WO2008037674A1 - Verfahren zur kontinuierlichen herstellung wasserabsorbierender polymerpartikel - Google Patents

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WO2008037674A1
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polymer particles
fördergutmassenstrom
absorbing polymer
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Uwe Stueven
Rüdiger Funk
Matthias Weismantel
Filip Mees
Koen Deboel
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Basf Se
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    • C08J2333/00—Characterised by the use of homopolymers or copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and only one being terminated by only one carboxyl radical, or of salts, anhydrides, esters, amides, imides, or nitriles thereof; Derivatives of such polymers
    • C08J2333/02—Homopolymers or copolymers of acids; Metal or ammonium salts thereof

Definitions

  • the present invention relates to a process for the continuous production of water-absorbing polymer particles, wherein at least one particulate spellmassenstrom is determined by means of irradiated electromagnetic waves.
  • Water-absorbing polymers are used as aqueous solution-absorbing products for the production of diapers, tampons, sanitary napkins and other non-sanitary, but also as water-retaining agents in agricultural horticulture.
  • the properties of the water-absorbing polymers can be adjusted via the degree of crosslinking. As the degree of cross-linking increases, the gel strength increases and the centrifuge retention capacity (CRC) decreases.
  • CRC centrifuge retention capacity
  • EP 1 426 157 A1 describes a continuous process for the preparation of water-absorbing polymer particles. The individual process steps are decoupled by buffer containers. In order to ensure a continuous dosage in the post-crosslinking, the use of two templates is proposed. The conveyed material mass flow into the post-crosslinking is determined by determining fill level changes in the templates.
  • WO 2005/122075 A1 discloses a continuous process for producing water-absorbing polymer particles, the process being controlled by an artificial neural network.
  • WO 96/24838 A1 describes an optical method for determining a conveying mass flow, in particular for controlling the firing of a boiler with coal dust in coal power plants.
  • DE 199 11 654 C1 discloses a device for determining the speed and size of particles.
  • the object of the present invention was to provide an improved process for the continuous production of water-absorbing polymer particles.
  • the method should be characterized by a high process stability. Furthermore, process disturbances should be detected quickly.
  • Another object of the present invention was a process for the continuous production of water-absorbing polymer particles, which makes do with less buffer containers compared to the prior art.
  • the object was achieved by a method for the continuous production of water-absorbing polymer particles, wherein at least one particulate strategicallygutmassenstrom is determined, characterized in that electromagnetic waves are irradiated in a flowing at a speed of at least 0.1 m / s admirgutmassenstrom.
  • the water-absorbing polymer particles have a centrifuge retention capacity (CRC) of typically at least 15 g / g, preferably at least 20 g / g, preferably at least 25 g / g, more preferably at least 30 g / g, most preferably at least 35 g / g.
  • the centrifuge retention capacity (CRC) of the water-absorbing polymer particles is usually less than 60 g / g, with the centrifuge retention capacity (CRC) according to the test method No. 441.2-02 "Centrifuge, recommended by EDANA (European Dispensables and Nonwovens Association) retention capacity "is determined.
  • the particulate randomlygutmassenstrom that is determined according to the inventive method may have particle sizes that differ from the particle size of the target product. For example, it can be determined baingutmassenströme consisting of particles with a diameter of less than 150 microns or particles with a diameter of about 850 microns. Such particles are usually separated in the process via appropriate Klassier suitse and preferably recycled elsewhere in the process. But it can also be determined baingutmassenströme, which consist of other particles than water-absorbing polymers, for example fumed silica with primary particles having an average diameter of about 10 nm.
  • the determination of the conveyed material mass flow means that the mass transported with the conveyed material mass flow per unit time is determined.
  • the wavelength of the electromagnetic radiation is not limited.
  • laser diodes can be used as the radiation source.
  • the wavelength of the radiation emitted by the laser diodes is preferably from 0.5 to 50 ⁇ m (6 to 600 THz).
  • microwaves it is also possible to use microwaves as electromagnetic radiation, wherein the wavelength is preferably from 1 to 10 mm (30 to 300 GHz).
  • the conveyed material mass flow can be determined, for example, by diffracting the radiated electromagnetic waves through the particles of the material flow through the material.
  • the particle size and the particle velocity can be determined on the basis of the diffraction, as described, for example, in DE 199 11 654 C1.
  • laser diodes are preferably used as the radiation source.
  • Such determinations can be carried out, for example, with the measuring instrument Parsum® IPP 50 (Malvern Instruments GmbH,dorfberg, DE). From particle size and particle velocity of winningmassenstrom can be calculated.
  • the wishesgutmassenstrom can be determined by the irradiated electromagnetic waves are reflected by the particles of constructivelysenstromes. Subsequently, the reflected electromagnetic waves are evaluated in terms of their frequency and amplitude, as described for example in WO 96/24838 A1. For this purpose, preferably microwaves are used. Such determinations can be carried out, for example, using the SolidFlow measuring instrument (SWR engineering Messtechnik GmbH, Schliengen, DE).
  • the sensors are calibrated prior to commissioning, wherein preferably at least three winningmassenströme be set to detect non-linear behavior.
  • the speed of the material flow during the irradiation is preferably at least 1 m / s, preferably at least 5 m / s, more preferably at least 10 m / s, most preferably at least 12 m / s. speeds of more than 40 m / s are less advantageous due to the associated increased mechanical stress.
  • the randomly conveyed in pipes with a circular cross-section preferably stainless steel is used.
  • the baingutmassenstrom can be promoted pneumatically and / or gravimetrically.
  • the spellmassenstrom contains at least partially water-absorbing polymer particles.
  • the water content of the delivered water-absorbing polymer particles is preferably from 0.1 to 10% by weight, particularly preferably from 0.5 to 8% by weight, very particularly preferably from 1 to 5% by weight, the water content being in accordance with the method described in US Pat EDANA (European Disposables and Nonwovens Association) recommended test method no. 430.2-02 "Moisture content" is determined.
  • the randomlygutmassenstrom is usually determined continuously. This means that each mass conveyed with the conveyed material mass flow per unit time is determined, with the exception of unscheduled disturbances.
  • the optimum gas start speed for pneumatic delivery depends on the diameter of the delivery line. This dependency is best described by the Froude number:
  • the Froude number in the pneumatic conveying according to the invention is preferably from 10 to 40, particularly preferably from 11 to 30, very particularly preferably from 12 to 20.
  • the randomlygutbeladung the pneumatic conveying is preferably from 0.5 to 20 kg / kg, more preferably from 1 to 10 kg / kg, most preferably from 2 to 6 kg / kg, wherein the designedgutbeladung is the quotient of strategicallygutmassenstrom and gas mass flow.
  • the optimum initial gas velocity increases as the charge of the load increases.
  • the diameter of the pipeline in which the pneumatic conveying is carried out is preferably from 3 to 30 cm, more preferably from 4 to 25 cm, most preferably from 5 to 20 cm. Too low pipe diameters lead to a higher mechanical load due to the pneumatic conveying and thus promote the undesirable abrasion. Too large a pipe diameter allow an equally undesirable settling of the water-absorbing polymer particles in the delivery line.
  • the inventive method allows high process stability in the production of water-absorbing polymers and the rapid detection of process disturbances.
  • Impact changes are often an indication of process disturbances.
  • the screening machines used in the classification methods used can be monitored. A steep rise of a winning guesswork, then indicates a Siebbruch. Rapid detection of the process disturbance minimizes the amount of non-specification product.
  • the determination of the conveyed material mass flow can also be used to adapt setpoint values in controllers. Examples of this are the control of the gas mass flow in pneumatic conveying, the control of the heating temperature in the after-drying and the control of the amount of crosslinker in the polymerization with simultaneous recirculation of undersize (fine grain).
  • the examples are explained below: Water-absorbing polymer particles are preferably transported by means of pneumatic conveying systems, wherein fundamentally three different types of conveyance can be distinguished.
  • Too low conveying speeds can occur, for example, when the material flow through the conveying material increases as a result of uneven loading of the pneumatic conveying system and the gas mass flow is not raised sufficiently.
  • the inventive method now allows the timely determination of the real finallygutmassenstromes already in the front region of the delivery line. This allows a quick adjustment of the gas mass flow. As a result, a smaller safety distance to the unstable area is possible, and the pneumatic conveying can be operated at lower conveying speeds. The unwanted abrasion can be minimized.
  • the method according to the invention can also be used to control the heating temperature in the after-drying.
  • the hydrogel obtained in the polymerization is dried on a belt dryer. After drying, incompletely dried portions are separated off, as described, for example, in EP 948 997 A2. The incompletely dried portions can be further dried in a separate dryer.
  • the amount of incompletely dried parts is subject to significant fluctuations. Therefore, it is advantageous to intercept these volume fluctuations via a reservoir. With the timely determination of winningmassenstromes according to the method of the invention, the drying capacity of the after-drying can be optimally adapted, a storage container is no longer required.
  • the process of the invention can also be used to control the amount of crosslinker in the polymerization with simultaneous recirculation of undersize (fine grain).
  • this measuring unit is used simultaneously with the screen monitoring already described above, whereby the number of measuring devices in the process can be kept low.
  • the water-absorbing polymer particles to be used in the process according to the invention can be prepared by polymerization of monomer solutions comprising at least one ethylenically unsaturated monomer a), optionally at least one crosslinker b), at least one initiator c) and water d).
  • the monomers a) are preferably water-soluble, ie the solubility in water at 23 ° C. is typically at least 1 g / 100 g of water, preferably at least 5 g / 100 g of water, more preferably at least 25 g / 100 g of water, most preferably at least 50 g / 100 g of water, and preferably have at least one acid group each.
  • Suitable monomers a) are, for example, ethylenically unsaturated carboxylic acids, such as acrylic acid, methacrylic acid, maleic acid, fumaric acid and itaconic acid. Especially preferred monomers are acrylic acid and methacrylic acid. Very particular preference is given to acrylic acid.
  • the preferred monomers a) have at least one acid group, wherein the acid groups are preferably at least partially neutralized.
  • the proportion of acrylic acid and / or salts thereof in the total amount of monomers a) is preferably at least 50 mol%, particularly preferably at least 90 mol%, very particularly preferably at least 95 mol%.
  • Preferred hydroquinone half ethers are hydroquinone monomethyl ether (MEHQ) and / or tocopherols.
  • Tocopherol is understood as meaning compounds of the following formula
  • R 1 is hydrogen or methyl
  • R 2 is hydrogen or methyl
  • R 3 is hydrogen or methyl
  • R 4 is hydrogen or an acid radical having 1 to 20 carbon atoms.
  • Preferred radicals for R 4 are acetyl, ascorbyl, succinyl, nicotinyl and other physiologically acceptable carboxylic acids.
  • the carboxylic acids can be mono-, di- or tricarboxylic acids.
  • R 1 is more preferably hydrogen or acetyl. Especially preferred is RRR-alpha-tocopherol.
  • the monomer solution preferably contains at most 130 ppm by weight, more preferably at most 70 ppm by weight, preferably at least 10 ppm by weight, more preferably at least 30 ppm by weight, in particular by 50 ppm by weight, hydroquinone, in each case based on Acrylic acid, wherein acrylic acid salts are taken into account as acrylic acid.
  • an acrylic acid having a corresponding content of hydroquinone half-ether can be used.
  • Crosslinkers b) are compounds having at least two polymerizable groups which can be radically copolymerized into the polymer network.
  • Suitable methods Netzer b) are, for example, ethylene glycol dimethacrylate, diethylene glycol diacrylate, allyl methacrylate, trimethylolpropane triacrylate, triallylamine, tetraallyloxyethane, as described in EP 530 438 A1, di- and triacrylates, as in EP 547 847 A1, EP 559 476 A1, EP 632 068 A1, WO 93/21237 A1, WO 2003/104299 A1, WO 2003/104300 A1, WO 2003/104301 A1 and DE 103 31 450 A1, mixed acrylates which, in addition to acrylate groups, contain further ethylenically unsaturated groups, as in DE 103 31 456 A1 and US Pat DE 103 55 401 A1, or crosslinker mixtures, as described, for example, in DE 195 43 368 A1,
  • Suitable crosslinkers b) are, in particular, N, N'-methylenebisacrylamide and N, N'-methylenebismethacrylamide, esters of unsaturated monocarboxylic or polycarboxylic acids of polyols, such as diacrylate or triacrylate, for example butanediol or ethylene glycol diacrylate or methacrylate, and trimethylolpropane triacrylate and Allyl compounds, such as allyl (meth) acrylate, triallyl cyanurate, maleic acid diallyl esters, polyallyl esters, tetraallyloxyethane, triallylamine, tetraallylethylenediamine, allyl esters of phosphoric acid and vinylphosphonic acid derivatives, as described, for example, in EP 343 427 A2.
  • crosslinkers b) are pentaerythritol di-, pentaerythritol tri- and pentaerythritol tetraallyl ethers, polyethylene glycol diallyl ether, ethylene glycol diallyl ether, glycerol di- and glycerol triallyl ether, polyallyl ethers based on sorbitol, and ethoxylated variants thereof.
  • Useful in the process according to the invention are di (meth) acrylates of polyethylene glycols, where the polyethylene glycol used has a molecular weight between 100 and 1000.
  • crosslinkers b) are di- and triacrylates of 3 to 20 times ethoxylated glycerol, 3 to 20 times ethoxylated trimethylolpropane, 3 to 20 times ethoxylated trimethylolethane, in particular di- and triacrylates of 2 to 6-times ethoxylated glycerol or trimethylolpropane, the 3-fold propoxylated glycerol or trimethylolpropane, and the 3-times mixed ethoxylated or propoxylated glycerol or trimethylolpropane, the 15-fold ethoxylated glycerol or
  • Trimethylolpropans as well as at least 40-times ethoxylated glycerol, trimethylolethane or trimethylolpropane.
  • Very particularly preferred crosslinkers b) are the polyethoxylated and / or propoxylated glycerols esterified with acrylic acid or methacrylic acid to form di- or triacrylates, as described, for example, in WO 2003/104301 A1. Particularly advantageous are di- and / or triacrylates of 3- to 10-fold ethoxylated glycerol. Very particular preference is given to diacrylates or triacrylates of 1 to 5 times ethoxylated and / or propoxylated glycerol. Most preferred are the triacrylates of 3 to 5 times ethoxylated and / or propoxylated glycerin.
  • the amount of crosslinker b) is preferably 0.01 to 5 wt .-%, particularly preferably 0.05 to 2 wt .-%, most preferably 0.1 to 1 wt .-%, each based on the monomer solution.
  • initiators c) it is possible to use all compounds which form radically under the polymerization conditions, for example peroxides, hydroperoxides, hydrogen peroxide, persulfates, azo compounds and the so-called redox initiators.
  • the use of water-soluble initiators is preferred.
  • mixtures of different initiators for example mixtures of hydrogen peroxide and sodium or potassium peroxodisulfate. Mixtures of hydrogen peroxide and sodium peroxodisulfate can be used in any proportion.
  • Particularly preferred initiators c) are azo initiators, such as 2,2'-azobis [2- (2-imidazolin-2-yl) propane] dihydrochloride and 2,2'-azobis [2- (5-methyl-2-imidazoline-2 - yl) propane] dihydrochloride, and photoinitiators, such as 2-hydroxy-2-methylpropiophenone and 1- [4- (2-hydroxyethoxy) -phenyl] -2-hydroxy-2-methyl-1-propan-1-one, redox initiato such as sodium persulfate / hydroxymethylsulfinic acid, ammonium peroxodisulfate / hydroxymethylsulfinic acid, hydrogen peroxide / hydroxymethylsulfinic acid, sodium persulfate / ascorbic acid, ammonium peroxodisulfate / ascorbic acid and hydrogen peroxide / ascorbic acid, photoinitiators, such as 1- [4- (2-hydroxyethoxy) -phen
  • the initiators are used in customary amounts, for example in amounts of 0.001 to 5 wt .-%, preferably 0.01 to 1 wt .-%, based on the monomers a).
  • the monomer solution may be polymerized prior to polymerization by inerting, i. Flow through with an inert gas, preferably nitrogen, to be freed of dissolved oxygen.
  • an inert gas preferably nitrogen
  • the oxygen content of the monomer solution before polymerization is reduced to less than 1 ppm by weight, more preferably less than 0.5 ppm by weight.
  • Suitable reactors are kneading reactors or belt reactors.
  • the polymer gel formed in the polymerization of an aqueous monomer solution is continuously comminuted by, for example, counter-rotating stirring shafts, as in WO
  • the hydrogel After leaving the polymerization reactor, the hydrogel is advantageously still stored at elevated temperature, preferably at least 50 ° C., more preferably at least 70 ° C., very preferably at least 80 ° C., and preferably less than 100 ° C., for example in isolated containers.
  • elevated temperature preferably at least 50 ° C., more preferably at least 70 ° C., very preferably at least 80 ° C., and preferably less than 100 ° C., for example in isolated containers.
  • the monomer conversion is further increased.
  • the storage can also be significantly shortened or omitted storage.
  • the acid groups of the hydrogels obtained are usually partially neutralized, preferably from 25 to 95 mol%, preferably from 50 to 80 mol%, particularly preferably from 60 to 75 mol%, the usual neutralizing agents can be used, preferably alkali metal hydroxides, alkali metal oxides , Alkali metal carbonates or alkali metal hydrogencarbonates and mixtures thereof.
  • the usual neutralizing agents can be used, preferably alkali metal hydroxides, alkali metal oxides , Alkali metal carbonates or alkali metal hydrogencarbonates and mixtures thereof.
  • alkali metal salts and ammonium salts can be used.
  • Sodium and potassium are particularly preferred as alkali metals, but most preferred are sodium hydroxide, sodium carbonate or sodium bicarbonate and mixtures thereof.
  • the neutralization is preferably carried out at the stage of the monomers. This is usually done by mixing the neutralizing agent as an aqueous solution, as a melt, or preferably as a solid.
  • sodium hydroxide can be present wt .-% as a waxy material having a melting point above 23 0 C with a water content significantly below the 50th In this case, a dosage as general cargo or melt at elevated temperature is possible.
  • the hydrogel stage it is also possible to carry out the neutralization after the polymerization at the hydrogel stage. Furthermore, it is possible to neutralize up to 40 mol%, preferably 10 to 30 mol%, particularly preferably 15 to 25 mol%, of the acid groups before the polymerization by adding a part of the neutralizing agent already to the monomer solution and the desired final degree of neutralization only after the polymerization is adjusted at the level of the hydrogel. If the hydrogel is at least partially neutralized after the polymerization, the hydrogel is preferably comminuted mechanically, for example by means of a meat grinder, wherein the neutralizing agent can be sprayed, sprinkled or poured on and then thoroughly mixed in. For this purpose, the gel mass obtained can be further gewolfft for homogenization.
  • the hydrogel is then preferably dried with a belt dryer until the residual moisture content is preferably below 15% by weight, in particular below 10% by weight.
  • the water content is determined according to the test method No. 430.2-02 "Moisture content" recommended by the EDANA (European Disposables and Nonwovens Association).
  • a fluidized bed dryer or a heated ploughshare mixer can be used for drying.
  • the dryer temperature must be optimized, the air supply and removal must be controlled, and it is in any case to ensure adequate ventilation. Naturally, drying is all the easier and the product is whiter when the solids content of the gel is as high as possible.
  • the solids content of the gel before drying is therefore preferably between 30 and 80% by weight.
  • Particularly advantageous is the ventilation of the dryer with nitrogen or other non-oxidizing inert gas.
  • the dried hydrogel is thereafter ground and classified, wherein for grinding usually one- or multi-stage roller mills, preferably two- or three-stage roller mills, pin mills, hammer mills or vibratory mills can be used.
  • the mean particle size of the polymer fraction separated as a product fraction is preferably at least 200 ⁇ m, more preferably from 250 to 600 ⁇ m, very particularly from 300 to 500 ⁇ m.
  • the average particle size of the product fraction can be determined by means of the test method no. 420.2-02 "particle size distribution" recommended by the EDANA (European Disposables and Nonwovens Association), in which the mass fractions of the sieve fractions are cumulatively applied and the average particle size is determined graphically ,
  • the mean particle size here is the value of the mesh size, which results for accumulated 50 wt .-%.
  • the polymer particles can be postcrosslinked to further improve the properties.
  • Suitable postcrosslinkers are compounds containing groups which can form covalent bonds with the at least two carboxylate groups of the hydrogel.
  • Suitable compounds are, for example, alkoxysilyl compounds, polyaziridines, polyamines, polyamidoamines, di- or polyepoxides, as described in EP 83 022 A2, EP 543 303 A1 and EP 937 736 A2, di- or polyfunctional alcohols, as in DE 33 14 019 A1, DE 35 23 617 A1 and EP 450 922 A2, or ⁇ -hydroxyalkylamides, as described in DE 102 04 938 A1 and US Pat. No. 6,239,230.
  • the amount of postcrosslinker is preferably 0.01 to 1 wt .-%, particularly preferably 0.05 to 0.5 wt .-%, most preferably 0.1 to 0.2 wt .-%, each based on the polymer ,
  • polyvalent cations are applied to the particle surface in addition to the postcrosslinkers.
  • the polyvalent cations which can be used in the process according to the invention are, for example, divalent cations, such as the cations of zinc, magnesium, calcium and strontium, trivalent cations, such as the cations of aluminum, iron, chromium, rare earths and manganese, tetravalent cations, such as the cations of titanium and Zirconium.
  • divalent cations such as the cations of zinc, magnesium, calcium and strontium
  • trivalent cations such as the cations of aluminum, iron, chromium, rare earths and manganese
  • tetravalent cations such as the cations of titanium and Zirconium.
  • chloride, bromide, sulfate, hydrogen sulfate, carbonate, bicarbonate, nitrate, phosphate, hydrogen phosphate, dihydrogen phosphate and carboxylate, such as acetate and lactate are possible.
  • Aluminum sulfate is preferred.
  • the amount of polyvalent cation used is, for example, 0.001 to 0.5% by weight, preferably 0.005 to 0.2% by weight, particularly preferably 0.02 to 0.1% by weight. in each case based on the polymer.
  • the postcrosslinking is usually carried out by spraying a solution of the postcrosslinker onto the hydrogel or the dry polymer particles. Subsequent to the spraying, it is thermally dried, whereby the postcrosslinking reaction can take place both before and during the drying.
  • the spraying of a solution of the crosslinker is preferably carried out in mixers with agitated mixing tools, such as screw mixers, paddle mixers, disk mixers, plowshare mixers and paddle mixers.
  • agitated mixing tools such as screw mixers, paddle mixers, disk mixers, plowshare mixers and paddle mixers.
  • Vertical mixers are particularly preferred, plowshare mixers and paddle mixers are very particularly preferred.
  • suitable mixers are Lödige mixers, Bepex mixers, Nauta mixers, Processall mixers and Schugi mixers.
  • the thermal drying is preferably carried out in contact dryers, more preferably paddle dryers, very particularly preferably disk dryers.
  • Suitable dryers include Bepex-T rockner and Nara-T rockner.
  • fluidized bed dryers can also be used.
  • the drying can take place in the mixer itself, by heating the jacket or blowing hot air.
  • a downstream dryer such as a hopper dryer, a rotary kiln or a heatable screw. Particularly advantageous is mixed and dried in a fluidized bed dryer.
  • Preferred drying temperatures are in the range 100 to 250 ° C., preferably 120 to 220 ° C., and more preferably 130 to 210 ° C.
  • the preferred residence time at this temperature in the reaction mixer or dryer is preferably at least 10 minutes, more preferably at least 20 minutes, completely more preferably at least 30 minutes.
  • the postcrosslinked polymer can be re-classified.

Abstract

Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung wasserabsorbierender Polymerpartikel, wobei mindestens ein partikulärer Fördergutmassenstrom mittels eingestrahlter elektromagnetischer Wellen bestimmt wird.

Description

Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung wasserabsorbierender Polymerpartikel
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung wasserabsorbierender Polymerpartikel, wobei mindestens ein partikulärer Fördergutmassenstrom mittels eingestrahlter elektromagnetischer Wellen bestimmt wird.
Die Herstellung wasserabsorbierender Polymerpartikel wird in der Monographie "Mo- dem Superabsorbent Polymer Technology", F. L. Buchholz und AT. Graham, Wiley- VCH, 1998, Seiten 71 bis 103, beschrieben.
Wasserabsorbierende Polymere werden als wässrige Lösungen absorbierende Produkte zur Herstellung von Windeln, Tampons, Damenbinden und anderen Hygienearti- kein, aber auch als wasserzurückhaltende Mittel im landwirtschaftlichen Gartenbau verwendet.
Die Eigenschaften der wasserabsorbierenden Polymere können über den Vernetzungsgrad eingestellt werden. Mit steigendem Vernetzungsgrad steigt die Gelfestigkeit und sinkt die Zentrifugenretentionskapazität (CRC).
Zur Verbesserung der Anwendungseigenschaften, wie beispielsweise Flüssigkeitsweiterleitung im gequollenen Gelbett (SFC) in der Windel und Absorption unter Druck (AUL), werden wasserabsorbierende Polymerpartikel im allgemeinen nachvernetzt. Dadurch steigt nur der Vernetzungsgrad der Partikeloberfläche, wodurch die Absorption unter Druck (AUL) und die Zentrifugenretentionskapazität (CRC) zumindest teilweise entkoppelt werden können. Diese Nachvernetzung kann in wässriger Gelphase durchgeführt werden. Vorzugsweise werden aber getrocknete, gemahlene und abgesiebte Polymerpartikel (Grundpolymer) an der Oberfläche mit einem Nachvernetzer beschichtet, thermisch nachvernetzt und getrocknet. Dazu geeignete Vernetzer sind Verbindungen, die mindestens zwei Gruppen enthalten, die mit den Carboxylatgruppen des hydrophilen Polymeren kovalente Bindungen bilden können.
EP 1 426 157 A1 beschreibt ein kontinuierliches Verfahren zur Herstellung wasserab- sorbierender Polymerpartikel. Die einzelnen Verfahrensschritte sind durch Pufferbehälter entkoppelt. Um eine kontinuierliche Dosierung in die Nachvernetzung zu gewährleisten, wird die Verwendung von zwei Vorlagen vorgeschlagen. Der Fördergutmassenstrom in die Nachvernetzung wird über die Bestimmung von Füllstandsänderungen in den Vorlagen ermittelt.
WO 2005/122075 A1 offenbart ein kontinuierliches Verfahren zur Herstellung wasserabsorbierender Polymerpartikel, wobei das Verfahren über ein künstliches neuronales Netzwerk gesteuert wird. In dem Anwendungsbeispiel wird die Abhängigkeit der Zentri- fugenretentionskapazität (CRC) vom Vernetzergehalt der Monomerlösung zur Regelung der Zentrifugenretentionskapazität (CRC) genutzt.
WO 96/24838 A1 beschreibt ein optisches Verfahren zur Bestimmung eines Förder- gutmassenstromes, insbesondere zur Regelung der Feuerung eines Kessels mit Kohlestaub in Kohlekraftwerken.
DE 199 11 654 C1 offenbart eine Einrichtung zur Bestimmung von Geschwindigkeit und Größe von Partikeln.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war die Bereitstellung eines verbesserten Verfahrens zur kontinuierlichen Herstellung wasserabsorbierender Polymerpartikel. Insbesondere soll sich das Verfahren durch eine hohe Prozeßstabilität auszeichnen. Weiterhin sollen Prozeßstörungen schnell detektiert werden.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung war ein Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung wasserabsorbierender Polymerpartikel, das gegenüber dem Stand der Technik mit weniger Pufferbehältern auskommt.
Gelöst wurde die Aufgabe durch ein Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung wasserabsorbierender Polymerpartikel, wobei mindestens ein partikulärer Fördergutmassenstrom bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass elektromagnetische Wellen in einen mit einer Geschwindigkeit von mindestens 0,1 m/s strömenden Fördergutmassenstrom eingestrahlt werden.
Die wasserabsorbierenden Polymerpartikel weisen eine Zentrifugenretentionskapazität (CRC) von typischerweise mindestens 15 g/g, vorzugsweise mindestens 20 g/g, bevorzugt mindestens 25 g/g, besonders bevorzugt mindestens 30 g/g, ganz besonders bevorzugt mindestens 35 g/g, auf. Die Zentrifugenretentionskapazität (CRC) der wasser- absorbierenden Polymerpartikel beträgt üblicherweise weniger als 60 g/g, wobei die Zentrifugenretentionskapazität (CRC) gemäß der von der EDANA (European Dispo- sables and Nonwovens Association) empfohlenen Testmethode Nr. 441.2-02 "Centri- fuge retention capacity" bestimmt wird.
Der partikuläre Fördergutmassenstrom, der gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren bestimmt wird, kann Partikelgrößen aufweisen, die von der Partikelgröße des Zielproduktes abweichen. Es können beispielsweise Fördergutmassenströme bestimmt werden, die aus Teilchen mit einem Durchmesser von weniger als 150 μm oder aus Teilchen mit einem Durchmesser von über 850 μm bestehen. Derartige Partikel werden üblicherweise im Verfahren über entsprechende Klassierschritte abgetrennt und vorzugsweise an anderer Stelle in das Verfahren zurückgeführt. Es können aber auch Fördergutmassenströme bestimmt werden, die aus anderen Partikeln bestehen als wasserabsorbierenden Polymeren, beispielsweise pyrogene Kieselsäure mit Primärteilchen mit einem mittleren Durchmesser von ca. 10 nm.
Die Bestimmung des Fördergutmassenstromes bedeutet, dass die mit dem Fördergut- massenstrom pro Zeiteinheit transportierte Masse ermittelt wird.
Die Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung unterliegt keiner Beschränkung. Vorteilhaft können aber Laser-Dioden als Strahlenquelle eingesetzt werden. Die Wellenlänge der durch die Laser-Dioden emittierten Strahlung beträgt vorzugsweise von 0,5 bis 50 μm (6 bis 600 THz). Es ist aber auch möglich Mikrowellen als elektromagnetische Strahlung zu verwenden, wobei die Wellenlänge vorzugsweise von 1 bis 10 mm (30 bis 300 GHz) beträgt.
Der Fördergutmassenstrom kann beispielsweise bestimmt werden, indem die einge- strahlten elektromagnetischen Wellen durch die Partikel des Fördergutmassenstromes gebeugt werden. Über einen Photodetektor kann anhand der Beugung die Partikelgröße und die Partikelgeschwindigkeit ermittelt werden, wie beispielsweise in DE 199 11 654 C1 beschrieben. Hierzu werden vorzugsweise Laser-Dioden als Strahlenquelle verwendet. Derartige Bestimmungen können beispielsweise mit dem Meßgerät Par- sum® IPP 50 (Fa. Malvern Instruments GmbH, Herrenberg, DE) durchgeführt werden. Aus Partikelgröße und Partikelgeschwindigkeit kann der Fördergutmassenstrom berechnet werden.
Weiterhin kann der Fördergutmassenstrom bestimmt werden, indem die eingestrahlten elektromagnetischen Wellen von den Partikeln des Fördergutmassenstromes reflektiert werden. Anschließend werden die reflektierten elektromagnetischen Wellen hinsichtlich ihrer Frequenz und Amplitude ausgewertet, wie beispielsweise in WO 96/24838 A1 beschrieben. Hierzu werden vorzugsweise Mikrowellen verwendet. Derartige Bestimmungen können beispielsweise mit dem Meßgerät SolidFlow (Fa. SWR engineering Messtechnik GmbH, Schliengen, DE) durchgeführt werden.
Bei Rohrdurchmessern von mehr als 20 cm werden vorteilhaft 2 bzw. 3 Sensoren verwendet, wobei die Sensoren 90° bzw. 120° zueinander angeordnet sein sollten.
Die Sensoren werden vor Inbetriebnahme kalibriert, wobei vorzugsweise mindestens drei Fördergutmassenströme eingestellt werden um nichtlineares Verhalten zu erkennen.
Die Geschwindigkeit des Fördergutmassenstromes während der Einstrahlung beträgt vorzugsweise mindestens 1 m/s, bevorzugt mindestens 5 m/s, besonders bevorzugt mindestens 10 m/s, ganz besonders bevorzugt mindestens 12 m/s. Geschwindigkeiten von mehr als 40 m/s sind aufgrund der damit verbundenen erhöhten mechanischen Belastung weniger vorteilhaft.
Der Fördergutmassenstrom wird üblicherweise in Rohren mit einem kreisförmigen Querschnitt gefördert, vorzugsweise wird rostfreier Stahl verwendet. Der Fördergutmassenstrom kann pneumatisch und/oder gravimetrisch gefördert werden.
Vorzugsweise enthält der Fördergutmassenstrom zumindest teilweise wasserabsorbierende Polymerpartikel. Der Wassergehalt der geförderten wasserabsorbierenden Po- lymerpartikel beträgt vorzugsweise 0,1 bis 10 Gew.-%, besonders bevorzugt 0,5 bis 8 Gew.-%, ganz besonders bevorzugt 1 bis 5 Gew.-%, wobei der Wassergehalt gemäß der von der EDANA (European Disposables and Nonwovens Association) empfohlenen Testmethode Nr. 430.2-02 "Moisture content" bestimmt wird.
Der Fördergutmassenstrom wird üblicherweise kontinuierlich bestimmt. Dies bedeutet, dass jede mit dem Fördergutmassenstrom pro Zeiteinheit geförderte Masse ermittelt wird, ausgenommen hiervon sind außerplanmäßige Störungen.
Die optimale Gasanfangsgeschwindigkeit bei der pneumatischen Förderung hängt vom Durchmesser der Förderleitung ab. Diese Abhängigkeit wird am besten mit der Froude- Zahl beschrieben:
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Fr Froude-Zahl v Gasgeschwindigkeit
D Innendurchmesser der Transportleitung g Erdbeschleunigung
Die Froude-Zahl bei der erfindungsgemäßen pneumatischen Förderung beträgt vorzugsweise von 10 bis 40, besonders bevorzugt von 11 bis 30, ganz besonders bevorzugt von 12 bis 20.
Bei zu niedrigen Fördergeschwindigkeiten wird die pneumatische Förderung instabil und höhere Fördergeschwindigkeiten erhöhen den unerwünschten Abrieb infolge steigender mechanische Belastung.
Die Fördergutbeladung der pneumatischen Förderung beträgt vorzugsweise von 0,5 bis 20 kg/kg, besonders bevorzugt von 1 bis 10 kg/kg, ganz besonders bevorzugt von 2 bis 6 kg/kg, wobei die Fördergutbeladung der Quotient aus Fördergutmassenstrom und Gasmassenstrom ist. Grundsätzlich erhöht sich mit steigender Fördergutbeladung auch die optimale Gasanfangsgeschwindigkeit.
Der Durchmesser der Rohrleitung, in der die pneumatische Förderung durchgeführt wird, beträgt vorzugsweise von 3 bis 30 cm, besonders bevorzugt von 4 bis 25 cm, ganz besonders bevorzugt von 5 bis 20 cm. Zu niedrige Rohrdurchmesser führen zu einer höheren mechanischen Belastung durch die pneumatische Förderung und begünstigen damit den unerwünschten Abrieb. Zu große Rohrdurchmesser ermöglichen ein ebenso unerwünschtes Absetzen der wasserabsorbierenden Polymerpartikel in der Förderleitung.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine hohe Prozeßstabilität bei der Herstellung wasserabsorbierender Polymere und die schnelle Detektion von Prozeßstörungen.
Schlagartige Änderungen sind oft ein Hinweis auf Prozeßstörungen. Beispielsweise können die bei den verwendeten Klassierverfahren verwendeten Siebmaschienen ü- berwacht werden. Ein steiler Anstieg eines Fördergutmassenstromes zeigt dann einen Siebbruch an. Das schnelle Erkennen der Prozeßstörung minimiert die Menge an nicht spezifikationsgrechtem Produkt.
Weiterhin kann bei den Klassierverfahren infolge von Verstopfungen und/oder Siebüberlastungen zu einer schleichenden Verschiebung der Anteile der einzelnen Siebfraktionen kommen. Diese Störungen führen zu einer verminderten Trennschärfe der Klassierung und können durch zeitnahe Bestimmung der Fördergutmassenströme gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren frühzeitig erkannt werden.
Die Bestimmung des Fördergutmassenstromes kann auch zur Anpassung von Sollwerten in Reglern verwendet werden. Beispiele hierfür sind die Regelung des Gasmas- senstromes bei der pneumatischen Förderung, die Regelung der Heiztemperatur bei der Nachtrocknung und die Regelung der Vernetzermenge bei der Polymerisation bei gleichzeitiger Rückführung von Unterkorn (Feinkorn). Die Beispiele werden im Folgenden erläutert: Wasserabsorbierende Polymerpartikel werden vorzugsweise mittels pneumatischer Fördersysteme transportiert, wobei grundsätzlich drei verschiedene Förderarten unterscheiden lassen.
Bei Flugförderung und Strömförderung im Bereich hoher Gasgeschwindigkeiten gelten annähernd die Gesetze des frei angeströmten Einzelkorns. Es ist die klassische Art der pneumatischen Förderung. Es treten keinerlei Produktablagerungen auf. Es liegt eine im wesentlichen gleichmäßige Fördergutverteilung im Rohr vor. Sinkt die Gasgeschwindigkeit, dann kommt man in den Bereich der Strähnenförderung, wo das Fördergut vor allem in der unteren Rohrhälfte strömt. In der oberen Rohrhälfte liegt Flugförderung vor.
Bei kleinen Gasgeschwindigkeiten erfolgt die Förderung äußerst schonend als Dichtstromförderung (Pfropfenförderung, Impulsförderung) mit hohem Druckverlust.
Hohe Fördergeschwindigkeiten erhöhen die mechanische Belastung der wasserabsorbierenden Polymerpartikel und führen zu unerwünschtem Abrieb. Daher sind niedrige Fördergeschwindigkeiten bevorzugt.
Zu niedrige Fördergeschwindigkeiten im Bereich der Strähnenförderung sind aber problematisch, da in dem instabilen Bereich zwischen der Dichtstromförderung und der Strähnenförderung keine stabile Förderung möglich ist. Vielmehr können die dabei auftretenden mechanischen Belastungen zu schweren Schäden am Fördersystem, bis zum Herausreißen der Förderleitungen aus den Halterungen, führen.
Zu niedrige Fördergeschwindigkeiten können beispielsweise auftreten, wenn der Fördergutmassenstrom infolge ungleichmäßiger Beladung des pneumatischen Fördersys- tems steigt und der Gasmassenstrom nicht ausreichend angehoben wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht nun die zeitnahe Bestimmung des wirklichen Fördergutmassenstromes bereits im vorderen Bereich der Förderleitung. Dies ermöglicht eine schnelle Anpassung des Gasmassenstromes. Hierdurch ist ein gerin- gerer Sicherheitsabstand zum instabilen Bereich möglich und die pneumatische Förderung kann bei niedrigeren Fördergeschwindigkeiten betrieben werden. Der unerwünschte Abrieb kann minimiert werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch zur Regelung der Heiztemperatur bei der Nachtrocknung verwendet werden.
Üblicherweise wird das bei der Polymerisation anfallende Hydrogel auf einem Bandtrockner getrocknet. Nach der Trocknung werden unvollständig getrocknete Anteile abgetrennt, wie beispielsweise in EP 948 997 A2 beschrieben. Die unvollständig ge- trockneten Anteile können in einem separaten Trockner nachgetrocknet werden.
Die Menge unvollständig getrockneter Anteile unterliegt deutlichen Schwankungen. Daher ist es vorteilhaft diese Mengenschwankungen über einen Vorlagebehälter abzufangen. Mit der zeitnahen Bestimmung des Fördergutmassenstromes gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Trocknerleistung der Nachtrocknung optimal angepasst werden, ein Vorlagebehälter ist nicht mehr erforderlich.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann aber auch zur Regelung der Vernetzermenge bei der Polymerisation bei gleichzeitiger Rückführung von Unterkorn (Feinkorn) verwendet werden.
Bei der Herstellung wasserabsorbierender Polymerpartikel wird sowohl nach der Mah- lung als auch nach der Nachvernetzung klassiert. Hierbei wird Unterkorn (Feinkorn) abgetrennt. Aus ökonomischen Gründen ist es sinnvoll dieses Unterkorn (Feinkorn) zurückzuführen. Vorzugsweise werden sowohl das nach der Mahlung als auch das nach der Nachvernetzung anfallende Unterkorn (Feinkorn) in einem gemeinsamen Silo zwischengelagert und in die Polymerisation zurückgeführt.
Es hat sich nun herausgestellt, dass rückgeführtes nachvernetztes Unterkorn die Zent- rifugenretentionskapazität (CRC) des Endproduktes senkt. Daher ist es notwendig die Vernetzermenge bei der Polymerisation entsprechend der Menge an rückgeführtem nachvernetztem Unterkorn (Feinkorn) anzupassen. Hierfür ist das erfindungsgemäße Verfahren besonders gut geeignet. Durch die zeitnahe Bestimmung der rückgeführten Fördergutmassenströme an Unterkorn (Feinkorn) kann unmittelbar der Anteil an nachvernetztem Unterkorn (Feinkorn) in der rückgeführten Mischung berechnet und die Vernetzermenge bei der Polymerisation angepasst werden.
Vorteilhaft wird diese Messeinheit gleichzeitig zur bereits oben beschriebenen Siebüberwachung verwendet, wodurch die Anzahl der Messeinrichtungen im Verfahren niedrig gehalten werden kann.
Die im erfindungsgemäßen Verfahren einzusetzenden wasserabsorbierenden PoIy- merpartikel können durch Polymerisation von Monomerlösungen, enthaltend mindestens ein ethylenisch ungesättigtes Monomer a), wahlweise mindestens einen Vernetzer b), mindestens einen Initiator c) und Wasser d), hergestellt werden.
Die Monomeren a) sind vorzugsweise wasserlöslich, d. h. die Löslichkeit in Wasser bei 23 0C beträgt typischerweise mindestens 1 g/100 g Wasser, vorzugsweise mindestens 5 g/100 g Wasser, besonders bevorzugt mindestens 25 g/100 g Wasser, ganz besonders bevorzugt mindestens 50 g/100 g Wasser, und haben vorzugsweise mindestens je eine Säuregruppe.
Geeignete Monomere a) sind beispielsweise ethylenisch ungesättigte Carbonsäuren, wie Acrylsäure, Methacrylsäure, Maleinsäure, Fumarsäure und Itaconsäure. Besonders bevorzugte Monomere sind Acrylsäure und Methacrylsäure. Ganz besonders bevorzugt ist Acrylsäure.
Die bevorzugten Monomere a) haben mindestens eine Säuregruppe, wobei die Säure- gruppen vorzugsweise zumindest teilweise neutralisiert sind.
Der Anteil an Acrylsäure und/oder deren Salzen an der Gesamtmenge der Monomeren a) beträgt vorzugsweise mindestens 50 mol-%, besonders bevorzugt mindestens 90 mol-%, ganz besonders bevorzugt mindestens 95 mol-%.
Die Monomere a), insbesondere Acrylsäure, enthalten vorzugsweise bis zu 0,025 Gew.-% eines Hydrochinonhalbethers. Bevorzugte Hydrochinonhalbether sind Hydro- chinonmonomethylether (MEHQ) und/oder Tocopherole.
Unter Tocopherol werden Verbindungen der folgenden Formel verstanden
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wobei R1 Wasserstoff oder Methyl, R2 Wasserstoff oder Methyl, R3 Wasserstoff oder Methyl und R4 Wasserstoff oder ein Säurerest mit 1 bis 20 Kohlenstoffatomen bedeutet.
Bevorzugte Reste für R4 sind Acetyl, Ascorbyl, Succinyl, Nicotinyl und andere physiologisch verträgliche Carbonsäuren. Die Carbonsäuren können Mono-, Di- oder Tricar- bonsäuren sein.
Bevorzugt ist alpha-Tocopherol mit R1 = R2 = R3 = Methyl, insbesondere racemisches alpha-Tocopherol. R1 ist besonders bevorzugt Wasserstoff oder Acetyl. Insbesondere bevorzugt ist RRR-alpha-Tocopherol.
Die Monomerlösung enthält bevorzugt höchstens 130 Gew.-ppm, besonders bevorzugt höchstens 70 Gew.-ppm, bevorzugt mindesten 10 Gew.-ppm, besonders bevorzugt mindesten 30 Gew.-ppm, insbesondere um 50 Gew.-ppm, Hydrochinonhalbether, jeweils bezogen auf Acrylsäure, wobei Acrylsäuresalze als Acrylsäure mit berücksichtigt werden. Beispielsweise kann zur Herstellung der Monomerlösung eine Acrylsäure mit einem entsprechenden Gehalt an Hydrochinonhalbether verwendet werden.
Vernetzer b) sind Verbindungen mit mindestens zwei polymerisierbaren Gruppen, die in das Polymernetzwerk radikalisch einpolymerisiert werden können. Geeignete Ver- netzer b) sind beispielsweise Ethylenglykoldimethacrylat, Diethylenglykoldiacrylat, Al- lylmethacrylat, Trimethylolpropantriacrylat, Triallylamin, Tetraallyloxyethan, wie in EP 530 438 A1 beschrieben, Di- und Triacrylate, wie in EP 547 847 A1 , EP 559 476 A1 , EP 632 068 A1 , WO 93/21237 A1 , WO 2003/104299 A1 , WO 2003/104300 A1 , WO 2003/104301 A1 und DE 103 31 450 A1 beschrieben, gemischte Acrylate, die neben Acrylatgruppen weitere ethylenisch ungesättigte Gruppen enthalten, wie in DE 103 31 456 A1 und DE 103 55 401 A1 beschrieben, oder Vernetzermischungen, wie beispielsweise in DE 195 43 368 A1 , DE 196 46 484 A1 , WO 90/15830 A1 und WO 2002/32962 A2 beschrieben.
Geeignete Vernetzer b) sind insbesondere N,N'-Methylenbisacrylamid und N, N'- Methylenbismethacrylamid, Ester ungesättigter Mono- oder Polycarbonsäuren von Po- lyolen, wie Diacrylat oder Triacrylat, beispielsweise Butandiol- oder Ethylenglykoldiac- rylat bzw. -methacrylat sowie Trimethylolpropantriacrylat und Allylverbindungen, wie Allyl(meth)acrylat, Triallylcyanurat, Maleinsäurediallylester, Polyallylester, Tetraallyloxyethan, Triallylamin, Tetraallylethylendiamin, Allylester der Phosphorsäure sowie Vi- nylphosphonsäurederivate, wie sie beispielsweise in EP 343 427 A2 beschrieben sind. Weiterhin geeignete Vernetzer b) sind Pentaerythritoldi-, Pentaerythritoltri- und Pentae- rythritoltetraallylether, Polyethylenglykoldiallylether, Ethylenglykoldiallylether, Glyzerin- di- und Glyzerintriallylether, Polyallylether auf Basis Sorbitol, sowie ethoxylierte Varianten davon. Im erfindungsgemäßen Verfahren einsetzbar sind Di(meth)acrylate von Po- lyethylenglykolen, wobei das eingesetzte Polyethylenglykol ein Molekulargewicht zwischen 100 und 1000 aufweist.
Besonders vorteilhafte Vernetzer b) sind jedoch Di- und Triacrylate des 3- bis 20-fach ethoxylierten Glyzerins, des 3- bis 20-fach ethoxylierten Trimethylolpropans, des 3- bis 20-fach ethoxylierten Trimethylolethans, insbesondere Di- und Triacrylate des 2- bis 6-fach ethoxylierten Glyzerins oder Trimethylolpropans, des 3-fach propoxylierten Glyzerins oder Trimethylolpropans, sowie des 3-fach gemischt ethoxylierten oder propoxy- lierten Glyzerins oder Trimethylolpropans, des 15-fach ethoxylierten Glyzerins oder
Trimethylolpropans, sowie des mindestens 40-fach ethoxylierten Glyzerins, Trimethylolethans oder Trimethylolpropans.
Ganz besonders bevorzugte Vernetzer b) sind die mit Acrylsäure oder Methacrylsäure zu Di- oder Triacrylaten veresterten mehrfach ethoxylierten und/oder propoxylierten Glyzerine, wie sie beispielsweise in WO 2003/104301 A1 beschrieben sind. Besonders vorteilhaft sind Di- und/oder Triacrylate des 3- bis 10-fach ethoxylierten Glyzerins. Ganz besonders bevorzugt sind Di- oder Triacrylate des 1- bis 5-fach ethoxylierten und/oder propoxylierten Glyzerins. Am meisten bevorzugt sind die Triacrylate des 3- bis 5-fach ethoxylierten und/oder propoxylierten Glyzerins. Die Menge an Vernetzer b) beträgt vorzugsweise 0,01 bis 5 Gew.-%, besonders bevorzugt 0,05 bis 2 Gew.-%, ganz besonders bevorzugt 0,1 bis 1 Gew.-%, jeweils bezogen auf die Monomerlösung.
Als Initiatoren c) können sämtliche unter den Polymerisationsbedingungen radikalbildende Verbindungen eingesetzt werden, beispielsweise Peroxide, Hydroperoxide, Wasserstoffperoxid, Persulfate, Azoverbindungen und die sogenannten Redoxinitiato- ren. Bevorzugt ist der Einsatz von wasserlöslichen Initiatoren. In manchen Fällen ist es vorteilhaft, Mischungen verschiedener Initiatoren zu verwenden, beispielsweise Mi- schungen aus Wasserstoffperoxid und Natrium- oder Kaliumperoxodisulfat. Mischungen aus Wasserstoffperoxid und Natriumperoxodisulfat können in jedem beliebigen Verhältnis verwendet werden.
Besonders bevorzugte Initiatoren c) sind Azoinitiatoren, wie 2,2'-Azobis[2-(2- imidazolin-2-yl)propan]dihydrochlorid und 2,2'-Azobis[2-(5-methyl-2-imidazolin-2- yl)propan]dihydrochlorid, und Photoinitiatoren, wie 2-Hydroxy-2-methylpropiophenon und 1 -[4-(2-Hydroxyethoxy)-phenyl]-2-hydroxy-2-methyl-1 -propan-1 -on, Redoxinitiato- ren, wie Natriumpersulfat/ Hydroxymethylsulfinsäure, Ammoniumperoxodisul- fat/Hydroxymethylsulfinsäure, Wasserstoffperoxid/Hydroxymethylsulfinsäure, Natrium- persulfat/Ascorbinsäure, Ammoniumperoxodisulfat/Ascorbinsäure und Wasserstoffpe- roxid/Ascorbinsäure, Photoinitiatoren, wie 1-[4-(2-Hydroxyethoxy)-phenyl]-2-hydroxy-2- methyl-1-propan-1-on, sowie deren Mischungen.
Die Initiatoren werden in üblichen Mengen eingesetzt, beispielsweise in Mengen von 0,001 bis 5 Gew.-%, vorzugsweise 0,01 bis 1 Gew.-%, bezogen auf die Monomeren a).
Die bevorzugten Polymerisationsinhibitoren benötigen für eine optimale Wirkung gelösten Sauerstoff. Daher kann die Monomerlösung vor der Polymerisation durch Inertisie- rung, d.h. Durchströmen mit einem inerten Gas, vorzugsweise Stickstoff, von gelöstem Sauerstoff befreit werden. Vorzugsweise wird der Sauerstoffgehalt der Monomerlösung vor der Polymerisation auf weniger als 1 Gew.-ppm, besonders bevorzugt auf weniger als 0,5 Gew.-ppm, gesenkt.
Die Herstellung eines geeigneten Polymers sowie weitere geeignete hydrophile ethyle- nisch ungesättigte Monomere a) werden in DE 199 41 423 A1 , EP 686 650 A1 , WO 2001/45758 A1 und WO 2003/104300 A1 beschrieben.
Geeignete Reaktoren sind Knetreaktoren oder Bandreaktoren. Im Kneter wird das bei der Polymerisation einer wässrigen Monomerlösung entstehende Polymergel durch beispielsweise gegenläufige Rührwellen kontinuierlich zerkleinert, wie in WO
20001/38402 A1 beschrieben. Die Polymerisation auf dem Band wird beispielsweise in DE 38 25 366 A1 und US 6,241 ,928 beschrieben. Bei der Polymerisation in einem Bandreaktor entsteht ein Polymergel, das in einem weiteren Verfahrensschritt zerkleinert werden muss, beispielsweise in einem Fleischwolf, Extruder oder Kneter.
Vorteilhaft wird das Hydrogel nach dem Verlassen des Polymerisationsreaktors noch bei höherer Temperatur, vorzugsweise mindestens 50 0C, besonders bevorzugt mindestes 70 0C, ganz besonders bevorzugt mindestens 80 0C, sowie vorzugsweise weniger als 100 0C, gelagert, beispielsweise in isolierten Behältern. Durch die Lagerung, üblicherweise 2 bis 12 Stunden, wird der Monomerumsatz weiter erhöht.
Bei höheren Monomerumsätzen im Polymerisationsreaktor kann die Lagerung auch deutlich verkürzt bzw. auf eine Lagerung verzichtet werden.
Die Säuregruppen der erhaltenen Hydrogele sind üblicherweise teilweise neutralisiert, vorzugsweise zu 25 bis 95 mol-%, bevorzugt zu 50 bis 80 mol-%, besonders bevorzugt zu 60 bis 75 mol-%, wobei die üblichen Neutralisationsmittel verwendet werden können, vorzugsweise Alkalimetallhydroxide, Alkalimetalloxide, Alkalimetallcarbonate oder Alkalimetallhydrogencarbonate sowie deren Mischungen. Statt Alkalimetallsalzen können auch Ammoniumsalze verwendet werden. Natrium und Kalium sind als Alkalimetalle besonders bevorzugt, ganz besonders bevorzugt sind jedoch Natriumhydroxid, Natriumcarbonat oder Natriumhydrogencarbonat sowie deren Mischungen.
Die Neutralisation wird vorzugsweise auf der Stufe der Monomeren durchgeführt. Dies geschieht üblicherweise durch Einmischung des Neutralisationsmittels als wässrige Lösung, als Schmelze, oder bevorzugt auch als Feststoff. Beispielsweise kann Natri- umhydroxid mit einem Wasseranteil deutlich unter 50 Gew.-% als wachsartige Masse mit einem Schmelzpunkt oberhalb 23 0C vorliegen. In diesem Fall ist eine Dosierung als Stückgut oder Schmelze bei erhöhter Temperatur möglich.
Es ist aber auch möglich die Neutralisation nach der Polymerisation auf der Stufe des Hydrogels durchzuführen. Weiterhin ist es möglich bis zu 40 mol-%, vorzugsweise 10 bis 30 mol-%, besonders bevorzugt 15 bis 25 mol-%, der Säuregruppen vor der Polymerisation zu neutralisieren indem ein Teil des Neutralisationsmittels bereits der Monomerlösung zugesetzt und der gewünschte Endneutralisationsgrad erst nach der Polymerisation auf der Stufe des Hydrogels eingestellt wird. Wird das Hydrogel zumindest teilweise nach der Polymerisation neutralisiert, so wird das Hydrogel vorzugsweise mechanisch zerkleinert, beispielsweise mittels eines Fleischwolfes, wobei das Neutralisationsmittel aufgesprüht, übergestreut oder aufgegossen und dann sorgfältig untergemischt werden kann. Dazu kann die erhaltene Gelmasse noch mehrmals zur Homogenisierung gewolft werden.
Das Hydrogel wird dann vorzugsweise mit einem Bandtrockner getrocknet bis der Restfeuchtegehalt vorzugsweise unter 15 Gew.-%, insbesondere unter 10 Gew.-% liegt, wobei der Wassergehalt gemäß der von der EDANA (European Disposables and Nonwovens Association) empfohlenen Testmethode Nr. 430.2-02 "Moisture content" bestimmt wird. Wahlweise kann zur Trocknung aber auch ein Wirbelbetttrockner oder ein beheizter Pflugscharmischer verwendet werden. Um besonders weiße Produkte zu erhalten, ist es vorteilhaft bei der Trocknung dieses Gels einen schnellen Abtransport des verdampfenden Wassers sicherzustellen. Dazu ist die Trocknertemperatur zu optimieren, die Luftzu- und -abführung muss kontrolliert erfolgen, und es ist in jedem Fall auf ausreichende Belüftung zu achten. Die Trocknung ist naturgemäß um so einfacher und das Produkt um so weißer, wenn der Feststoffgehalt des Gels möglichst hoch ist. Bevorzugt liegt der Feststoffgehalt des Gels vor der Trocknung daher zwischen 30 und 80 Gew.-%. Besonders vorteilhaft ist die Belüftung des Trockners mit Stickstoff oder einem anderen nicht-oxidierenden Inertgas. Wahlweise kann aber auch einfach nur der Partialdruck des Sauerstoffs während der Trocknung abgesenkt werden, um oxidative Vergilbungsvorgänge zu verhindern.
Das getrocknete Hydrogel wird hiernach gemahlen und klassiert, wobei zur Mahlung üblicherweise ein- oder mehrstufige Walzenstühle, bevorzugt zwei- oder dreistufige Walzenstühle, Stiftmühlen, Hammermühlen oder Schwingmühlen eingesetzt werden können.
Die mittlere Partikelgröße der als Produktfraktion abgetrennten Polymerpartikel beträgt vorzugsweise mindestens 200 μm, besonders bevorzugt von 250 bis 600 μm, ganz besonders von 300 bis 500 μm. Die mittlere Partikelgröße der Produktfraktion kann mittels der von der EDANA (European Disposables and Nonwovens Association) emp- fohlenen Testmethode Nr. 420.2-02 "Partikel size distribution" ermittelt werden, wobei die Massenanteile der Siebfraktionen kumuliert aufgetragen werden und die mittlere Partikelgröße graphisch bestimmt wird. Die mittlere Partikelgröße ist hierbei der Wert der Maschenweite, der sich für kumulierte 50 Gew.-% ergibt.
Die Polymerpartikel können zur weiteren Verbesserung der Eigenschaften nachvernetzt werden. Geeignete Nachvernetzer sind Verbindungen, die Gruppen enthalten, die mit den mindestens zwei Carboxylatgruppen des Hydrogels kovalente Bindungen bilden können. Geeignete Verbindungen sind beispielsweise Alkoxysiliylverbindungen, Polyaziridine, Polyamine, Polyamidoamine, Di- oder Polyepoxide, wie in EP 83 022 A2, EP 543 303 A1 und EP 937 736 A2 beschrieben, di- oder polyfunktionelle Alkohole, wie in DE 33 14 019 A1 , DE 35 23 617 A1 und EP 450 922 A2 beschrieben, oder ß- Hydroxyalkylamide, wie in DE 102 04 938 A1 und US 6,239,230 beschrieben. Des weiteren sind in DE 40 20 780 C1 zyklische Karbonate, in DE 198 07 502 A1 2- Oxazolidon und dessen Derivate, wie 2-Hydroxyethyl-2-oxazolidon, in DE 198 07 992 C1 Bis- und Poly-2-oxazolidinone, in DE 198 54 573 A1 2-Oxotetrahydro-1 ,3-oxazin und dessen Derivate, in DE 198 54 574 A1 N-Acyl-2-Oxazolidone, in DE 102 04 937 A1 zyklische Harnstoffe, in DE 103 34 584 A1 bizyklische Amidacetale, in EP 1 199 327 A2 Oxetane und zyklische Harnstoffe und in WO 2003/31482 A1 Morpholin-2,3- dion und dessen Derivate als geeignete Nachvernetzer beschrieben.
Weiterhin können auch Nachvernetzer eingesetzt werden, die zusätzliche polymeri- sierbare ethylenisch ungesättigte Gruppen enthalten, wie in DE 37 13 601 A1 beschrieben
Die Menge an Nachvernetzer beträgt vorzugsweise 0,01 bis 1 Gew.-%, besonders bevorzugt 0,05 bis 0,5 Gew.-%, ganz besonders bevorzugt 0,1 bis 0,2 Gew.-%, jeweils bezogen auf das Polymer.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden zusätzlich zu den Nachvernetzern polyvalente Kationen auf die Partikeloberfläche aufgebracht.
Die im erfindungsgemäßen Verfahren einsetzbaren polyvalenten Kationen sind beispielsweise zweiwertige Kationen, wie die Kationen von Zink, Magnesium, Kalzium und Strontium, dreiwertige Kationen, wie die Kationen von Aluminium, Eisen, Chrom, Seltenerden und Mangan, vierwertige Kationen, wie die Kationen von Titan und Zirkonium. Als Gegenion sind Chlorid, Bromid, Sulfat, Hydrogensulfat, Carbonat, Hydrogencarbo- nat, Nitrat, Phosphat, Hydrogenphosphat, Dihydrogenphosphat und Carboxylat, wie Acetat und Lactat, möglich. Aluminiumsulfat ist bevorzugt. Außer Metallsalzen können auch Polyamine als polyvalente Kationen eingesetzt werden.
Die Einsatzmenge an polyvalentem Kation beträgt beispielsweise 0,001 bis 0,5 Gew.- %, vorzugsweise 0,005 bis 0,2 Gew.-%, besonders bevorzugt 0,02 bis 0,1 Gew.-%. jeweils bezogen auf das Polymer.
Die Nachvernetzung wird üblicherweise so durchgeführt, dass eine Lösung des Nach- vernetzers auf das Hydrogel oder die trockenen Polymerpartikel aufgesprüht wird. Im Anschluss an das Aufsprühen wird thermisch getrocknet, wobei die Nachvernetzungsreaktion sowohl vor als auch während der Trocknung stattfinden kann.
Das Aufsprühen einer Lösung des Vernetzers wird vorzugsweise in Mischern mit bewegten Mischwerkzeugen, wie Schneckenmischer, Paddelmischer, Scheibenmischer, Pflugscharmischer und Schaufelmischer, durchgeführt werden. Besonders bevorzugt sind Vertikalmischer, ganz besonders bevorzugt sind Pflugscharmischer und Schaufelmischer. Geeignete Mischer sind beispielsweise Lödige-Mischer, Bepex-Mischer, Nauta-Mischer, Processall-Mischer und Schugi-Mischer.
Die thermische Trocknung wird vorzugsweise in Kontakttrocknern, besonders bevorzugt Schaufeltrocknern, ganz besonders bevorzugt Scheibentrocknern, durchgeführt. Geeignete Trockner sind beispielsweise Bepex-T rockner und Nara-T rockner. Überdies können auch Wirbelschichttrockner eingesetzt werden.
Die Trocknung kann im Mischer selbst erfolgen, durch Beheizung des Mantels oder Einblasen von Warmluft. Ebenso geeignet ist ein nachgeschalteter Trockner, wie beispielsweise ein Hordentrockner, ein Drehrohrofen oder eine beheizbare Schnecke. Besonders vorteilhaft wird in einem Wirbelschichttrockner gemischt und getrocknet.
Bevorzugte Trocknungstemperaturen liegen im Bereich 100 bis 250 0C, bevorzugt 120 bis 220 0C, und besonders bevorzugt 130 bis 210 0C. Die bevorzugte Verweilzeit bei dieser Temperatur im Reaktionsmischer oder Trockner beträgt vorzugsweise mindestens 10 Minuten, besonders bevorzugt mindestens 20 Minuten, ganz besonders bevorzugt mindestens 30 Minuten.
Anschließend kann das nachvernetzte Polymer erneut klassiert werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung wasserabsorbierender Polymerpartikel, wobei mindestens ein partikulärer Fördergutmassenstrom bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass elektromagnetische Wellen in einen mit einer Geschwindigkeit von mindestens 0,1 m/s strömenden Fördergutmassenstrom eingestrahlt werden.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Fördergut- massenstrom in einem Rohr mit kreisförmigen Querschnitt gefördert wird.
3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Fördergutmassenstrom pneumatisch gefördert wird.
4. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Fördergutmassenstrom zumindest teilweise wasserabsorbierende Polymerpartikel enthält.
5. Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die geförderten wasserabsorbierenden Polymerpartikel einen Wassergehalt von weniger als 10
Gew.-% aufweisen.
6. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Fördergutmassenstrom kontinuierlich bestimmt wird.
7. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromagnetischen Wellen mittels eine Dioden-Lasers eingestrahlt werden.
8. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die eingestrahlten elektromagnetischen Wellen Mikrowellen sind.
9. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung des Fördergutmassenstroms zur Detektion von Prozeßstörungen verwendet wird.
10. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung des Fördergutmassenstroms zur Anpassung von Sollwerten in Reglern verwendet wird.
1 1. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die wasserabsorbierenden Polymerpartikel zu mindestens 50 mol-% zumindest teilweise neutralisierter polymerisierter Acrylsäure enthalten.
12. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die wasserabsorbierenden Polymerpartikel eine Zentrifugenretentionskapazität von mindestens 15 g/g aufweisen.
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