Verfahren zur Herstellung wasserquellbarer, polymerer Partikel Process for the production of water-swellable, polymeric particles
Beschreibung Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung wasserquellbarer, polymerer Partikel durch Sprühpolymerisation, die wasserquellbaren, polymeren Partikel sowie deren Verwendung zur Absorption von Flüssigkeiten.The present invention relates to a method for producing water-swellable, polymeric particles by spray polymerization, the water-swellable, polymeric particles and their use for the absorption of liquids.
Wasserquellbare Polymere, sogenannte Superabsorber (Super-Absorbing Polymers, SAP), sind insbesondere Polymere aus (co)polymerisierten hydrophilen Monomeren, Pfropf(co)polymere von einem oder mehreren hydrophilen Monomeren auf einer geeigneten Pfropfgrundlage, vernetzte Cellulose- oder Stärkeether, vernetzte Carboxy- methylcellulose, teilweise vernetztes Polyalkylenoxid oder in wässrigen Flüssigkeiten quellbare Naturprodukte, wie beispielsweise Guarderivate. Solche Polymere werden als wässrige Lösungen absorbierende Produkte zur Herstellung von Windeln, Tampons, Damenbinden und anderen Hygieneartikeln, aber auch als wasserzurückhaltende Mittel im landwirtschaftlichen Gartenbau oder zur Verdickung aller Arten von Abfällen, insbesondere von medizinischen Abfällen, verwendet.Water-swellable polymers, so-called superabsorbents (SAP), are in particular polymers of (co) polymerized hydrophilic monomers, graft (co) polymers of one or more hydrophilic monomers on a suitable graft base, crosslinked cellulose or starch ethers, crosslinked carboxy methyl cellulose, partially cross-linked polyalkylene oxide or natural products swellable in aqueous liquids, such as guar derivatives. Such polymers are used as products which absorb aqueous solutions for the production of diapers, tampons, sanitary napkins and other hygiene articles, but also as water-retaining agents in agricultural horticulture or for thickening all types of waste, in particular medical waste.
Zur Verbesserung der Anwendungseigenschaften werden wasserquellbare Polymere üblicherweise Oberflächen- oder gelnachvernetzt.To improve the application properties, water-swellable polymers are usually surface or gel post-crosslinked.
Diese Nachvernetzung ist dem Fachmann an sich bekannt und erfolgt bevorzugt in wäßriger Gelphase oder als Oberflächennachvernetzung der gemahlenen und abge- siebten Polymerpartikel.This postcrosslinking is known per se to the person skilled in the art and is preferably carried out in the aqueous gel phase or as surface postcrosslinking of the ground and sieved polymer particles.
Abfälle, insbesondere medizinische Abfälle und jede Art von Abfällen, die mit giftigen, ansteckenden oder für Mensch und Umwelt gefährlichen Stoffen belastet sind, müssen sicher gehandhabt und transportiert werden. Ein Superabsorber kann durch die Auf- nähme des flüssigen Abfalls die meisten gefährlichen Stoffe immobilisieren.Waste, in particular medical waste and any type of waste that is contaminated with toxic, contagious or hazardous to humans and the environment, must be handled and transported safely. A superabsorbent can immobilize most dangerous substances by absorbing the liquid waste.
Medizinische Abfälle, besonders Krankenhausabfälle aus Operationsräumen, bestehen vor allem aus Blut, Körperflüssigkeiten und physiologischer Kochsalzlösung, die als Spüllösung Verwendung findet.Medical waste, especially hospital waste from operating rooms, mainly consists of blood, body fluids and physiological saline, which is used as a flushing solution.
Die rasche Verfestigung erlaubt eine schnellere und sicherere Handhabung dieser Abfälle, beispielsweise bei Transport und Lagerung.The rapid solidification allows faster and safer handling of this waste, for example during transport and storage.
Ein vorteilhaftes Verhalten für die Absorption von medizinischen Abfällen ist es, wenn der zugegebene Superabsorber nach der Zugabe zur Lösung auf der Flüssigkeitsoberfläche schwimmt. Dadurch wird die Oberfläche der Flüssigkeit sofort mit Superabsorber bedeckt und ein Austreten von Stoffen, wie beispielsweise Viren oder Bakterien, erschwert, insbesondere wird ein Verspritzen von Flüssigkeit vermieden.
Die Patentanmeldung WO-A-95/17455 beschreibt einen porösen Superabsorber, der auch in gequollenen Zustand auf Wasser schwimmen kann. Das Verfahren benötigt große Mengen teurer Azoverbindungen als Treibmittel.An advantageous behavior for the absorption of medical waste is when the added superabsorbent floats on the liquid surface after the addition to the solution. As a result, the surface of the liquid is immediately covered with superabsorbers and it is difficult for substances such as viruses or bacteria to escape, in particular the liquid is prevented from splashing. Patent application WO-A-95/17455 describes a porous superabsorbent that can float on water even when swollen. The process requires large amounts of expensive azo compounds as blowing agents.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war die Bereitstellung eines verbesserten Verfahrens zur Herstellung schwimmfähiger, wasserquellbarer Polymere.The object of the present invention was to provide an improved process for the production of floatable, water-swellable polymers.
In der Patentanmeldung EP-A-0348 180 wird ein Verfahren zur Sprühpolymerisation von wasserabsorbierenden Harzen beschrieben. Dazu wird eine wässrige Lösung aus teilneutralisierter Acrylsäure, Vernetzer und Initiator in einen Gasstrom verdüst und polymerisiert. Die Anmeldung lehrt, dass die relative Feuchte in dem Gasstrom mindestens 30% betragen muß. Bei niedrigeren relativen Feuchten verdampft das in den Tropfen enthaltende Wasser zu schnell und in den Tropfen scheidet sich Monomer ab, das nicht mehr polymerisieren kann, der Monomerumsatz bleibt unvollständig.Patent application EP-A-0348 180 describes a process for the spray polymerization of water-absorbent resins. For this purpose, an aqueous solution of partially neutralized acrylic acid, crosslinker and initiator is sprayed into a gas stream and polymerized. The application teaches that the relative humidity in the gas stream must be at least 30%. At lower relative humidities, the water contained in the drops evaporates too quickly and in the drops separates monomer that can no longer polymerize, the monomer conversion remains incomplete.
US 5,269,980 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Polymerpartikeln. Dabei werden Aerosole aus Polymerlösungen, Lösungen vorpolymerisierter Monomere oder Monomerlösungen erzeugt und diese Aerosolteilchen bei Temperaturen oberhalb 150°C getrocknet bzw. polymerisiert.US 5,269,980 describes a process for the production of polymer particles. Aerosols are generated from polymer solutions, solutions of prepolymerized monomers or monomer solutions and these aerosol particles are dried or polymerized at temperatures above 150 ° C.
Gemäß der Patentanmeldung WO-A-96/40427 wird die Sprühpolymerisation in der Weise durchgeführt, dass Monomerlösungen in eine geheizte, im wesentlichen statische Atmosphäre verdüst werden. Die in den Anwendungsbeispielen erhaltenen Parti- kel hatten einen Durchmesser von 50 bis 100 μm. Bei reduziertem Druck ist der Wassergehalt in den hergestellten Polymerkugeln deutlich verringert, die Polymerteilchen weisen aber eine rauhe Oberfläche auf. Bei erhöhtem Druck werden glatte Polymerkugeln erhalten.According to patent application WO-A-96/40427, the spray polymerization is carried out in such a way that monomer solutions are sprayed into a heated, essentially static atmosphere. The particles obtained in the application examples had a diameter of 50 to 100 μm. At reduced pressure, the water content in the polymer balls produced is significantly reduced, but the polymer particles have a rough surface. At elevated pressure, smooth polymer balls are obtained.
Es wurde nun gefunden, dass durch Sprühpolymerisation einer Monomerlösung, enthaltendIt has now been found that by spray polymerizing a monomer solution containing
a) mindestens ein ethylenisch ungesättigtes, säuregruppentragendes Monomeres, wobei die Säuregruppen zu mindestens 65% neutralisiert sind, b) gegebenenfalls mindestens eines Vernetzers, c) mindestens eines Initiators, d) gegebenenfalls eines oder mehrerer mit a) copolymerisierbaren ethylenisch ungesättigten Monomeren, e) gegebenenfalls eines oder mehrerer wasserlöslicher Polymere und f) Wasser,
in Gegenwart eines inerten Trägergases, wobei die 10-Stunden Halbwertstemperatur des mindestens einen Initiators c) höchstens 55°C, vorzugsweise höchstens 50°C, besonders bevorzugt höchstens 45°C, beträgt, wasserquellbare polymere Partikel erhalten werden. Diese Polymere zeichnen sich durch gute Schwimmfähigkeit aus.a) at least one ethylenically unsaturated monomer bearing acid groups, the acid groups being neutralized to at least 65%, b) optionally at least one crosslinking agent, c) at least one initiator, d) optionally one or more ethylenically unsaturated monomers copolymerizable with a), e) optionally one or more water-soluble polymers and f) water, In the presence of an inert carrier gas, the 10-hour half-life temperature of the at least one initiator c) being at most 55 ° C., preferably at most 50 ° C., particularly preferably at most 45 ° C., water-swellable polymer particles are obtained. These polymers are characterized by good buoyancy.
Die 10-Stunden Halbwertstemperatur ist die Temperatur bei der nach 10 Stunden die Hälfte des Initiators thermisch zerfallen ist.The 10-hour half-life temperature is the temperature at which half of the initiator has decomposed thermally after 10 hours.
Die Konzentration des mindestens einen Monomeren a) in der Monomerlösung beträgt mindesten 50% der Sättigungskonzentration.The concentration of the at least one monomer a) in the monomer solution is at least 50% of the saturation concentration.
Die Reaktionstemperatur beträgt üblicherweise zwischen 110 bis 300°C, vorzugsweise 110 bis 180°C, besonders bevorzugt 120 bis 160°C.The reaction temperature is usually between 110 to 300 ° C, preferably 110 to 180 ° C, particularly preferably 120 to 160 ° C.
Reaktionstemperatur und Initiator werden so ausgewählt, dass die Halbwertszeit des Initiators beispielsweise weniger als 5 Sekunden, vorzugsweise weniger als 1 Sekunde, bevorzugt weniger als 0,2 Sekunden beträgt.The reaction temperature and initiator are selected such that the half-life of the initiator is, for example, less than 5 seconds, preferably less than 1 second, preferably less than 0.2 seconds.
Das inerte Trägergas ist vorzugsweise Stickstoff. Der Sauerstoffgehalt des inerten Trä- gergases beträgt vorteilhaft unter 5 Vol.-%, vorzugsweise unter 1 Vol.-%, besonders bevorzugt unter 0,1 Vol.-%.The inert carrier gas is preferably nitrogen. The oxygen content of the inert carrier gas is advantageously below 5% by volume, preferably below 1% by volume, particularly preferably below 0.1% by volume.
Das inerte Trägergas wird vorzugsweise im Gleichstrom zu den frei fallenden Tropfen der Monomerlösung durch den Reaktionsraum geführt.The inert carrier gas is preferably passed in cocurrent to the free-falling drops of the monomer solution through the reaction space.
Ethylenisch ungesättigte, säuregruppentragende Monomere a) sind beispielsweise ethylenisch ungesättigte C3-C6-Carbonsäuren. Bei diesen Verbindungen handelt es sich beispielsweise um Acrylsäure, Methacrylsäure, Ethacrylsäure, α-Chloracrylsäure, Crotonsäure, Maleinsäure, Maleinsäureanhydrid, Itaconsäure, Citraconsäure, Mesa- consäure, Glutaconsäure, Aconitsäure und Fumarsäure sowie die Alkali- oder Ammoniumsalze dieser Säuren.Ethylenically unsaturated monomers a) bearing acid groups are, for example, ethylenically unsaturated C 3 -C 6 carboxylic acids. These compounds are, for example, acrylic acid, methacrylic acid, ethacrylic acid, α-chloroacrylic acid, crotonic acid, maleic acid, maleic anhydride, itaconic acid, citraconic acid, mesaconic acid, glutaconic acid, aconitic acid and fumaric acid and the alkali metal or ammonium salts of these acids.
Weitere radikalisch polymerisierbare Monomere a) sind Acrylamidopropansulfonsäure, Vinylphosphonsäure und/oder Alkali- bzw. Ammoniumsalze der Vinylsulfonsäure. Die anderen Säuren können ebenfalls entweder in nicht neutralisierter Form oder in partiell bzw. bis zu 100 % neutralisierter Form bei der Polymerisation eingesetzt werden.Further radically polymerizable monomers a) are acrylamidopropanesulfonic acid, vinylphosphonic acid and / or alkali metal or ammonium salts of vinylsulfonic acid. The other acids can also be used in the polymerization either in non-neutralized form or in partially or up to 100% neutralized form.
Weiterhin kommen weitere monoethylenisch ungesättigte Sulfon- oder Phosphonsäu- ren in Betracht, beispielsweise Allylsulfonsäure, Sulfoethylacrylat, Sulfoethylmethacry- Iat, Sulfopropylacrylat, Sulfopropylmethacrylat, 2-Hydroxy-3-acryloxypropylsulfonsäure, 2-Hydroxy-3-methacryIoxypropylsulfonsäure, Allylphosphonsäure, Styrolsulfonsäure
und 2-Acrylamido-2-methylpropansulfonsäure. Die Monomeren a) können allein oder in Mischung untereinander eingesetzt werden.Other monoethylenically unsaturated sulfonic or phosphonic acids are also suitable, for example allylsulfonic acid, sulfoethyl acrylate, sulfoethyl methacrylate, sulfopropyl acrylate, sulfopropyl methacrylate, 2-hydroxy-3-acryloxypropylsulfonic acid, 2-hydroxy-3-methacryoxypropylsulfonic acid, allylololsulfonic acid, allylololsulfonic acid, allylolsol acid and 2-acrylamido-2-methylpropanesulfonic acid. The monomers a) can be used alone or as a mixture with one another.
Bevorzugte Monomere a) sind Acrylsäure, Methacrylsäure sowie die Alkali- oder Am- moniumsalze dieser Säuren oder Mischungen dieser Säuren, beispielsweise Mischungen aus Acrylsäure und Methacrylsäure.Preferred monomers a) are acrylic acid, methacrylic acid and the alkali metal or ammonium salts of these acids or mixtures of these acids, for example mixtures of acrylic acid and methacrylic acid.
Bevorzugte Monomere a) sind auch Mischungen der obengenannten Säuren mit deren Alkali- oder Ammoniumsalzen. Beispielsweise können Mischungen aus Acrylsäure und deren Alkalisalzen durch Neutralisation von Acrylsäure mit Alkalihydroxiden und/oder Alkalicarbonaten erhalten werden. Der Neutralisatonsgrad beträgt beispielsweise mindestens 50%, vorzugsweise 65 bis 100%, besonders bevorzugt 70 bis 80%. Dabei bedeutet beispielsweise bei einer Mischung aus Acrylsäure und Natriumacrylat ein Neutralisationsgrad von 50%, dass Natriumacrylat und Acrylsäure im Molverhältnis 50:50 vorliegen, und ein Neutralisationsgrad von 75% bedeutet, dass Natriumacrylat und Acrylsäure im Molverhältnis 75:25 vorliegen.Preferred monomers a) are also mixtures of the abovementioned acids with their alkali metal or ammonium salts. For example, mixtures of acrylic acid and its alkali metal salts can be obtained by neutralizing acrylic acid with alkali metal hydroxides and / or alkali metal carbonates. The degree of neutralization is, for example, at least 50%, preferably 65 to 100%, particularly preferably 70 to 80%. For example, in the case of a mixture of acrylic acid and sodium acrylate, a degree of neutralization of 50% means that sodium acrylate and acrylic acid are in a molar ratio of 50:50, and a degree of neutralization of 75% means that sodium acrylate and acrylic acid are in a molar ratio of 75:25.
Ganz besonders bevorzugte Monomere a) sind Acrylsäure, Methacrylsäure, die Natriumsalze dieser Säuren sowie Mischungen davon, beispielsweise Mischungen aus Ac- rylsäure und Natriumacrylat.Very particularly preferred monomers a) are acrylic acid, methacrylic acid, the sodium salts of these acids and mixtures thereof, for example mixtures of acrylic acid and sodium acrylate.
Die Polymerisation der Monomere a) kann in Gegenwart eines Vernetzers b) oder einer Kombination verschiedener Vernetzer erfolgen. Die Polymerisation in Gegenwart mindestens eines Vernetzers ist bevorzugt.The monomers a) can be polymerized in the presence of a crosslinker b) or a combination of different crosslinkers. The polymerization in the presence of at least one crosslinker is preferred.
Üblicherweise wird eine wässrige Monomerlösung eingesetzt. Die Konzentration der Monomeren a) wird dabei möglichst hoch gewählt. Typischerweise beträgt die Konzentration der Monomeren a) mindestens 50%, vorzugsweise mindestens 60%, besonders bevorzugt mindestens 80%, der Sättigungskonzentration. Die Sättigungskon- zentration für ein zu verwendendes Monomergemisch kann der Fachmann anhand der Löslichkeitsprodukte berechnen.An aqueous monomer solution is usually used. The concentration of the monomers a) is chosen to be as high as possible. The concentration of the monomers a) is typically at least 50%, preferably at least 60%, particularly preferably at least 80%, of the saturation concentration. The person skilled in the art can calculate the saturation concentration for a monomer mixture to be used on the basis of the solubility products.
Geeignete Vernetzer b) sind beispielsweise (Meth)acrylsäureester mehrwertiger Alkohole, die mit bis zu 100, meist bis zu 50, Ethylenoxid- und/oder Propylenoxideinheiten alkoxyliert sein können. Geeignete mehrwertige Alkohole sind insbesondere C2-C10- Alkanpolyole mit 2 bis 6 Hydroxylgruppen, wie Ethylenglykol, Glycerin, Trimethylolpro- pan, Pentaerythrit oder Sorbitol. Bevorzugte Vernetzer sind Polyethylenglykoldiacrylat und Polyethylenglykoldimethacrylate, die sich jeweils von Polyethylenglykolen (die als ethoxyliertes Ethylenglykol aufgefasst werden können) eines Molekulargewichts von 200 bis 2000 ableiten. Weitere verwendbare Vernetzer b) sind Methylenbisacrylamid, Trimethylolpropantriacrylat, Trimethylolpropantrimethacrylat, Ethylenglykoldiacrylat, Propylenglykoldiacrylat, Butandioldiacrylat, Hexandioldiacrylat, Hexandioldimethacrylat
oder Diacrylate und Dimethacrylate von Blockcopolymerisaten aus Ethylenoxid und Propylenoxid.Suitable crosslinkers b) are, for example, (meth) acrylic esters of polyhydric alcohols which can be alkoxylated with up to 100, usually up to 50, ethylene oxide and / or propylene oxide units. Suitable polyhydric alcohols are, in particular, C 2 -C 10 -alkane polyols having 2 to 6 hydroxyl groups, such as ethylene glycol, glycerol, trimethylolpropane, pentaerythritol or sorbitol. Preferred crosslinkers are polyethylene glycol diacrylate and polyethylene glycol dimethacrylates, which are each derived from polyethylene glycols (which can be regarded as ethoxylated ethylene glycol) with a molecular weight of 200 to 2000. Further crosslinkers b) which can be used are methylene bisacrylamide, trimethylolpropane triacrylate, trimethylolpropane trimethacrylate, ethylene glycol diacrylate, propylene glycol diacrylate, butanediol diacrylate, hexanediol diacrylate, hexanediol dimethacrylate or diacrylates and dimethacrylates of block copolymers of ethylene oxide and propylene oxide.
Als weitere Vernetzer b) kommen Diallylcarbonat, Allylcarbonate oder Allylether mehrwertiger Alkohole, die mit bis zu 100, meist bis zu 50, Ethylenoxid- und/oder Propylenoxideinheiten alkoxyliert sein können, und Allylester mehrwertiger Carbonsäuren in Betracht.Further crosslinkers b) are diallyl carbonate, allyl carbonates or allyl ethers of polyhydric alcohols, which can be alkoxylated with up to 100, usually up to 50, ethylene oxide and / or propylene oxide units, and allyl esters of polyhydric carboxylic acids.
Allylcarbonate mehrwertiger Alkohole entsprechen der allgemeinen FormelAllyl carbonates of polyhydric alcohols correspond to the general formula
worin A für den Rest eines mehrwertigen Alkohols steht, der mit 0 bis 100, meist 0 bis 50, Ethylenoxid- und/oder Propylenoxideinheiten alkoxyliert sein kann; und n für die Wertigkeit des Alkohols, beispielsweise für eine ganze Zahl von 2 bis 10, vorzugsweise 2 bis 5, steht. Ein besonders bevorzugtes Beispiel einer derartigen Verbindung ist Ethylenglykoldi(allylcarbonat). Weiter eignen sich besonders Polyethylenglykol- di(allylcarbonate), die sich von Polyethylenglykolen eines Molekulargewichts von 200 bis 2000 ableiten.wherein A stands for the remainder of a polyhydric alcohol, which can be alkoxylated with 0 to 100, usually 0 to 50, ethylene oxide and / or propylene oxide units; and n stands for the valence of the alcohol, for example an integer from 2 to 10, preferably 2 to 5. A particularly preferred example of such a compound is ethylene glycol di (allyl carbonate). Also particularly suitable are polyethylene glycol di (allyl carbonates) which are derived from polyethylene glycols with a molecular weight of 200 to 2000.
Als bevorzugte Beispiele für Allylether lassen sich aufführen: Polyethylenglykoldially- lether, die sich von Polyethylenglykolen eines Molekulargewichts von 200 bis 2000 ableiten; Pentraerythrittriallylether oder Trimethylolpropandiallylether. Weiterhin geeig- net sind Umsetzungsprodukte von Ethylenglykoldiglycidylether oder Polyethylengly- kolglycidylether mit 2 Mol Allylalkohol und/oder Pentaerythritoltriallylether.The following are preferred examples of allyl ethers: polyethylene glycol diallyl ethers which are derived from polyethylene glycols with a molecular weight of 200 to 2000; Pentraerythritol triallyl ether or trimethylol propane diallyl ether. Reaction products of ethylene glycol diglycidyl ether or polyethylene glycol glycidyl ether with 2 moles of allyl alcohol and / or pentaerythritol triallyl ether are also suitable.
Ein geeigneter Allylester einer mehrwertigen Carbonsäure ist beispielsweise Dial- lylphthalat.A suitable allyl ester of a polyvalent carboxylic acid is, for example, dialyl phthalate.
Die Monomeren werden im Allgemeinen in wässriger Lösung in Gegenwart von Polymerisationsinitiatoren c) miteinander copolymerisiert.The monomers are generally copolymerized with one another in aqueous solution in the presence of polymerization initiators c).
Als Polymerisationsinitiatoren c) können sämtliche unter den Polymerisationsbedin- gungen in Radikale zerfallende Verbindungen eingesetzt werden, beispielsweise Peroxide, Hydroperoxide, Wasserstoffperoxid, Persulfate, Azoverbindungen und die sogenannten Redoxkatalysatoren. Bevorzugt ist der Einsatz von wasserlöslichen Initiatoren. In manchen Fällen ist es vorteilhaft, Mischungen verschiedener Polymerisationsinitiato- ren zu verwenden, beispielsweise Mischungen aus Wasserstoffperoxid und Natrium-
oder Kaliumperoxodisulfat. Mischungen aus Wasserstoffperoxid und Natriumperoxodi- sulfat können in jedem beliebigen Verhältnis verwendet werden. Geeignete organische Peroxide sind beispielsweise Acetylacetonperoxid, Methylethylketonperoxid, tert- Butylhydroperoxid, Cumolhydroperoxid, tert-Amylperpivalat, tert-Butylperpivalat, tert- Butylperneohexanoat, tert-Butylperisobutyrat, tert-Butyl-per-2-ethylhexanoat, tert- Butylperisononanoat, tert-Butylpermaleat, tert-Butylperbenzoat, Di-(2- ethy!hexyl)peroxydicarbonat, Dicyclohexylperoxydicarbonat, Di-(4-tert- butylcyclohexyl)peroxydicarbonat, Dimyristilperoxydicarbonat, Diacetylperoxydicarbo- nat, Allylperester, Cumylperoxyneodecanoat, tert-Butylper-3,5,5-trimethylhexanoat, Acetylcyclohexylsulfonylperoxid, Dilaurylperoxid, Dibenzoylperoxid und tert-All of the compounds which break down into free radicals under the polymerization conditions can be used as polymerization initiators c), for example peroxides, hydroperoxides, hydrogen peroxide, persulfates, azo compounds and the so-called redox catalysts. The use of water-soluble initiators is preferred. In some cases it is advantageous to use mixtures of different polymerization initiators, for example mixtures of hydrogen peroxide and sodium or potassium peroxodisulfate. Mixtures of hydrogen peroxide and sodium peroxodisulfate can be used in any ratio. Suitable organic peroxides are, for example, acetylacetone peroxide, methyl ethyl ketone peroxide, tert-butyl hydroperoxide, cumene hydroperoxide, tert-amyl perpivalate, tert-butyl perpivalate, tert-butyl perneohexanoate, tert-butyl perisobutyrate, tert-butyl per-2-ethylhexanoate, tert-butyl perisonone, tert-butyl perisonone -Butyl perbenzoate, di- (2-ethyl! Hexyl) peroxydicarbonate, dicyclohexyl peroxydicarbonate, di- (4-tert-butylcyclohexyl) peroxydicarbonate, dimyristilperoxydicarbonate, diacetylperoxydicarbonate, allyl perester, cumylperoxy-neodyl peroxyl-peroxyl-hexyl-oxyl-peroxydonyl-oxyl-peroxydonyl-oxyl-peroxydonyl-xyl-oxo-oxo-5-oxo-3-oxy-oxo-5-oxo , Dilauryl peroxide, dibenzoyl peroxide and tert
Amylperneodekanoat. Bevorzugte Polymerisationsinitiatoren c) sind Azostarter, beispielsweise 2,2'-Azobis-isobutyronitril, 2,2'-Azobis(2,4-dimethylvaleronitril) und 2,2'- Azobis(4-methoxy-2,4-dimethylvaleronitril), insbesondere wasserlösliche Azostarter, beispielsweise 2,2'-Azobis{2-[1-(2-hydroxyethyl)-2-imidazoIin-2- yl]propan}dihydrochlorid, 2,2'-Azobis-(2-amidinopropan)dihydrochlorid, 2,2'-Azobis[2- (2-imidazolin-2-yl)propan]dihydrochlorid und 2,2'-Azobis[2-(5-methyl-2-imidazolin-2- yl)propan]dihydrochlorid. Ganz besonders bevorzugt sind 2,2'-Azobis[2-(2-imidazolin-2- yl)propan]dihydrochlorid und 2,2'-Azobis[2-(5-methyl-2-imidazolin-2- yl)propan]dihydrochIorid. Die genannten Polymerisationsinitiatoren c) werden in übli- chen Mengen eingesetzt, beispielsweise in Mengen von 0,01 bis 5, vorzugsweise 0,05 bis 2,0 Gew.-%, bezogen auf die zu polymerisierenden Monomere.Amylperneodekanoat. Preferred polymerization initiators c) are azo starters, for example 2,2'-azobis-isobutyronitrile, 2,2'-azobis (2,4-dimethylvaleronitrile) and 2,2'-azobis (4-methoxy-2,4-dimethylvaleronitrile), in particular water-soluble azo starters, for example 2,2'-azobis {2- [1- (2-hydroxyethyl) -2-imidazolin-2-yl] propane} dihydrochloride, 2,2'-azobis- (2-amidinopropane) dihydrochloride, 2, 2'-azobis [2- (2-imidazolin-2-yl) propane] dihydrochloride and 2,2'-azobis [2- (5-methyl-2-imidazolin-2-yl) propane] dihydrochloride. 2,2'-Azobis [2- (2-imidazolin-2-yl) propane] dihydrochloride and 2,2'-azobis [2- (5-methyl-2-imidazolin-2-yl) propane] are very particularly preferred. dihydrochloride. The polymerization initiators c) mentioned are used in customary amounts, for example in amounts of 0.01 to 5, preferably 0.05 to 2.0% by weight, based on the monomers to be polymerized.
Als Initiatoren c) kommen außerdem Redoxkatalysatoren in Betracht. Die Redoxkataly- satoren enthalten als oxidierende Komponente mindestens eine der oben angegebe- nen Perverbindungen und als reduzierende Komponente beispielsweise Ascorbinsäu- re, Glukose, Sorbose, Ammonium- oder Alkalimetallhydrogensulfit, -sulfit, -thiosulfat, - hyposulfit, -pyrosulfit oder -sulfid, Metallsalze, wie Eisen(ll)-ionen oder Silberionen oder Natriumhydroxymethylsulfoxylat. Vorzugsweise verwendet man als reduzierende Komponente des Redoxkatalysators Ascorbinsäure oder Natriumpyrosulfit. Bezogen auf die bei der Polymerisation eingesetzte Menge an Monomeren verwendet man beispielsweise 1 x 10"5 bis 1 Mol-% der reduzierenden Komponente des Redoxkatalysators. Anstelle der oxidierenden Komponente des Redoxkatalysators kann man auch einen oder mehrere wasserlösliche Azostarter verwenden.
Tabelle 1 : erfindungsgemäße AzostarterRedox catalysts are also suitable as initiators c). The redox catalysts contain at least one of the above-mentioned per compounds as the oxidizing component and as reducing component, for example, ascorbic acid, glucose, sorbose, ammonium or alkali metal hydrogen sulfite, sulfite, thiosulfate, hyposulfite, pyrosulfite or sulfide, metal salts such as iron (II) ions or silver ions or sodium hydroxymethyl sulfoxylate. Ascorbic acid or sodium pyrosulfite is preferably used as the reducing component of the redox catalyst. Relative to the employed in the polymerization amount of monomers 10 "5 uses, for example, 1 x to 1 mol% of the reducing component of the redox catalyst. Instead of the oxidizing component of the redox catalyst it is also possible to use one or more water-soluble azo initiators. Table 1: Azostarter according to the invention
Die 10-Stunden Halbwertstemperaturen werden üblicherweise in einem geeigneten Lösungsmittel bestimmt. Für wasserlösliche Initiatoren ist Wasser ein geeignetes Lösungsmittel und für wasserunlösliche Initiatoren ist Toluol ein geeignetes Lösungsmit- tel.The 10-hour half-life temperatures are usually determined in a suitable solvent. Water is a suitable solvent for water-soluble initiators and toluene is a suitable solvent for water-insoluble initiators.
Die verwendeten Monomeren sind vorzugsweise mit einem handelsüblichen Polymerisationsinhibitor stabilisiert, besonders bevorzugt mit einem Polymenationsinhibitor, der nur zusammen mit Sauerstoff wirkt, beispielsweise Hydrochinomonomethylether.The monomers used are preferably stabilized with a commercially available polymerization inhibitor, particularly preferably with a polymenation inhibitor which only works together with oxygen, for example hydroquinomonomethyl ether.
Handelsübliche Polymerisationsinhibitoren sind Polymerisationsinhibitoren, die aus Gründen der Produktsicherheit als Lagerstabilisatoren in den jeweiligen Monomeren eingesetzt werden. Beispiele für solche Lagerstabilisatoren sind Hydrochinon, Hydro- chinonmonomethylether, 2,5-Di-tert.-Butylhydrochinon und 2,6-Di-tert.-butyl-4- methylphenol.Commercially available polymerization inhibitors are polymerization inhibitors which are used as storage stabilizers in the respective monomers for reasons of product safety. Examples of such storage stabilizers are hydroquinone, hydroquinone monomethyl ether, 2,5-di-tert-butylhydroquinone and 2,6-di-tert-butyl-4-methylphenol.
Mit den Monomeren a) copolymerisierbare ethylenisch ungesättigte Monomere d) sind beispielsweise Acrylamid, Methacrylamid, Crotonsäureamid, Dimethylaminoethylmethacrylat, Dimethylaminoethylacrylat, Dimethylaminopropylacrylat, Diethylaminopro- pylacrylat, Dimethylaminobutylacrylat, Dimethylaminoethylmethacrylat, Diethylami- noethylmethacrylat, Dimethylaminoneopentylacrylat und Dimethylaminoneopentyl- methacrylat.
Als wasserlösliche Polymere e) können Polyvinylalkohol, Polyvinylpyrrolidon, Stärke, Stärkederivate, Polyglykole oder Polyacrylsäuren, vorzugsweise Polyvinylalkohol und Stärke, eingesetzt werden. Die wasserlöslichen Polymere e) können auch als Pfropfgrundlage für die Monomere a) dienen.Ethylene-unsaturated monomers copolymerizable with the monomers a) are, for example, acrylamide, methacrylamide, crotonic acid amide, dimethylaminoethyl methacrylate, dimethylaminoethyl acrylate, dimethylaminopropylacrylate, diethylaminopropyl acrylate, dimethylaminobutyl acrylate, dimethylaminoethyl methacrylate methacrylate, diethyl methacrylate Polyvinyl alcohol, polyvinyl pyrrolidone, starch, starch derivatives, polyglycols or polyacrylic acids, preferably polyvinyl alcohol and starch, can be used as water-soluble polymers e). The water-soluble polymers e) can also serve as a graft base for the monomers a).
Die Reaktion wird vorzugsweise in Apparaten durchgeführt, die auch für die Sprühtrocknung geeignet sind. Derartige Reaktoren werden beispielsweise in K. Masters, Spray Drying Handbook, 5th Edition, Longman, 1991, Seiten 23 bis 66, beschrieben. Bevorzugt wird die Reaktion in Apparaten durchgeführt in denen die Monomerlösung in Form monodisperser Tropfen frei fallen kann. Geeignet dazu sind Apparaturen, wie beispielsweise in der Patentschrift US 5,269,980, Spalte 3, Zeilen 25 bis 32, beschrieben. Der sich beim Versprühen einstellende Tröpfchendurchmesser ist zweckmäßig von 20 bis 1400 μm, bevorzugt von 50 bis 600 μm.The reaction is preferably carried out in apparatus which are also suitable for spray drying. Such reactors are described, for example, in K. Masters, Spray Drying Handbook, 5th Edition, Longman, 1991, pages 23 to 66. The reaction is preferably carried out in apparatuses in which the monomer solution can fall freely in the form of monodisperse drops. Devices are suitable for this purpose, as described, for example, in US Pat. No. 5,269,980, column 3, lines 25 to 32. The droplet diameter which arises during spraying is expediently from 20 to 1400 μm, preferably from 50 to 600 μm.
Wird zur Tröpfchenerzeugung eine Schwingblende eingesetzt, so beträgt der Tröpfchendurchmesser ungefähr das 1,9-fache des Blendendurchmessers.If a swinging orifice is used to generate droplets, the droplet diameter is approximately 1.9 times the orifice diameter.
Eine Vertropfung durch laminaren Strahlzerfall, wie in Rev. Sei. Instr., Band 38 (1966), Seiten 502 bis 506, beschrieben, ist ebenfalls möglich.A drop caused by laminar jet decay, as in Rev. Sei. Instr., Volume 38 (1966), pages 502 to 506, is also possible.
Die Reaktion kann im Überdruck und im Unterdruck durchgeführt werden.The reaction can be carried out under positive or negative pressure.
Der Reaktor wird von einem Inertgas, vorzugsweise Stickstoff, durchströmt. Bevorzugt ist die Gleichstromfahrweise, das heißt, das Inertgas durchströmt den Reaktor von o- ben nach unten. Der Wasserdampfgehalt des Inertgases beträgt im allgemeinen bis 1 Vol.-%, vorzugsweise bis 0,5 Vol.-%. Die Gasgeschwindigkeit wird vorzugsweise so eingestellt, dass die Strömung im Reaktor gerichtet ist, beispielsweise liegen keine der allgemeinen Strömungsrichtung entgegengesetzte Konvektionswirbel vor, und beträgt beispielsweise 0,02 bis 1,5 m/s, bevorzugt 0,05 bis 0,4 m/s.An inert gas, preferably nitrogen, flows through the reactor. The direct current mode of operation is preferred, that is to say the inert gas flows through the reactor from top to bottom. The water vapor content of the inert gas is generally up to 1% by volume, preferably up to 0.5% by volume. The gas velocity is preferably set such that the flow in the reactor is directed, for example there are no convection vortices opposite to the general flow direction, and is for example 0.02 to 1.5 m / s, preferably 0.05 to 0.4 m / s ,
Das Inertgas wird zweckmäßigerweise vor dem Reaktor auf die Reaktionstemperatur von 70 bis 300°C, vorzugsweise 90 bis 180°C, besonders bevorzugt 110 bis 160°C, vorgewärmt.The inert gas is advantageously preheated in front of the reactor to the reaction temperature of 70 to 300 ° C., preferably 90 to 180 ° C., particularly preferably 110 to 160 ° C.
Das Reaktionsabgas kann beispielsweise in einem Wärmeaustauscher abgekühlt werden. Dabei kondensieren Wasser und nicht umgesetzte Acrylsäure. Danach kann das Abgas zumindest teilweise wieder aufgewärmt und als Kreisgas in den Reaktor zurückgeführt werden. Vorzugsweise wird das Abgas so abgekühlt, dass das abgekühlte Abgas den für die Reaktion gewünschten Anteil an Wasserdampf hat. Ein Teil des Ab-
gases kann ausgeschleust und durch frisches Inertgas ersetzt werden, wobei im Abgas enthaltene nicht umgesetzte Acrylsäure abgetrennt und rückgeführt werden kann.The reaction exhaust gas can, for example, be cooled in a heat exchanger. Water and unreacted acrylic acid condense. The exhaust gas can then be at least partially reheated and returned to the reactor as circulating gas. The exhaust gas is preferably cooled such that the cooled exhaust gas has the desired proportion of water vapor for the reaction. Part of the gases can be discharged and replaced with fresh inert gas, whereby unreacted acrylic acid contained in the exhaust gas can be separated off and recycled.
Besonders bevorzugt ist ein Wärmeverbund, dass heißt, ein Teil der Abwärme beim Abkühlen des Abgases wird zum Aufwärmen des Kreigases verwendet.A heat composite is particularly preferred, that is to say that part of the waste heat when the exhaust gas is cooled is used to warm up the circular gas.
Die Reaktoren können begleitbeheizt werden. Die Begleitheizung wird dabei so eingestellt, dass die Wandtemperatur mindestens 5°C oberhalb der Reaktorinnentemperatur liegt und die Kondensation an den Reaktorwänden zuverlässig vermieden wird.The reactors can be heated. The trace heating is set so that the wall temperature is at least 5 ° C above the inside temperature of the reactor and the condensation on the reactor walls is reliably avoided.
Das Reaktionsprodukt kann dem Reaktor in üblicherweise entnommen werden, vorzugsweise am Boden über eine Förderschnecke, und gegebenenfalls bis zur gewünschten Restfeuchte und zum gewünschten Restmonomerengehalt getrocknet werden.The reaction product can usually be removed from the reactor, preferably at the bottom via a screw conveyor, and optionally dried to the desired residual moisture and the desired residual monomer content.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren werden wasserquellbare, polymere Partikel mit einer Schalenstruktur, wobei das Verhältnis aus Schalendicke und Partikelduch- messer von 0,05 bis 0,5, vorzugsweise von 0,2 bis 0,45, bevorzugt von 0,25 bis 0,35, beträgt, erhalten, wobei die Partikel mindestens einen Hohlraum aufweisen.The process of the invention produces water-swellable, polymeric particles with a shell structure, the ratio of shell thickness and particle diameter being from 0.05 to 0.5, preferably from 0.2 to 0.45, preferably from 0.25 to 0.35 , is obtained, the particles having at least one cavity.
Der Partikeldurchmesser liegt im Bereich von 50 bis 2000 μm, vorzugsweise 150 bis 850 μm.The particle diameter is in the range from 50 to 2000 μm, preferably 150 to 850 μm.
Die nach dem erfϊndungsgemäßen Verfahren herstellbaren wasserquellbaren, polyme- ren Partikel eignen sich zur Absorption von Blut und/oder Körperflüssigkeiten, zum Verdicken wässriger Lösungen und/oder Suspensionen, insbesondere zum Verdicken medizinischer Abfälle, sowie als Absorptionsmittel in Hygieneartikeln.The water-swellable, polymeric particles which can be produced by the process according to the invention are suitable for absorbing blood and / or body fluids, for thickening aqueous solutions and / or suspensions, in particular for thickening medical waste, and as an absorbent in hygiene articles.
Wichtig bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist, dass die Initiatoren unter Reakti- onsbedingungen schnell zerfallen. Dadurch entsteht schnell eine stabile Außenhülle, die durch verdampfendes Wasser im Innern nicht mehr zerrissen sondern nur noch aufgebläht werden kann. Dadurch beträgt der Partikeldurchmeser der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhältlichen wasserquellbaren, polymeren Partikel zwischen dem 1 ,4-fachen und dem 3-fachen des Tropfendurchmessers. Nach beendeter Reakti- on und beendeter Trocknung bleibt in den Partikeln meistens ein Hohlraum (Partikel Typ A) zurück.It is important in the process according to the invention that the initiators disintegrate rapidly under reaction conditions. This quickly creates a stable outer shell that can no longer be torn apart by evaporating water inside, but can only be inflated. As a result, the particle diameter of the water-swellable, polymeric particles obtainable by the process according to the invention is between 1.4 and 3 times the drop diameter. After the reaction and drying have ended, a cavity (particle type A) usually remains in the particles.
Bei etwas langsameren Reaktionsverlauf sind die Hohlkugeln am Ende der Fallstrecke noch weich und werden deformiert. Dadurch entstehen Partikel, die gefalteten Kugel- hüllen (Partikel Typ B) ähneln. Unregelmäßige, faserige Gebilde (Partikel Typ C) will man im Allgemeinen nicht erhalten und können nach der erfindungsgemäßen Lehre vermieden werden.
Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Partikel haben eine enge Partikelgrößenverteilung und damit einen niedrigen Feinstaubanteil. Aufgrund ihrer hohlkugelartigen Struktur haben die Partikel eine niedrige Dichte und sind in der Lage auf den zu absorbierenden Flüssigkeiten zu schwimmen und decken diese somit ab.If the course of the reaction is somewhat slower, the hollow spheres are still soft at the end of the fall and are deformed. This creates particles that resemble folded spherical shells (particle type B). Irregular, fibrous structures (type C particles) are generally not desired to be obtained and can be avoided according to the teaching according to the invention. The particles produced by the process according to the invention have a narrow particle size distribution and thus a low proportion of fine dust. Due to their hollow spherical structure, the particles have a low density and are able to float on the liquids to be absorbed and thus cover them.
Beispiele:Examples:
Alle Mengenangaben sind, soweit nicht anders angegeben, Gewichtsteile.Unless otherwise stated, all quantities are parts by weight.
Beispiele 1 bis 13Examples 1 to 13
Eine wässrige Monomerlösung, bestehend aus teilneutralisierter bzw. neutralisierter Acrylsäure und Methylenbisdiacrylamid (Vernetzer) wurde unmittelbar vor dem Reaktor mit einer 1,0 gew.-%igen wässrigen Lösung des Initiators bzw. Initiatorgemisches vermischt.An aqueous monomer solution consisting of partially neutralized or neutralized acrylic acid and methylenebisdiacrylamide (crosslinking agent) was mixed with a 1.0% by weight aqueous solution of the initiator or initiator mixture immediately before the reactor.
Die Vernetzermenge betrug 0,3 Gew.-%, bezogen auf das eingesetzte Monomer. Die Initiatormenge betrug 0,11 Mol-%, bezogen auf die eingesetzte Monomerlösung.The amount of crosslinker was 0.3% by weight, based on the monomer used. The amount of initiator was 0.11 mol%, based on the monomer solution used.
Als Reaktor wurde ein senkrecht aufgehängtes Edelstahlrohr mit einer Länge von 2.600 mm und einem Durchmesser von 164 mm eingesetzt. Die Temperatur konnte über drei unabhängige Heizkreise eingestellt werden. In das Edelstahlrohr war von oben ein Glasrohr mit einem Durchmesser von 102 mm eingesteckt. Auf das Glasrohr war ein modifizierter Schwingblenden-Aerosolgenerator SBG-2000 der Fa. PalasA vertically suspended stainless steel tube with a length of 2,600 mm and a diameter of 164 mm was used as the reactor. The temperature could be set using three independent heating circuits. A glass tube with a diameter of 102 mm was inserted into the stainless steel tube from above. A modified SBG-2000 oscillating screen aerosol generator from Palas was placed on the glass tube
GmbH aus Karlsruhe aufgesetzt. Die Schwingblendenöffnung hatte einen Durchmesser von 75 μm. Über den Schwingblenden-Aerosolgenerator wurden 0,4 l/min Trägergas und 1,0 ml/min Monomerlösung in den Reaktor dosiert. Zusätzlich wurden 10 l/min auf Reaktionstemperatur vorgewärmtes Trägergas in den Zwischenraum zwischen Edelstahlrohr und Glasrohr dosiert. Der Zwischenraum war mit Raschigringen gefüllt und für den Stickstoff nach unten offen. Die Raschigringe dienten als Strömungsbegra- diger.GmbH from Karlsruhe set up. The swing aperture had a diameter of 75 microns. 0.4 l / min carrier gas and 1.0 ml / min monomer solution were metered into the reactor via the oscillating-aperture aerosol generator. In addition, 10 l / min of carrier gas preheated to the reaction temperature were metered into the space between the stainless steel tube and the glass tube. The gap was filled with Raschig rings and open to the bottom for the nitrogen. The Raschig rings served as flow straighteners.
Das Produkt wurde unten am Reaktor aufgefangen, getrocknet (1h bei 125°C) und analysiert. Für die Aufnahmen der wasserquellbaren, polymeren Partikel wurde ein Rasterelektronenmikroskop Philips SEM 515 verwendet. Anhand der Aufnahmen wurde das Verhältnis R aus Schalendicke und Partikelduchmesser bestimmt.
Tabelle 3: VersuchsergebnisseThe product was collected at the bottom of the reactor, dried (1 h at 125 ° C.) and analyzed. A Philips SEM 515 scanning electron microscope was used to record the water-swellable, polymeric particles. The ratio R of the shell thickness and particle diameter was determined on the basis of the recordings. Table 3: Test results
*) Vergleichsversuche*) Comparative tests
Initiator A: 2,2'-Azobis-(2-amidinopropan)dihydrochloridInitiator A: 2,2'-azobis- (2-amidinopropane) dihydrochloride
Initiator B: 2,2'-Azobis[2-(2-imidazolin-2-yl)propan]dihydrochlorid Initiator C: 2,2'-Azobis[2-(5-methyl-2-imidazolin-2-yl)propan]dihydrochlorid
Initiator B: 2,2'-azobis [2- (2-imidazolin-2-yl) propane] dihydrochloride Initiator C: 2,2'-azobis [2- (5-methyl-2-imidazolin-2-yl) propane ] dihydrochloride