KR20110138636A - 고흡수성 수지의 제조 장치 및 이를 이용한 고흡수성 수지의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 둘 이상의 회전축; 상기 회전축 사이에 걸쳐 설치되고, 상기 회전축의 회전에 의해 일정 방향으로 진행 가능하도록 형성된 벨트; 상기 벨트의 적어도 일부가 아래 방향으로 오목하게 처져서 형성된 오목부; 및 모노머 조성물 공급부를 포함하는 고흡수성 수지 제조 장치 및 이를 이용한 고흡수성 수지의 제조 방법에 관한 것이다.
상기와 같은 본 발명의 제조 장치를 이용하면, 주입되는 모노머의 양에 따라 생산량 조절이 용이하고, 반응 과정 중 모노머 조성물의 역행을 방지할 수 있을 뿐 아니라, 균일한 중합 반응이 이루어져 물성이 우수한 고흡수성 수지를 생산해 낼 수 있어, 고흡수성 수지 제조에 관한 산업 분야에 유용하게 이용될 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 제조 장치를 이용하면, 주입되는 모노머의 양에 따라 생산량 조절이 용이하고, 반응 과정 중 모노머 조성물의 역행을 방지할 수 있을 뿐 아니라, 균일한 중합 반응이 이루어져 물성이 우수한 고흡수성 수지를 생산해 낼 수 있어, 고흡수성 수지 제조에 관한 산업 분야에 유용하게 이용될 수 있다.
Description
본 발명은 고흡수성 수지의 제조 장치 및 이를 이용한 고흡수성 수지의 제조방법에 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 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 중합겔을 파단, 냉각하면서 중합하는 열중합 방법, 및 고농도 수용액을 벨트상에서 자외선 등을 조사하여 중합과 건조를 동시에 행하는 광중합 방법 등이 알려져 있다. 특히, 이러한 수용액 중합에 의한 방법 중 회전식 벨트를 구비한 방법은 UV 조사가 용이하고 반응물을 연속적으로 공급할 수 있는 장점이 있어서 많이 사용되고 있다.
다만, 이러한 회전식 벨트를 이용하여 중합 반응을 진행하면, 벨트 이동 시, 모노머 조성물이 벨트 외부로 넘치거나 벨트의 진행 방향과 반대 방향으로 흐르는 현상이 자주 발생하고, 또한, 이미 설계된 회전식 벨트의 크기로 인해, 회전식 벨트의 회전속도 조절 외에는 달리 생산량을 조절하기도 어려운 단점이 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위해, 여러 가지 모양의 반응 장치에 대한 연구가 활발하지만, 아직까지 쉽게 제작될 수 있고, 생산량 조절이 용이한 반응 장치에 대한 연구는 미흡한 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하여, 고흡수성 수지의 생산량 조절이 용이하고, 반응 과정 중 모노머 조성물의 넘침이나 역행을 방지할 수 있고, 우수한 물성을 지닌 고흡수성 수지의 제조가 가능한 고흡수성 수지 제조 장치를 제공하기 위한 것이다.
본 발명은 또한 상기 고흡수성 수지의 제조 장치를 이용한 고흡수성 수지의 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명은 둘 이상의 회전축; 상기 회전축 사이에 걸쳐 설치되고, 상기 회전축의 회전에 의해 일정 방향으로 진행 가능하도록 형성된 벨트; 상기 벨트의 적어도 일부가 아래 방향으로 오목하게 처져서 형성된 오목부; 및 모노머 조성물 공급부를 포함하는 고흡수성 수지 제조 장치를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 고흡수성 수지 제조 장치를 이용한 고흡수성 수지 제조 방법을 제공한다.
이하 도면을 참고하여, 발명의 구현 예에 따른 고흡수성 수지 제조 장치 및 제조방법에 대하여 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고흡수성 수지 제조장치를 간략히 도시한 것이다.
발명의 일 구현예에 따라, 둘 이상의 회전축(1); 상기 회전축 사이에 걸쳐 설치되고, 상기 회전축의 회전에 의해 일정 방향으로 진행 가능하도록 형성된 벨트(2); 상기 벨트의 적어도 일부가 아래 방향으로 오목하게 처져서 형성된 오목부(A); 및 모노머 조성물 공급부(4)를 포함하는 고흡수 수지 제조 장치가 제공된다.
상기 도 1에 도시된 바와 같이, 고흡수성 수지 제조 장치는 동력원 등에 연결되어 벨트를 회전 시키는 둘 이상의 회전축(1); 이러한 회전축 사이에 걸쳐 설치되고 일정한 방향으로 진행하는 폐곡선 형태의 벨트(2); 상기 벨트가 아래 방향으로 오목하게 처져서 형성되어 주입되는 모노머 조성물이 체류할 수 있는 오목부(A); 및 이러한 벨트 위에 모노머 조성물을 균일하게 주입하는 모노머 공급부(4)를 포함한다.
상기 회전축(1)은 벨트의 길이나 적용방법에 따라서 둘 이상이 구비 될 수 있고, 모터 등의 동력원이 연결되어서 벨트가 일정한 방향으로 진행할 수 있게 한다. 도 1에 도시된 바와 같이 오목부의 시작점과 종결점에서 벨트의 지지를 위해서, 각각의 위치에 회전축(1)을 더 포함하는 형태로 제조 장치가 설계될 수 있다.
한편, 벨트의 진행을 위해 설비되는 회전축들은 수평면을 기준으로 같은 높이에 설치될 수도 있으나, 반응 조건에 따라서 각기 다른 높이에 설치되어 수평면과 벨트의 진행 방향면 사이에 경사를 형성할 수 있게 설계할 수도 있다.
상기 벨트는 상기 회전축 사이에 연결되어 일정한 방향으로 이동하면서 모노머 조성물이 열 또는 빛을 통하여 중합반응을 할 수 있게 한다. 상기 벨트의 너비나 길이에 대해서는 구성의 한정이 없이 선택되어 본 발명의 벨트에 적용될 수 있다.
한편, 수평한 바닥면을 갖는 회전식 벨트 상에서 모노머 조성물 용액의 넘침 또는 역행 현상 등을 방지하기 위해, 수평한 바닥면을 갖는 회전식 벨트의 양 끝단에 댐 형식의 턱을 설치하거나, 벨트의 진행 방향과 반대로 공기를 주입하는 방법이 고려되었다. 하지만, 수평한 바닥면을 갖는 회전식 벨트에 특정 높이를 갖는 댐을 부설하는 경우, 부설된 댐의 높이 범위 내에서는 생산량 조절이 가능하지만, 생산량을 일정 수준으로 높이기 위해서는 댐의 높이를 높여, 다시 제조 장치를 제작하여야 하는 문제점이 있어 왔다. 또한, 수평한 바닥면을 갖는 회전식 벨트에 있어서, 모노머 조성물이 역행하는 현상을 방지하기 위해 공기를 벨트 반대 방향으로 주입하게 되면, 중합된 중합체가 산소에 노출되어 중합 반응이 불안정하게 일어나 고품질을 갖는 고흡수성 수지를 제작하기 어려웠다.
이에, 본 발명자들은 상기 회전식 벨트 상에 아래 방향으로 오목하게 처져서 모노머 조성물이 체류할 수 있는 오목부를 형성하면, 주입되는 모노머 조성물의 양을 벨트에 부설된 댐(또는 측면턱)의 높이에 상관없이 증가시킬 수 있으며, 모노머 조성물의 역행을 방지할 수 있어서, 공정의 효율성, 경제성 및 생산량을 향상시킬 수 있는 것을 확인하였다.
한편, 상기 오목부는 하기 식으로 표시되는 10 내지 30의 길이/깊이비를 가질 수 있다. 길이/깊이비가 상기 범위 내에 있게 되면, 자외선 조사 또는 열의 공급에 따른 중합 반응이 균일하게 일어날 수 있으며, 벨트의 이동에 따라, 모노머 조성물 용액 및 일부 중합된 함수겔상 중합체가 오목부에서 바닥면이 평평한 벨트 부분으로 이동 하더라도 모노머 조성물 용액등의 역행이나 넘침 현상이 적게 된다.
식
길이/깊이비=L/H
상기 식에서, L은 상기 벨트의 진행방향과 수평한 방향에 따른 오목부의 시작점과 종결점 간의 수평거리를 나타내며, H는 상기 오목부의 시작점과 종결점 중 어느 하나와 상기 오목부의 최저점 간의 높이의 차이를 나타낸다.
한편, 도 1에 도시된 바와 같이, 벨트의 일측에 형성된 오목부(A)는 벨트의 회전 시에도 동일한 위치에 계속 형성되어 있는 형태로, 바람직하게는 벨트의 진행방향과 수평한 방향에 따른 오목부의 시작점 상부에 모노머 조성물 공급부(4)가 설치되어, 고흡수성 수지 제조를 위한 모노머 조성물이 공급될 수 있다.
상기와 같은 오목부의 존재로 인해, 회전식 벨트 상에서도 비교적 점도가 낮은 모노머 조성물 용액의 역행이 방지된다. 또한 상기 오목부는 모노머 조성물의 공급에 따라, 벨트의 자연스러운 처짐 현상으로 형성되는 것으로서, 이들 벨트의 재료만을 특정하면 별도의 설비 없이 용이하게 제작될 수 있고, 모노머 주입량에 따라 오목부의 길이/깊이비가 결정되어 생산량 조절도 용이하다.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 다양한 구현예에 따라 여러 가지 형태의 오목부를 갖는 고흡수성 수지 제조 장치의 종단면들을 도시한 것이다. 도 2a에서와 같이, 오목부의 시작점과 종결점에 벨트 지지부(8)를 설비하여 오목부의 최저점이 자연스럽게 처지는 형태로 형성될 수 있다. 또한, 도 2b 또는 도 2c에서와 같이, 벨트 오목부의 시작점과 종결점 사이에 복수의 벨트 지지부(8)를 추가로 설비하여 오목부의 형태를 조절할 수도 있다.
한편, 상기와 같은 모노머 조성물 공급량에 따라, 자연스럽게 오목부를 형성하기 위해서는 바람직하게 상기 벨트는 테프론, 실리콘 및 각종 복합재료를 사용할 수 있다. 상기 각종 복합재료의 구체적인 예로는 실리콘과 테프론의 복합 재료, 각종 패브릭에 실리콘 또는 테프론 또는 이들의 복합 재료를 도포한 재료, 여러 가지 다른 물성의 실리콘들의 라미네이트, 각종 고분자 복합재료, 각종 고분자들의 라미네이트 등을 들 수 있다. 다만, 여기에 한정되는 것은 아니고, 고흡수성 수지 제조를 위한 중합반응에 방해를 주지 않으면서, 일정한 점도의 모노머 조성물 용액의 주입에 따라 벨트 일부가 쳐저 오목부를 형성할 수 있는 것이면, 제한 없이 사용할 수 있다.
한편, 상기 모노머 조성물 공급부(4)는 중합반응에 필요한 화합물들을 벨트상의 오목부(A)로 주입하는 역할을 하는데, 모노머 조성물은 200 kg/hr 내지 40000 kg/hr의 속도로, 바람직하게는 300 kg/hr 내지 20000 kg/hr의 속도로, 더욱 바람직하게는 300 kg/hr내지 10000 kg/hr의 속도로 주입될 수 있다. 다만, 모노머 조성물의 공급 속도는 벨트의 너비 및 길이 등을 포함한 벨트 중합 반응기의 크기에 따라 상술한 범위에서 적절히 선택할 수 있다. 한편, 상술한 구현예에 따른 고흡수성 수지 제조 장치는 벨트상에 오목부가 설치되기 때문에 종래 기술에 비하여 상대적으로 많은 양의 모노머 조성물을 주입할 수 있으며, 또한 모노머 조성물의 공급량에 따라 오목부의 크기도 일정 부분 조절 가능하여 생산량 조절이 용이하게 된다.
이 때, 모노머 조성물의 공급속도가 상기 범위 내에 있으면, 자외선 조사 또는 열공급에 따른 중합 반응이 균일하게 일어날 수 있고, 이에 따라 모노머 조성물 용액 및 일부 중합된 함수겔상 중합체가 오목부에서 바닥면이 평평한 벨트 부분으로 이동을 하더라도 모노머 조성물 용액 등의 역행이나 넘침 현상이 적게된다.
또한, 상기 모노머 조성물 공급부에서 오목부로 주입되는 모노머 조성물의 점도가 1 cps 내지 60 cps일 수 있다. 상기와 같은 점도 범위를 갖는 모노머 조성물을 공급하면, 균일한 중합 반응에 유리하고, 최종 형성되는 고흡수성 수지의 품질도 좋게 된다.
한편, 상기 벨트는 구현예에 따라 1cm 내지 10cm의 높이를 가지고, 벨트의 양 측단에 벨트 진행방향을 따라 구비된 측면턱(7)을 추가로 포함할 수 있다. 참고로, 도 1에는 상기와 같은 측면턱(7)이 설비된 고흡수성 수지 제조 장치에 대해 간략히 도시되어 있다. 상기와 같은 측면턱은 모노머 조성물 용액 또는 중합반응의 결과물인 함수겔상 중합체가 벨트 밖으로 넘치는 것을 방지하기 위하여 설치될 수 있다. 상기와 같은 높이를 가진 측면턱을 회전식 벨트의 양 끝단에 추가로 설비하는 경우, 모노머 조성물 용액 및/또는 함수겔상 중합체의 넘침을 적절하게 방지할 수 있다.
또한, 이미 도 2의 설명에서 상술한 바와 같이 발명의 다른 구현예에 따라, 상기 벨트의 측면 끝단에 위치하는 벨트 지지부(8)를 더 포함할 수 있다. 이러한 벨트 지지부는 벨트의 진행 방향에 따라 수평한 바닥면을 갖는 부분 및 오목부를 형성하는 부분 모두에 있어서, 벨트의 형상을 유지하는 역할을 한다. 상기와 같은 벨트 지지부의 재질로서 스테인레스 강(Steel Use Stainless, SUS), 특수강 또는 합금강 등이 사용될 수 있으며, 그 형상은 원형, 직육면체 또는 판형 등으로 구성될 수 있는데, 이들에 한정되는 것은 아니고 중합반응이 일어나는 벨트에 적용되어 벨트 양 끝단의 수평을 유지할 수 있는 재질 및 형상이라면 제한 없이 사용 가능하다.
또한, 상기와 같은 구현예들에 따른 제조 장치를 이용한 고흡수성 수지의 제조를 위해 상기 모노머 조성물을 열중합 또는 광중합할 수 있다. 이를 위해, 발명의 일 예에 따른 고흡수성 수지 제조 장치는 열중합을 위한 가열부 또는 광중합을 위한 자외선 조사부를 추가로 포함할 수 있다.
상기 구현예들에 따른 고흡수성 수지 제조 장치를 이용하여, 열중합 반응을 진행할 경우, 고흡수성 수지 제조 장치에 포함되는 가열부는 스팀, 핫오일, 핫워터, 또는 적외선(Infrared, IR)의 형태일 수 있다. 하지만, 상기 가열부는 모노머 조성물에 열을 가하여 중합을 개시할 수 있는 열 공급원이라면 그 구성에 제한되지 않고 사용할 수 있다. 상기와 같은 가열부는 바람직하게는 회전식 벨트의 내부, 또는 벨트의 상부에 형성될 수 있으나, 형성 위치는 한정이 없다.
이때, 상기 가열부를 포함한 고흡수성 수지 제조 장치로 고흡수성 수지를 제조하는 경우, 상기 열중합 단계는 20℃ 내지 90℃의 온도로 30초 내지 10분의 시간 동안 열을 공급하여 중합할 수 있다. 상기와 같은 온도 범위에서 반응이 진행되는 경우, 균일한 열중합 반응을 기대할 수 있으며, 이에 따라 고품질을 갖는 고흡수성 수지를 제조할 수 있게 된다.
한편, 상술한 구현예에 따른 고흡수성 수지 장치에 자외선 조사부를 추가로 포함하는 경우, 상기 자외선 조사부는 0.1 mW/cm2 내지 10 mw/cm2 강도의 자외선을 조사할 수 있는 제논(Xe)램프, 수은램프, 메탈할라이드 램프, 형광 램프 또는 자외선 램프 등의 광원을 사용할 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니고 중합반응을 일으킬 수 있는 자외선 광원은 제한 없이 사용할 수 있다.
상기와 같은 자외선 조사부를 포함하는 고흡수성 수지 제조 장치를 이용하여, 광중합 반응을 진행하는 경우, 자외선의 조사 강도나 시간은 특별히 제한되는 것은 아니지만 통상적으로 1 분 내지 10분 동안, 0.1 mW/cm2 내지 10 mW/cm2의 강도로 조사하는 것이 바람직하다. 상기 조건에서 유효한 중합 반응 및 균일한 중합 반응을 기대할 수 있다.
한편, 발명의 다른 구현예에 따라, 상술한 고흡수성 수지 제조장치를 이용한 고흡수성 수지의 제조 방법이 제공된다. 이러한 고흡수성 수지의 제조 방법은 상술한 구현예들에 따른 고흡수성 수지 제조 장치의 벨트 일측에 형성된 오목부(A)에 모노머 조성물을 공급하는 단계; 및 자외선 조사부(6)로부터 자외선을 조사하거나, 또는 가열부로부터 열을 공급하여 상기 모노머 조성물을 중합하는 단계를 포함한다.
상기 모노머 조성물 공급부(4)를 통하여 주입될 수 있으며, 이와 같은 모노머 조성물은 수용성 에틸렌계 불포화 단량체 및 중합개시제를 포함할 수 있다.
상기 수용성 에틸렌계 불포화 단량체는 수용액 상태로 중합하는 것이 바람직한데, 모노머 조성물에 포함되는 수용성 에틸렌계 불포화 단량체는 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.
구체적으로 그 종류로는 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 4급화물 등이 있다.
바람직하게는 반응 안정성 및 최종 생성되는 고흡수성 수지의 물성 개선을 고려하여, 아크릴산을 사용할 수 있다.
한편, 상기 모노머 조성물 중 수용성 에틸렌계 불포화 단량체의 농도는 중합 시간 및 반응 조건(모노머 조성물의 공급 속도, 열 또는 자외선 조사 시간, 조사 범위, 및 조사 강도, 제조 공정 상의 벨트의 너비, 오목부의 크기 및 벨트의 이동 속도 등)등을 고려하여 적절히 선택하여 사용할 수 있으나, 바람직하게는 30 중량% 내지 50 중량%로 할 수 있다. 수용성 에틸렌계 불포화 단량체의 농도가 30 중량% 미만인 경우, 반응 시간이 오래 걸려 생산성 저하를 초래하며, 50 중량%를 초과한 경우 최종 중합되는 시트(sheet)상의 중합체가 단단해져, 분쇄 및 후속공정의 문제점을 유발할 수도 있어, 불리하다. 물 이외의 용매를 필요에 따라 추가 또는 병용하여도 되며, 이러한 용매의 종류는 특별히 한정되는 것은 아니다.
한편, 상기 모노머 조성물은 적용하는 중합반응의 종류에 따라서 광중합 개시제 또는 열중합 개시제를 포함할 수 있다.
광중합을 진행하는 경우, 상기 상기 모노머 조성물은 벤질다이메틸, 아실포스페이트, 또는 아미노케톤류 등의 광중합 개시제를 모노머 조성물 내에 0.01 내지 1 wt% 중량부로 포함할 수 있다. 상기 광중합 개시제 중 아실포스페이트 또는 아미노케톤류를 사용하는 것이 비용과 생산 효율의 측면에서 바람직하다. 상기 광중합 개시제는 중합반응을 일으킬 수 있는 정도의 양이면 충분하나, 광중합 개시제를 극소량으로 포함하는 경우 중합반응이 원할히 개시되지 못할 수 있고, 과량으로 포함하는 경우 광중합 개시제 투입에 따른 중합 효율의 증가가 미미하여 비경제적이다.
또한, 열중합을 진행하는 경우, 상기 모노머 조성물은 과황산염계 개시제, 아조계 개시제, 과산화수소, 및 아스코르빈산으로 이루어진 열중합 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 열개시제에 대해서는 Odian 저서인 Principle of Polymerization(Wiley, 1981년), p203에 잘 명시되어 있으며, 상술한 예에 한정되지 않는다.
한편, 이와 같은 열중합 개시제는 모노머 조성물 내에 0.01 wt% 내지 1 wt% 중량부로 포함될 수 있다. 상기 열중합 개시제 중 과황산계 개시제, 과산화수소, 또는 아스코르빈산을 사용하는 것이 비용과 생산량의 측면에서 바람직하다. 그리고, 상기 열중합 개시제는 중합반응을 일으킬 수 있는 정도의 양이면 충분하나, 열중합 개시제를 미량으로 포함하는 경우 중합반응이 일어나지 않은 경우가 있으며, 과량으로 포함하는 경우 열중합 개시제 투입에 따른 중합 효율의 증가가 미미하여 비경제적이다.
한편, 열중합 및 자외선 조사에 의한 광중합 반응을 각각 연속적으로 진행하거나, 동시에 진행하는 경우에는 상술한 광중합 개시제 및 열중합 개시제를 상기 모노머 조성물에 함께 포함할 수 있다. 이 때 추가되는 각각의 양은 모노머 조성물 내에, 각각 0.01 wt% 내지 0.5 wt%, 0.01 wt% 내지 0.5 wt% 일 수 있다.
또한, 중합반응을 효과적으로 일으키기 위해서 상기 모노머 조성물은 가교제를 추가로 포함할 수 있다. 이러한 가교제는 메틸렌비스아크릴아마이드, 폴리에틸렌다이아크릴레이트, 폴리에틸렌글라이콜다이아크릴레이트 및 펜타에리시놀로 이루어진 가교제 군에서 선택되는 하나 이상을 사용할 수 있으며, 모노머 조성물 내에 0.1 wt% 내지 1wt%, 보다 바람직하게는 0.1wt% 내지 0.5wt%의 농도로 포함될 수 있다.
이러한 가교제는 단독 또는 2종류 이상을 혼합하여 사용할 수 있으며, 반응과정에 일괄 첨가하거나 분할하여 첨가할 수 있다. 상기와 같은 농도 범위의 가교제를 추가하면, 중합 반응을 보다 효율적으로 진행할 수 있으며, 이에 따른 고흡수성 수지의 품질도 좋아진다.
한편, 모노머 조성물은 200 kg/hr 내지 40000 kg/h의 속도로, 바람직하게는 300 kg/hr 내지 20000 kg/hr의 속도로, 더욱 바람직하게는 300 내지 10000 kg/hr의 속도로 주입되는 것이 바람직하다. 모노머 조성물의 주입되는 양이 미량이면 단위 시간 당 생산량 낮게 되고, 너무 많이 주입되는 경우 공정상에 과부하가 걸리고 중합반응이 제대로 일어나지 않아 생산되는 고흡수성 수지의 품질이 저하될 수 있다.
또한, 상술한 바와 같이 상기 모노머 조성물의 중합은 열중합 또는 광중합에 의할 수 있다. 이미 상술한 바와 같이, 상기 중합 단계가 열중합에 의할 경우, 가열부는 전기, 스팀, 핫오일, 또는 핫워터 등을 이용할 수 있다. 단, 상기 모노머 조성물에 열을 가하여 중합체를 형성시킬 수 있다면, 가열부(열 공급원)의 구성은 크게 제한되지 아니하고 사용할 수 있다. 또한, 상기 열중합 단계는 20℃ 내지 90℃의 온도로 10초 내지 30분의 시간 동안 열을 공급하여 진행할 수 있다.
한편, 상기 중합 단계가 자외선 조사에 의한 광중합으로 진행되는 경우, 0.1mW/cm2 내지 10mW/cm2 의 강도를 갖는 자외선 광원을 사용할 수 있고, 이 때 자외선 조사부는 Xe램프, 수은램프, 메탈할라이드램프, 형광 램프 또는 자외선 램프 등의 광원을 사용할 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니고 중합반응을 일으킬 수 있는 자외선 광원은 제한 없이 사용할 수 있다. 또한, 상술한 바와 같이 자외선의 조사 강도나 시간은 특별히 제한되는 것은 아니지만 통상적으로 1분 내지 10분 동안, 0.1 mW/cm2 내지 10 mW/cm2의 강도로 조사하는 것이 바람직하다.
한편, 상기 벨트의 진행 속도는 모노머 조성물 중 모노머의 농도, 반응 조건, 1일 생산량을 고려하여 적절하게 설계하여 운전할 수 있다. 바람직하게는 통상의 중합 반응의 속도 및 반응 안정성을 고려하여, 0.1 m/min 내지 5 m/min의 벨트 이동 속도로 운전할 수 있다.
본 발명에 따르면, 고흡수성 수지의 제조 과정에서 주입되는 모노머의 양에 따라 생산량을 용이하게 조절할 수 있고, 벨트 상에서 모노머 조성물 용액 및 함수겔상 중합체의 넘침 또는 역행 현상을 방지할 수 있을 뿐 아니라, 균일한 중합 반응이 이루어져 물성이 우수한 고흡수성 수지를 생산해 낼 수 있는 고흡수성 수지의 제조 장치 및 이를 이용한 고흡수성 수지의 제조 방법이 제공된다.
도 1 은 본 발명의 일 구현예에 따른 오목부를 포함한 회전식 벨트로 구성된 고흡수성 수지 제조장치를 간략히 도시한 것이다.
도 2a 내지 2c는 본 발명의 다양한 구현예에 따라 여러 가지 형태의 오목부를 갖는 고흡수성 수지 제조 장치의 종단면을 도시한 것이다.
도 2a 내지 2c는 본 발명의 다양한 구현예에 따라 여러 가지 형태의 오목부를 갖는 고흡수성 수지 제조 장치의 종단면을 도시한 것이다.
이하, 발명의 다양한 실시예에 대해 설명하기로 한다. 다만, 이는 발명의 예시로 제시되는 것으로, 이에 의해 발명의 권리 범위가 제한되는 것은 아니다.
<
제조예
:
모노머
조성물 용액의 준비>
가성소다(NaOH)와 물을 1:1.2 의 중량비로 혼합한 수용액에, 아크릴산 및 폴리에틸렌글라이콜다이아크릴레이트의 중합 가교제 및 광중합 개시제 아파다이메틸-알파페닐아세토페논를 혼합하여 모노머 조성물을 준비하였다. 이러한 모노머 조성물은 아크릴산의 중화도가 74 mol%이었고, 아크릴산 또는 이의 나트륨염의 단량체, 물, 중합 가교제 및 광중합 개시제를 각각 45.60 중량%, 54.28 중량%, 0.11 중량% 및 0.01 중량%의 조성으로 포함하고 있었다.
<
실시예
: 오목부를 포함한 제조 장치로 고흡수성 수지의 제조>
실시예
1 (
테프론으로
형성된 벨트를 이용한 고흡수성 수지의 제조)
제조예에서 준비된 11cps의 점도를 갖는 모노머 조성물 용액을 1 m/min의 속도로 회전하는 테프론으로 형성된 회전식 벨트에, 300kg/hr의 속도로 공급하였다. 형성된 오목부의 시작점과 종결점 간의 수평거리 L은 60cm, 상기 오목부의 시작점과 종결점 중 어느 하나와 상기 오목부의 최저점 간의 높이의 차이인 H는 3cm 였다.
중합을 위해 1.0mW/cm2의 강도를 갖는 자외선을 6분 동안 조사하여 중합 반응을 진행한 후, 함수겔상 중합체를 얻었다. 중합 반응 진행 후, 잔존 모노머량은 8000 ppm 였고, 중합된 함수겔상 중합체의 함수율은 49 중량%였다.
중합 반응 진행 후, 미트 쵸퍼의 방법으로 분쇄하고, 180℃ 에서 1시간 동안 오븐에서 건조한 뒤, 롤밀의 방법으로 재분쇄하여 분말 형태의 고흡수성 수지를 제조하였다.
실시예
2 (
테프론으로
형성된 벨트를 이용한 고흡수성 수지의 제조)
모노머 조성물의 공급 속도를 400kg/hr로 한 점만 달리하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 고흡수성 수지를 제조하였다.
이 때, 형성된 오목부의 시작점과 종결점 간의 수평거리 L은 60cm, 상기 오목부의 시작점과 종결점 중 어느 하나와 상기 오목부의 최저점 간의 높이의 차이인 H는 3cm 였다.
중합 반응 진행 후, 잔존 모노머량은 8500ppm 이였고, 중합된 함수겔상 중합체의 함수율은 48 중량%였다.
실시예
3 (실리콘으로 형성된 벨트를 이용한 고흡수성 수지의 제조)
벨트의 재질이 실리콘인 점만 제외하고는 실시예 1 과 동일한 고흡수성 제조 장치를 이용하여, 실시예 1과 동일한 조건으로 반응을 진행하여 분말 형태의 고흡수성 수지를 제조하였다.
이 때, 형성된 오목부의 시작점과 종결점 간의 수평거리 L은 60 cm, 상기 오목부의 시작점과 종결점 중 어느 하나와 상기 오목부의 최저점 간의 높이의 차이인 H는 3 cm 였다.
중합 반응 진행 후, 잔존 모노머량은 7530ppm 였고, 중합된 함수겔상 중합체의 함수율은 48.5 중량%였다.
실시예
4 (실리콘으로 형성된 벨트를 이용한 고흡수성 수지의 제조)
모노머 조성물의 공급 속도를 400kg/hr로 한 점만 달리하고는 상기 실시예 3과 동일한 방법으로 고흡수성 수지를 제조하였다.
이 때, 형성된 오목부의 시작점과 종결점 간의 수평거리 L은 60 cm, 상기 오목부의 시작점과 종결점 중 어느 하나와 상기 오목부의 최저점 간의 높이의 차이인 H는 3 cm 였다.
중합 반응 진행 후, 잔존 모노머량은 8320ppm 였고, 중합된 함수겔상 중합체의 함수율은 47 중량%였다.
<
비교예
:
수평한
벨트 바닥면으로 구성된 제조 장치로 고흡수성 수지의 제조>
비교예
1 (
수평한
벨트 바닥면으로 구성된 제조 장치로 고흡수성 수지의 제조)
제조예에서 준비된 11 cps의 점도를 갖는 모노머 조성물 용액을 1m/min의 속도로 회전하는 스틸로 형성된 수평한 바닥면을 갖는 회전식 벨트에, 300kg/hr의 속도로 공급하였다. 상기 회전식 벨트는 벨트의 넘침을 방지하기 위해, 벨트 양 끝단에 1cm의 높이를 가진 측면턱이 설비된 것이다.
한편, 실시예 1과는 제조 장치의 벨트 형상만 달리할 뿐 동일한 조건 하에서 고흡수성 수지를 제조하였다.
상기와 같은 조건으로 반응을 진행한 후, 중합 후, 함수겔상 중합체의 함수율은 46 중량%, 잔존 모노머 함량은 9200ppm 였다.
비교예
2(
수평한
벨트 바닥면으로 구성된 제조 장치로 고흡수성 수지의 제조)
실시예 2와 동일한 조건으로 반응을 진행하되, 비교예 1에 사용된 수평한 벨트 바닥면으로 구성된 제조 장치를 사용하였다. 단, 실시예 2에 따른 공급 속도로 모노머 조성물을 공급하자, 벨트 상에서 모노머 조성물의 넘침이 일어나, 중합 반응을 더 이상 진행할 수 없었다.
비교예
3(
수평한
벨트 바닥면으로 구성된 제조 장치로 고흡수성 수지의 제조)
비교예 2와 동일한 조건으로 반응을 진행하되, 모노머 조성물의 역행(역류) 현상 및 넘침 현상을 막기 위해, 산소를 벨트 진행 방향의 반대 방향으로 30Nm/hr의 속도로 투입하였다.
상기와 같은 조건으로 반응을 진행한 후, 중합 후, 함수겔상 중합체의 함수율은 47 중량%, 잔존 모노머 함량은 15000 ppm 였다.
<
실험예
>
1.
함수겔상
중합체의 함수율 측정
함수겔상 중합체의 함수율 측정방법은 10g의 중합체를 105℃ 온도 조건에서, 12 시간 동안 오븐에서 건조한 후, 건조 전과 건조 후의 중합체의 무게를 측정한 후, 하기와 같은 식에 근거하여 함수율을 계산하였다.
함수율=[(건조 전 무게)-(건조 후 무게)]/건조 전 무게*100
2.
함수겔상
잔존
모노머
함량 측정
중합 직후에 5mmⅩ5mm의 크기의 중합체 샘플을 증류수 1000ml에 3 시간 동안 용출시킨 후, 용출된 잔존 모노머량을 측정하였다.
3. 고흡수성 수지의 물성 측정
1)
수가용성분
측정
수가용성분은 분쇄된 고흡수성 수지 분말의 Size가 300~600㎛이 되도록 분급한 후, 분급된 고흡수성 수지 분말 1.0g 및 0.9% 식염수액 200g을 삼각플라스크에 넣은 뒤, 500rpm의 교반기에 16시간 교반하여 수가용성분을 측정하였으며, 상기 측정방법은 EDANA WSP 270.2를 근간으로 측정을 하였다.
2) 고흡수성 수지의 흡수 배율 측정
고흡수성 수지의 흡수 배율(보수능)은 분쇄된 고흡수성 수지 분말의 Size가 300~600㎛이 되도록 분급한 후, 티백에 0.1g을 넣고, 이를 0.9% 식염수액에 30분간 담가둔 후 250G의 원심분리기에 3분간 탈수하여 흡수된 량을 계산하였다.
상기와 같은 실시예 및 비교예에 따라 중합된 함수겔상 중합체 및 고흡수성 수지의 물성을 비교하여, 하기 표1에 나타내었다.
| 반응 조건 | 물성 비교 | |||||||
| 벨트 재질 | 모노머 공급속도 (kg/hr) |
오목부 (L/H) |
산소 주입 속도 |
함수겔상 중합체의 함수율 (중량%) |
함수겔상 중합체의 잔존 모노머 (ppm) |
SAP 수가용 성분 (wt%) |
고흡수성 수지 흡수 배율 (g/g) |
|
| 실시예 1 | 테프론 | 300 | 20 | X* | 49 | 8000 | 14 | 46 |
| 실시예 2 | 테프론 | 400 | 20 | X | 48 | 8500 | 15 | 47 |
| 실시예 3 | 실리콘 | 300 | 20 | X | 48.5 | 7530 | 13.5 | 43.7 |
| 실시예 4 | 실리콘 | 400 | 20 | X | 47 | 8320 | 13.2 | 43.4 |
| 비교예 1 | 테프론 | 300 | 없음 | X | 46 | 9200 | 15.3 | 45 |
| 비교예 2 | 테프론 | 400 | 없음 | X | - | - | - | - |
| 비교예 3 | 테프론 | 400 | 없음 | 30 Nm/hr | 47 | 15000 | 16.4 | 46 |
*: X는 중합 과정 중 반응 장치에 별도로 산소가 주입되지 않았음을 의미함.
한편, 실시예에 따라 고흡수성 수지를 제조하는 경우에는, 일정량의 모노머 공급 속도로 공급하여 중합 반응을 진행하더라도, 모노머의 넘침 현상이나, 역방향으로 이동되는 현상이 관찰되지 않았다.
그러나, 오목부가 설치되지 않은 편평한 벨트를 갖는 비교예에 따른 제조 장치로 중합을 진행하는 경우에는, 비교예 2에서와 같이 모노머 공급 속도가 400kg/hr 이 되는 경우에는 모노머 조성물의 넘침 현상이 발생되어, 더 이상의 중합 반응을 진행할 수 없었고, 따라서 모노머 조성물의 공급 속도가 제한적일 수 밖에 없어서, 단위 시간 당 생산량 증대에 한계가 있음을 알 수 있었다.
한편, 편평한 벨트를 갖는 비교예에 따른 제조 장치로 중합을 진행하되, 모노머 조성물의 넘침을 방지하기 위해 비교예 2 보다 모노머 조성물의 공급속도를 낮추어 중합 반응을 진행한 비교예 1 의 경우, 모노머 조성물의 넘침 현상을 관찰되지 않았으나, 중합 후 함수겔상 중합체에 잔존 하는 모노머의 양이 실시예에 따른 것보다 많았고, 또한 수가용 성분의 함량도 높게 나타나는 것을 알 수 있었다.
그리고, 비교예 2에서와 같은 공급되는 모노머 조성물의 넘침을 방지하기 위해, 산소를 주입하여 중합 반응을 진행한 비교예 3의 경우, 모노머 조성물의 넘침 현상은 관찰되지 않았으나, 중합 후 함수겔상 중합체의 잔존 모노머 함량이 실시예들의 것보다 높게 나타나어 중합이 효율적으로 골고루 일어나지 않은 것을 확인할 수 있었고, 또한 산소의 접촉에 의해 중합이 균일하게 일어나지 않아 실시예들에 따른 고흡수성 수지보다 수가용 성분의 함량이 높게 나타나는 등, 최종 제조된 고흡수성 수지의 물성이 좋지 않음을 알 수 있었다.
참고로, 고흡수성 수지의 흡수배율(보수능)은 수분을 흡수하는 성능의 평가에 관한 것으로, 고흡수성 수지의 기본적인 성능에 관련된다. 또한, 수가용 성분은 고흡수성 수지 중의 물에 가용화될 수 있는 성분의 함량, 예들 들어, 저분자량 중합 성분의 함량에 관한 것이다.
그런데, 일반적으로 고흡수성 수지의 흡수배율(보수능)이 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 고흡수성 수지의 흡수배율(보수능)이 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 비교예들에 따른 고흡수성 수지와 비교하여, 고흡수성 수지의 흡수배율(보수능)이 높으면서도, 수가용 성분의 함량이 낮아 전체적인 물성이 우수하게 나타나는 것을 확인할 수 있었다.
A : 오목부
1 : 회전축 2 : 벨트
4 : 모노머 조성물 공급부
5 : 모노머 조성물 6 : 자외선 조사부
7 : 측면턱
8 : 벨트 지지부
1 : 회전축 2 : 벨트
4 : 모노머 조성물 공급부
5 : 모노머 조성물 6 : 자외선 조사부
7 : 측면턱
8 : 벨트 지지부
Claims (13)
- 둘 이상의 회전축;
상기 회전축 사이에 걸쳐 설치되고, 상기 회전축의 회전에 의해 일정 방향으로 진행 가능하도록 형성된 벨트;
상기 벨트의 적어도 일부가 아래 방향으로 오목하게 처져서 형성된 오목부; 및
모노머 조성물 공급부를 포함하는 고흡수성 수지 제조 장치. - 제1항에 있어서,
상기 오목부는 하기 식으로 표시되는 10 내지 30의 길이/깊이비를 가지는 고흡수성 수지 제조 장치:
식
길이/깊이비=L/H
상기 식에서, L은 상기 벨트의 진행방향과 수평한 방향에 따른 오목부의 시작점과 종결점 간의 수평거리를 나타내며, H는 상기 오목부의 시작점과 종결점 중 어느 하나와 상기 오목부의 최저점 간의 높이의 차이를 나타낸다. - 제1항에 있어서,
상기 모노머 조성물 공급부에서 오목부로 주입되는 모노머 조성물의 점도가 1 내지 60 cps인 고흡수성 수지 제조 장치. - 제 1항에 있어서, 상기 모노머 조성물 공급부를 통하여 주입되는 모노머 조성물의 공급 속도는 200 kg/hr 내지 40000 kg/hr인 고흡수성 수지 제조 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 벨트는 1 내지 10cm의 높이를 가지고, 벨트의 양 측단에 벨트 진행 방향을 따라 구비된 측면턱을 더 포함하는 고흡수성 수지 제조 장치. - 제1항에 있어서,
상기 벨트의 측면의 양 끝단에 위치하여, 수평한 바닥면을 갖는 부분 및 오목부를 형성하는 부분의 벨트 형상을 유지하는 벨트 지지부를 더 포함하는 고흡수성 수지 제조 장치. - 제1항에 있어서,
상기 벨트 상에 자외선을 조사하는 자외선 조사부를 더 포함하는 고흡수성 수지 제조 장치. - 제1항에 있어서,
상기 벨트 상의 모노머 조성물을 가열하는 가열부를 더 포함하는 고흡수성 수지 제조 장치. - 제 1 항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 따른 고흡수성 수지 제조 장치의 벨트 일측에 형성된 오목부에 모노머 조성물을 공급하는 단계; 및
자외선 조사부로부터 자외선을 조사하거나, 또는 가열부로부터 열을 공급하여 모노머 조성물을 중합하는 단계를 포함하는 고흡수성 수지의 제조 방법. - 제 9항에 있어서, 상기 모노머 조성물은 수용성 에틸렌계 불포화 단량체 및 중합개시제를 포함하는 고흡수성 수지 제조 방법.
- 제 10항에 있어서, 상기 모노머 조성물은 가교제를 더 포함하는 고흡수성 수지 제조 방법.
- 제 9항에 있어서, 상기 모노머 조성물의 공급 속도는 200 kg/hr 내지 40000 kg/hr인 고흡수성 수지 제조 방법.
- 제 9항에 있어서, 상기 벨트의 진행 속도는 0.1 m/min 내지 5 m/min인 고흡수성 수지 제조 방법.
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| KR1020100058638A KR101302172B1 (ko) | 2010-06-21 | 2010-06-21 | 고흡수성 수지의 제조 장치 및 이를 이용한 고흡수성 수지의 제조 방법 |
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