내부 가교제는 상기 단량체 혼합물에 대하여 약 0.01 내지 약 0.5 중량%의 농도로 포함되어, 중합된 고분자를 가교시킬 수 있다.
또한, 상기 단량체 혼합물은 고흡수성 수지의 제조에 일반적으로 사용되던 중합 개시제를 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 중합 개시제는 중합 방법에 따라 열중합 개시제 또는 UV 조사에 따른 광중합 개시제를 사용할 수 있다. 다만, 광중합 방법에 의하더라도, 자외선 조사 등의 조사에 의해 일정량의 열이 발생하고, 또한 발열 반응인 중합 반응의 진행에 따라 어느 정도의 열이 발생하므로, 추가적으로 열중합 개시제를 포함할 수도 있다.
상기 광중합 개시제는 자외선과 같은 광에 의해 라디칼을 형성할 수 있는 화합물이면 그 구성의 한정이 없이 사용될 수 있다.
상기 광중합 개시제로는 예를 들어, 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.
상기 광중합 개시제는 상기 단량체 혼합물에 대하여 약 0.01 내지 약 1.0 중량%의 농도로 포함될 수 있다. 이러한 광중합 개시제의 농도가 지나치게 낮을 경우 중합 속도가 느려질 수 있고, 광중합 개시제의 농도가 지나치게 높으면 고흡수성 수지의 분자량이 작고 물성이 불균일해질 수 있다.
또한, 상기 열중합 개시제로는 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)) 등이 있다. 보다 다양한 열중합 개시제에 대해서는 Odian 저서인 'Principle of Polymerization(Wiley, 1981)', p203에 잘 명시되어 있으며, 상술한 예에 한정되지 않는다.
상기 열중합 개시제는 상기 단량체 혼합물에 대하여 약 0.001 내지 약 0.5 중량%의 농도로 포함될 수 있다. 이러한 열 중합 개시제의 농도가 지나치게 낮을 경우 추가적인 열중합이 거의 일어나지 않아 열중합 개시제의 추가에 따른 효과가 미미할 수 있고, 열중합 개시제의 농도가 지나치게 높으면 고흡수성 수지의 분자량이 작고 물성이 불균일해질 수 있다.
또, 상기 단량체 혼합물은 필요에 따라 증점제(thickener), 가소제, 보존안정제, 산화방지제 등의 첨가제를 더 포함할 수 있다.
상술한 수용성 에틸렌계 불포화 단량체, 발포제, 기포 촉진제, 계면 활성제, 광중합 개시제, 열중합 개시제, 내부 가교제 및 첨가제와 같은 원료 물질은 용매에 용해된 단량체 혼합물 용액의 형태로 준비될 수 있다.
이 때 사용할 수 있는 상기 용매는 상술한 성분들을 용해할 수 있으면 그 구성의 한정이 없이 사용될 수 있으며, 예를 들어 물, 에탄올, 에틸렌글리콜, 디에틸렌글리콜, 트리에틸렌글리콜, 1,4-부탄디올, 프로필렌글리콜, 에틸렌글리콜모노부틸에테르, 프로필렌글리콜모노메틸에테르, 프로필렌글리콜모노메틸에테르아세테이트, 메틸에틸케톤, 아세톤, 메틸아밀케톤, 시클로헥사논, 시클로펜타논, 디에틸렌글리콜모노메틸에테르, 디에틸렌글리콜에틸에테르, 톨루엔, 크실렌, 부틸로락톤, 카르비톨, 메틸셀로솔브아세테이트 및 N,N-디메틸아세트아미드 등에서 선택된 1종 이상을 조합하여 사용할 수 있다.
상기 용매는 단량체 혼합물의 총 함량에 대하여 상술한 성분을 제외한 잔량으로 포함될 수 있다.
한편, 이와 같은 단량체 혼합물을 열중합 또는 광중합하여 함수겔 중합체를 형성하는 방법은 기포 발생을 촉진하기 위해 니더(kneader)와 같은 교반축을 가진 반응기에서 진행될 수 있다.
상술한 바와 같이 교반축을 구비한 니더(kneader)와 같은 반응기에, 열 또는 광과 같은 중합 에너지원을 공급하여 반응기 배출구로 배출되는 함수겔 중합체는 반응기에 구비된 교반축의 형태에 따라 수 센티미터 내지 수 밀리미터 형태일 수 있다. 구체적으로, 얻어지는 함수겔 중합체의 크기는 주입되는 단량체 혼합물의 농도 및 주입속도 등에 따라 다양하게 나타날 수 있는데, 통상 중량 평균 입경이 약 2 내지 50 mm 인 함수겔 중합체가 얻어질 수 있다.
이때 이와 같은 방법으로 얻어진 함수겔 중합체의 통상 함수율은 약 40 내지 약 80 중량%일 수 있다. 한편, 본 명세서 전체에서 "함수율"은 전체 함수겔 중합체 중량에 대해 차지하는 수분의 함량으로 함수겔 중합체의 중량에서 건조 상태의 중합체의 중량을 뺀 값을 의미한다. 구체적으로는, 적외선 가열을 통해 중합체의 온도를 올려 건조하는 과정에서 중합체 중의 수분증발에 따른 무게감소분을 측정하여 계산된 값으로 정의한다. 이때, 건조 조건은 상온에서 약 180℃까지 온도를 상승시킨 뒤 180℃에서 유지하는 방식으로 총 건조시간은 온도상승단계 5분을 포함하여 20분으로 설정하여, 함수율을 측정한다.
그리고, 상기 단량체를 가교 중합시킨 후에는, 건조, 분쇄 및 분급 등의 공정을 거쳐 베이스 수지 분말을 얻을 수 있는데, 이러한 분쇄 및 분급 등의 공정을 통해, 베이스 수지 분말 및 이로부터 얻어지는 고흡수성 수지는 약 150 내지 850㎛의 입경을 갖도록 제조 및 제공됨이 적절하다. 보다 구체적으로, 상기 베이스 수지 분말 및 이로부터 얻어지는 고흡수성 수지의 적어도 약 95 중량% 이상이 약 150 내지 850㎛의 입경을 가지며, 약 150㎛ 미만의 입경을 갖는 미분이 약 3 중량% 미만으로 될 수 있다.
이와 같이 상기 베이스 수지 분말 및 고흡수성 수지의 입경 분포가 바람직한 범위로 조절됨에 따라, 최종 제조된 고흡수성 수지가 우수한 흡수 제반 물성을 나타낼 수 있다.
한편, 상기 건조, 분쇄 및 분급의 진행 방법에 대해 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
먼저, 함수겔상 중합체를 건조함에 있어서는, 필요에 따라서 상기 건조 단계의 효율을 높이기 위해 건조 전에 조분쇄하는 단계를 더 거칠 수 있다.
이때, 사용되는 분쇄기는 구성의 한정은 없으나, 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.
이때 조분쇄 단계는 함수겔 중합체의 입경이 약 2 내지 약 10mm로 되도록 분쇄할 수 있다.
입경이 2 mm 미만으로 분쇄하는 것은 함수겔 중합체의 높은 함수율로 인해 기술적으로 용이하지 않으며, 또한 분쇄된 입자 간에 서로 응집되는 현상이 나타날 수도 있다. 한편, 입경이 10 mm 초과로 분쇄하는 경우, 추후 이루어지는 건조 단계의 효율 증대 효과가 미미할 수 있다.
상기와 같이 조분쇄되거나, 혹은 조분쇄 단계를 거치지 않은 중합 직후의 함수겔 중합체에 대해 건조를 수행한다. 이때 상기 건조 단계의 건조 온도는 약 50 내지 약 250℃일 수 있다.
건조 온도가 약 50℃ 미만인 경우, 건조 시간이 지나치게 길어지고 최종 형성되는 고흡수성 수지의 물성이 저하될 우려가 있고, 건조 온도가 약 250℃를 초과하는 경우, 지나치게 중합체 표면만 건조되어, 추후 이루어지는 분쇄 공정에서 미분이 발생할 수도 있고, 최종 형성되는 고흡수성 수지의 물성이 저하될 우려가 있다.
한편, 건조 시간의 경우에는 공정 효율 등을 고려하여, 약 20분 내지 약 15 시간 동안 진행될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
상기 건조 단계의 건조 방법 역시 함수겔 중합체의 건조 공정으로 통상 사용되는 것이면, 그 구성의 한정이 없이 선택되어 사용될 수 있다. 구체적으로, 열풍 공급, 적외선 조사, 극초단파 조사, 또는 자외선 조사 등의 방법으로 건조 단계를 진행할 수 있다. 이와 같은 건조 단계 진행 후의 중합체의 함수율은 약 0.1 내지 약 10 중량%일 수 있다.
다음에, 이와 같은 건조 단계를 거쳐 얻어진 건조된 중합체를 분쇄하는 단계를 수행한다.
분쇄 단계 후 얻어지는 중합체 분말은 입경이 약 150 내지 약 850㎛ 일 수 있다. 이와 같은 입경으로 분쇄하기 위해 사용되는 분쇄기는 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 있으나, 상술한 예에 한정되는 것은 아니다.
그리고, 이와 같은 분쇄 단계 이후 최종 제품화되는 고흡수성 수지 분말의 물성을 관리하기 위해, 분쇄 후 얻어지는 중합체 분말을 입경에 따라 분급하는 별도의 과정을 거칠 수 있다. 바람직하게는 입경이 약 150 내지 약 850㎛인 중합체를 분급하여, 이와 같은 입경을 가진 중합체 분말에 대해서만 표면 가교 반응 단계를 거쳐 제품화할 수 있다. 이러한 과정을 통해 얻어진 베이스 수지 분말의 입경 분포에 관해서는 이미 상술한 바도 있으므로, 이에 관한 더 이상의 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
한편, 상술한 베이스 수지 분말의 형성 공정을 진행한 후에는, 표면 가교제의 존재 하에, 상기 베이스 수지 분말의 표면을 추가 가교하여 표면 가교층을 형성할 수 있으며, 이로써 고흡수성 수지를 제조할 수 있다.
상기 표면 가교층은 기존부터 고흡수성 수지의 제조에 사용되던 표면 가교제를 사용하여 형성할 수 있다. 상기 표면 가교제로는 본 발명이 속하는 기술 분야에 알려진 것을 별다른 제한 없이 모두 사용할 수 있다. 이의 보다 구체적인 예로는, 에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 1,4-부탄디올, 1,6-헥산디올, 1,2-헥산디올, 1,3-헥산디올, 2-메틸-1,3-프로판디올, 2,5-헥산디올, 2-메틸-1,3-펜탄디올, 2-메틸-2,4-펜탄디올, 트리프로필렌 글리콜, 글리세롤, 에틸렌 카보네이트 및 프로필렌 카보네이트로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 들 수 있다. 이러한 표면 가교제는 베이스 수지 분말 총 중량에 대하여 약 0.01 내지 3 중량%의 함량으로 사용될 수 있다.
그리고, 상기 표면 가교 공정에서는, 상기 표면 가교제에 더하여 실리카(silica), 클레이(clay), 알루미나, 실리카-알루미나 복합재, 티타니아, 아연산화물 및 알루미늄 설페이트로 이루어진 군에서 선택된 1 종 이상의 무기 물질 등을 추가로 첨가하여 표면 가교 반응을 수행할 수 있다. 상기 무기 물질은 분말 형태 또는 액상 형태로 사용할 수 있으며, 특히 알루미나 분말, 실리카-알루미나 분말, 티타니아 분말, 또는 나노 실리카 용액으로 사용할 수 있다. 또한, 상기 무기 물질은 베이스 수지 분말 총 중량에 대하여 약 0.05 내지 약 2 중량%의 함량으로 사용될 수 있다.
또한, 상기 표면 가교 공정에서는, 상기 무기 물질 대신 혹은 무기 물질과 함께, 다가의 금속 양이온을 첨가하여 표면 가교를 진행함에 따라, 고흡수성 수지의 표면 가교 구조를 더욱 최적화할 수 있다. 이는 이러한 금속 양이온이 고흡수성 수지의 카르복시기(COOH)와 킬레이트를 형성함으로써 가교 거리를 더욱 줄일 수 있기 때문으로 예측된다.
또, 상기 표면 가교제, 필요에 따라 무기 물질 및/또는 다가의 금속 양이온을 베이스 수지 분말에 첨가하는 방법에 대해서는 그 구성의 한정은 없다. 예를 들어, 표면 가교제와 베이스 수지 분말 등을 반응조에 넣고 혼합하거나, 베이스 수지 분말에 표면 가교제 등을 분사하는 방법, 연속적으로 운전되는 믹서에 베이스 수지 분말과 표면 가교제 등을 연속적으로 공급하여 혼합하는 방법 등을 사용할 수 있다.
상기 표면 가교제의 첨가시, 추가로 물 및 메탄올을 함께 혼합하여 첨가할 수 있다. 물 및 메탄올을 첨가하는 경우, 표면 가교제가 베이스 수지 분말에 골고루 분산될 수 있는 이점이 있다. 이때, 추가되는 물 및 메탄올의 함량은 표면 가교제의 고른 분산을 유도하고 베이스 수지 분말의 뭉침 현상을 방지함과 동시에 표면 가교제의 표면 침투 깊이를 최적화하기 위해 적절하게 조절될 수 있다.
상기 표면 가교제가 첨가된 베이스 수지 분말에 대해 약 100℃ 이상에서 약 20 분 이상 동안 가열시킴으로써 표면 가교 결합 반응이 이루어질 수 있다. 특히, 일 구현예에 따른 물성을 보다 적절히 충족하는 고흡수성 수지를 제조하기 위해, 상기 표면 가교 공정 조건은 최대 반응온도를 약 100 내지 250℃로 조절할 수 있다. 그리고, 최대 반응온도에서의 유지 시간을 약 20분 이상, 혹은 약 20분 이상 1시간 이하의 조건으로 조절할 수 있다. 또한, 최초 반응 개시시의 온도, 예를 들어, 약 100℃ 이상의 온도에서, 상기 최대 반응온도에 이르기까지의 승온 시간을 약 10 분 이상, 혹은 약 10 분 이상 1 시간 이하로 제어할 수 있다.
표면 가교 반응을 위한 승온 수단은 특별히 한정되지 않는다. 열매체를 공급하거나, 열원을 직접 공급하여 가열할 수 있다. 이때, 사용 가능한 열매체의 종류로는 스팀, 열풍, 뜨거운 기름과 같은 승온한 유체 등을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 또한 공급되는 열매체의 온도는 열매체의 수단, 승온 속도 및 승온 목표 온도를 고려하여 적절히 선택할 수 있다. 한편, 직접 공급되는 열원으로는 전기를 통한 가열, 가스를 통한 가열 방법을 들 수 있으나, 상술한 예에 한정되는 것은 아니다.
상술한 제조방법에 따라 수득된 고흡수성 수지는 상술한 조건에서 부분 팽윤되어 균일한 입도 분포의 겔을 용이하게 형성하며, 이에 따라 부분 팽윤된 겔이 상술한 범위의 평균 입경을 나타내게 할 수 있다. 즉, 상술한 제조 방법에 따라 수득된 고흡수성 수지는 발포제, 기포 촉진제 및 계면 활성제의 사용으로 인해, 기공 크기 및 기공율 등이 최적화되어 일부 팽윤된 상태에서도 우수한 흡수 속도 및 높은 겔 강도를 나타내 재습윤 현상을 효과적으로 방지할 수 있다.
이하 발명의 구체적인 실시예를 통해 발명의 작용, 효과를 보다 구체적으로 설명하기로 한다. 다만, 이는 발명의 예시로서 제시된 것으로 이에 의해 발명의 권리범위가 어떠한 의미로든 한정되는 것은 아니다.
실시예 1: 고흡수성 수지의 제조
아크릴산에 0.5%로 희석된 IRGACURE 819 개시제 11g (단량체 조성물에 대하여 110 ppm)과 아크릴산에 5%로 희석된 폴리에틸렌글리콜 디아크릴레이트(PEGDA, 분자량 400) 26g을 혼합한 용액 (A 용액)을 제조하였다.
그리고, 에틸렌 옥사이드가 9 몰%로 포함된 트리메틸올프로판 트리아크릴레이트(Ethoxylated-TMPTA, TMP(EO)9TA, M-3190 미원스페셜티 케미칼사)를 아크릴산에 5%로 희석한 용액 (B 용액)을 제조하였다.
25℃로 미리 냉각된 열매체가 순환되는 쟈켓으로 둘러 싸여진 2L 용량의 유리 반응기에 상기 A 용액 37g을 주입하고, B 용액 14g을 주입하였다. 그리고, 상기 유리 반응기에, 계면 활성제로서, 아크릴산에 1%로 희석된 OFX-0193 (XIAMETER(R)) 용액 2.8g을 주입하고 혼합한 후, 24% 가성소다 용액 800g (C 용액)을 서서히 적가하여 혼합하였다. 상기 C 용액의 적가 시에는 중화열에 의해 혼합 용액의 온도가 약 72℃ 이상까지 상승하여 혼합 용액이 냉각되기를 기다렸다. 이렇게 얻어진 혼합 용액에서 아크릴산의 중화 정도는 약 70몰%이었다.
한편, 물에 5%로 희석된 탄산수소나트륨(sodium bicarbonate) 용액 (D 용액)과 물에 4%로 희석된 과황산나트륨 용액 28g에 알루미늄 설페이트 1.6g을 녹인 용액 (E-1 용액)을 제조하였다.
그리고, 상기 혼합 용액의 온도가 약 45℃로 냉각되면, 상기 혼합 용액에 미리 준비한 D 용액 34g을 주입하여 혼합하고 동시에 E-1 용액을 주입하였다.
이어서, 상부에 광조사 장치가 장착되어 있고 내부가 80℃로 예열된 정방형 중합기 내에 설치된 Vat 형태의 트레이(tray, 가로 15cm X 세로 15cm)에 상기에서 준비한 혼합 용액을 부었다. 이후, 상기 혼합 용액에 광을 조사하였다. 광 조사 시부터 약 20초 후에 표면에 겔이 형성되는 것이 확인되었고, 광 조사 시부터 약 30초 후에 발포와 동시에 중합 반응이 일어나는 것이 확인되었다. 이후, 추가로 2 분간 중합 반응을 진행하고, 중합된 시트를 꺼내어 3cm X 3cm의 크기로 재단하였다. 그리고, 미트 쵸퍼(meat chopper)를 이용하는 다지기 공정(chopping)을 통해 상기 재단된 시트를 가루(crump)로 제조하였다.
이어서, 상하로 풍량 전이가 가능한 오븐에서 상기 가루(crump)를 건조시켰다. 건조된 가루의 함수량이 약 2% 이하가 되도록 180℃의 핫 에어(hot air)를 15분간 하방에서 상방으로 흐르게 하고, 다시 15분간 상방에서 하방으로 흐르게 하여 상기 가루(crump)를 균일하게 건조시켰다.
건조된 가루를 분쇄기로 분쇄한 다음 분급하여 150 내지 850㎛ 크기의 베이스 수지를 얻었다. 이렇게 제조된 베이스 수지의 보수능은 36.5 g/g이며, 수가용 성분의 함량은 14.2 중량%이었다. 보수능은 EDANA 법 WSP 241.2의 방법에 따라 측정되었고, 수가용 성분의 함량은 EDANA 법 WSP 270.2의 방법에 따라 측정되었다.
이후, 100g의 베이스 수지를, 물 3g, 메탄올 3g, 에틸렌 카보네이트 0.4g, 에어로실 200 (aerosil 200, EVONIK社) 0.5g을 혼합한 가교제 용액과 혼합한 다음 190℃에서 30분 동안 표면 가교 반응을 시켰다. 그리고, 얻어진 생성물을 분쇄하고 시브(sieve)를 이용하여 입경이 150 내지 850㎛인 표면 가교된 고흡수성 수지를 얻었다.
실시예 2: 고흡수성 수지의 제조
실시예 1에서 D 용액 34g 대신 15g을 첨가한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 베이스 수지를 제조하였다. 제조된 베이스 수지의 보수능은 35.2 g/g이며, 수가용 성분의 함량은 13.9 중량%이었다. 그리고, 제조된 베이스 수지를 이용하여 실시예 1과 동일한 방법으로 입경이 150 내지 850㎛인 표면 가교된 고흡수성 수지를 얻었다.
실시예 3: 고흡수성 수지의 제조
상기 실시예 1에서 제조한 표면 가교된 고흡수성 수지 100g에 에어로실 200 (aerosil 200, EVONIK社) 0.1g 첨가하고 건식 혼합하여 고흡수성 수지를 얻었다.
실시예 4: 고흡수성 수지의 제조
실시예 1에서 E-1 용액 대신 물에 4%로 희석된 과황산나트륨 용액 28g에 알루미늄 설페이트 0.8g을 녹인 용액 (E-2 용액)을 사용한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 베이스 수지를 제조하였다. 제조된 베이스 수지의 보수능은 37.4 g/g이며, 수가용 성분의 함량은 15.1 중량%이었다. 그리고, 제조된 베이스 수지를 이용하여 실시예 1과 동일한 방법으로 입경이 150 내지 850㎛인 표면 가교된 고흡수성 수지를 얻었다.
실시예 5: 고흡수성 수지의 제조
아크릴산에 0.5%로 희석된 IRGACURE 819 개시제 11g (단량체 조성물에 대하여 110 ppm)과 아크릴산에 5%로 희석된 폴리에틸렌글리콜 디아크릴레이트(PEGDA, 분자량 400) 26g을 혼합한 용액 (A 용액)을 제조하였다.
그리고, 에틸렌 옥사이드가 9 몰%로 포함된 트리메틸올프로판 트리아크릴레이트(Ethoxylated-TMPTA, TMP(EO)9TA, M-3190 미원스페셜티 케미칼사)를 아크릴산에 5%로 희석한 용액 (B 용액)을 제조하였다.
25℃로 미리 냉각된 열매체가 순환되는 쟈켓으로 둘러 싸여진 2L 용량의 유리 반응기에 상기 A 용액 37g을 주입하고, B 용액 14g을 주입하였다. 그리고, 상기 유리 반응기에, 24% 가성소다 용액 800g (C 용액)을 서서히 적가하여 혼합하였다. 상기 C 용액의 적가 시에는 중화열에 의해 혼합 용액의 온도가 약 72℃ 이상까지 상승하여 혼합 용액이 냉각되기를 기다렸다. 이렇게 얻어진 혼합 용액에서 아크릴산의 중화 정도는 약 70몰%이었다.
한편, 물에 5%로 희석된 탄산수소나트륨(sodium bicarbonate) 용액 (D 용액)과 물에 4%로 희석된 과황산나트륨 용액 28g에 알루미늄 설페이트 0.8g을 녹인 용액 (E-2 용액) 그리고 물에 1%로 희석된 OFX-0193 (XIAMETER(R)) 용액 (F 용액)을 제조하였다. 그리고, D 용액 34g과 F 용액 2.8g을 혼합하였다.
그리고, 상기 혼합 용액의 온도가 약 45℃로 냉각되면, 상기 혼합 용액에 미리 준비한 D 및 F의 혼합 용액을 주입하여 혼합하고 동시에 E-2 용액을 주입하였다.
이어서, 상부에 광조사 장치가 장착되어 있고 내부가 80℃로 예열된 정방형 중합기 내에 설치된 Vat 형태의 트레이(tray, 가로 15cm X 세로 15cm)에 상기에서 준비한 혼합 용액을 부었다. 이후, 상기 혼합 용액에 광을 조사하였다. 광 조사 시부터 약 20초 후에 표면에 겔이 형성되는 것이 확인되었고, 광 조사 시부터 약 30초 후에 발포와 동시에 중합 반응이 일어나는 것이 확인되었다. 이후, 추가로 2 분간 중합 반응을 진행하고, 중합된 시트를 꺼내어 3cm X 3cm의 크기로 재단하였다. 그리고, 미트 쵸퍼(meat chopper)를 이용하는 다지기 공정(chopping)을 통해 상기 재단된 시트를 가루(crump)로 제조하였다.
이어서, 상하로 풍량 전이가 가능한 오븐에서 상기 가루(crump)를 건조시켰다. 건조된 가루의 함수량이 약 2% 이하가 되도록 180℃의 핫 에어(hot air)를 15분간 하방에서 상방으로 흐르게 하고, 다시 15분간 상방에서 하방으로 흐르게 하여 상기 가루(crump)를 균일하게 건조시켰다.
건조된 가루를 분쇄기로 분쇄한 다음 분급하여 150 내지 850㎛ 크기의 베이스 수지를 얻었다. 이렇게 제조된 베이스 수지의 보수능은 35.8 g/g이며, 수가용 성분의 함량은 13.7 중량%이었다.
이후, 100g의 베이스 수지를, 물 3g, 메탄올 3g, 에틸렌 카보네이트 0.4g, 에어로실 200 (aerosil 200, EVONIK社) 0.5g을 혼합한 가교제 용액과 혼합한 다음 190℃에서 30분 동안 표면 가교 반응을 시켰다. 그리고, 얻어진 생성물을 분쇄하고 시브(sieve)를 이용하여 입경이 150 내지 850㎛인 표면 가교된 고흡수성 수지를 얻었다.
비교예 1: 고흡수성 수지의 제조
상기 실시예 5에서 혼합 용액에 D 및 F의 혼합 용액과 E-2 용액을 주입하는 대신 물에 4%로 희석된 과황산나트륨 용액 (E-0 용액) 28g을 주입한 것을 제외하고, 실시예 5와 동일한 방법으로 베이스 수지를 제조하였다. 제조된 베이스 수지의 보수능은 39.3 g/g이며, 수가용 성분의 함량은 19.3 중량%이었다. 그리고, 제조된 베이스 수지를 이용하여 실시예 5와 동일한 방법으로 입경이 150 내지 850㎛인 표면 가교된 고흡수성 수지를 얻었다.
비교예 2: 고흡수성 수지의 제조
상기 비교예 1에서 혼합 용액에 E-0 용액을 첨가하기 전 물에 5%로 희석된 탄산수소나트륨(sodium bicarbonate) 용액 (D 용액) 34g을 추가로 첨가한 것을 제외하고, 비교예 1과 동일한 방법으로 베이스 수지를 제조하였다. 제조된 베이스 수지의 보수능은 34.2 g/g이며, 수가용 성분의 함량은 13.1 중량%이었다. 그리고, 제조된 베이스 수지를 이용하여 비교예 1과 동일한 방법으로 입경이 150 내지 850㎛인 표면 가교된 고흡수성 수지를 얻었다.
비교예 3: 고흡수성 수지의 제조
상기 실시예 1에서 계면 활성제로서, 아크릴산에 1%로 희석된 OFX-0193 (XIAMETER(R)) 용액을 주입하지 않은 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 베이스 수지를 제조하였다. 제조된 베이스 수지의 보수능은 35.22 g/g이었다. 그리고, 제조된 베이스 수지를 이용하여 실시예 1과 동일한 방법으로 입경이 150 내지 850㎛인 표면 가교된 고흡수성 수지를 얻었다.
비교예 4: 고흡수성 수지의 제조
상기 실시예 1에서 혼합 용액에 물에 4%로 희석된 과황산나트륨 용액 28g에 알루미늄 설페이트 1.6g을 녹인 용액 (E-1 용액)을 주입하는 대신 물에 4%로 희석된 과황산나트륨 용액 (E-0 용액) 28g을 주입한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 베이스 수지를 제조하였다. 제조된 베이스 수지의 보수능은 33.8 g/g 이었다. 그리고, 제조된 베이스 수지를 이용하여 실시예 1과 동일한 방법으로 입경이 150 내지 850㎛인 표면 가교된 고흡수성 수지를 얻었다.
시험예 : 고흡수성 수지의 평가
하기와 같은 방법으로 실시예 1 내지 5 및 비교예 1 내지 4에서 제조한 고흡수성 수지의 특성을 평가하여 하기 표 1에 나타내었다.
(1) 고흡수성 수지의 평균 입경
실시예 1 내지 5 및 비교예 1 내지 4에서 제조한 고흡수성 수지의 평균 입경은 유럽부직포산업협회(European Disposables and Nonwovens Association, EDANA) 규격 EDANA WSP 220.2 방법에 따라 측정하였다.
(2) 고흡수성 수지를 부분 팽윤시킨 겔의 평균 입경
실시예 1 내지 5 및 비교예 1 내지 4에서 제조한 고흡수성 수지를 다음과 같은 방법으로 부분 팽윤시켰다.
PE 소재의 비닐백에 고흡수성 수지 1g을 넣고, 0.9 중량%의 생리 식염수 20g을 주입하여 고흡수성 수지를 10분간 팽윤시켰다. 이후, 얻어진 겔(부분 팽윤된 고흡수성 수지)에 0.1g의 소수성 실리카(상품명: DM-30S, 제조사: Tokuyama 사)를 첨가하고, 실리카가 팽윤된 고흡수성 수지에 골고루 도포되도록 비닐팩을 흔들어 주었다.
상기 소수성 실리카는 겔의 평균 입경을 측정하는 동안 겔이 서로 들러붙는 현상을 방지하기 위해 첨가되며, 여러 번의 실험 결과 상기 소수성 실리카의 첨가 및 첨가량에 의해 겔의 입도가 변하지 않음이 확인되었다.
상기 얻어진 겔의 평균 입경은 유럽부직포산업협회(European Disposables and Nonwovens Association, EDANA) 규격 EDANA WSP 220.2 방법에 따라 측정되었다.
(3) 원심분리 보수능 (CRC, Centrifuge Retention Capacity)
실시예 1 내지 5 및 비교예 1 내지 4의 고흡수성 수지의 생리 식염수에 대한 원심분리 보수능(CRC)은 EDANA 법 WSP 241.2의 방법에 따라 측정되었다.
구체적으로, 원심분리 보수능을 측정하고자 하는 고흡수성 수지 중 미국 표준 30 mesh 스크린은 통과하고, 미국 표준 50 mesh 스크린 위에는 유지되는 입경이 300 내지 600㎛인 고흡수성 수지를 준비하였다.
그리고, 입경이 300 내지 600㎛인 고흡수성 수지 W0(g, 약 0.2g)를 부직포제의 봉투에 균일하게 넣고 밀봉(seal)하였다. 그리고, 상온에서 0.9 중량%의 생리 식염수에 상기 봉투를 침수시켰다. 30분 후에 봉투를 원심분리기를 사용하여 250G로 3 분간 탈수한 후에 봉투의 무게 W2(g)를 측정하였다. 한편, 고흡수성 수지를 넣지 않은 빈 봉투를 이용하여 동일한 조작을 한 후 그때의 무게 W1(g)를 측정하였다.
이렇게 얻어진 각 무게를 이용하여 다음의 계산식 1에 의해 원심분리 보수능을 확인하였다.
[계산식 1]
CRC(g/g) = {[W2(g) - W1(g)]/W0(g)} - 1
상기 계산식 1에서,
W0(g)는 입경이 300 내지 600㎛인 고흡수성 수지의 초기 무게(g)이고,
W1(g)는 고흡수성 수지를 사용하지 않고, 원심분리기를 사용하여 250G로 3분간 탈수한 후에 측정한 장치 무게이고,
W2(g)는 상온에서 0.9 중량%의 생리 식염수에 고흡수성 수지를 30분 동안 침수하여 흡수시킨 다음, 원심분리기를 사용하여 250G로 3분간 탈수한 후에, 고흡수성 수지를 포함하여 측정한 장치 무게이다.
(4) 가압 흡수능(AUL, Absorbency under Load)
실시예 1 내지 5 및 비교예 1 내지 4의 고흡수성 수지의 생리 식염수에 대한 0.9 psi의 가압 흡수능(AUL)은 EDANA 법 WSP 242.2의 방법에 따라 측정되었다.
구체적으로, 내경이 25mm인 플라스틱 원통 하단에 스테인리스제 400 mesh 스크린을 장착하였다. 그리고, 상온 및 50%의 습도 하에서 상기 스크린에 가압 흡수능을 측정하고자 하는 고흡수성 수지 W0(g, 약 0.16g)를 균일하게 살포하였다. 이어서, 상기 고흡수성 수지 위에 6.3 kPa (0.9 psi)의 하중을 균일하게 부여할 수 있는 피스톤을 부가하였다. 이때, 피스톤으로는 외경이 25mm 보다 약간 작아 원통의 내벽과 틈이 없으며, 상하로 자유롭게 움직일 수 있도록 제작된 것을 사용하였다. 그리고, 이렇게 준비된 장치의 무게 W3(g)를 측정하였다.
이어서, 직경 150mm의 페트로 접시의 내측에 직경 90mm, 두께 5mm의 유리 필터를 넣고, 상기 페트로 접시에 0.9 중량%의 생리 식염수를 부었다. 이때, 생리 식염수의 수면이 유리 필터의 윗면과 수평이 될 때까지 생리 식염수를 부었다. 그리고, 유리 필터 위에 직경 90mm의 여과지 1장을 놓았다.
이어서, 여과지 위에 준비된 장치를 얹어 장치 내의 고흡수성 수지가 하중 하에서 생리 식염수에 의해 팽윤되도록 하였다. 1 시간 후, 팽윤된 고흡수성 수지가 담긴 장치의 무게 W4(g)를 측정하였다.
이렇게 측정된 무게를 이용하여 다음의 계산식 2에 따라 가압 흡수능을 산출하였다.
[계산식 2]
AUL(g/g) = [W4(g) - W3(g)]/ W0(g)
상기 계산식 2에서,
W0(g)는 고흡수성 수지의 초기 무게(g)이고, W3(g)는 고흡수성 수지의 무게 및 상기 고흡수성 수지에 하중을 부여할 수 있는 장치 무게의 총합이고, W4(g)는 하중(0.9 psi) 하에 1 시간 동안 상기 고흡수성 수지에 생리 식염수를 흡수시킨 후에, 고흡수성 수지의 무게 및 상기 고흡수성 수지에 하중을 부여할 수 있는 장치 무게의 총합이다.
(5) 겔 베드 투과율 (GBP, Gel Bed Permeability)
실시예 1 내지 5 및 비교예 1 내지 4의 고흡수성 수지의 생리 식염수에 대한 자유 팽윤 겔 베드 투과율(GBP)은 특허 출원 제2014-7018005호에 기재된 이하의 방법에 따라 측정되었다.
구체적으로, 자유 팽윤 GBP를 측정하기 위해 도 1 내지 도 3에 도시한 장치를 이용하였다. 우선, 추(548)가 장치된 플런저(536)를 빈 샘플 용기(530) 안에 위치시키고, 적합한 게이지를 사용하여 정확도 0.01mm까지, 추(548)의 상부로부터 샘플 용기(530)의 바닥까지의 높이를 측정하였다. 측정하는 동안, 두께 게이지가 인가하는 힘은 약 0.74N 미만으로 조절되었다.
한편, GBP를 측정하고자 하는 고흡수성 수지 중 미국 표준 30 mesh 스크린은 통과하고, 미국 표준 50 mesh 스크린 위에는 유지되는 고흡수성 수지를 선별하여 입경이 300 내지 600㎛인 고흡수성 수지를 얻었다.
이렇게 분급된 약 2.0g의 고흡수성 수지를 샘플 용기(530) 안에 넣고, 샘플 용기의 바닥 위에 골고루 펼쳤다. 이어서, 플런저(536)와 추(548)가 포함되지 않은 상태의 이 용기를 0.9% 생리 식염수 속에 약 60 분간 담가 무가압 하에서 고흡수성 수지를 팽윤시켰다. 이때, 샘플 용기(530)가 액체 저장소의 바닥보다 약간 올라오도록 샘플 용기(530)를 액체 저장소 내에 위치된 mesh 위에 올려 놓았으며, 상기 mesh로는 샘플 용기(530)로의 생리 식염수의 이동에 영향을 미치지 않는 것을 사용하였다. 포화되는 동안 생리 식염수의 높이를 샘플 용기 내의 표면이 생리 식염수가 아니라 팽윤된 고흡수성 수지에 의해 규정되도록 조절하였다.
이 기간의 종료시에, 플런저(536)와 추(548)의 조립체를 샘플 용기(530) 내의 팽윤된 고흡수성 수지(568) 위에 올려놓은 다음, 샘플 용기(530), 플런저(536), 추(548) 및 팽윤된 고흡수성 수지(568)를 용액으로부터 꺼냈다. 이후, GBP 측정하기 전에, 샘플 용기(530), 플런저(536), 추(548) 및 팽윤된 고흡수성 수지(568)를 편평하고 큰 그리드의 균일한 두께의 비-변형성 플레이트 상에 약 30초 동안 그대로 두었다. 그리고, 앞서 사용한 것과 동일한 두께 게이지를 사용하여, 추(548)의 상부로부터 샘플 용기(530)의 바닥까지의 높이를 다시 측정하였다. 그리고, 앞서 추(548)가 장치된 플런저(536)를 빈 샘플 용기(530) 안에 위치시킨 장치의 높이 측정값을 팽윤된 고흡수성 수지(568)가 포함된 장치의 높이 측정값에서 제하여 팽윤된 고흡수성 수지의 두께 혹은 높이 "H"를 구하였다.
GBP 측정을 위해, 팽윤된 고흡수성 수지(568), 플런저(536) 및 추(548)가 들어 있는 샘플 용기(530) 안으로 0.9 중량% 생리 식염수를 유동시켰다. 생리 식염수가 실린더(534)의 상부로 오버플로우되도록 샘플 용기(530) 안으로의 생리 식염수의 유량(flow rate)을 조정하여 샘플 용기(530)의 높이와 동등한 일관된 헤드 압력이 나타나도록 하였다. 그리고, 저울(602) 및 비커(603)를 사용하여, 팽윤된 고흡수성 수지(568)를 통과하는 용액의 양 대 시간을 중량측정법으로 측정하였다. 일단 오버플로우가 시작되면, 60초 이상 동안 매초마다 저울(602)로부터 데이터 포인트들을 수집하였다. 팽윤된 고흡수성 수지(568)를 통과하는 유량(Q)은, 팽윤된 고흡수성 수지(568)를 통과하는 유체(g) 대 시간(sec)의 선형 최소제곱 적합(linear least-square fit)에 의해 g/sec 단위로 결정하였다.
이렇게 얻어진 데이터 값을 이용하여 다음의 계산식 3에 따라 상기 GBP(cm2)를 산출하였다.
[계산식 3]
K = [Q * H * μ]/[A * ρ * P]
상기 계산식 3에서,
K는 겔 베드 투과율 (cm2)이고,
Q는 유량 (g/sec)이고,
H는 팽윤된 고흡수성 수지의 높이(cm)이고,
μ는 액체 점도(P)(이번 시험에 사용한 생리 식염수의 점도는 약 1cP)이고,
A는 액체 유동에 대한 단면적(이번 시험에 사용한 샘플 용기에 대해서는 28.27㎠)이고,
ρ는 액체 밀도(g/cm3)(이번 시험에 사용한 생리 식염수에 대해서는 약 1 g/cm3)이고,
P는 정수압(dyne/cm2)(정상적으로는 약 7,797dyne/cm2)이다.
정수압은 식 P = ρ * g * h로부터 계산되며, 여기서 ρ는 액체 밀도(g/cm3)이고, g는 중력 가속도(공칭적으로는 981cm/sec2)이고, h는 유체 높이(예를 들면, 본 명세서에 기재된 GBP 시험에 대해서는 7.95cm)이다.
최소 2개의 샘플을 시험하고, 그 결과를 평균하여 고흡수성 수지의 자유 팽윤 GBP를 결정하고, 단위를 darcy로 변환(1darcy = 0.98692 x 10-8 cm2)하여 표 1에 나타내었다.
(6) 고흡수성 수지의 흡수 속도(vortex time)
실시예 1 내지 5 및 비교예 1 내지 4의 고흡수성 수지의 흡수 속도는 국제 공개 출원 제1987-003208호에 기재된 방법에 준하여 초 단위로 측정되었다.
구체적으로, 흡수 속도(혹은 vortex time)는 50mL의 생리 식염수에 2g의 고흡수성 수지를 넣고, 600rpm으로 교반하여 와류(vortex)가 사라질 때까지의 시간을 초 단위로 측정하여 산출되었다.
(7) 고흡수성 수지의 재습윤 특성
기존에 알려진 가압 흡수능 측정 방법을 변형하여, 실시예 1 내지 5 및 비교예 1 내지 4의 고흡수성 수지의 재습윤 특성을 평가하였다.
우선, 재습윤 특성을 평가하고자 하는 고흡수성 수지 중 미국 표준 30 mesh 스크린은 통과하고, 미국 표준 50 mesh 스크린 위에는 유지되는 입경이 300 내지 600㎛인 고흡수성 수지를 준비하였다.
한편, 내경이 25mm인 플라스틱 원통 하단에 스테인리스제 400 mesh 스크린을 장착하였다. 그리고, 상온 및 50%의 습도 하에서 상기 스크린에 미리 준비한 고흡수성 수지 W0(g 0.16g)를 균일하게 살포하여 시험 조립체를 제조하였다.
이어서, 80mm 직경의 PE dish에 25mm 직경의 제 1 필터 페이퍼(filter paper)를 깔고 그 위에 상기 시험 조립체를 올렸다. 이후, 0.9 중량%의 생리 식염수 4g을 시험 조립체 주변에 주입하여 무가압 상태에서 고흡수성 수지가 생리 식염수를 흡수할 수 있도록 하였다. 생리 식염수가 고흡수성 수지에 의해 모두 흡수되면 고흡수성 수지가 충분히 팽윤되도록 10 분간 방치하였다.
한편, Whatman사 No.4의 거름종이로서, 직경이 30mm 이상인 거름종이 10 장을 겹쳐 제 2 필터 페이퍼를 준비하였다. 그리고, 제 2 필터 페이퍼의 무게 W5(g)를 측정하였다.
상기 제 1 필터 페이퍼로부터 시험 조립체를 들어 분리한 후, 팽윤된 고흡수성 수지 위에 5.1 kPa (0.7 psi)의 하중을 균일하게 부여할 수 있는 피스톤을 부가하였다. 이때, 피스톤으로는 외경이 25mm 보다 약간 작아 원통의 내벽과 틈이 없으며, 상하로 자유롭게 움직일 수 있도록 제작된 것을 사용하였다.
그리고, 피스톤이 부가된 시험 조립체를 앞서 준비한 제 2 필터 페이퍼 위에 올려 놓았다. 2 분 후, 피스톤이 부가된 시험 조립체를 들어 분리한 후, 제 2 필터 페이퍼의 무게 W6(g)를 다시 측정하였다.
이렇게 얻어진 각 무게를 이용하여 다음의 계산식 4에 의해 재습윤량(g/g)을 산출하였다.
[계산식 4]
재습윤량(g/g) = [W6(g) - W5(g)]/ W0(g)
상기 계산식 4에서,
W0(g)는 고흡수성 수지의 초기 무게(g)이고, W5(g)는 제 2 필터 페이퍼의 초기 무게이고, W6(g)는 무가압 하에 충분한 시간 동안 상기 고흡수성 수지에 고흡수성 수지의 25배의 생리 식염수를 흡수시킨 후에, 하중(0.7 psi) 하에 2 분 동안 팽윤된 고흡수성 수지로부터 배어 나온 액체를 흡수한 제 2 필터 페이퍼의 무게이다.
고흡수성 수지의
평균입경[㎛]		 겔의 평균입경[㎛] CRC
[g/g]		 AUL
[g/g]		 GBP
[darcy]		 볼텍스 시간[초] 재습윤량
[g/g]
실시예 1 424 870 30.7 19.7 57 35 0.4
실시예 2 458 835 30.1 19.4 53 37 0.6
실시예 3 428 943 30.4 19.1 75 32 0.5
실시예 4 380 840 30.8 19.5 62 40 0.7
실시예 5 375 825 30.3 19.9 63 39 0.7
비교예 1 476 1237 31.1 18.7 60 85 1.8
비교예 2 384 546 30.1 17.3 56 45 1.5
비교예 3 460 1120 31.8 16.5 53 92 2.2
비교예 4 472 1180 29.5 18.3 48 74 1.6
(8) 겔의 입도 분포
실시예 1에서 제조한 고흡수성 수지를 (2) 겔의 평균 입경을 측정하기 위해 고흡수성 수지를 부분 팽윤시킨 방법과 동일한 방법으로 부분 팽윤시키고, 얻어진 겔에 동일한 실리카를 동일 함량으로 첨가하였다.
상기에서 얻은 겔은 여러 개의 망(Mesh #14, Mesh #18, Mesh #20, Mesh #30)에 의해 분급되었다. 우선, 상기 겔은 Mesh #14의 망에 의해 입경이 1400㎛ 초과인 입자들과 입경이 1400㎛ 이하인 입자들로 분리되었다. 그리고, 입경이 1400㎛ 이하인 입자들은 Mesh #18의 망에 의해, 입경이 1000㎛ 초과 1400㎛ 이하인 입자들과 입경이 1000㎛ 이하인 입자들로 분리되었다. 그리고, 입경이 1000㎛ 이하인 입자들은 Mesh #20의 망에 의해, 입경이 850㎛ 초과 1000㎛ 이하인 입자들과 입경이 850㎛ 이하인 입자들로 분리되었다. 마지막으로, 입경이 850㎛ 이하인 입자들은 Mesh #30의 망에 의해, 입경이 600㎛ 초과 800㎛ 이하인 입자들과 입경이 600㎛ 이하인 입자들로 분리되었다. 이때, 분급 조건은 1.0 AMP, 2 분으로 조절되었다.
상기와 같이 겔을 분급하여 하기 표 2에 기재된 입경 범위에 속하는 겔의 중량 및 분율을 구하고 그 결과를 표 2에 나타내었다.
입경[㎛] 1400 초과 1000 초과
1400 이하		 850 초과
1000 이하		 600 초과
850 이하		 600 이하
실시예 1 중량[g] 3.1 7.6 4.1 3.6 3.9
분율[중량%] 13.9 34.1 18.4 16.1 17.5
500: GBP 측정 장치
528: 시험 장치 조립체
530: 샘플 용기
534: 실린더
534a: 외경 66mm를 갖는 부위
536: 플런저
538: 시프트
540: 오-링
544, 554, 560: 구멍
548: 환형 추
548a: 스루-보어
550: 플런저 헤드
562: 샤프트 홀
564: 100 mesh의 스테인리스 강 클로스 스크린
566: 400 mesh 스테인리스 강 클로스 스크린
568: 샘플
600: 웨어
601: 수집 장치
602: 저울
603: 비커
604: 계기 펌프

Claims (10)

  1. 평균 입경이 300㎛ 내지 600㎛인 고흡수성 수지로서,
    상기 고흡수성 수지 1g을 0.9 중량%의 염화나트륨 수용액 20g에 10 분간 팽윤시켜 얻은 겔의 평균 입경이 600㎛ 내지 1000㎛이고, 0㎛ 초과 600㎛ 이하의 입경을 가지는 겔의 분율이 5 중량% 내지 30 중량%인, 수용성 에틸렌계 불포화 단량체가 가교 중합된 베이스 수지 및 상기 베이스 수지상에 형성된 표면 가교층을 포함하는 고흡수성 수지.
  2. 제 1 항에 있어서, 300㎛ 내지 600㎛의 입경을 가지는 입자가 45 내지 85 중량%인 고흡수성 수지.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 0㎛ 초과 300㎛ 이하의 입경을 가지는 입자가 15 내지 25 중량%인 고흡수성 수지.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 생리 식염수에 대한 원심분리 보수능(CRC)이 28 내지 35 g/g이고, 생리 식염수에 대한 0.9 psi의 가압 흡수능(AUL)이 14 내지 22 g/g이고, 생리 식염수에 대한 자유 팽윤 겔 베드 투과율(GBP)이 40 내지 100 darcy이고, 볼텍스 시간이 20 내지 60초인 고흡수성 수지.
  5. 제 3 항에 있어서, 생리 식염수에 대한 원심분리 보수능(CRC)이 28 내지 35 g/g이고, 생리 식염수에 대한 0.9 psi의 가압 흡수능(AUL)이 14 내지 22 g/g이고, 생리 식염수에 대한 자유 팽윤 겔 베드 투과율(GBP)이 40 내지 100 darcy이고, 볼텍스 시간이 20 내지 60초인 고흡수성 수지.
  6. 적어도 일부가 중화된 산성기를 갖는 수용성 에틸렌계 불포화 단량체, 발포제, 기포 촉진제, 계면 활성제를 포함하는 단량체 혼합물을 내부 가교제 존재 하에 가교 중합하여 함수겔 중합체를 형성하는 단계; 상기 함수겔 중합체를 건조, 분쇄 및 분급하여 베이스 수지 분말을 형성하는 단계; 및 표면 가교제 존재 하에, 상기 베이스 수지 분말의 표면을 추가 가교하여 표면 가교층을 형성하는 단계를 포함하며,
    상기 발포제는 탄산마그네슘, 탄산칼슘, 탄산수소나트륨, 탄산나트륨, 탄산수소칼륨 및 탄산칼륨으로 이루어진 군에서 선택된 1 종 이상이고,
    상기 계면 활성제는 폴리에테르를 측쇄로 포함하는 폴리실록세인이고,
    상기 기포 촉진제는 무기산 알루미늄 염 및/또는 유기산 알루미늄 염인, 고흡수성 수지의 제조 방법.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제 6 항에 있어서, 상기 발포제는 전체 단량체 혼합물에 대해 0.05 내지 5.0 중량%, 상기 기포 촉진제는 전체 단량체 혼합물에 대해 0.01 내지 3 중량%, 계면 활성제는 전체 단량체 혼합물에 대해 0.001 내지 1 중량%로 사용되는 고흡수성 수지의 제조 방법.
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