KR102552680B1 - 고흡수성 수지의 제조 방법 - Google Patents

고흡수성 수지의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고흡수성 수지의 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 고흡수성 수지를 제조하는 일련의 공정에서 보다 향상된 효율로 중합체 입자를 분급함으로써, 제품화 가능한 범위의 입경을 갖는 중합체 입자의 회수량을 증대시킬 수 있는 제조 방법이 제공된다.

Description

고흡수성 수지의 제조 방법{METHOD FOR PRODUCING SUPERABSORBENT RESIN}
본 발명은 고흡수성 수지의 제조 방법에 관한 것이다.
고흡수성 수지(super absorbent polymer, SAP)는 자체 무게의 약 5백 내지 1천배 정도의 수분을 흡수할 수 있는 합성 고분자 물질로서, SAM(super absorbency material), AGM(absorbent gel material) 등으로도 불리고 있다.
고흡수성 수지는 생리 용구로 실용화되기 시작해서, 현재는 유아용 기저귀 등의 위생 용품, 원예용 토양 보수제, 토목용 지수재, 육묘용 시트, 식품 유통 분야에서의 신선도 유지제 등 다양한 분야에 널리 사용되고 있다.
고흡수성 수지는 (1) 아크릴산을 포함한 단량체 수용액을 중합하는 공정, (2) 상기 공정(1)에서 얻어진 함수 겔상 가교 중합체를 건조하는 공정, (3) 상기 공정(2)에서 얻어진 건조된 중합체를 분쇄하는 공정, (4) 상기 공정(3)에서 얻어진 중합체 입자를 분급하는 공정, 및 (5) 상기 공정(4)에서 얻어진 분급된 중합체 입자를 표면 가교하는 공정을 포함하는 방법으로 제조될 수 있다.
특히, 상기 건조 후에는, 제품화에 적합한 입경 분포를 맞추도록 분쇄하고 이를 분급하는 공정을 거치게 된다.
일반적으로, 상기 분급 공정에서는 체 또는 스크린이 구비된 분급기가 이용된다. 상기 분급기를 이용한 분급 공정의 가장 큰 역할은, 상기 분쇄된 중합체 입자들로부터 제품화 가능한 범위의 입경을 갖는 입자들을 분리하여 후속 공정에 공급하는 것이다. 특히, 상기 분급 공정에서는 상기 제품화 가능한 범위의 입경보다 작은 입경을 가지는 미분(fine particle)이 후속 공정으로 공급되지 않도록 하는 것이 중요하다. 상기 미분은 고흡수성 수지 제품의 흡수 물성을 저하시킬 수 있기 때문이다.
그런데, 상기 분급 공정에서는, 상기 분급기로 연속하여 투입되는 상기 분쇄된 중합체 입자들의 양이 많거나, 작은 입경을 갖는 입자들의 비율이 증가함에 따라, 상기 분급기에서의 분급 효율이 저하된다. 예를 들어, 상기 분급 공정에 부하가 증가하여 상기 분급기에 구비된 체가 막히거나, 또는 분급되지 못한 다량의 상기 미분이 상기 제품화 가능한 범위의 입경을 갖는 입자들에 포함될 수 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해 상기 분급기에 구비된 체(sieve)의 개목(opening)을 허용 가능한 범위에서 증가시키면 체의 막힘은 완화될 수 있다. 그러나, 체의 개목을 증가시키면 상기 제품화 가능한 범위의 입경을 갖는 입자들에 보다 많은 양의 상기 미분이 포함되는 한계가 있다.
상기 한계를 극복하기 위해, 분급된 상기 제품화 가능한 범위의 입경을 갖는 입자들 및 상기 미분을 상기 분급기에 다시 공급하는 리사이클을 통해 상기 미분의 회수량을 늘리는 방법이 시도되고 있다. 하지만, 이러한 리사이클은 상기 분급 공정의 부하를 증가시켜 분급 효율을 저하시키는 문제점이 있다.
본 발명은 보다 향상된 효율로 중합체 입자를 분급할 수 있는 고흡수성 수지의 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명에 따르면,
(1) 아크릴산을 포함한 단량체 수용액을 중합하는 공정,
(2) 상기 공정(1)에서 얻어진 함수 겔상 가교 중합체를 건조하는 공정,
(3) 상기 공정(2)에서 얻어진 건조된 중합체를 분쇄하는 공정,
(4) 상기 공정(3)에서 얻어진 중합체 입자를 분급하는 공정, 및
(5) 상기 공정(4)에서 얻어진 분급된 중합체 입자를 표면 가교하는 공정
을 포함하는 고흡수성 수지의 제조 방법으로서;
상기 공정(4)의 분급은 적어도 3 개의 서로 다른 메쉬 넘버를 갖는 체(sieve)가 상기 중합체 입자의 흐름 방향으로 거치된 진동 분급기를 이용하여 수행되고,
상기 적어도 3 개의 체 중 최하단에 거치되는 체로는, 목적하는 메쉬 넘버의 체를 기준으로 개목(opening)과 선경(wire diameter) 중 적어도 하나를 낮추어 더 큰 공간율(open area)을 가지는 체가 이용되는,
고흡수성 수지의 제조 방법이 제공된다.
이하, 본 발명의 구현 예에 따른 고흡수성 수지의 제조 방법에 대하여 보다 상세히 설명하기로 한다.
본 명세서에 사용되는 전문 용어는 단지 특정 구현예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 그리고, 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다.
본 명세서에서 사용되는 '포함' 또는 '함유'의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 공정, 동작, 요소 또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 공정, 동작, 요소, 또는 성분의 부가를 제외시키는 것은 아니다.
본 명세서에서 사용하는 용어 '고흡수성 수지'란, 적어도 일부가 중화된 산성기를 갖는 수용성 에틸렌계 불포화 단량체의 제1 가교 중합체를 포함하는 베이스 수지 분말; 및 상기 베이스 수지 분말 상에 형성되어 있고, 상기 제1 가교 중합체가 표면 가교제를 매개로 추가 가교된 제2 가교 중합체를 포함한 표면 가교층을 포함하는 수지를 의미한다.
본 명세서에서 사용되는 체의 '개목'(opening)은 체를 구성하고 있는 선(wire)과 선(wire) 사이의 간격(mm)을 의미한다. 체의 '선경'(wire diameter)은 상기 선의 직경(mm)을 의미한다. 또한, 체의 '공간율'(open area)은 체의 공간면적의 비율(%)을 의미한다. 그리고, 체의 '메쉬 넘버'(mesh number)는 1 인치(25.4 mm)의 단위 길이 내에 포함되는 망목(mesh)의 개수를 의미한다.
본 명세서에서 사용되는 '목적하는 메쉬 넘버의 체'는 입경 150 ㎛ 내지 850 ㎛인 미드-사이즈 입자가 통과되지 않고 입경 150 ㎛ 미만인 언더-사이즈 입자가 통과될 수 있는 메쉬 넘버를 가지는 임의의 체를 의미한다.
한편, 본 발명자들의 계속적인 연구 결과, 고흡수성 수지를 제조하는 일련의 공정 중 분급 공정에서 분급기의 최하단에 거치되는 체로, 목적하는 메쉬 넘버의 체를 기준으로 개목(opening)과 선경(wire diameter) 중 적어도 하나를 낮추어 더 큰 공간율(open area)을 가지는 체를 이용함으로써, 보다 향상된 효율로 중합체 입자를 분급할 수 있고, 리사이클되는 미분의 양을 감소시킬 수 있음이 확인되었다.
발명의 일 구현 예에 따르면,
(1) 아크릴산을 포함한 단량체 수용액을 중합하는 공정,
(2) 상기 공정(1)에서 얻어진 함수 겔상 가교 중합체를 건조하는 공정,
(3) 상기 공정(2)에서 얻어진 건조된 중합체를 분쇄하는 공정,
(4) 상기 공정(3)에서 얻어진 중합체 입자를 분급하는 공정, 및
(5) 상기 공정(4)에서 얻어진 분급된 중합체 입자를 표면 가교하는 공정
을 포함하는 고흡수성 수지의 제조 방법으로서;
상기 공정(4)의 분급은 적어도 3 개의 서로 다른 메쉬 넘버를 갖는 체(sieve)가 상기 중합체 입자의 흐름 방향으로 거치된 진동 분급기를 이용하여 수행되고,
상기 적어도 3 개의 체 중 최하단에 거치되는 체로는, 목적하는 메쉬 넘버의 체를 기준으로 개목(opening)과 선경(wire diameter) 중 적어도 하나를 낮추어 더 큰 공간율(open area)을 가지는 체가 이용되는,
고흡수성 수지의 제조 방법이 제공된다.
이하, 상기 고흡수성 수지의 제조 방법에 포함될 수 있는 각 단계에 대하여 설명한다.
(1) 중합 공정
상기 공정(1)은 아크릴산을 포함한 단량체 수용액을 중합하여 함수 겔상 가교 중합체를 제조하는 단계이다. 구체적으로, 수용성 에틸렌계 불포화 단량체 및 중합 개시제를 포함한 단량체 조성물을 열 중합 또는 광 중합하여 함수 겔상 가교 중합체를 형성하는 단계이다.
상기 수용성 에틸렌계 불포화 단량체는 고흡수성 수지의 제조에 통상적으로 사용되는 임의의 단량체일 수 있다. 구체적으로, 상기 수용성 에틸렌계 불포화 단량체는 하기 화학식 1로 표시되는 화합물일 수 있다:
[화학식 1]
R1-COOM1
상기 화학식 1에서,
R1은 불포화 결합을 포함하는 탄소수 2 내지 5의 알킬 그룹이고,
M1은 수소원자, 1가 또는 2가 금속, 암모늄기 또는 유기 아민염이다.
바람직하게는, 상기 수용성 에틸렌계 불포화 단량체는 아크릴산, 메타크릴산, 및 이들 산의 1가 금속염, 2가 금속염, 암모늄염 및 유기 아민염으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다. 이처럼 수용성 에틸렌계 불포화 단량체로 아크릴산 또는 그 염을 사용할 경우 흡수성이 향상된 고흡수성 수지를 얻을 수 있어 유리하다. 이 밖에도 상기 단량체로는 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)아크릴레이트, 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.
상기 수용성 에틸렌계 불포화 단량체는 산성기를 가지며, 상기 산성기의 적어도 일부가 중화된 것일 수 있다. 바람직하게는 상기 단량체를 수산화나트륨, 수산화칼륨, 수산화암모늄 등과 같은 알칼리 물질로 부분적으로 중화시킨 것이 사용될 수 있다.
이때, 상기 단량체의 중화도는 40 내지 95 몰%, 또는 40 내지 80 몰%, 또는 45 내지 75 몰%일 수 있다. 상기 중화도의 범위는 최종 물성에 따라 달라질 수 있지만, 중화도가 지나치게 높으면 중화된 단량체가 석출되어 중합이 원활하게 진행되기 어려울 수 있으며, 반대로 중화도가 지나치게 낮으면 고분자의 흡수력이 크게 떨어질 뿐만 아니라 취급하기 곤란한 탄성 고무와 같은 성질을 나타낼 수 있다.
상기 단량체 조성물에는 고흡수성 수지의 제조에 일반적으로 사용되는 중합 개시제가 포함될 수 있다.
상기 중합 개시제로는 중합 방법에 따라 열 중합 개시제 또는 광 중합 개시제 등이 사용될 수 있다. 다만, 광 중합 방법에 의하더라도, 자외선 조사 등에 의해 일정량의 열이 발생하고, 또한 발열 반응인 중합 반응의 진행에 따라 어느 정도의 열이 발생하므로, 열 중합 개시제가 추가로 포함될 수 있다.
상기 광 중합 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(a-aminoketone)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 화합물이 사용될 수 있다. 그 중 아실포스핀의 구체 예로서, 상용하는 lucirin TPO, 즉, 2,4,6-트리메틸-벤조일-트리메틸 포스핀 옥사이드(2,4,6-trimethyl-benzoyl-trimethyl phosphine oxide)가 사용될 수 있다. 보다 다양한 광 중합 개시제에 대해서는 Reinhold Schwalm 저서인 "UV Coatings: Basics, Recent Developments and New Application(Elsevier, 2007)"의 115 페이지에 개시되어 있으며, 이를 참조할 수 있다.
상기 열 중합 개시제로는 과황산염계 개시제, 아조계 개시제, 과산화수소, 및 아스코르빈산으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 화합물이 사용될 수 있다. 구체적으로, 과황산염계 개시제로는 과황산나트륨(Sodium persulfate; Na2S2O8), 과황산칼륨(Potassium persulfate; K2S2O8), 과황산암모늄(Ammonium persulfate; (NH4)2S2O8) 등을 예로 들 수 있다. 또한, 아조(Azo)계 개시제로는 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 예로 들 수 있다. 보다 다양한 열 중합 개시제에 대해서는 Odian 저서인 "Principle of Polymerization(Wiley, 1981)"의 203 페이지에 개시되어 있으며, 이를 참조할 수 있다.
이러한 중합 개시제는 상기 단량체 조성물에 대하여 약 0.001 내지 1 중량%의 농도로 첨가될 수 있다. 즉, 상기 중합 개시제의 농도가 지나치게 낮을 경우 중합 속도가 느려질 수 있고 최종 제품에 잔존 모노머가 다량으로 추출될 수 있어 바람직하지 않다. 반대로, 상기 중합 개시제의 농도가 지나치게 높을 경우 네트워크를 이루는 고분자 체인이 짧아져 수가용 성분의 함량이 높아지고 가압 흡수능이 낮아지는 등 수지의 물성이 저하될 수 있어 바람직하지 않다.
한편, 상기 단량체 조성물의 중합은 상기 수용성 에틸렌계 불포화 단량체의 중합에 의한 수지의 물성을 향상시키기 위하여 가교제(일명 "내부 가교제")의 존재 하에 수행된다. 상기 가교제는 함수 겔상 가교 중합체를 내부 가교시키기 위한 것으로서, 후술할 "표면 가교제"와 별개로 사용될 수 있다.
상기 내부 가교제로는 상기 수용성 에틸렌계 불포화 단량체의 중합시 가교 결합의 도입을 가능케 하는 것이라면 어떠한 화합물도 사용 가능하다. 비제한적인 예로, 상기 내부 가교제는 N,N'-메틸렌비스아크릴아미드, 트리메틸롤프로판 트리(메트)아크릴레이트, 에틸렌글리콜 다이(메트)아크릴레이트, 폴리에틸렌글리콜 다이(메트)아크릴레이트, 프로필렌글리콜 다이(메트)아크릴레이트, 폴리프로필렌글리콜 다이(메트)아크릴레이트, 부탄다이올다이(메트)아크릴레이트, 부틸렌글리콜다이(메트)아크릴레이트, 다이에틸렌글리콜 다이(메트)아크릴레이트, 헥산다이올다이(메트)아크릴레이트, 트리에틸렌글리콜 다이(메트)아크릴레이트, 트리프로필렌글리콜 다이(메트)아크릴레이트, 테트라에틸렌글리콜 다이(메트)아크릴레이트, 다이펜타에리스리톨 펜타아크릴레이트, 글리세린 트리(메트)아크릴레이트, 펜타에리스톨 테트라아크릴레이트, 트리알릴아민, 알릴 (메트)아크릴레이트, 에틸렌글리콜 디글리시딜 에테르, 프로필렌 글리콜, 글리세린, 또는 에틸렌카보네이트와 같은 다관능성 가교제가 단독 사용 또는 2 이상 병용될 수 있다.
이러한 내부 가교제는 상기 단량체 조성물에 대하여 약 0.001 내지 1 중량%의 농도로 첨가될 수 있다. 즉, 상기 내부 가교제의 농도가 지나치게 낮을 경우 수지의 흡수 속도가 낮아지고 겔 강도가 약해질 수 있어 바람직하지 않다. 반대로, 상기 내부 가교제의 농도가 지나치게 높을 경우 수지의 흡수력이 낮아져 흡수체로서 바람직하지 않게 될 수 있다.
한편, 상기 단량체 조성물의 가교 중합은 발포제의 존재 하에 수행될 수 있다. 상기 발포제는 상기 단계 1의 중합 및 가교 반응시 분해에 의해 기공을 형성할 수 있다.
비제한적인 예로, 상기 발포제는 소디움 바이카보네이트(sodium bicarbonate), 소디움 카보네이트(sodium carbonate), 포타슘 바이카보네이트(potassium bicarbonate), 포타슘 카보네이트(potassium carbonate), 칼슘 바이카보네이트(calcium bicarbonate), 칼슘 카보네이트(calcium bicarbonate), 마그네슘 바이카보네이트(magnesium bicarbonate), 마그네슘 카보네이트(magnesium carbonate), 아조다이카본아미드(azodicarbonamide, ADCA), 다이니트로소 펜타메틸렌 테트라민(dinitroso pentamethylene tetramine, DPT), p,p'-옥시비스(벤젠술포닐 하이드라지드)(p,p'-oxybis(benzenesulfonyl hydrazide), OBSH), p-톨루엔술포닐 하이드라지드(p-toluenesulfonyl hydrazide, TSH), 수크로스 스테아레이트(sucrose stearate), 수크로스 팔미테이트(sucrose palmitate), 및 수크로스 라우레이트(sucrose laurate)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 화합물을 포함할 수 있다.
상기 발포제는 상기 공정(1)의 수행시 상기 단량체 조성물에 1000 내지 3000 ppm으로 존재하는 것이 바람직하다. 구체적으로, 상기 발포제는 상기 단량체 조성물에 1000 ppm 이상, 혹은 1100 ppm 이상, 혹은 1200 ppm 이상; 그리고 3000 ppm 이하, 혹은 2500 ppm 이하, 혹은 2000 ppm 이하로 존재할 수 있다.
이 밖에도, 상기 단량체 조성물에는 필요에 따라 증점제, 가소제, 보존 안정제, 산화 방지제 등의 첨가제가 더 포함될 수 있다.
그리고, 이러한 단량체 조성물은 전술한 수용성 에틸렌계 불포화 단량체, 중합 개시제, 내부 가교제, 발포제 등의 원료 물질이 용매에 용해된 용액의 형태로 준비될 수 있다.
이때 사용 가능한 용매로는 전술한 원료 물질들을 용해시킬 수 있는 것이라면 그 구성의 한정 없이 사용될 수 있다. 예를 들어, 상기 용매로는 물, 에탄올, 에틸렌글리콜, 디에틸렌글리콜, 트리에틸렌글리콜, 1,4-부탄디올, 프로필렌글리콜, 에틸렌글리콜모노부틸에테르, 프로필렌글리콜모노메틸에테르, 프로필렌글리콜모노메틸에테르아세테이트, 메틸에틸케톤, 아세톤, 메틸아밀케톤, 시클로헥사논, 시클로펜타논, 디에틸렌글리콜모노메틸에테르, 디에틸렌글리콜에틸에테르, 톨루엔, 자일렌, 부티로락톤, 카르비톨, 메틸셀로솔브아세테이트, N,N-디메틸아세트아미드, 또는 이들의 혼합물 등 사용될 수 있다.
상기 단량체 조성물의 중합을 통한 함수 겔상 가교 중합체의 형성은 통상적인 중합 방법으로 수행될 수 있으며, 그 공정은 특별히 한정되지 않는다.
비제한적인 예로, 상기 중합 방법은 중합 에너지원의 종류에 따라 크게 열 중합과 광 중합으로 나뉘는데, 상기 열 중합을 진행하는 경우에는 니더(kneader)와 같은 교반축을 가진 반응기에서 진행될 수 있으며, 광 중합을 진행하는 경우에는 이동 가능한 컨베이어 벨트가 구비된 반응기에서 진행될 수 있다.
일 예로, 교반축이 구비된 니더와 같은 반응기에 상기 단량체 조성물을 투입하고, 여기에 열풍을 공급하거나 반응기를 가열하여 열 중합함으로써 함수 겔상 가교 중합체를 얻을 수 있다. 이때, 반응기에 구비된 교반축의 형태에 따라 반응기 배출구로 배출되는 함수 겔상 가교 중합체는 수 밀리미터 내지 수 센티미터의 입자로 얻어질 수 있다. 구체적으로, 얻어지는 함수 겔상 가교 중합체는 주입되는 단량체 조성물의 농도 및 주입속도 등에 따라 다양한 형태로 얻어질 수 있는데, 통상 (중량 평균) 입경이 2 내지 50 mm인 함수 겔상 가교 중합체가 얻어질 수 있다.
그리고, 다른 일 예로, 이동 가능한 컨베이어 벨트가 구비된 반응기에서 상기 단량체 조성물에 대한 광 중합을 진행하는 경우에는 시트 형태의 함수 겔상 가교 중합체가 얻어질 수 있다. 이때 상기 시트의 두께는 주입되는 단량체 조성물의 농도 및 주입속도에 따라 달라질 수 있는데, 시트 전체가 고르게 중합될 수 있도록 하면서도 생산 속도 등을 확보하기 위하여, 통상적으로 0.5 내지 10 cm의 두께로 조절되는 것이 바람직하다.
이와 같은 방법으로 형성되는 함수 겔상 가교 중합체는 40 내지 80 중량%의 함수율을 나타낼 수 있다.
여기서, 함수율은 함수 겔상 가교 중합체의 전체 중량에서 수분이 차지하는 중량으로서, 함수 겔상 가교 중합체의 중량에서 건조 상태의 중합체의 중량을 뺀 값일 수 있다. 구체적으로, 적외선 가열을 통해 중합체의 온도를 올려 건조하는 과정에서 중합체 중의 수분 증발에 따른 무게 감소분을 측정하여 계산된 값으로 정의될 수 있다. 이때, 건조 조건은 상온에서 약 180 ℃까지 온도를 상승시킨 뒤 180 ℃에서 유지하는 방식으로 총 건조 시간은 온도 상승 단계 5 분을 포함하여 20 분으로 설정될 수 있다.
(2) 건조 공정
상기 공정(2)는 상기 공정(1)에서 얻어진 함수 겔상 가교 중합체를 건조하는 단계이다.
필요에 따라, 상기 건조 공정의 효율을 높이기 위해, 상기 건조 전에 상기 함수 겔상 가교 중합체를 분쇄(일명 '조분쇄')하는 공정이 더 수행될 수 있다.
비제한적인 예로, 상기 조분쇄에 이용 가능한 분쇄기로는 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), 원판식 절단기(disc cutter) 등을 예로 들 수 있다.
이때, 상기 조분쇄는 상기 함수 겔상 가교 중합체의 입경이 1 내지 10 mm가 되도록 수행될 수 있다. 즉, 건조 효율의 증대를 위하여 상기 함수 겔상 가교 중합체는 10 mm 이하의 입자로 분쇄되는 것이 바람직하다. 하지만, 과도한 분쇄시 입자간 응집 현상이 발생할 수 있으므로, 상기 함수 겔상 가교 중합체는 1 mm 이상의 입자로 분쇄되는 것이 바람직하다.
그리고, 이와 같이 함수 겔상 가교 중합체의 건조 공정 전에 조분쇄 공정을 거치는 경우, 중합체는 함수율이 높은 상태이기 때문에 분쇄기의 표면에 중합체가 들러붙는 현상이 나타날 수 있다. 이러한 현상을 최소화하기 위하여, 상기 조분쇄 공정에는, 필요에 따라, 스팀, 물, 계면활성제, clay 나 silica 등의 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 가교제가 첨가될 수 있다.
한편, 상기와 같이 조분쇄 혹은 중합 직후의 함수 겔상 가교 중합체에 대한 건조는 120 내지 250 ℃, 또는 150 내지 200 ℃, 또는 160 내지 180 ℃의 온도 하에서 수행될 수 있다. 상기 온도는 건조를 위해 공급되는 열 매체의 온도 또는 건조 공정에서 열 매체 및 중합체를 포함하는 건조 반응기 내부의 온도로 정의될 수 있다.
상기 건조 온도가 낮아 건조 시간이 길어질 경우 최종 수지의 물성이 저하될 수 있다. 따라서, 상기 건조 온도는 120 ℃ 이상인 것이 바람직하다. 다만, 상기 건조 온도가 너무 높을 경우 함수 겔상 가교 중합체의 표면만 건조되어 후속되는 분쇄 공정에서 미분 발생량이 많아질 수 있고, 최종 수지의 물성이 저하될 수 있다. 그러므로, 상기 건조 온도는 250 ℃ 이하인 것이 바람직하다.
이때, 상기 건조 공정에서의 건조 시간은 특별히 한정되지 않으나, 공정 효율 등을 고려하여 상기 건조 온도 하에서 20 내지 90 분으로 조절될 수 있다.
그리고, 상기 건조 공정의 건조 방법 역시 함수 겔상 가교 중합체의 건조 공정으로 통상적으로 사용될 수 있는 것이라면 그 구성이 한정없이 적용 가능하다. 구체적으로, 상기 건조 공정은 열풍 공급, 적외선 조사, 극초단파 조사, 또는 자외선 조사 등의 방법이 적용될 수 있다.
이와 같은 방법으로 건조된 중합체는 약 0.1 내지 10 중량%의 함수율을 갖는 것이 바람직하다. 즉, 중합체의 함수율이 0.1 중량% 미만인 경우 과도한 건조로 인한 제조 원가의 상승 및 가교 중합체의 분해(degradation)가 일어날 수 있어 유리하지 않다. 그리고, 중합체의 함수율이 10 중량%를 초과할 경우 후속 공정에서 불량이 발생할 수 있어 바람직하지 않다.
(3) 분쇄 공정
상기 공정(3)은 상기 공정(2)에서 얻어진 건조된 중합체를 분쇄하는 공정이다.
상기 분쇄 공정은 건조된 중합체의 표면적을 최적화하기 위한 공정으로서, 분쇄된 중합체의 입경이 제품화에 적합한 범위인 150 내지 850 ㎛가 되도록 수행될 수 있다.
이와 같은 입경으로 분쇄하기 위해 사용 가능한 분쇄기로는 핀 밀(pin mill), 해머 밀(hammer mill), 스크류 밀(screw mill), 롤 밀(roll mill), 디스크 밀(disc mill), 조그 밀(jog mill) 등을 예로 들 수 있다.
(4) 분급 공정
상기 공정(4)는 상기 공정(3)에서 얻어진 중합체 입자를 분급하는 공정이다.
최종 제품화되는 고흡수성 수지의 물성을 관리하기 위하여, 상기 공정(4)에서는 상기 분쇄 공정을 통해 얻어지는 중합체 입자 중에서 150 내지 850 ㎛의 입경을 갖는 입자를 선택적으로 분급한다.
구체적으로, 상기 공정(4)는, 상기 공정(3)에서 얻어진 중합체 입자를 입경 850 ㎛ 초과인 오버-사이즈 입자, 입경 150 ㎛ 내지 850 ㎛인 미드-사이즈 입자, 및 입경 150 ㎛ 미만인 언더-사이즈 입자로 분급한다.
여기서, 상기 오버-사이즈 입자는 조분(coarse particle)으로 지칭될 수 있으며, 상기 언더-사이즈 입자는 미분(fine particle)으로 지칭될 수 있다.
상기 오버-사이즈 입자는 상기 공정(3)으로 재순환되어 적절한 크기로 재분쇄될 수 있다.
상기 미드-사이즈 입자는 후속되는 (5) 표면 가교 공정으로 공급될 수 있다. 다만, 상기 미드-사이즈 입자에는 상기 언더-사이즈 입자가 일부 포함되어 있을 수 있으므로, 상기 미드-사이즈 입자 중 적어도 일부는 상기 진동 분급기에 다시 공급될 수 있다.
상기 언더-사이즈 입자는 회수되어 별도의 재조립 공정에 공급될 수 있다. 상기 언더-사이즈 입자에는 상기 미드-사이즈 입자가 일부 포함되어 있을 수 있으므로, 상기 언더-사이즈 입자 중 적어도 일부는 상기 진동 분급기에 다시 공급될 수 있다. 상기 언더-사이즈 입자는 고흡수성 수지의 제조시 첨가제로써 사용될 수 있다.
발명의 구현 예에 따르면, 상기 공정(4)의 분급은 서로 다른 메쉬 넘버를 갖는 복수의 체(sieve)가 상기 중합체 입자의 흐름 방향으로 거치된 진동 분급기를 이용하여 수행될 수 있다.
상기 진동 분급기는 10° 내지 15°의 경사각이 있고 일정한 진폭과 주기의 진동을 발생시킨다. 상기 진동 분급기의 형상은 사각 또는 원형 등 특별히 제한되지 않는다.
바람직하게는, 상기 진동 분급기에는 상기 중합체 입자의 흐름 방향으로 거치된 적어도 3 개의 서로 다른 메쉬 넘버를 갖는 체(sieve)가 거치될 수 있다.
상기 체들은 일정한 간격으로 서로 평행하기 상기 진동 분급기에 거치된다. 상기 체들은 상기 중합체 입자의 흐름 방향으로 메쉬 넘버가 증가하도록 순차로 거치된다.
특히, 상기 적어도 3 개의 체 중 최하단에 거치되는 체로는, 목적하는 메쉬 넘버의 체를 기준으로 개목(opening)과 선경(wire diameter) 중 적어도 하나를 낮추어 더 큰 공간율(open area)을 가지는 체가 이용된다.
여기서, 상기 '목적하는 메쉬 넘버의 체'는 입경 150 ㎛ 내지 850 ㎛인 상기 미드-사이즈 입자가 통과되지 않고 입경 150 ㎛ 미만인 상기 언더-사이즈 입자가 통과될 수 있는 메쉬 넘버를 가지는 임의의 체를 의미한다. 상기 목적하는 메쉬 넘버의 체는 상기 진동 분급기의 최하단에 거치하고자 하는 임의의 체를 의미한다.
발명의 일 구현 예에 따르면, 상기 공정(4)는, 상기 최하단에 거치되는 체로, 상기 목적하는 메쉬 넘버의 체와 동일한 개목(opening)과 더 작은 선경(wire diameter)을 가지는 더 큰 메쉬 넘버의 체를 이용하여 수행될 수 있다.
비제한적인 예로, 상기 목적하는 메쉬 넘버의 체를 메쉬 넘버 #70인 체(opening 0.22 mm, wire diameter 0.14 mm, open area 37 %)로 상정하였을 때, 상기 최하단에 거치되는 체로 개목(opening) 0.22 mm 및 선경(wire diameter) 0.14 mm 미만인 메쉬 넘버 #70 초과의 체를 이용함으로써, 보다 향상된 분급 효율이 발현될 수 있다.
발명의 다른 일 구현 예에 따르면, 상기 공정(4)는, 상기 최하단에 거치되는 체로, 상기 목적하는 메쉬 넘버의 체보다 더 작은 개목(opening)과 더 작은 선경(wire diameter)을 가지는 더 큰 메쉬 넘버의 체를 이용하여 수행될 수 있다.
비제한적인 예로, 상기 목적하는 메쉬 넘버의 체를 메쉬 넘버 #70인 체(opening 0.22 mm, wire diameter 0.14 mm, open area 37 %)로 상정하였을 때, 상기 최하단에 거치되는 체로 개목(opening) 0.22 mm 미만 및 선경(wire diameter) 0.14 mm 미만인 메쉬 넘버 #70 초과의 체를 이용함으로써, 보다 향상된 분급 효율이 발현될 수 있다.
상기 구현 예들에 따른 조건을 충족하는 체는, 상기 목적하는 메쉬 넘버의 체에 비하여 더 큰 공간율(open area)을 가진다. 특히, 상기 체의 개목(opening)을 허용 가능한 범위에서 증가시켜 공간율(open area)을 높이는 종래의 방법과 달리, 상기 구현 예들에서는 체의 개목(opening)과 선경(wire diameter) 중 적어도 하나를 낮추어 더 큰 공간율(open area)을 갖도록 한다.
이를 통해, 상기 분급 공정에서 상기 미드-사이즈 입자에 포함된 상기 언더-사이즈 입자의 비율 및 상기 언더-사이즈 입자에 포함된 상기 미드-사이즈 입자의 비율을 낮출 수 있다. 그리고, 상기 진동 분급기에 리사이클되는 입자들의 양을 낮출 수 있어, 상기 분급 공정의 부하를 줄이고 향상된 분급 효율이 발현될 수 있다.
상기 최하단에 거치되는 체는 상기 목적하는 메쉬 넘버의 체에 따라 허용 가능한 범위 내에서 상기 조건을 충족하는 개목(opening) 및 선경(wire diameter)을 가질 수 있다.
바람직하게는, 상기 최하단에 거치되는 체는 상기 목적하는 메쉬 넘버의 체가 갖는 공간율(open area) 보다 25 % 내지 45 % 혹은 25 % 내지 40 %만큼 더 큰 공간율을 가질 수 있다.
비제한적인 예로, 상기 목적하는 메쉬 넘버의 체가 갖는 공간율을 37 %로 상정하였을 때, 상기 최하단에 거치되는 체로는 개목 및 선경 중 어느 하나를 낮춤으로써 46.3 % 내지 53.6 % 혹은 46.3 % 내지 51.8 %의 공간율을 갖는 것이 바람직하게 이용될 수 있다.
상기 목적하는 메쉬 넘버의 체 대비 상기 최하단에 거치되는 체가 갖는 공간율의 차이가 너무 작을 경우 분급 효율의 향상이 충분하지 않을 수 있다. 그러므로, 상기 최하단에 거치되는 체는 상기 목적하는 메쉬 넘버의 체가 갖는 공간율(open area) 보다 최소 25 %만큼 더 큰 공간율을 가지는 것이 바람직하다.
다만, 상기 목적하는 메쉬 넘버의 체 대비 상기 최하단에 거치되는 체가 갖는 공간율의 차이가 너무 클 경우 상기 언더-사이즈 입자의 분급 효율이 저하될 수 있다. 그러므로, 상기 최하단에 거치되는 체는 상기 목적하는 메쉬 넘버의 체가 갖는 공간율(open area) 보다 최대 45 %만큼 더 큰 공간율을 가지는 것이 바람직하다.
비제한적인 예로, 상술한 조건을 충족하는 범위 내에서, 상기 최하단에 거치되는 체는 0.20 mm 내지 0.22 mm의 개목(opening), 0.08 mm 내지 0.10 mm의 선경(wire diameter), 및 45 내지 53 %의 공간율(open area)을 가지는 것이 바람직할 수 있다.
(5) 표면 가교 공정
상기 공정(5)는 상기 공정(4)에서 얻어진 분급된 중합체 입자를 표면 가교하는 공정이다.
상기 표면 가교는 제2 가교제(표면 가교제)의 존재 하에 상기 분쇄된 중합체의 표면에 가교 반응을 유도하는 것으로, 이러한 표면 가교를 통해 상기 분쇄된 중합체 입자의 표면에는 표면 개질층(표면 가교층)이 형성된다.
상기 표면 가교는 중합체 입자 표면의 가교 결합 밀도를 증가시키는 통상의 방법으로 수행될 수 있다. 예를 들어, 제2 가교제(표면 가교제)를 포함하는 용액과 상기 분쇄된 중합체 입자를 혼합하여 가교 반응시키는 방법으로 수행될 수 있다.
상기 제2 가교제는 상기 중합체 입자가 갖는 관능기와 반응 가능한 화합물로서, 탄소수 2 내지 5의 알킬렌 카보네이트가 바람직하다. 보다 바람직하게는, 상기 제2 가교제로서 에틸렌 카보네이트를 사용할 수 있다. 또한, 상기 제2 가교제와 함께, 다공성 실리카(silica)나 클레이(clay) 등을 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 제2 가교제의 침투 속도 및 깊이를 조절하기 위하여 필요에 따라 산성 화합물이나 고분자 등을 더 첨가할 수도 있다.
이때, 상기 제2 가교제의 함량은 가교제의 종류나 반응 조건 등에 따라 적절히 조절될 수 있으며, 바람직하게는 상기 분쇄된 중합체 입자 100 중량부에 대하여 0.001 내지 5 중량부로 조절될 수 있다. 상기 제2 가교제의 함량이 지나치게 낮아지면, 표면 개질이 제대로 이루어지지 못해, 최종 수지의 물성이 저하될 수 있다. 반대로 과량의 제2 가교제가 사용되면 과도한 표면 가교 반응으로 인해 수지의 흡수력이 오히려 저하될 수 있어 바람직하지 않다.
상기 표면 가교 공정은, 상기 제2 가교제와 분쇄된 중합체 입자를 반응조에 넣고 혼합하는 방법, 분쇄된 중합체 입자에 제2 가교제를 분사하는 방법, 연속적으로 운전되는 믹서에 분쇄된 중합체 입자와 제2 가교제를 연속적으로 공급하여 혼합하는 방법 등 통상적인 방법으로 수행될 수 있다.
상기 제2 가교제를 첨가할 때 추가적으로 물이 첨가될 수 있다. 이처럼 제2 가교제와 물이 함께 첨가됨으로써 제2 가교제의 고른 분산이 유도될 수 있고, 중합체 입자의 뭉침 현상이 방지되고, 중합체 입자에 대한 제2 가교제의 침투 깊이가 보다 최적화할 수 있다. 이러한 목적 및 효과를 고려하여, 제2 가교제와 함게 첨가되는 물의 함량은 상기 분쇄된 중합체 100 중량부에 대하여 0.5 내지 10 중량부로 조절될 수 있다.
상기 표면 가교 공정는 100 내지 250 ℃의 온도 하에서 진행될 수 있다. 또한 상기 표면 가교 공정은 1 분 내지 120 분, 바람직하게는 1 분 내지 100 분, 보다 바람직하게는 10 분 내지 80 분 동안 진행할 수 있다. 과도한 가교 반응시 중합체 입자가 손상되어 물성이 저하될 수 있다. 그러므로, 상기 표면 가교 공정은 상기 조건 하에서 수행되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 고흡수성 수지의 제조 방법은 보다 향상된 효율로 중합체 입자를 분급함으로써 제품화 가능한 범위의 입경을 갖는 중합체 입자의 회수량을 증대시킬 수 있고, 리사이클되는 미분의 양을 감소시킬 수 있다.
이하, 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예들이 제시된다. 그러나 하기의 실시예들은 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명을 이들만으로 한정하는 것은 아니다.
비교예 1
아래 표 1의 입자 크기 분포(PSD)로 분쇄된 중합체 입자를 준비하였다.
입자 크기 분획의 비율 (중량%)
850 ㎛ 초과 0.02
700 ㎛ 이상 850 ㎛ 이하 2.05
600 ㎛ 이상 700 ㎛ 미만 9.54
425 ㎛ 이상 600 ㎛ 미만 44.22
300 ㎛ 이상 425 ㎛ 미만 26.59
212 ㎛ 이상 300 ㎛ 미만 10.83
180 ㎛ 이상 212 ㎛ 미만 2.35
150 ㎛ 이상 180 ㎛ 미만 2.13
150 ㎛ 미만 2.27
분급 공정의 수행을 위한 분급기로, 경사각이 13° 이고, 진폭이 4 내지 5 mm, 주기가 860 VPM인 사각 진동 스크린(rectangular type vibrating screen) 장치를 준비하였다.
상기 사각 진동 스크린 장치의 내부에는 가로 200 cm 및 세로 300 cm 규격을 갖는 스테인리스 스틸 우븐 와이어 메쉬(stainless steel woven wire mesh)인 총 3 개의 체가 일정 간격으로 서로 평행하게 거치되었다.
상기 3 개의 체로는, 최상단에 메쉬 넘버 #24인 체(opening 0.71 mm, wire diameter 0.35 mm, open area 45 %), 중간단에 메쉬 넘버 #28인 체(opening 0.68 mm, wire diameter 0.23 mm, open area 56 %), 및 최하단에 메쉬 넘버 #70인 체(opening 0.22 mm, wire diameter 0.14 mm, open area 37 %)가 순차로 거치되었다.
상기 분급기에 상기 중합체 입자를 3,154 kg/h의 유속으로 투입하면서 분급을 수행하였다.
분급 후 상기 메쉬 넘버 #24인 체를 통과하지 못한 입자는 오버-사이즈 입자인 조분(coarse particle)으로 회수되었다. 상기 메쉬 넘버 #28인 체의 상부에 남은 입자와 상기 메쉬 넘버 #70인 체의 상부에 남은 입자는 합쳐져서 미드-사이즈 입자인 제품용 입자로 회수되었다. 상기 메쉬 넘버 #70인 체의 하부로 배출된 입자는 언더-사이즈 입자인 미분(fine particle)으로 회수되어 상기 분급기로 리사이클되었다.
입도 분석기(HORIBA 사, 모델명 LA-960, laser diffraction type)를 이용하여 상기 미드-사이즈 입자의 입도 분포를 수회 측정하였다. 그 결과, 상기 미드-사이즈 입자에 포함된 입경 150 ㎛ 이하의 입자의 비율은 평균 1.15 중량%로 확인되었다.
상기 입도 분석기를 이용하여 상기 언더-사이즈 입자의 입도 분포를 측정하였고, 그 결과를 아래 표 2에 나타내었다.
입자 크기 분획의 비율 (중량%)
300 ㎛ 초과 3.2
212 ㎛ 이상 300 ㎛ 이하 14.6
180 ㎛ 이상 212 ㎛ 미만 30.5
150 ㎛ 이상 180 ㎛ 미만 29.5
150 ㎛ 미만 22.3
상기 표 2를 참고하면, 상기 언더-사이즈 입자에 포함된 입경 180 ㎛ 이상의 비율은 48.3 중량%로 확인되었다.
그리고, 상기 분급기로 리사이클되는 상기 언더-사이즈 입자의 유량을 측정하였다. 그 결과, 리사이클되는 상기 언더-사이즈 입자의 유량은 149 kg/h로 확인되었다.
실시예 1
상기 표 1의 입자 크기 분포(PSD)로 분쇄된 중합체 입자를 준비하였다.
분급 공정의 수행을 위한 분급기로, 경사각이 13° 이고, 진폭이 4 내지 5 mm, 주기가 860 VPM인 사각 진동 스크린(rectangular type vibrating screen) 장치를 준비하였다.
상기 사각 진동 스크린 장치의 내부에는 가로 200 cm 및 세로 300 cm 규격을 갖는 스테인리스 스틸 우븐 와이어 메쉬(stainless steel woven wire mesh)인 총 3 개의 체가 일정 간격으로 서로 평행하게 거치되었다.
상기 3 개의 체 중 최하단에 거치되는 체로는, 목적하는 메쉬 넘버의 체를 상기 비교예 1의 메쉬 넘버 #70인 체(opening 0.22 mm, wire diameter 0.14 mm, open area 37 %)로 상정하고, 메쉬 넘버 #80(T)로 명명되는 체(opening 0.22 mm, wire diameter 0.10 mm, open area 47 %)를 거치시켰다.
구체적으로, 상기 3 개의 체로는, 최상단에 메쉬 넘버 #24인 체(opening 0.71 mm, wire diameter 0.35 mm, open area 45 %), 중간단에 메쉬 넘버 #28인 체(opening 0.68 mm, wire diameter 0.23 mm, open area 56 %), 및 최하단에 메쉬 넘버 #80(T)인 상기 체(opening 0.22 mm, wire diameter 0.10 mm, open area 47 %)가 순차로 거치되었다.
상기 분급기에 상기 중합체 입자를 3,154 kg/h의 유속으로 투입하면서 분급을 수행하였다.
분급 후 상기 메쉬 넘버 #24인 체를 통과하지 못한 입자는 오버-사이즈 입자인 조분(coarse particle)으로 회수되었다. 상기 메쉬 넘버 #28인 체의 상부에 남은 입자와 상기 메쉬 넘버 #80(T)인 체의 상부에 남은 입자는 합쳐져서 미드-사이즈 입자인 제품용 입자로 회수되었다. 상기 메쉬 넘버 #80(T)인 체의 하부로 배출된 입자는 언더-사이즈 입자인 미분(fine particle)으로 회수되어 상기 분급기로 리사이클되었다.
입도 분석기(HORIBA 사, 모델명 LA-960, laser diffraction type)를 이용하여 상기 미드-사이즈 입자의 입도 분포를 수회 측정하였다. 그 결과, 상기 미드-사이즈 입자에 포함된 입경 150 ㎛ 이하의 입자의 비율은 평균 0.96 중량%로 확인되었다.
상기 입도 분석기를 이용하여 상기 언더-사이즈 입자의 입도 분포를 측정하였고, 그 결과를 아래 표 3에 나타내었다.
입자 크기 분획의 비율 (중량%)
300 ㎛ 초과 0.6
212 ㎛ 이상 300 ㎛ 이하 12.8
180 ㎛ 이상 212 ㎛ 미만 35.2
150 ㎛ 이상 180 ㎛ 미만 34.2
150 ㎛ 미만 17.2
상기 표 3을 참고하면, 상기 언더-사이즈 입자에 포함된 입경 180 ㎛ 이상의 비율은 48.6 중량%로 확인되었다.
그리고, 상기 분급기로 리사이클되는 상기 언더-사이즈 입자의 유량을 측정하였다. 그 결과, 리사이클되는 상기 언더-사이즈 입자의 유량은 154 kg/h로 확인되었다.
상기 실시예 1에서는 상기 분급기의 최하단에 거치되는 체로, 상기 비교예 1의 메쉬 넘버 #70인 체와 동일한 개목(opening)과 더 작은 선경(wire diameter)을 가지는 메쉬 넘버 #80(T)인 체가 이용되었다. 상기 메쉬 넘버 #80(T)인 체는 상기 메쉬 넘버 #70인 체인 체보다 약 27 %만큼 더 큰 공간율(open area)을 갖는다.
그에 따라, 상기 실시예 1에서는 상기 미드-사이즈 입자에 포함된 입경 150 ㎛ 이하의 입자의 비율이 평균 0.96 중량%로, 상기 비교예 1에서의 수치(평균 1.15 중량%)보다 더 낮아졌다. 그리고, 상기 실시예 1에서는 리사이클되는 상기 언더-사이즈 입자의 유량이 상기 비교예 1에서보다 소폭 증가하였다.
실시예 2
상기 표 1의 입자 크기 분포(PSD)로 분쇄된 중합체 입자를 준비하였다.
분급 공정의 수행을 위한 분급기로, 경사각이 13° 이고, 진폭이 4 내지 5 mm, 주기가 860 VPM인 사각 진동 스크린(rectangular type vibrating screen) 장치를 준비하였다.
상기 사각 진동 스크린 장치의 내부에는 가로 200 cm 및 세로 300 cm 규격을 갖는 스테인리스 스틸 우븐 와이어 메쉬(stainless steel woven wire mesh)인 총 3 개의 체가 일정 간격으로 서로 평행하게 거치되었다.
상기 3 개의 체 중 최하단에 거치되는 체로는, 목적하는 메쉬 넘버의 체를 상기 비교예 1의 메쉬 넘버 #70인 체(opening 0.22 mm, wire diameter 0.14 mm, open area 37 %)로 상정하고, 메쉬 넘버 #90(T)로 명명되는 체(opening 0.20 mm, wire diameter 0.08 mm, open area 51 %)를 거치시켰다.
구체적으로, 상기 3 개의 체로는, 최상단에 메쉬 넘버 #24인 체(opening 0.71 mm, wire diameter 0.35 mm, open area 45 %), 중간단에 메쉬 넘버 #28인 체(opening 0.68 mm, wire diameter 0.23 mm, open area 56 %), 및 최하단에 메쉬 넘버 #90(T)인 상기 체(opening 0.20 mm, wire diameter 0.08 mm, open area 51 %)가 순차로 거치되었다.
상기 분급기에 상기 중합체 입자를 3,154 kg/h의 유속으로 투입하면서 분급을 수행하였다.
분급 후 상기 메쉬 넘버 #24인 체를 통과하지 못한 입자는 오버-사이즈 입자인 조분(coarse particle)으로 회수되었다. 상기 메쉬 넘버 #28인 체의 상부에 남은 입자와 상기 메쉬 넘버 #90(T)인 체의 상부에 남은 입자는 합쳐져서 미드-사이즈 입자인 제품용 입자로 회수되었다. 상기 메쉬 넘버 #90(T)인 체의 하부로 배출된 입자는 언더-사이즈 입자인 미분(fine particle)으로 회수되어 상기 분급기로 리사이클되었다.
입도 분석기(HORIBA 사, 모델명 LA-960, laser diffraction type)를 이용하여 상기 미드-사이즈 입자의 입도 분포를 수회 측정하였다. 그 결과, 상기 미드-사이즈 입자에 포함된 입경 150 ㎛ 이하의 입자의 비율은 평균 0.83 중량%로 확인되었다.
상기 입도 분석기를 이용하여 상기 언더-사이즈 입자의 입도 분포를 측정하였고, 그 결과를 아래 표 4에 나타내었다.
입자 크기 분획의 비율 (중량%)
300 ㎛ 초과 0.2
212 ㎛ 이상 300 ㎛ 이하 0.7
180 ㎛ 이상 212 ㎛ 미만 22.2
150 ㎛ 이상 180 ㎛ 미만 47.0
150 ㎛ 미만 29.9
상기 표 4를 참고하면, 상기 언더-사이즈 입자에 포함된 입경 180 ㎛ 이상의 비율은 23.1 중량%로 확인되었다.
그리고, 상기 분급기로 리사이클되는 상기 언더-사이즈 입자의 유량을 측정하였다. 그 결과, 리사이클되는 상기 언더-사이즈 입자의 유량은 122 kg/h로 확인되었다.
상기 실시예 2에서는 상기 분급기의 최하단에 거치되는 체로, 상기 비교예 1의 메쉬 넘버 #70인 체보다 더 작은 개목(opening)과 더 작은 선경(wire diameter)을 가지는 메쉬 넘버 #90(T)인 체가 이용되었다. 상기 메쉬 넘버 #90(T)인 체는 상기 메쉬 넘버 #70인 체인 체보다 약 38 %만큼 더 큰 공간율(open area)을 갖는다.
그에 따라, 상기 실시예 2에서는 상기 미드-사이즈 입자에 포함된 입경 150 ㎛ 이하의 입자의 비율이 평균 0.83 중량%로, 상기 비교예 1에서의 수치(평균 1.15 중량%)보다 더 낮아졌다.
특히, 상기 실시예 2에서는 상기 언더-사이즈 입자에 포함된 입경 180 ㎛ 이상의 비율이 상기 비교예 1에서의 비율 대비 절반의 수준으로 현저히 낮아졌고, 리사이클되는 상기 언더-사이즈 입자의 유량이 약 20 % 정도 감소하였다.

Claims (6)

  1. (1) 아크릴산을 포함한 단량체 수용액을 중합하는 공정,
    (2) 상기 공정(1)에서 얻어진 함수 겔상 가교 중합체를 건조하는 공정,
    (3) 상기 공정(2)에서 얻어진 건조된 중합체를 분쇄하는 공정,
    (4) 상기 공정(3)에서 얻어진 중합체 입자를 분급하는 공정, 및
    (5) 상기 공정(4)에서 얻어진 분급된 중합체 입자를 표면 가교하는 공정
    을 포함하는 고흡수성 수지의 제조 방법으로서;
    상기 공정(4)의 분급은 적어도 3 개의 서로 다른 메쉬 넘버를 갖는 체(sieve)가 상기 중합체 입자의 흐름 방향으로 거치된 진동 분급기를 이용하여 수행되고,
    상기 적어도 3 개의 체 중 최하단에 거치되는 체로는, 목적하는 메쉬 넘버의 체를 기준으로 개목(opening)과 선경(wire diameter) 중 적어도 하나를 낮추어 더 큰 공간율(open area)을 가지는 체가 이용되고,
    상기 최하단에 거치되는 체는 상기 목적하는 메쉬 넘버의 체가 갖는 공간율(open area) 보다 25 % 내지 40 % 만큼 더 큰 공간율을 가지는,
    고흡수성 수지의 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 공정(4)는, 상기 최하단에 거치되는 체로, 상기 목적하는 메쉬 넘버의 체와 동일한 개목(opening)과 더 작은 선경(wire diameter)을 가지는 더 큰 메쉬 넘버의 체를 이용하여 수행되는, 고흡수성 수지의 제조 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 공정(4)는, 상기 최하단에 거치되는 체로, 상기 목적하는 메쉬 넘버의 체보다 더 작은 개목(opening)과 더 작은 선경(wire diameter)을 가지는 더 큰 메쉬 넘버의 체를 이용하여 수행되는, 고흡수성 수지의 제조 방법.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 최하단에 거치되는 체는 0.20 mm 내지 0.22 mm의 개목(opening), 0.08 mm 내지 0.10 mm의 선경(wire diameter), 및 45 내지 53 %의 공간율(open area)을 가지는, 고흡수성 수지의 제조 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 공정(4)는, 상기 공정(3)에서 얻어진 중합체 입자를 입경 850 ㎛ 초과인 오버-사이즈 입자, 입경 150 ㎛ 내지 850 ㎛인 미드-사이즈 입자, 및 입경 150 ㎛ 미만인 언더-사이즈 입자로 분급하는, 고흡수성 수지의 제조 방법.
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