KR20190027682A - 정적 혼합기 및 이를 이용한 고흡수성 수지의 제조 방법 - Google Patents

정적 혼합기 및 이를 이용한 고흡수성 수지의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 한 실시예에 따른 정적 혼합기는 투입구 및 배출구를 가지며 상기 투입구 및 배출구 사이에 유체가 이동하는 공간을 가지는 본체, 공간 내에 위치하며 연속으로 연결된 복수의 회전부를 가지는 회전체, 및 본체의 일측에 위치하며 상기 공간과 연결되는 투입관을 포함하고, 이웃하는 상기 회전부는 서로 다른 길이를 가진다.

Description

정적 혼합기 및 이를 이용한 고흡수성 수지의 제조 방법{STATIC MIXER AND MANUFACTURING METHOD OF SUPER ABSORBENT POLYMER USING THE SAME}
본 발명은 정적 혼합기에 관한 것으로, 특히 고흡수성 수지를 제조하기 위한 정적 혼합기에 관한 것이다.
고흡수성 수지(super absorbent polymer, SAP)는 자체 무게의 5백 내지 1천 배 정도의 수분을 흡수할 수 있는 기능을 가진 합성 고분자 물질이다.
이러한 고흡수성 수지는 생리용구로 실용화되기 시작해서 현재는 어린이용 종이 기저귀 등 위생용품 외에 원예용 토양 보수제, 토목, 건축용 지수재, 육묘용 시트, 식품 유통분야에서의 신성도 유지제, 및 찜질용 등의 재료로 널리 사용되고 있다.
고흡수성 수지는 중합반응으로 제조하며, 절단, 건조, 분쇄 및 표면 처리 공정 등을 통해서 분말상의 고흡수성 수지로 제조된다.
중합 반응은 관 형태의 정적 혼합기 내에서 진행될 수 있으며, 고흡수성 수지용 단량체가 투입되고, 개시제가 투입될 수 있다.
단량체와 개시제는 동시에 혼합하여 공급되지 않으며 단량체가 공급된 후 단량체 흐름에 개시제를 추가한다. 이때, 단량체와 개시제는 회전체를 이용하여 교반될 수 있으며, 개시제 투입된 후 회전되도록 회전체가 배치될 경우, 회전체를 중심으로 중합 반응이 발생하여 배관이 막힐 수 있다.
반대로, 개시제가 투입되기 전에, 단량체를 회전시킬 경우 개시제와 단량체의 혼합율이 저하되는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 개시제가 투입되기 전에 회전체를 배치하더라도 개시제와 단량체의 혼합율이 감소하지 않아 균일한 반응을 유도할 수 있는 정적 혼합기 및 이를 이용하여 고흡수성 수지를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 한 실시예에 따른 정적 혼합기는 투입구 및 배출구를 가지며 상기 투입구 및 배출구 사이에 유체가 이동하는 공간을 가지는 본체, 공간 내에 위치하며 연속으로 연결된 복수의 회전부를 가지는 회전체, 및 본체의 일측에 위치하며 상기 공간과 연결되는 투입관을 포함하고, 이웃하는 상기 회전부는 서로 다른 길이를 가진다.
상기 회전부는 직사각형의 판상 부재가 중심을 기준으로 180도 꼬여져 있으며, 이웃하는 회전부는 90도 회전하여 단부가 서로 교차하도록 연결될 수 있다.
상기 유체가 이동하는 방향과 같은, 상기 회전부들의 길이는 점진적으로 변화하도록 연결될 수 있다.
상기 회전체의 선단에 위치하는 상기 회전부의 길이를 1이라하고 할 때, 상기 회전부들의 길이는 각각 1/소수의 비율로 줄어들 수 있다.
상기 회전체는 상기 투입구와 상기 투입관 사이에 위치할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 상기 정적 혼합기로 고흡수성 수지를 제조하는 방법에 있어서, 수용성 에틸렌계 불포화 단량체를 상기 투입구로 투입하고, 중합개시제를 상기 투입관으로 투입하는 단계, 수용성 에틸렌계 불포화 단량체와 상기 중합 개시제의 중합 반응으로 함수겔상 중합체를 형성하는 단계, 함수겔상 중합체를 건조하는 단계, 및 건조된 중합체를 분쇄하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에서와 같이 회전체를 다단으로 형성하고, 각각의 길이를 달리하면 용이하게 난류를 형성하여 개시제의 분포를 균일하게 할 수 있다.
따라서, 개시제와 단량체의 균일한 반응을 유도하여 중합체의 생산량을 증가시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 정적 혼합기의 개략적인 도면이다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 회전체의 개략적인 사시도이다
도 3은 도 2의 회전체의 정면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 회전체의 개략적인 사시도이다.
도 5는 도 4의 회전체의 정면도이다.
도 6은 본 발명과 종래 기술에 따른 중합 반응기의 개시제 편차를 시뮬레이션한 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙였다.
또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐만 아니라, 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"된 것도 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하에서는 도면을 참조하면 본 발명에 대해서 구체적으로 설명한다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 정적 혼합기의 개략적인 도면이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 한 실시예에 따른 정적 혼합기(1000)는 혼합 공간을 가지며 투입구(10) 및 배출구(20)를 가지는 본체(100), 본체 내에 설치되어 있는 회전체(200)를 포함한다.
본체(100)는 내부가 빈 관형상으로, 양단이 개방되어 각각 투입구(10) 및 배출구(20)로 사용된다. 또한, 본체(100)의 일측에는 내부 공간과 연결되는 투입관(30)이 연결되어 있다. 이때, 투입구(10)에는 모노머가 투입되고, 투입관(30)에는 개시제가 투입될 수 있다.
회전체(200)는 혼합 공간에 위치하며, 혼합 공간의 길이 방향을 따라 길게 배치될 수 있다. 혼합 공간의 길이 방향은 유체가 본체의 투입구로부터 배출구로 이동하는 방향이다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 회전체의 개략적인 사시도이고, 도 3은 도 2의 회전체의 정면도이고, 도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 회전체의 개략적인 사시도이고, 도 5는 도 4의 회전체의 정면도이다.
도 2 및 도 3에 도시한 바와 같이, 회전체(200)는 직사각형 형태의 판상 부재를 비틀어 형성한 회전부(21, 23, 25)가 복수로 연결될 수 있다. 각각의 회전부(21, 23, 25)는 판상 부재의 중심점을 기준으로 180도 비틀린 형태를 가질 수 있으며, 이웃하는 회전부 단부와 90도로 교차 연결될 수 있다.
이웃하는 회전부(21, 23, 25)들 각각의 길이(L1, L2, L3), 즉 유체가 흐르는 방향으로의 길이는 서로 다를 수 있다. 즉, 모노머가 투입되는 투입구로부터 배출구를 향해 갈수록 회전부(21, 23, 25)의 길이는 짧아지도록 배치될 수 있다. 이때, 회전부의 길이는 첫번째 배치되는 회전부의 길이(L1)를 1이라고 할 때, 중합체가 배출되는 방향으로 가면서, 순서대로 첫번째 회전부(21) 의 길이에 대해서 1/2, 1/3의 비율로 작아지도록 배치될 수 있다. 이때, 분모는 프라임 넘버(prime number)일 수 있다.
또한, 도 2 및 도 3에서는 회전부가 3개인 것을 도시하였으나 이에 한정되는 것은 아니며, 도 4 및 도 5에서와 같이 더 많은 수로 연결될 수 있다. 따라서, 도 4 및 도 5에서와 같이 5개의 회전부(21, 23, 25, 27, 29)가 연결된 회전체(202)의 경우, 첫번째 회전부(21)를 1이라고 할 때, 순서대로 1/2, 1/3, 1/5, 1/7의 비율로 작아지도록 연결될 수 있다.
반대로, 마지막에 배치되는 회전부의 길이를 1로할 때, 모노머가 투입되는 방향으로 가면서, 마지막 회전부(21)의 길이에 대해서 1/2, 1/3, 1/5, 1/7의 순서대로 점진적으로 작아지도록 회전부가 연결(도시하지 않음)될 수 있다.
다시, 도 1을 참조하면 투입관(30)은 상대적으로 배출구(20)와 인접하게 위치하며, 회전체(200)는 투입구(10)와 투입관(30) 사이에 위치할 수 있다.
투입관(30)은 투입물이 유체의 흐름에 방해되지 않도록 회전체(200)가 위치하는 본체(100)를 향해서 기울어지도록 연결될 수 있다.
이상의 정적 혼합기는 고흡수성 수지를 제조하는데 사용될 수 있으며, 고흡수성 수지의 반응 효율을 향상시킬 수 있다.
고흡수성 수지의 제조 방법은 수용성 에틸렌계 불포화 단량체 및 중합 개시제가 정적 혼합기 내로 투입되는 단계, 중합 반응에 의해서 중합체가 형성되는 단계, 중합체를 건조하고 분쇄하는 단계를 포함할 수 있다.
수용성 에틸렌계 불포화 단량체는 단량체 제조 장치로부터 직접 공급되거나, 탱크 또는 저장조에 저장된 후 연속적으로 공급될 수 있으며, 단량체는 정적 혼합기의 투입구(10)로 투입된다. 본체 내로 투입된 단량체는 회전체(200)에 의해서 교반되면서 관 내를 따라 이동한다. 수용성 에틸렌계 불포화 단량체는 고흡수성 수지의 제조에 통상 사용되는 것이므로, 구체적인 설명은 생략한다.
본 발명에서와 같이, 회전체(200)의 회전부(21, 23, 25) 길이가 점진적으로 변하도록 배치하면, 난류의 형성을 유도할 수 있다.
이후, 투입관(30)을 통해서 중합 개시제를 투입하여 단량체와 중합하여 함수겔상 중합체를 형성한다. 중합 개시제는 고흡수성 수지의 제조에 통상 사용되는 것이므로, 구체적인 설명은 생략한다.
투입관(30)을 통해서 투입되는 중합 개시제는 단량체가 형성하는 난류에 의해서 관 내에 고르게 분포하게 되고, 이로 인해서 별도로 개시제를 교반하기 위한 공정을 실시하지 않더라도 혼합성이 증가하고, 균일한 반응을 유도하여 균일한 크기의 중합체를 생산할 수 있다.
이처럼, 본 발명에 따른 정적 혼합기를 이용하면 중합 개시제와 단량체의 반응성이 증가하고, 균일한 반응을 유도하여 불필요한 부산물의 생성을 억제할 수 있으며, 반응 시간 및 체류 시간을 줄여 반응기의 길이를 줄일 수 있다.
이후, 함수겔상 중합체는 컨베이어 벨트를 이용한 건조기에서 건조 된 후, 일정한 크기로 분쇄될 수 있다. 분쇄 단계 후 얻어지는 중합체 분말은 입경이 약 150㎛ 내지 약 850㎛ 일 수 있다. 이와 같은 입경으로 분쇄하기 위해 사용되는 분쇄기는 핀 밀(pin mill), 해어밀(hammer mill), 스크류 밀(screw mill), 롤 밀(roll mill), 디스크 밀(disc mill) 또는 조그 밀(jog mill) 등을 사용할 수 있다.
도 6은 본 발명과 종래 기술에 따른 중합 반응기의 개시제 편차를 시뮬레이션한 도면이다.
도 6의 (a)는 종래 기술에 따른 개시제 편차를 나타낸 도면으로, 종래 기술에 따른 회전체는 동일한 길이의 회전부를 가진다. 그리고 도 6의 (b)는 본 발명에 따른 개시제 편차를 나타낸 도면으로, 본 발명에 따른 회전체는 점진적으로 길이가 달라지는 회전부를 가진다.
도 6의 (b)의 본 발명에 따른 개시제의 편차는 0.63으로, 도 6의 (a)의 종래 기술에 따른 개시제의 편차인 1.06보다 줄어든 것을 알 수 있다.
이처럼, 개시제의 편차가 줄어들면 반응이 균일하게 일어나므로 비정상 크기의 중합체 및 미 반응 모노머의 양을 줄여 반응 효율을 증가시킬 수 있다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

Claims (6)

  1. 투입구 및 배출구를 가지며 상기 투입구 및 배출구 사이에 유체가 이동하는 공간을 가지는본체,
    상기 공간 내에 위치하며 연속으로 연결된 복수의 회전부를 가지는 회전체, 및
    상기 본체의 일측에 위치하며 상기 공간과 연결되는 투입관,
    을 포함하고,
    이웃하는 상기 회전부는 서로 다른 길이를 가지는 정적 혼합기.
  2. 제1항에서,
    상기 회전부는 직사각형의 판상 부재가 중심을 기준으로 180도 꼬여져 있으며,
    이웃하는 회전부는 90도 회전하여 단부가 서로 교차하도록 연결되어 있는 정적 혼합기.
  3. 제2항에서,
    상기 유체가 이동하는 방향과 같은, 상기 회전부들의 길이는 점진적으로 변화하도록 연결되어 있는 정적 혼합기.
  4. 제3항에서,
    상기 회전체의 선단에 위치하는 상기 회전부의 길이를 1이라하고 할 때, 상기 회전부들의 길이는 각각 1/소수의 비율로 줄어드는 정적 혼합기.
  5. 제1항에서,
    상기 회전체는 상기 투입구와 상기 투입관 사이에 위치하는 정적 혼합기.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항의 정적 혼합기로 고흡수성 수지를 제조하는 방법에 있어서,
    수용성 에틸렌계 불포화 단량체를 상기 투입구로 투입하고, 중합개시제를 상기 투입관으로 투입하는 단계,
    상기 수용성 에틸렌계 불포화 단량체와 상기 중합 개시제의 중합 반응으로 함수겔상 중합체를 형성하는 단계,
    상기 함수겔상 중합체를 건조하는 단계, 및
    건조된 중합체를 분쇄하는 단계를 포함하는 고흡수성 수지의 제조 방법.
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