WO2002039093A1

WO2002039093A1 - Verfahren und vorrichtung zur bestimmung des quellverhaltens von polymergelen unter druck

Info

Publication number: WO2002039093A1
Application number: PCT/EP2001/012939
Authority: WO
Inventors: Wolfgang Schrof; Udo GÖDERT; Martin Beck; Hans-Joachim HÄHNLE; Gunnar Schornick
Original assignee: Basf Aktiengesellschaft
Priority date: 2000-11-09
Filing date: 2001-11-08
Publication date: 2002-05-16
Also published as: US20040014226A1; EP1337835A1; US7189575B2; AU2002218291A1; DE10055448A1; JP2004513362A

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung des Quellverhaltens und der Quellkinetik superabsorbierender Materialien (9), wie beispielsweise Polymergelen, wobei ein definiertes Volumen trockenen superabsorbierenden Materials (9) in ein Messgefäss (7) eingeführt und mittels eines innerhalb des Messgefässes (7) bewegbaren Elementes (4) eine Druckkraft (12) auf das superabsorbierende Material (9) aufgebracht wird. Die Ausdehnung des superabsorbierenden Materials (9) innerhalb der Kammer (14) wird kontinuierlich durch berührungslose Erfassung der Höhenänderung eines die Kammer (14) begrenzenden, in einem Messgefäss (7) geführten, mit einer Höhenmarkierung (6) versehenen Tubus (4) erfasst.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung des Quellverhaltens von Polymergelen unter Druck

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung des Quellverhaltens von Polymergelen unter Druck, wobei es sich insbesondere um schwach vernetzte Polymergele aus Acrylsäure, Salzen der Acrylsäure und Acrylaten handelt.

Schwach vernetzte Polymergele, die bevorzugt aus Acrylsäure, Salzen der Acrylsäure, Acrylaten und bifunktionalen Vernetzern hergestellt werden, sind in der Lage, über osmotischen Druck große Mengen Wassers oder salzhaltige Lösungen aufzusaugen, die ein

Vielfaches ihres eigenen Gewichtes (typischerweise bis Faktor 100) betragen können. Eine wesentliche Eigenschaft dieser superabsorbierenden Gele ist, daß sie auch unter Druck die aufgenommenen Flüssigkeiten nicht mehr abgeben. Anwendungsgebiete der superabsorbierenden Polymergele liegen hauptsächlich bei Hygieneprodukten wie z.B.

Babywindeln oder Inkontinenzprodukten für Erwachsene. Diese Windeln enthalten als wesentliche Komponente superabsorbierende Polymergele. Wichtige Produkteigenschaften sind Aufnahmekapazität (Free Swell Capacity, FSC), Retentionskapazität (Centrifuge

Retention Capacity, CRC) sowie das Absorptionsverhalten unter Druck (Absorption Under Load, AUL) sowie die Aufnahmegeschwindigkeit.

Die Aufnahmeeigenschaften, insbesondere FSC und CRC werden gemäß heute gängiger Verfahren nach der Teebeutelmethode bestimmt. Dazu wird eine bestimmte Menge des Polymergeis in einen Teebeutel eingewogen, der Teebeutel anschließend verschlossen und für 20 Minuten in eine 0,9 %ige Kochsalzlösung eingetaucht. Anschließend wird der Teebeutel erneut gewogen. Das Gewicht der aufgenommenen Salzlösung bezogen auf die eingesetzte Menge Polymergel wird als FSC bezeichnet. Wird nach dem Eintauchen der Teebeutel mit ca. 250 g für 3 Minuten zentrifugiert und dann gewogen, wird durch den zweiten Wiegevorgang die CRC erhalten. Was das Absorptionsverhalten der Polymergele unter Druck betrifft, so ist aus EP 0 339 461 AI ein Verfahren zur Bestimmung des Absorptionsverhaltens des Gels unter Druck bekannt. EP 0 339 461 AI bezieht sich auf absorbierende Produkte, welche Gele enthalten, die unter Druck aufquellen. Ein absorbierendes Material, welches eine poröse Matrix von Fibern und superabsorbierendem Material darstellt, nimmt das superabsorbierende Material zwischen den Freiräumen der porösen Matrix auf. Das superabsorbierende Material hat die Fähigkeit, pro Gramm etwa 24 ml einer salzhaltigen Lösung aufzunehmen, wenn es einer bestimmten äußeren Druckkraft ausgesetzt ist, vorausgesetzt, es liegt in Form von diskreten Partikeln vor, wobei mindestens 50% des superabsorbierenden Materials eine Größe hat, welche die mittlere Porengröße einer benetzten Matrix übersteigt.

Das Absorptionsverhalten des Gels in der porösen Matrix wird gemäß EP 0 339 461 AI gemäß des nachfolgend dargelegten Verfahrens bestimmt:

Es wird ein Absorptionstester eingesetzt, bei welchem eine poröse Platte vorgesehen ist, die eine Vielzahl von Leitungsports enthält, die innerhalb der porösen Platte münden. Die einzelnen Leitungsports stehen über eine gemeinsame Leitung mit dem

Absorptionstesterbehälter in Verbindung, der seinerseits auf einer Elektrowaage angeordnet ist. Mit Hilfe der Waage wird der sich einstellende Fluidstrom zu Hydrokolloidpartikeln bestimmt. Die Kolloidpartikel werden von einem speziellen Gefäß aufgenommen, welches konzentrisch zum Gitter beschaffen ist und in welchem ein Boden eingelassen ist. In das Gefäß wird ein Kolben aus Plexiglas eingelassen, welcher mit einem lOOg-Gewicht beschwert wird. Durch diese applizierte Druckkraft wird die Druckkraft simuliert, die beispielsweise im Innenraum einer Babywindel herrscht. Es wird vorselektiertes Granulat als superabsorbierendes Material zum Test der Absorption unter Druck in das Gefäß eingegeben, bevor der Plexiglaskolben und das diesen beaufschlagende Gewicht in das Gefäß eingelassen werden.

Zu Beginn des Tests wird Filterpapier auf der Gitterstruktur oberhalb der Leitungsports plaziert, derart, daß eine unerwünschte Verdunstung über die Leitungsports ausgeschlossen ist und Sättigung eintreten kann. Etwa 0,16 g-Partikel des superabsorbierenden Gels werden an der Unterseite des Gefäßes plaziert; das befüllte Gefäß, mit durch Gewicht beschwertem Kolben wird auf dem Filterpapier plaziert. Das Flüssigkeitsaufnahmeverhalten wird manuell gemessen. Die solcherart erhaltenen Meßwerte werden zweimal überprüft, um die erhaltenen Werte hinsichtlich Plausibilität und Fehlmessungen hin zu untersuchen.

Die Nachteile des aus EP 0 339 461 AI beschriebenen Standes der Technik sind vor allem darin zu erblicken, daß das beschriebene Testverfahren einen hohen personellen Aufwand erfordert, da viele Tätigkeiten wie zum Beispiel Einwiegen, Einfüllen von Polymer und Salzlösungen, Entnahme und Zufuhr von Filterpapier und das Wiegen des gequollenen Gels weitgehend manuell durchgeführt werden müssen. Zusätzlich müssen wegen des Schwankens der Meßergebnisse Mehrfachbestimmungen mit anschließender Mittelwertbildung durchgeführt werden. Dies alles begrenzt einen hohen Probendurchsatz. Ferner ist eine Bestimmung der Quellkinetik mit dem beschriebenen Verfahren nicht möglich.

Angesichts des aufgezeigten technischen Problems sowie der skizzierten Lösungsmöglichkeit aus dem Stande der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur berührungslosen Bestimmung sowohl des Absorptio sverhaltens unter Druck als auch der Quellkinetik bereitzustellen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Bestimmung des Quellverhaltens und der Quellkinetik von superabsorbierendem Material gelöst, wie beispielsweise Polymergelen, wobei ein definiertes Volumen des trockenen superabsorbierenden Materials in ein Meßgefäß gegeben wird und mittels eines innerhalb des Meßgefäßes bewegbaren Elementes eine Druckkraft auf das superabsorbierende Material aufgebracht wird und die Ausdehnung des superabsorbierenden Materials berührungslos innerhalb einer Kammer kontinuierlich durch Erfassung der Höhenänderung eines die Kammer begrenzenden, in einer Führung geführten, mit einer Höhenmarkierung versehenen Tubus bestimmt wird.

Mittels des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens läßt sich die Kinetik des Quellvorganges über fortlaufend durchgeführte Messungen beispielsweise über eine CCD- Optik während der Quellung aufnehmen. Bevorzugt werden automatische rechnergesteuerte Messungen durchgeführt, die nur noch ein Mindestmaß an teuren, manuell durchzuführenden Tätigkeiten mit sich bringen und so menschliche Meßeinflüsse unterbinden wie z.B. ein ungenaues Ablesen der Höhe mit entsprechender Beeinträchtigung der Meßgenauigkeiten. Mit dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren ist eine Erhöhung des Probendurchsatzes durch eine Parallelisierung des Verfahrens möglich. Es lassen sich bevorzugt mehrere zum Beispiel bis zu 1000 oder besonders bevorzugt bis zu 100 Röhren neben- und/oder hintereinander und/oder auch ganz oder teilweise übereinander aufstellen, so daß mit einer oder mehreren beispielsweise optischen Beobachtungseimichtungen die Steighöhen der Tubi in mehreren Meßgefäßen gleichzeitig erfaßt werden können. Wegen des hohen Probendurchsatzes können aufwendige Meßreihen mit vielen Proben mit gezielten oder statistischen Variationen der Parameter, wie zum Beispiel Variation der chemischen Zusammensetzung, des Polymerisationsprozesses, der Ionenstärke, des pH- Wertes sowie des Neutralisationsgrades in kürzester Zeit durchgeführt werden. Mit dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren ist daher eine Beschleunigung mit einer Kosteneinsparung bei der Produktentwicklung in hohem Maße verbunden.

In weiterer Ausgestaltung des der Erfindung zugrundeliegenden Gedankens, läßt sich die berührungslose Bestimmung der Steighöhe des mit einer Markierung versehenen Meßtubus optisch vor einer einen Kontrast zur gewählten Markierung des Tubus aufweisenden Hintergrundfläche erfassen. Die optische Erfassung ermöglicht frei vorwählbare Zeitintervalle, in denen gemessen werden kann, so daß sich nahezu kontinuierlich verlaufende Quellkinetikkurven aufnehmen lassen.

In bevorzugter Weiterentwicklung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens kann die Pixelkoordinate, die der Spitze der Markierung der Tubi entspricht, über eine Kalibrierung in eine Quellhöhe des superabsorbierenden Materials umgerechnet werden. Der Zusammenhang zwischen der die Steighöhe des Tubus wiederspiegelnden Pixelkoordinate sowie die Quellhöhe des jeweils vermessenen superabsorbierenden Materials lassen sich durch Kennlinienzusammenhänge darstellen.

Mit dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren kann durch geeignete Dimensionierung des Tubus sowie des Materials des Tubus die auf das superabsorbierende Material im Meßgefäß einwirkende Druckkraft variiert werden. Neben einer leichten Reproduzierbarkeit der das superabsorbierende Material beaufschlagenden Druckkräfte lassen sich durch diese Ausgestaltungsmöglichkeit die jeweils wirkenden Druckkräfte sehr leicht variieren und an die unterschiedlichsten Testzyklen anpassen.

In bevorzugter Weise wird partikelförmig vorliegendes superabsorbierendes Material in Korngrößen zwischen 100 um und 1 mm, besonders bevorzugt in Korngrößen zwischen

400 μm und 700 μm in das Meßgefäß eingebracht, wobei durch ein an der Unterseite des Meßgefäßes vorgesehenes Siebgewebe sichergestellt ist, daß das partikelförmig vorliegende superabsorbierende Material stets in Kontakt mit einer wässerigen, salzhaltigen Lösung des Behälters gehalten wird, in welche der untere, mit einer Glasfritte versehene Bereich des Meßgefäßes eintaucht.

Neben der berührungslosen Erfassung der Steighöhe der Markierung des Tubus auf optischem Wege, beispielsweise durch Benutzung einer CCD-Kamera, läßt sich das

Erfassen der Steighöhe der Markierung des Tubus über eine Bestimmung der elektrischen

Leitfähigkeit des superabsorbierenden Materials vornehmen. Neben der Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit des superabsorbierenden Materials kann die Bestimmung der

Kapazität des superabsorbierenden Materials zur Ermittlung des Quellverhaltens bzw. der

Quellkinetik des superabsorbierenden Materials herangezogen werden. Ferner läßt sich das

Ausdehnungsverhalten sowie die Quellkinetik des superabsorbierenden Materials über die

Bestimmung der mechanischen Auslenkung des superabsorbierenden Materials realisieren.

Auf optischem Wege läßt sich gemäß des erfindungsgemäßen Verfalirens auf berührungslosem Wege die Quellkinetik des in der Kammer des Meßgefäßes aufgenommenen superabsorbierenden Materials durch kontinuierliche, berührungslose

Messung über eine Zeitspanne t durchführen. Während dieser Zeitspanne können kontinuierlich auf einer Darstellungsfläche wie beispielsweise einer PC-Bildschirmfläche oder anderen Medien zu frei vorwählbaren Zeitpunkten Quellkinetiken aufgetragen werden, die den auszuwertenden Fraktionen von Partikeln des superabsorbierenden

Materials entsprechen.

Besonders wirtschaftlich ist eine Vorgehensweise gemäß des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens, bei der die berührungslose Erfassung der Steighöhen oder Markierungen von Tubi parallel an einer Vielzahl in einen gemeinsamen Behälter eintauchenden, und über diesen gleichzeitig mit einer salzhaltigen Lösung beaufschlagbaren parallel geschalteten Meßgefäßen erfolgt. Durch das gleichzeitige Eintauchen der Meßgefäße in einen gemeinsamen Behälter ist der gleichzeitige Beginn des Quellvorganges des jeweils in den Meßgefäßen aufgenommenen partikelförmig vorliegenden superabsorbierenden Materials gewährleistet. Der Vielzahl von nebeneinander angeordneten röhrenförmig konfigurierten Meßgefäßen kann in bevorzugter Ausgestaltungsvariante eine der Breitenerstreckung aller Meßgefäße entsprechende zu den Markierungen an den Tubi kontrastierende Hintergrundfläche zugeordnet sein. Eine berührungslos arbeitende Erfassungseinrichtung wie beispielsweise eine optische CCD- Kamera ist derart verfahrbar, daß die gesamte sich über die Breite der einzelnen nebeneinander aufgenommenen Meßgefäße erstreckende Hintergrundfläche überstrichen werden kann. Die Vielzahl der Meßgefäße kann neben- und/oder hintereinander und/oder ganz oder teilweise übereinander angeordnet sein, je nachdem welche Räumlichkeiten zur Unterbringung der Meßapparatur zur Verfügung stehen.

So läßt sich beispielsweise eine berührungslose Erfassung der Steighöhe der Markierungen der Vielzahl von Tubi in gestaffelt hintereinanderliegend oder übereinanderliegend angeordneten Meßebenen durch eine verfahrbare Optik realisieren. Bevorzugt werden durch den im Meßgefäß in vertikaler Richtung verfahrbar aufgenommenen Tubus Drücke > 50 Pa auf das superabsorbierende Material erzeugt.

Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren der kontinuierlich über die Zeit aufgenommene Erfassung der Steighöhen der Markierungen der Tubi vor einer kontrastierenden Hintergrundfläche durch eine verfahrbare Optik, beispielsweise eine CCD-Optik, läßt sich bevorzugt an einem der verfahrbar angeordneten Optik nachgeschalteten automatischen rechnergestützten Auswertungssystem verwirklichen. Mittels des der Erfassungsoptik nachgeschalteten Auswertungssystems lassen sich Quellkinetiken unter Berücksichtigung verschiedenster Parametrierungen in unterschiedlichen Maßstäben in vergrößertem Maßstab in besonders interessierenden Übergangsbereichen und verschiedenes mehr wiedergeben.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe auch durch eine Vorrichtung zur Bestimmung des Quellverhaltens oder von Quellkinetiken von superabsorbierendem Material wie beispielsweise Polymergelen gelöst, wobei ein definiertes Volumen des trockenen, superabsorbierenden Materials in ein Meßgefäß gegeben wird, wo mittels eines innerhalb des Meßgefäßes bewegbaren Elementes eine Druckkraft auf das superabsorbierende Material aufgebracht wird, wobei das superabsorbierende Material in einer Kammer des Meßgefäßes aufgenommen ist und durch einen im Meßgefäß bewegbaren Tubus mit einer Druckkraft beaufschlagt wird, wobei Tubus und Meßgefäß metallisch ausgeführt sind und die Kammer durch ein Sieb und eine Fritte mit einer salzhaltigen Lösung in Verbindung steht.

Die mit der erfindungsgemäß konfigurierten Vorrichtung erzielbaren Vorteile liegen vor allem darin, daß nunmehr eine von Bedienereinflüssen unabhängige reproduzierbare

Ausdehnungsermittlung von superabsorbierendem Material vorgenommen werden kann und mittels des im Meßgefäß bewegbar geführten Tubus eine definierte Druckkraft auf das superabsorbierende Material, dessen Ausdehnungsverhalten bzw. dessen Quellkinetik zu bestimmen ist, ausgeübt werden kann. Eine metallische Ausführung von Meßgefäß und Tubus verhindert eine unerwünschte elektrostatische Aufladung der beiden relativ zueinander bewegbaren Komponenten, die dazu fuhren könnte, daß Polymergelteilchen zwischen Tubus und Rohr gelangen können und die quellungsbedingte Bewegung des Tubus stören oder gänzlich unterbinden.

In bevorzugter Ausgestaltung des bewegbaren Tubus besteht dieser aus einem metallischen Werkstoff, der im Bereich seiner oberen Stirnfläche mit einer Markierung versehen ist. Die Markierung an der oberen Stirnfläche des bewegbaren Tubus erleichtert die Steighöhenermittlung des Tubus insbesondere vor einer zur Markierung kontrastierenden Hintergrundfläche. In bevorzugter Ausgestaltung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Vorrichtung können sich die Meßgefäße als eine Vielzahl nebeneinanderliegender Einzelmeßgeräte vor einer allen Meßgefäßen gemeinsamen kontrastierenden Hintergrundfläche positionieren lassen, die von einer Optik überstrichen wird, die stationär aufgenommen sein kann oder auch in bezug auf die Meßgefäße verfahren werden kann. Zur Gewährleistung eines gleichzeitigen Quellbeginns in allen nebeneinander angeordneten Meßgefäßen sind die einzelnen Meßgefäße an ihrer Unterseite durch einen allen Meßgefäßen gemeinsamen Behälter beaufschlagt, in dem bevorzugt eine salzhaltige Lösung aufgenommen ist. Zur Beschleunigung des Probendurchsatzes sowie zur Parallelverarbeitung einer Vielzahl von zu bestimmender Proben von superabsorbierendem Material lassen sich eine Vielzahl von Meßgefäßen in gestaffelt angeordneten Meßebenen anordnen, wobei die bewegbaren Tubi der Vielzahl der Meßgefäße zur Ermittlung der Steighöhen der Tubi vor kontrastierenden Hintergrundflächen angeordnet sind, die jeweils einer Meßebene zugewiesen sind, wobei die einer Meßebene entsprechende, kontrastierende Hintergrundfläche von der verfahrbaren Optik in ihrer Gesamtheit überstrichen werden kann.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend näher erläutert.

Es zeigt:

Figur 1 den Aufbau eines Meßgefäßes mit bewegbarem Tubus mit Markierung, der mit seiner unteren Stirnseite eine Kammer begrenzt, Figur 2 aufgenommene Quellkinetiken zweier Siebfraktionen superabsorbierenden

Materials unterschiedlicher Partikelgröße,

Figur 3 eine Anordnung von Tubi, die nebeneinanderliegend aufgenommen sind und mittels eines gemeinsamen, eine salzhaltige Lösung enthaltenden Behälters beaufschlagt sind und

Figur 4 eine gestaffelte Meßanordnung zur berührungslosen Bestimmung des

Quellverhaltens superabsorbierenden Materials durch Ermittlung der Ausfahrhöhe eines metallischen Tubus mittels einer Optik.

Aus der Darstellung gemäß Figur 1 geht der Aufbau eines Meßgefäßes mit bewegbarem Tubus, an welchem eine Markierung angebracht ist, näher hervor, der mit seiner unteren Stirnseite eine Meßkammer begrenzt.

Gemäß der Darstellung aus Figur 1 kann optional hinter einem röhrenförmig konfigurierten Meßgefäß 7 eine kontrastierende Hintergrundfläche 1 vorgesehen werden.

Die kontrastierende Hintergrund- fläche 1 hat eine seitliche Breitenausdehnung 2 sowie eine vertikale Höhenausdehnung 3 und spannt hinter dem röhrenförmig konfigurierten Meßgefäß 7 eine Ebene auf.

Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Vorrichtung kann daneben eine weitere eigene Beleuchtungsquelle enthalten, um für die Messung geeignete Lichtverhältnisse unabhängig von Umwelteinflüssen zu schaffen. Die kontrastierende Hintergrundfläche 1 dient dazu, zusammen mit der Beleuchtungsquelle optimale Bedingungen mittels einer Optik zu schaffen, unabhängig von Umgebungseinflüssen wie Raumhelligkeit, Tageslicht etc.

Innerhalb des vorzugsweise aus metallischem Werkstoff beschaffenen röhrenförmig konfigurierten Meßgefäßes 7 ist ein Tubus 4 aufgenommen, der ebenfalls aus metallischem Werkstoff gefertigt ist. Am oberen Ende im Bereich der oberen Stirnseite 5 des metallischen Tubus 4 ist eine Markierung 6 ausgebildet, die in einer Farbe ausgeführt ist, die zur Hintergrundfläche 1 kontrastiert. Im dargestellten Ausfuhrungsbeispiel der erfindungsgemäß konfigurierten Vorrichtung befindet sich die Markierung 6 als ringförmiger Absatz am oberen Ende des aus metallischem Werkstoff gefertigten Tubus 4. Durch die Fertigung von röhrenförmig konfiguriertem Meßgefäß 7 und Tubus 4 aus metallischem Werkstoff lassen sich unerwünschte elektrostatische Aufladungen vermeiden, die dazu führen können, daß Gelteilchen eines superabsorbierenden Materials 9 zwischen Tubus 4 und Innenwandung des Meßgefäßes 7 gelangen können und die quellungsbedingte Bewegung des Tubus 4 relativ zu diesen umgebendem Meßgefäß 7 stören oder gänzlich unterbinden.

Eine untere Stirnfläche 10 des Tubus 4 begrenzt eine durch die Innenwandung des

Meßgefäßes 7 gebildete Kammer 14. Der Boden der Kammer 14 wird durch ein

Siebgewebe 13 gebildet. Das Siebgewebe 13 befindet sich oberhalb eines von einer

Lösung 17 umschlossenen Filtereinsatzes 15. Unterhalb des Filtereinsatzes 15 befindet sich eine Glasfritte 16, durch welche sichergestellt ist, daß der in der Meßkammer 14 aufgenommene Vorrat des superabsorbierenden Materials 9 stets mit der im Behälter 19 aufgenommenen salzhaltigen Lösung in Verbindung steht. Damit ist ein kontunierlicher Quellvorgang des superabsorbierenden Materials 9 innerhalb der Kammer 14 gewährleistet. Mit Bezugszeichen 18 ist der Flüssigkeitsspiegel des im Behälter 19 aufgenommenen Lösungsvorrates 17 bezeichnet.

Abhängig von der geometrischen Konfiguration und des verwendeten Werkstoffes des Tubus 4 stellt sich eine mit Bezugszeichen 12 bezeichnete Druckkraft auf den in der Kammer 14 aufgenommenen Vorrat des superabsorbierenden Materials 9 ein. Die Druckkraft 12 wird vorzugsweise so eingestellt, wie sie unter tatsächlichen Gegebenheiten herrscht, d.h. es lassen sich die Druckkräfte simulieren, dem ein in einer Babywindel beispielsweise aufgenommener Vorrat an superabsorbierendem Material 9 tatsächlich ausgesetzt ist. Die Kammer 14 wird seitlich von der Innenwandung 11 des vorzugsweise aus metallischem Werkstoff 7 gefertigten Meßgerätes, der unteren Stirnseite 10 des metallischen Tubus 4 sowie dem in den Boden des Meßgefäßes 7 eingelassenen Siebgewebe 13 begrenzt.

Der in Figur 1 exemplarisch dargestellten Vorrichtung zur Bestimmung der Ausdehnung eines superabsorbierenden Materials 9 unter Druck ist eine berührungslose Erfassungseinrichtung 20 in Gestalt einer CCD-Kamera zugeordnet. Die CCD-Kamera 20 verfügt über ein geeignetes Objektiv 22, mit welchem fortlaufende Messungen ausgeführt werden können. Gemäß des Doppelpfeiles kann das Stativ 21 der berührungslos arbeitenden Erfassungseinrichtung 20 relativ zu den Meßgefäßen verfahrbar sein. Mittels der berührungslosen Erfassungseinrichtung 20 lassen sich fortlaufende Messungen zur Bestimmung der Kinetik des Quellvorganges während des Quellvorganges aufnehmen. Mit der berührungslos arbeitenden Erfassungseinrichtung 20, beispielsweise ausgeführt als eine CCD-Zeilen- oder Array-Kamera, lassen sich automatische, rechnergesteuerte Messungen durchfuhren, die nur noch ein Mindestmaß an teuren manuell durchzuführenden Tätigkeiten erfordern, so daß menschliche Fehleinflüsse unterbunden werden, wie beispielsweise ein ungenaues Ablesen der Steighöhe der Tubi 4 mit einer damit einhergehenden Beeinträchtigung der Meßgenauigkeit. Das Quellen des superabsorbierenden Materials 9 in der Kammer 4 bewirkt ein Hochsteigen des Tubus 4. Das Hochsteigen des Tubus 4, der im Meßgefäß 7 in vertikaler Richtung bewegbar geführt ist, führt zu einer Höhenverschiebung der an der oberen Stirnseite 5 des Tubus 4 aufgenommenen zur Hintergrundfläche 1 kontrastierenden Markierung 6. Die sich einstellende Höhenänderung der Markierung 6 des Tubus 4 wird über die berührungslose, bevorzugt optisch ausgeführte, Erfassungseinrichtung 20 erfaßt, die kontinuierlich Bilder des metallischen Tubus 4 aufnimmt. Über eine entsprechende Kalibrierung kann die Pixelkoordinate, die der Spitze des Tubus 4 entspricht, in eine Quellhöhe des in der Kammer 14 aufgenommenen superabsorbierenden Materials 9 umgerechnet werden. Auf diese Weise läßt sich die Kinetik des Quellvorgangs und das nach einer bestimmten Zeitspanne vorliegende Quellvolumen im Gleichgewicht bestimmen.

Mit dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren, dessen Grundzüge anhand der Figur 1 näher dargestellt sind, läßt sich der Probendurchsatz durch Parallelisierung des Meßvorganges erheblich steigern. Bevorzugt werden beispielsweise eine Vielzahl von bis zu 1000 besonders bevorzugt 100 röhrenförmig konfigurierte Meßgefäße 7 neben und/oder hintereinander und/oder auch ganz oder teilweise übereinander aufgestellt, so daß mit einer oder mehreren optischen Erfassungseinrichtungen 20 die Steighöhen der Tubi 4 in mehreren Meßgefäßen 7 gleichzeitig erfaßt werden können. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens ist darin zu erblicken, daß nur ein oder wenige Reservoirs 19 an wasser- oder salzhaltiger Lösung bereitgestellt zu werden brauchen und somit ein gleichzeitiger Start des Quellvorganges gewährleistet ist. Mittels einer der optischen Erfassungseinrichtung 20 nachgeschalteten automatischen Bildauswertung lassen sich alle Steighöhen bzw. Steigkinetiken der jeweiligen superabsorbierenden Materialien 9 unter Einstellung verschiedenster Druckkräfte 12 ermitteln.

In bevorzugter Vorgehensweise erfolgt das Einfüllen des superabsorbierenden Materials 9 in Partikelform, beispielsweise Partikelgrößen von 200 μm über einen Löffel mit mehreren gleichen oder unterschiedlichen Volumina, die in einem Vorgang abgestrichen werden können. Dadurch lassen sich in den Kammern 14 innerhalb der röhrenförmig konfigurierten Meßgefäße 7 jeweils gleiche identische trockene Volumina des superabsorbierenden Materials 9 zufuhren. Zur Erhöhung der Meßgenauigkeit lassen sich Mittelwertbildungen heranziehen.

Aus der Darstellung gemäß Figur 2 gehen zwei beispielhaft ausgewählte Kinetiken zweier Siebfraktionen superabsorbierenden Materials unterschiedlicher Partikelgrößen näher hervor.

In der Darstellung gemäß Figur 2 ist mit Bezugszeichen 23 die Steighöhe der Markierung 6 im Meßgefäß 7 vertikal bewegbaren Tubus 4 bezeichnet. Mit Bezugszeichen 24 ist die Zeitachse bezeichnet, wobei die Quellkinetiken, die hier beispielsweise als Kurvenzüge 25 und 26 abgebildet sind, in willkürlich vorwählbaren Zeitabständen aufgenommen werden können. Mit Bezugszeichen 25 ist beispielsweise die Quellkinetik einer Siebfraktion bezeichnet, von einer Teilchengröße von 400 bis 500 μm aufgenommen über die Zeitspanne von etwa einer Stunde. Demgegenüber ist mit Bezugszeichen 26 die Quellkinetik einer zweiten Siebfraktion bezeichnet, die eine geringere Partikelgröße von lediglich 200 bis 300 μm enthält. Ein Vergleich der beiden Kinetiken zeigt, daß die Quellkinetiken 25 und 26 der beiden Siebfraktionen während des Beginns des Quellvorgangs ein rapides Steigen der Markierung 6 des aus metallischem Werkstoff bestehenden Tubus 4 zur Folge haben, wohingegen die Quellkinetikkurven 25 bzw. 26 bei weiter fortschreitender Quellung sich asymptotisch an ein Maximum annähern. Die Steighöhe der Quellkinetik gemäß Bezugszeichen 26 hat nach 10 Minuten ihr Maximum erreicht und ändert dieses über die Zeitspanne der Messung nicht mehr, wohingegen bei der Quellkinetik gemäß Bezugszeichen 25 entsprechend der ersten Siebfraktion aus kleineren Partikeln des superabsorbierenden Materials ein weiterer lediglich geringfügig asymptotisch verlaufender Anstieg der Steighöhe des Tubus 4 beobachtbar ist.

Die einzelnen Meßpunkte lassen sich beispielsweise als Pixelkoordinate auf der kontrastierenden Hintergrundfläche 1 auftragen, so daß direkt ein Meßschrieb der Quellkinetik bzw. der Steighöhen der einzelnen Tubi 4 je nach eingestellter Druckkraft 12 und verwendetem superabsorbierendem Material 9 erzeugt werden kann.

Aus der Darstellung gemäß Figur 3 geht eine Anordnung von Tubi hervor, die nebeneinanderliegend aufgenommen sind und mittels eines gemeinsamen, eine salzhaltige Lösung enthaltenden Behälters beaufschlagbar sind. Auch bei dieser verfahrensgemäßen Konfiguration wird als berührungsloses Erfassungssystem 20 eine CCD-Kamera eingestellt, deren Stativ 21 in Richtung des Doppelpfeiles verfahren werden kann, wobei auch denkbar ist, das Stativ 21 stationär anzuordnen bei mit geeigneter Tiefenschärfe arbeitender Optik, so daß die gesamte Breitenausdehnung der sich über die Breite aller Tubi 4 erstreckenden Hintergrundfläche 27 möglich ist.

Im Gegensatz zur Darstellung einer Einzelmeßvorrichtung gemäß Figur 1 sind in der Anordnung gemäß Figur 3 eine Vielzahl 29.1 bis 29.12 von Meßgefäßen 7 nebeneinanderliegend angeordnet. Jedes der Meßgefäße 7 enthält einen vorzugsweise aus metallischem Werkstoff gefertigten Tubus 4, der im Bereich seiner oberen Stirnfläche 5 mit einer Markierung 6 versehen ist, die in einer zur Hintergrundfläche 27 kontrastierenden Beschaffenheit ausgeführt ist. An der Unterseite eines jeden Meßgefäßes 7 befindet sich eine mit Bezugszeichen 16 bezeichnete Glasfritte, über welche sichergestellt ist, daß der in den Kammern 14 der jeweiligen Meßgefäße 7 der Vielzahl 29.1 bis 29.12 von Meßgefäßen aufgenommene Vorrat des superabsorbierenden Materials 9 stets mit dem in allen Meßgefäßen gemeinsamen Behälter 28 aufgenommenen Lösungsmittelvorrat in Verbindung steht. Dadurch ist ein gleichzeitiger Quellbeginn der jeweils in den Kammers der Vielzahl 29.1 bis 29.12 der Einzelmeßgefäße aufgenommenen Vorräte von superabsorbierenden Materialien sichergestellt.

Aus der Darstellung gemäß Figur 4 geht eine gestaffelte Meßanordnung zur berül rungslosen Bestimmung des Quellverhaltens bzw. der Quellkinetik von superabsorbierenden Materialien näher hervor, wobei eine verfahrbare, die kontrastierende Hintergrundfläche der Meßanordnungen abtastende Optik vorhanden ist. Analog zur Darstellung gemäß Figur 3 ist eine beriihrungslose Erfassungseinrichtung 20 vorgesehen, die bevorzugt als CCD-Kamera ausgeführt ist. Das Stativ 21 der CCD-Kamera 20 läßt sich parallel zu den Hintergrundflächen 27 verfahren. An der berührungslos arbeitenden, hier beispielsweise optischen Erfassungseinrichtung 20 ist ein Objektiv 22 aufgenommen, dessen Brennweite an die Lage der einzelnen Hintergrundflächen 27 anpaßbar ist. In der hier gezeigten Anordnung sind gestaffelte Anordnungen von Tubi 4, deren Vielzahl 29.1 bis 29.12 von Einzeltubi über einen gemeinsamen Lösungsbehälter 28 beaufschlagbar ist. Jeder der Vielzahl 29.1 bis 29.12 der Einzelmeßgefäße 7 ist eine sich über die Breite der Meßanordnung erstreckende kontrastierende Hintergrundfläche 27 zugeordnet. Die einzelnen Behälter 28, die das salzhaltige Lösungsmittel enthalten, sind teilweise übereinander angeordnet, so daß sich eine gestaffelte Meßanordnung ergibt. Im in Figur 4 dargestellten Ausfuhrungsbeispiel sind beispielsweise vier Meßebenen 32, 33, 34, 35 hintereinander geschaltet, die über ein einzelnes berührungsloses Erfassungssystem auswertbar sind, so daß sich ein im Vergleich zu Figur 3 um den Faktor 4 gesteigerter Probendurchsatz ergibt. Bei der hier in Figur 4 gezeigten Anordnung ist lediglich sicherzustellen, daß die Optik 22 der optischen, berührungslosen Erfassungseinrichtung 20 scharf auf die Bildebene und damit die Pixelkoordinaten, die die Steighöhe der einzelnen Tubi 4 anzeigen, eingestellt werden kann. Die gestaffelte Anordnung der einzelnen Meßebenen bedingt, daß sowohl die jeweilige Vielzahl 29.1 bis 29.12 der Einzelmeßgefäße in jeder der Meßebenen 32, 33, 34 und 35 einer der Meßebenenlage entsprechenden Hintergrundfläche 27 zugeordnet ist. Mittels des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens sowie der erfindungsgemäß konfigurierten Vorrichtung läßt sich eine Erhöhung des Probendurchsatzes durch eine Parallelisierung des Verfahrens erzielen. In der Darstellung gemäß Figur 4 sind beispielsweise 50 Einzelmeßgefäße über eine einzelne berührungslose Erfassungsoptik 20 auswertbar. Mit dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren läßt sich die Reproduzierbarkeit der Messung bei gleichzeitiger Einsparung von manuellen Tätigkeiten drastisch verbessern. Wegen des hohen Probendurchsatzes können aufwendige Meßreihen mit vielen Proben mit gezielter oder statischer Variation der Parameter wie zum Beispiel der chemischen Zusammensetzung, des Polymerisationsprozesses, der Ionenstärke, des pH-Wertes sowie des Neutralisationsgrades in einer kürzeren Zeitspanne durchgeführt werden. Neben einer Beschleunigung der Meßreihen läßt sich eine erhebliche Kosteneinsparung erzielen.

Eine Einzelmessung mit einem Einzelmeßgefäß 7 gemäß Figur 1 erfolgt in nachfolgender Vorgehensweise: Ein Meßlöffel vom Volumen 70 μl wird mit Suberabsorbergranulat Aqualic Cal 400 gefüllt und abgestrichen. Es verbleibt eine Einwaage von 40 mg +/- 3%. Dieses wird in das röhrenförmig konfigurierte Meßgefäß eingefüllt. Anschließend wird der Tubus 4, mit einem Gewicht von 39,6 g, welches einen Druck von 4900 Pascal erzeugt, eingesetzt. Werden alle Zylinder einer Parallelmeßanordnung so vorbereitet, wird in den Behälter 19 bzw. 28 eine isotonische Kochsalzlösung eingefüllt, so daß der Flüssigkeitsspiegel 18 bis zur Oberkante des Filterelementes 15 reicht. Danach werden alle röhrenförmig konfigurierten Meßgefäße 7 auf das Filterelement 15 aufgesetzt und zeitgleich die Messung gestartet. Die Flüssigkeitsaufnahme des in der Kammer 14 bevorrateten superabsorbierenden Materials 9 wird nun laufend über eine optische Erfassungseinrichtung 20 gemessen, indem über ein Rechnerprogramm die Steighöhe der Markierung 6 des Tubus 4 ermittelt wird. Diese Steighöhen lassen sich anhand von Kennlinien zusammenhängen in die Flüssigkeitsaufnahmefähigkeit des entsprechenden superabsorbierenden Materials 9 umrechnen, welches hinsichtlich seines Absorptionsverhaltens unter Druck und seiner Quellkinetik zu untersuchen ist.

Bezugszeichenliste

1 Hintergrundfläche

2 seitliche Erstreckung

3 vertikale Erstreckung

4 Tubus

5 obere Tubusstirnfläche

6 Markierung

7 Meßgefäß

8 Führungsoberkante

9 superabsorbierendes Material

10 untere Stirnfläche

11 Zylinderwandung

12 Druckkraft

13 Siebgewebe

14 Kammer

15 Filterelement

16 Glasfritte

17 Lösung

18 Flüssigkeitsniveau

19 Behälter

20 Erfassungseinrichtung

21 Stativ

22 Objektiv

23 Steighöhe Tubusmarkierung

24 Zeitachse

25 Quellkinetik 1. Siebfraktion

26 Quellkinetik 2. Siebfraktion

27 durchgehende Hintergrundfläche

28 gemeinsamer Lösungsbehälter

29.1 Meßgefäß

29.2 Meßgefäß

29.3 Meßgefäß

29.4 Meßgefäß

29.5 Meßgefäß

29.6 Meßgefäß 29.7 Meßgefäß

29.8 Meßgefäß

29.9 Meßgefäß

29.10 Meßgefäß

29.11 Meßgefäß

29.12 Meßgefäß

30 gestaffelte Tubianordnung

31 gestaffelte Hintergrundflächenanordnung

32 1. Meßebene

33 2. Meßebene

34 3. Meßebene

35 4. Meßebene

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Bestimmung des Quellverhaltens und der Quellkinetik von superabsorbierendem Material (9) wie beispielsweise Polymergelen, wobei ein definiertes Volumen des trockenen superabsorbierenden Materials (9) in ein Meßgefäß (7) gegeben wird und mittels eines innerhalb des Meßgefäßes (7) bewegbaren Elementes (4) eine Druckkraft (12) auf das superabsorbierende Material (9) aufgebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausdehnung des superabsorbierenden Materials (9) berührungslos innerhalb einer Kammer (14) kontinuierlich durch Erfassung der Höhenänderung eines die Kammer (14) begrenzenden, in einer Führung (7) geführten, mit einer Höhenmarkierung (6) versehenen Tubus (4) erfaßt wird.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine optische Erfassung der Steighöhe des Tubus (4) mittels einer einen Kontrast zur Markierung (6) des Tubus (4) aufweisenden Hintergrundfläche (1, 27) erfolgt. — _/

3. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pixelkoordinate, die der Spitze der Markierung (6) des Tubus (4) entspricht, über eine Kalibrierung in eine Quellhöhe des superabsorbierenden Materials (9) umrechenbar ist.

4. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Dimensionierung des Tubus (4) die auf das superabsorbierende Material (9) einwirkende Druckkraft (12) einstellbar ist.

5. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß partikelförmig vorliegendes superabsorbierendes Material in Korngrößen zwischen 100 μm bis 1 mm im Meßgefäß (7) gehalten wird, und über ein Siebgewebe (13) in Kontakt mit einer Lösung (17) steht.

6. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß partikelförmig vorliegendes superabsorbierendes Material in Korngrößen zwischen 400 μm und 700 μ im Meßgefäß (7) gehalten wird und über ein Siebgewebe (13) in Kontakt mit einer Lösung (17) steht.

7. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erfassung der Steighöhe der Markierung (6) über die Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit des superabsorbierenden Materials (9) erfolgt.

8. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erfassung der Steighöhe der Markierung (6) über die Bestimmung der Kapazität des superabsorbierenden Materials (9) erfolgt.

9. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Quellkinetik des in der Kammer (14) des Meßgefäßes (7) aufgenommenen superabsorbierenden

Materials (9) durch kontinuierliche, berührungslos erfolgende Messungen über eine

Zeitspanne £t (16) erfolgt, über welche vor einer kontrastierenden

Hintergrundfläche (1, 27) Quellkinetikkurven (25, 26) erzeugt werden.

10. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die berührungslose Erfassung der Steighöhe der Markierung (6) des Tubus (4) parallel an einer Vielzahl (29.1 bis 29.12) in einen gemeinsamen Behälter (28) eintauchenden und über diesen gleichzeitig mit einer Lösung (17) beaufschlagbaren parallel geschalteten Meßgefäße (7) erfolgt.

11. Verfahren gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Erfassung der Steighöhen der Tubi (4) an einer sich über die Breite aller Markierungen (6) der Vielzahl (29.1 bis 29.12) der Tubi (4) erstreckenden Hintergrundfläche (27) erfolgt.

12. Verfahren gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Vielzahl (29.1 bis 29.12) der Meßgefäße (7) neben-/oder hintereinander und/oder ganz oder teilweise übereinander angeordnet sind.

13. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die berührungslose Erfassung der Steighöhe der Markierung (6) der Vielzahl (29.1 bis 29.12) von Tubi

(4) in gestaffelt angeordneten Meßebenen (32, 33, 34, 35) durch eine Optik (20) erfolgt.

14. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch den Tubus (4) im Meßgefäß (7) ein Druck > 50 Pa auf das superabsorbierende Material (9) erzeugt wird.

15. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die kontinuierlich über die Zeit aufgenommenen Steighöhen der Markierung (6) der Tubi (4) an der kontrastierenden Hintergrundfläche (1, 27) durch die Optik (20) erfaßt und die erfaßten Werte einer der verfahrbar angeordneten Optik (20) nachgeschalteten automatischen rechnergesteuerten Weiterverarbeitung zugeführt werden.

16. Vorrichtung zur Bestimmung des Quellverhaltens von superabsorbierendem Material (9) wie beispielsweise Polymergelen, wobei ein definiertes Volumen des trockenen, superabsorbierenden Materials (9) in ein Meßgefäß (7) gegeben wird und mittels eines innerhalb des Meßgefäßes (7) bewegbaren Elementes (4) eine

Druckkraft (12) auf das superabsorbierende Material (9) aufgebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß das superabsorbierende Material (9) in einer Kammer (14) aufgenommen ist, welche durch das Meßgefäß (7) und durch ein in diesem bewegbaren Tubus (4) begrenzt ist, die beide metallisch ausgeführt sind und die Kammer (14) durch ein Sieb (13) und eine Fritte (16) mit einer Lösung (17) in ständiger Verbindung steht.

17. Vorrichtung gemäß Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der bewegbare Tubus (4) im Bereich seiner oberen Stirnfläche (5) mit einer Markierung (6) versehen ist.

18. Vorrichtung gemäß Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßgefäße (7) in einer Vielzahl (29.1 bis 29.12) vor einer gemeinsamen Hintergrundfläche (27) angeordnet sind.

19. Vorrichtung gemäß Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Vielzahl (29.1 bis 29.12) von Meßgefäßen (7) in einen gemeinsamen Behälter (28) eintauchen.

20. Vorrichtung gemäß Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß einer Vielzahl (29.1 bis 29.12) in gestaffelten Meßebenen (32, 33, 34, 35) angeordneten Meßgefäßen

(7), die bewegbare Tubi (4) zur Ermittlung der Steighöhen umfassen in den Meßebenen (32, 33, 34, 35) jeweils kontrastierende Hintergrundflächen (27) zugeordnet sind, die von einer verfahrbaren Optik (20) überstrichen werden.