WO2008095893A1 - Verfahren zur herstellung von polymerpartikeln durch polymerisation von flüssigkeitstropfen in einer gasphase - Google Patents

Verfahren zur herstellung von polymerpartikeln durch polymerisation von flüssigkeitstropfen in einer gasphase Download PDF

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WO2008095893A1
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Annemarie Hillebrecht
Marco KRÜGER
Stefan Blei
Matthias Weismantel
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Definitions

  • the present invention relates to a process for the preparation of polymer particles by polymerization of liquid droplets in a gas phase surrounding the droplets, wherein the droplets contain at least one monomer and are coated during the polymerization with particulate solids.
  • No. 5,269,980 describes a process for the polymerization of monodisperse droplet chains in a surrounding heated gas phase.
  • the droplet chains are generated by passing the solution to be polymerized through a plurality of wells of defined size.
  • WO 2006/079631 A1 teaches the preparation of water-absorbing polymer particles by polymerization of monodisperse droplet chains in a surrounding heated gas phase. The polymer particles obtained can then be agglomerated.
  • the process steps polymerization and drying can be summarized.
  • the particle size can be adjusted by suitable process control within certain limits.
  • EP 0 496 594 A2 discloses a process for producing water-absorbing polymer particles, wherein undersize which is produced during the process is recycled to the polymerization.
  • EP 0 945 143 A2 discloses a process for coating water-absorbing polymer particles with water-absorbing polymer particles, wherein the polymer particles used for coating are more highly crosslinked.
  • the object of the present invention was to provide an improved process for the preparation of polymer particles by polymerization of liquid droplets in a gas phase surrounding the droplets.
  • the object was achieved by a process for the preparation of polymer particles by polymerization of liquid droplets containing at least one monomer in a gas phase surrounding the droplets, characterized in that the droplets are coated during the polymerization with particulate solids.
  • the coating can prevent the formation of agglomerates and wall coverings during the polymerization.
  • the average diameter of the droplets produced is preferably at least 200 .mu.m, more preferably at least 250 .mu.m, most preferably at least 300 .mu.m, wherein the droplet diameter can be determined by light scattering.
  • the diameter of the particulate solids is preferably less than 200 microns, more preferably less than 150 microns, most preferably less than 100 microns, on, wherein the particle diameter can be determined by light scattering.
  • the particulate solids may themselves be polymer particles.
  • compulsorily accumulating polymer particles for example by polymerization to small droplets or attrition, are used in the process and in this way recycled into the process.
  • the type of coating is subject to no restriction. For example, it is possible to carry out the polymerization in the presence of a circulating gas and to predispers the particulate solid in the recycle gas. But it is also possible to meter the particulate solids by means of one or more two-fluid nozzles in the reaction space.
  • the particulate solids are metered in at a level where the monomer conversion is less than 90 mol%, preferably less than 75 mol%, more preferably less than 60 mol%, most preferably less than 45 mol%.
  • the polymerizing drops are collected at the point where the particulate solid is added in a suitable solvent with a suitable polymerization inhibitor. Subsequently, the monomer content of the collected drops can be determined by conventional methods. At low monomer conversions For example, the particulate solids can penetrate deeper into the drops and become more tightly bound. Furthermore, larger amounts of particulate solids can be incorporated.
  • the polymerizing droplets fall in a fluidized bed and the coating with the particulate solid is carried out only in the fluidized bed. Due to the longer residence time in this case the coating yield is higher.
  • the type of monomers and their concentration in the liquid are not limited. Thus, it is possible to polymerize monomers in bulk or as a solution in a suitable solvent, for example methanol, diethyl ether or water. Preferably, ethylenically unsaturated monomers are used in the process according to the invention.
  • Ethylenically unsaturated monomers are, for example, ethylenically unsaturated C 3 -C 6 -carboxylic acids. These compounds are, for example, acrylic acid, methacrylic acid, ethacrylic acid, .alpha.-chloroacrylic acid, crotonic acid, maleic acid, maleic anhydride, itaconic acid, citraconic acid, mesaconic acid, glutaconic acid, acontic acid and fumaric acid and the alkali metal or ammonium salts of these acids.
  • Suitable monomers are acrylamidopropanesulfonic acid, vinylphosphonic acid and / or alkali metal or ammonium salts of vinylsulfonic acid, wherein acids are used either in unneutralized form or in partially or up to 100% neutralized form.
  • monoethylenically unsaturated sulfonic or phosphonic acids for example allylsulfonic acid, sulfoethyl acrylate, sulfoethyl methacrylate, sulfopropyl acrylate, sulfopropyl methacrylate, 2-hydroxy-3-acryloxypropylsulfonic acid, 2-hydroxy-3-methacryloxypropylsulfonic acid, allylphosphonic acid, styrenesulfonic acid and acrylamido-2-methyl propane sulfonic acid.
  • allylsulfonic acid for example allylsulfonic acid, sulfoethyl acrylate, sulfoethyl methacrylate, sulfopropyl acrylate, sulfopropyl methacrylate, 2-hydroxy-3-acryloxypropylsulfonic acid, 2-hydroxy-3-methacryloxypropylsulfonic acid,
  • Suitable monomers are, for example, acrylamide, methacrylamide, crotonamide, acrylonitrile, methacrylonitrile, dimethylaminoethyl methacrylate, dimethylaminoethyl acrylate, dimethylaminopropyl acrylate, diethylaminopropyl acrylate, dimethylaminobutyl acrylate, dimethylaminoethyl methacrylate, diethylaminoethyl methacrylate, dimethylaminoneopentyl acrylate and dimethylaminoneopentyl methacrylate and their quaternization products, for example with methyl chloride, hydroxyethyl acrylate, Hydroxyethyl methacrylate, hydroxypropyl acrylate and hydroxypropyl methacrylate.
  • suitable monomers are monomers which are obtainable by reacting nitrogen-containing heterocycles and / or carboxamides, such as vinylimidazole, vinylpyrazole and vinylpyrrolidone, vinylcaprolactam and vinylformamide, with acetylene, which may also be quaternized, for example with methyl chloride, and monomers obtained by reacting nitrogen-containing compounds such as diallyldimethylammonium chloride, with allyl alcohol or allyl chloride are available.
  • nitrogen-containing heterocycles and / or carboxamides such as vinylimidazole, vinylpyrazole and vinylpyrrolidone, vinylcaprolactam and vinylformamide
  • acetylene which may also be quaternized, for example with methyl chloride
  • monomers obtained by reacting nitrogen-containing compounds such as diallyldimethylammonium chloride, with allyl alcohol or allyl chloride are available.
  • vinyl and allyl esters as well as vinyl and allyl ethers such as vinyl acetate, allyl acetate, methyl vinyl ether and methyl allyl ether may also be used as monomers.
  • the monomers can be used alone or mixed with one another, for example mixtures containing two or more monomers.
  • the process according to the invention is suitable, for example, for producing water-absorbing polymer particles.
  • the preparation of water-absorbing polymer particles is described in the monograph "Modern Superabsorbent Polymer Technology", F.L. Buchholz and AT. Graham, Wiley-VCH, 1998, pages 71-103.
  • Water-absorbing polymers are used as aqueous solution-absorbing products for making diapers, tampons, sanitary napkins and other sanitary articles, but also as water-retaining agents in agricultural horticulture.
  • the generated drops preferably contain
  • the water content of the polymerizing droplets is preferably at least 15% by weight, more preferably at least 30% by weight, most preferably at least 45% by weight.
  • the polymerizing drops are collected at the point where the particulate solid is added. Subsequently, the water content of the collected drops can be determined by conventional methods, for example Karl Fischer titration.
  • the particulate solids used for coating are themselves water-absorbing polymer particles.
  • 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. Particularly preferred monomers are acrylic acid and methacrylic acid. Especially preferred is 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%.
  • the acid groups of the monomers a) are usually partially neutralized, preferably from 25 to 85 mol%, preferably from 50 to 80 mol%, particularly preferably from 60 to 75 mol%, where the customary neutralizing agents can be used, preferably alkali metal hydroxides , Alkali metal oxides, alkali metal carbonates or alkali metal hydrogencarbonates and mixtures thereof. Instead of alkali metal salts and ammonium salts can be used. Sodium and potassium are particularly preferred as the alkali metals, but most preferred are sodium hydroxide, sodium carbonate or sodium bicarbonate and mixtures thereof.
  • the neutralization is achieved by mixing the neutralizing agent as an aqueous solution, as a melt, or preferably as a solid.
  • sodium hydroxide with a water content well below 50 wt .-% may be present as a waxy mass with a melting point above 23 ° C. In this case, a dosage as general cargo or melt at elevated temperature is possible.
  • Preferred hydroquinone half ethers are hydroquinone monomethyl ether (MEHQ).
  • the monomer solution preferably contains at most 160 ppm by weight, preferably 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% by weight.
  • ppm Hydroquinone Halbether, each based on acrylic acid, wherein acrylic acid salts are taken into account as acrylic acid.
  • acrylic acid salts are taken into account as acrylic acid.
  • Crosslinkers b) are compounds having at least two polymerizable groups which can be radically copolymerized into the polymer network.
  • Suitable crosslinkers 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 DE 103 55 401 A1, or crosslinker mixtures, as described, for example, in DE 195 43 368 A1, DE
  • 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 300 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.
  • di- and / or triacrylates of 3- to 10-fold ethoxylated glycerol are particularly advantageous.
  • Most preferred are the triacrylates of 3 to 5 times ethoxylated and / or propoxylated glycerin.
  • the monomer solution preferably contains at least 0.1% by weight, preferably at least 0.2% by weight, particularly preferably at least 0.3% by weight, very particularly preferably at least 0.4% by weight, crosslinker b), in each case based on monomer a).
  • initiators c) it is possible to use all compounds which decompose into free radicals under the polymerization conditions, for example peroxides, hydroperoxides, hydrogen peroxide, persulfates, azo compounds and the so-called redox initiators. Preference is given to the use of water-soluble initiators. In some cases, it is advantageous to use 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 polymerization inhibitors can also be removed by absorption, for example on activated carbon.
  • the solids content of the monomer solution is preferably at least 35 wt .-%, preferably at least 38 wt .-%, more preferably at least 40 wt .-%, most preferably at least 42 wt .-%.
  • the solids content is the sum of all nonvolatile constituents after the polymerization. These are monomer a), crosslinker b) and initiator c).
  • the oxygen content of the monomer solution is preferably at least 1 ppm by weight, particularly preferably at least 2 ppm by weight, very particularly preferably at least 1 ppm by weight. at least 5 ppm by weight.
  • the usual inerting of the monomer solution can therefore be largely dispensed with.
  • the increased oxygen content stabilizes the monomer solution and allows the use of lesser amounts of polymerization inhibitor and thus reduces the product discolorations caused by the polymerization inhibitor.
  • the monomer solution is metered into the gas phase for polymerization.
  • the oxygen content of the gas phase is preferably 0.001 to 0.15% by volume, more preferably 0.002 to 0.1% by volume, very particularly preferably 0.005 to 0.05% by volume.
  • the gas phase preferably contains only inert gases besides oxygen, i. Gases which do not interfere with the polymerization under reaction conditions, for example nitrogen and / or water vapor.
  • substantially monodisperse droplet chains are produced, for example by means of a dropletizer plate or a dropletizer tube.
  • a dropletizer plate is a plate with at least one bore, with the liquid passing through the bore from above.
  • the dropletizer plate or the liquid can be set in vibration, whereby an ideally monodisperse droplet chain is produced on the underside of the dropletizer per bore.
  • a Vertropferrohr is a tube with at least one bore, wherein the liquid passes from above through the bore.
  • the Vertropferrohr or the liquid can in
  • Vibrations are added, whereby at the bottom of the Vertropferrohrs per bore an ideally monodisperse droplet chain is generated.
  • the number and size of the holes are selected according to the desired capacity and drop size.
  • the drop diameter is usually 1, 9 times the diameter of the bore. It is important here that the liquid to be dripped does not pass through the bore too quickly or the pressure loss through the bore is not too great. Otherwise, the liquid is not dripped, but the liquid jet is torn due to the high kinetic energy (sprayed).
  • the dropletizer is operated in the flow region of the laminar jet disintegration, ie the Reynolds number based on the throughput per bore and the bore diameter is preferably less than 2,000, preferably less than 1,000, more preferably less than 500, most preferably less than 100.
  • the pressure drop across the bore is preferably less than 2.5 bar, more preferably less than 1.5 bar, most preferably less than 1 bar.
  • the diameter of the holes is adjusted to the desired drop size.
  • the droplets produced have an average droplet size of preferably at least 200 .mu.m, more preferably at least 250 .mu.m, most preferably at least 300 .mu.m, wherein the droplet diameter can be determined by light scattering.
  • the dripping can also be carried out by means of pneumatic drawing nozzles, rotation, cutting of a jet or quickly actuable micro-valve nozzles.
  • a liquid jet is accelerated along with a gas flow through a baffle.
  • the diameter of the liquid jet and thus the droplet diameter can be influenced.
  • the exiting liquid jet can also be cut into defined segments by means of a rotating knife. Each segment then forms a drop.
  • drops are generated directly with a defined volume of liquid.
  • the gas phase flows as a carrier gas through the reaction space.
  • the carrier gas can be passed through the reaction space in cocurrent or in countercurrent to the freely falling drops of the monomer solution, preferably in cocurrent.
  • the carrier gas after a passage at least partially, preferably at least 50%, more preferably at least 75%, recycled as recycle gas into the reaction space.
  • a portion of the carrier gas is discharged after each pass, preferably up to 10%, more preferably up to 3%, most preferably up to 1%.
  • the gas velocity is preferably adjusted so that the flow is directed in the polymerization reactor, for example, there are no convection vortices opposite the general flow direction, and is for example 0.01 to 5 m / s, preferably 0.02 to 4 m / s, particularly preferably 0 , 05 to 3 m / s, most preferably 0.1 to 2 m / s.
  • the gas flowing through the reactor is expediently preheated to the reaction temperature upstream of the reactor.
  • the reaction temperature is in the thermally induced polymerization preferably 100 to 250 0 C, more preferably 120 to 200 0 C, most preferably 150 to 180 ° C.
  • the reaction can be carried out in overpressure or under reduced pressure, a negative pressure of up to 100 mbar relative to the ambient pressure is preferred.
  • the reaction offgas i. the gas leaving the reaction space can be cooled, for example, in a heat exchanger. This condense water and unreacted monomer a). Thereafter, the reaction offgas can be at least partially reheated and recycled as recycle gas in the reactor. Part of the reaction off-gas can be discharged and replaced by fresh gas, wherein water contained in the reaction offgas and unreacted monomers a) can be separated off and recycled.
  • a heat network that is, a portion of the waste heat during cooling of the exhaust gas is used to heat the circulating gas.
  • the reactors can be accompanied by heating.
  • the heat tracing is adjusted so that the wall temperature is at least 5 ° C above the internal reactor temperature and the condensation on the reactor walls is reliably avoided.
  • the reaction product can be removed from the reactor in the usual way and optionally dried to the desired residual moisture content and to the desired residual monomer content.
  • the reaction product is preferably dried in at least one fluidized bed.
  • the polymer particles can be post-crosslinked to further improve the properties.
  • Postcrosslinkers are compounds containing at least two groups which can form covalent bonds with the 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 described 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 ,
  • 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 display 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 170 to 250 0 C, preferably 180 to 220 0 C, and particularly preferably 190 to 210 0 C. Any artwork is preferably The preferred residence time at this temperature in the reaction mixer or dryer at least 10 minutes, more preferably at least 20 minutes, most preferably at least 30 minutes.
  • the process according to the invention makes it possible to produce water-absorbing polymer particles having constant properties.
  • the water-absorbing polymer particles obtainable by the process according to the invention 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, up.
  • the centrifuge retention capacity (CRC) of the water-absorbing polymer particles is usually less than 100 g / g.
  • the centrifuge retention capacity of the water-absorbing polymer particles is determined according to the test method No. 441.2-02 "Centrifuge retention capacity" recommended by the EDANA (European Disposables and Nonwovens Association).
  • the average diameter of the water-absorbing polymer particles obtainable by the process according to the invention is preferably at least 200 .mu.m, particularly preferably from 250 to 600 .mu.m, very particularly from 300 to 500 .mu.m, where the particle diameter can be determined by light scattering and the volume-average mean diameter.
  • 90% of the polymer particles have a diameter of preferably 100 to 800 .mu.m, more preferably from 150 to 700 .mu.m, most preferably from 200 to 600 .mu.m.

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Abstract

Verfahren zur Herstellung von Polymerpartikeln durch Polymerisation von Flüssigkeitstropfen in einer die Tropfen umgebenden Gasphase, wobei die Tropfen mindestens ein Monomer enthalten und während der Polymerisation mit partikulären Feststoffen beschichtet werden.

Description

Verfahren zur Herstellung von Polymerpartikeln durch Polymerisation von Flüssigkeitstropfen in einer Gasphase
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Polymerpartikeln durch Polymerisation von Flüssigkeitstropfen in einer die Tropfen umgebenden Gasphase, wobei die Tropfen mindestens ein Monomer enthalten und während der Polymerisation mit partikulären Feststoffen beschichtet werden.
US 5,269,980 beschreibt ein Verfahren zur Polymerisation monodisperser Tropfenketten in einer umgebenden erwärmten Gasphase. Die Tropfenketten werden erzeugt, indem die zu polymerisierende Lösung durch eine Vielzahl von Bohrungen definierter Größe hindurchtritt.
WO 2006/079631 A1 lehrt die Herstellung wasserabsorbierender Polymerpartikel durch Polymerisation monodisperser Tropfenketten in einer umgebenden erwärmten Gasphase. Die erhaltenen Polymerpartikel können anschließend Agglomeriert werden.
Durch Polymerisation von Flüssigkeitstropfen in einer Gasphase können die Verfahrensschritte Polymerisation und Trocknung zusammengefasst werden. Zusätzlich kann die Partikelgröße durch geeignete Verfahrensführung in gewissen Grenzen eingestellt werden.
EP 0 496 594 A2 offenbart ein Verfahren zur Herstellung wasserabsorbierender Polymerpartikel, wobei während des Verfahrens anfallendes Unterkorn in die Polymerisation rückgeführt wird.
EP 0 945 143 A2 offenbart ein Verfahren zur Beschichtung wasserabsorbierender Po- lymerpartikel mit wasserabsorbierenden Polymerpartikeln, wobei die zur Beschichtung verwendeten Polymerpartikel höher vernetzt sind.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war die Bereitstellung eines verbesserten Verfahrens zur Herstellung von Polymerpartikeln durch Polymerisation von Flüssigkeitstrop- fen in einer die Tropfen umgebenden Gasphase.
Insbesondere war es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren bereitzustellen, das wenig störanfällig ist und eine hohe Ausbeute ermöglicht.
Gelöst wurde die Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung von Polymerpartikeln durch Polymerisation von Flüssigkeitstropfen, enthaltend mindestens ein Monomer, in einer die Tropfen umgebenden Gasphase, dadurch gekennzeichnet, dass die Tropfen während der Polymerisation mit partikulären Feststoffen beschichtet werden. Durch die Beschichtung läßt sich die Bildung von Agglomeraten und Wandbelägen während der Polymerisation verhindern.
Insbesondere bei der Polymerisation von Monomerlösungen führt eine zu schnelle Trocknung zu niedrigen Monomerumsätzen. Andererseits sind Polymerpartikel mit höherem Lösungsmittelgehalt auch klebriger und haben daher auch eine erhöhte Neigung zur Bildung von Agglomeraten und Wandbelägen.
Durch die Beschichtung mit partikulären Feststoffen läßt sich nun die Bildung von Ag- glomeraten und Wandbelägen zurückdrängen.
Der mittlere Durchmesser der erzeugten Tropfen beträgt vorzugsweise mindestens 200 μm, besonders bevorzugt mindestens 250 μm, ganz besonders bevorzugt mindestens 300 μm, wobei der Tropfendurchmesser durch Lichtstreuung bestimmt werden kann.
Der Durchmesser der partikulären Feststoffen beträgt vorzugsweise weniger als 200 μm, besonders bevorzugt weniger als 150 μm, ganz besonders bevorzugt weniger als 100 μm, auf, wobei der Partikeldurchmesser durch Lichtstreuung bestimmt werden kann.
Die partikulären Feststoffe können auch selber Polymerpartikel sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden im Verfahren zwangsweise anfallende Polymerpartikel, beispielsweise durch Polymerisation zu kleiner Tropfen oder Abrieb, verwendet und auf diese Weise in das Verfahren rückgeführt.
Die Art der Beschichtung unterliegt keiner Beschränkung. Beispielsweise ist es möglich die Polymerisation in Gegenwart eines Kreisgases durchzuführen und den partikulären Feststoff in dem Kreisgas vorzudispergieren. Es ist aber auch möglich die partikulären Feststoffe mittels einer oder mehrerer Zweistoffdüsen in den Reaktionsraum zu dosieren.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden die partikulären Feststof- fe in einem Beeich zudosiert, wo der Monomerumsatz weniger als 90 mol-%, vorzugsweise weniger als 75 mol-%, besonders bevorzugt weniger als 60 mol-%, ganz besonders bevorzugt weniger als 45 mol-%, beträgt. Zur Bestimmung des Monomerumsat- zes werden die polymerisierenden Tropfen an der Stelle, wo der partikuläre Feststoff zugesetzt wird, in einem geeigneten Lösungsmittel mit einem geeigneten Polymerisati- onsinhibitor, aufgefangen. Anschließend kann der Monomergehalt der aufgefangenen Tropfen nach üblichen Methoden bestimmt werden. Bei niedrigen Monomerumsätzen können die partikuläre Feststoffe tiefer in die Tropfen eindringen und werden fester gebunden. Weiterhin können auch größere Anteile an partikulären Feststoffen eingearbeitet werden.
In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung fallen die polymerisie- renden Tropfen in eine Wirbelschicht und die Beschichtung mit dem partikulären Feststoff wird erst in der Wirbelschicht durchgeführt. Aufgrund der längeren Verweilzeit ist hierbei die Beschichtungsausbeute höher.
Selbstverständlich sind auch Kombinationen der vorgenannten Ausführungsformen möglich.
Die Art der Monomeren und deren Konzentration in der Flüssigkeit unterliegen keiner Beschränkung. So ist es möglich Monomere in Substanz oder als Lösung in einem geeigneten Lösungsmittel, beispielsweise Methanol, Diethylether oder Wasser, zu po- lymerisieren. Vorzugsweise werden im erfindungsgemäßen Verfahren ethylenisch ungesättigte Monomere eingesetzt.
Ethylenisch ungesättigte Monomere sind beispielsweise ethylenisch ungesättigte C3- Cβ-Carbonsäuren. Bei diesen Verbindungen handelt es sich beispielsweise um Acryl- säure, Methacrylsäure, Ethacrylsäure, α-Chloracrylsäure, Crotonsäure, Maleinsäure, Maleinsäureanhydrid, Itaconsäure, Citraconsäure, Mesaconsäure, Glutaconsäure, A- conitsäure und Fumarsäure sowie die Alkali- oder Ammoniumsalze dieser Säuren.
Weitere geeignete Monomere sind Acrylamidopropansulfonsäure, Vinylphosphonsäure und/oder Alkali- bzw. Ammoniumsalze der Vinylsulfonsäure, wobei Säuren entweder in nicht neutralisierter Form oder in partiell bzw. bis zu 100 % neutralisierter Form eingesetzt werden.
Weiterhin kommen monoethylenisch ungesättigte Sulfon- oder Phosphonsäuren als Monomere in Betracht, beispielsweise Allylsulfonsäure, Sulfoethylacrylat, Sulfoethyl- methacrylat, Sulfopropylacrylat, Sulfopropylmethacrylat, 2-Hydroxy-3- acryloxypropylsulfonsäure, 2-Hydroxy-3-methacryloxypropylsulfonsäure, Al- lylphosphonsäure, Styrolsulfonsäure und 2-Acrylamido-2-methylpropansulfonsäure.
Weitere geeignete Monomere sind beispielsweise Acrylamid, Methacrylamid, Croton- säureamid, Acrylnitril, Methacrylnitril, Dimethylaminoethylmethacrylat, Dimethylami- noethylacrylat, Dimethylaminopropylacrylat, Diethylaminopropylacrylat, Dimethylami- nobutylacrylat, Dimethylaminoethylmethacrylat, Diethylaminoethylmethacrylat, Di- methylaminoneopentylacrylat und Dimethylaminoneopentylmethacrylat sowie deren Quarternisierungsprodukte, beispielsweise mit Methylchlorid, Hydroxyethylacrylat, Hydroxyethylmethacrylat, Hydroxypropylacrylat und Hydroxypropylmethacrylat. Weitere geeignete Monomere sind Monomere, die durch Umsetzung von stickstoffhaltigen Heterocyclen und/oder Carbonsäureamiden, wie Vinylimidazol, Vinylpyrazol sowie Vinylpyrrolidon, Vinylcaprolactam und Vinylformamid, mit Acetylen erhältlich sind, die auch quarternisiert sein können, beispielsweise mit Methylchlorid, und Monomere, die durch Umsetzung von stickstoffhaltigen Verbindungen, wie Diallyldimethylammoni- umchlorid, mit Allylalkohol oder Allylchlorid erhältlich sind.
Des Weiteren können auch Vinyl- und Allylester sowie Vinyl- und Allylether, wie Vinyl- acetat, Allylacetat, Methylvinylether und Methylallylether, als Monomere verwendet werden.
Die Monomeren können allein oder in Mischung untereinander eingesetzt werden, beispielsweise Mischungen, enthaltend zwei oder mehr Monomere.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich beispielsweise zur Herstellung wasserabsorbierender Polymerpartikel. Die Herstellung wasserabsorbierender Polymerpartikel wird in der Monographie "Modern 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 Hygieneartikeln, aber auch als wasserzurückhaltende Mittel im landwirtschaftlichen Gartenbau verwendet.
Die erzeugten Tropfen enthalten vorzugsweise
a) mindestens ein ethylenisch ungesättigtes Monomer, b) mindestens einen Vernetzer, c) mindestens einen Initiator und d) Wasser.
Während der Beschichtung beträgt der Wassergehalt der polymerisierenden Tropfen vorzugsweise mindestens 15 Gew.-%, besonders bevorzugt mindestens 30 Gew.-%, ganz besonders bevorzugt mindestens 45 Gew.-%. Zur Bestimmung des Wasserge- halts werden die polymerisierenden Tropfen an der Stelle, wo der partikuläre Feststoff zugesetzt wird, aufgefangen. Anschließend kann der Wassergehalt der aufgefangenen Tropfen nach üblichen Methoden, beispielsweise Karl-Fischer-Titration, bestimmt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die zur Beschichtung verwendeten partikulären Feststoffe selber wasserabsorbierende Polymerpartikel. Die Monomeren a) sind vorzugsweise wasserlöslich, d.h. die Löslichkeit in Wasser bei 23°C 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 bevor- zugt ist Acrylsäure.
Die bevorzugten Monomere a) haben mindestens eine Säuregruppe, wobei die Säuregruppen 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 Säuregruppen der Monomere a) sind üblicherweise teilweise neutralisiert, vor- zugsweise zu 25 bis 85 mol-%, bevorzugt zu 50 bis 80 mol-%, besonders bevorzugt 60 bis 75 mol-%, wobei die üblichen Neutralisationsmittel verwendet werden können, vorzugsweise Alkalimetallhydroxide, Alkalimetalloxide, Alkalimetallcarbonate oder Alkali- metallhydrogencarbonate sowie deren Mischungen. Statt Alkalimetallsalzen können auch Ammoniumsalze verwendet werden. Natrium und Kalium sind als Alkalimetalle besonders bevorzugt, ganz besonders bevorzugt sind jedoch Natriumhydroxid, Natri- umcarbonat oder Natriumhydrogencarbonat sowie deren Mischungen. Üblicherweise wird die Neutralisation durch Einmischung des Neutralisationsmittels als wässrige Lösung, als Schmelze, oder bevorzugt auch als Feststoff erreicht. Beispielsweise kann Natriumhydroxid mit einem Wasseranteil deutlich unter 50 Gew.-% als wachsartige Masse mit einem Schmelzpunkt oberhalb 23°C vorliegen. In diesem Fall ist eine Dosierung als Stückgut oder Schmelze bei erhöhter Temperatur möglich.
Die Monomere a), insbesondere Acrylsäure, enthalten vorzugsweise bis zu 0,025 Gew.-% eines Hydrochinonhalbethers. Bevorzugte Hydrochinonhalbether sind Hydro- chinonmonomethylether (MEHQ).
Die Monomerlösung enthält vorzugsweise höchstens 160 Gew.-ppm, 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 Acrylsäure- salze als Acrylsäure mit berücksichtigt werden. Beispielsweise kann zur Herstellung der Monomerlösung eine Acrylsäure mit einem entsprechenden Gehalt an Hydrochi- nonhalbether verwendet werden.
Vernetzer b) sind Verbindungen mit mindestens zwei polymerisierbaren Gruppen, die in das Polymernetzwerk radikalisch einpolymerisiert werden können. Geeignete Vernetzer 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 300 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 Monomerlösung enthält vorzugsweise mindestens 0,1 Gew.-%, bevorzugt mindestens 0,2 Gew.-%, besonders bevorzugt mindestens 0,3 Gew.-%, ganz besonders bevorzugt mindestens 0,4 Gew.-%, Vernetzer b), jeweils bezogen auf Monomer a).
Als Initiatoren c) können sämtliche unter den Polymerisationsbedingungen in Radikale zerfallende 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 Mischungen aus Wasserstoffperoxid und Natrium- oder Kaliumperoxodisulfat. Mischun- gen 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 Polymerisationsinhibitoren können auch durch Absorption, beispielsweise an Aktivkohle, entfernt werden.
Der Feststoffgehalt der Monomerlösung beträgt vorzugsweise mindestens 35 Gew.-%, bevorzugt mindestens 38 Gew.-%, besonders bevorzugt mindestens 40 Gew.-%, ganz besonders bevorzugt mindestens 42 Gew.-%. Dabei ist der Feststoffgehalt die Summe aller nach der Polymerisation nichtflüchtigen Bestandteile. Dies sind Monomer a), Vernetzer b) und Initiator c).
Der Sauerstoffgehalt der Monomerlösung beträgt vorzugsweise mindestens 1 Gew.- ppm, besonders bevorzugt mindestens 2 Gew.-ppm, ganz besonders bevorzugt min- destens 5 Gew.-ppm. Auf die übliche Inertisierung der Monomerlösung kann daher weitgehend verzichtet werden.
Der erhöhte Sauerstoffgehalt stabilisiert die Monomerlösung und ermöglicht die Ver- wendung geringerer Mengen an Polymerisationsinhibitor und vermindert damit die durch den Polymerisationsinhibitor verursachten Produktverfärbungen.
Die Monomerlösung wird zur Polymerisation in die Gasphase dosiert. Der Sauerstoffgehalt der Gasphase beträgt vorzugsweise 0,001 bis 0,15 Vol. -%, besonders bevor- zugt 0,002 bis 0,1 Vol.-%, ganz besonders bevorzugt 0,005 bis 0,05 Vol.-%.
Die Gasphase enthält neben Sauerstoff vorzugsweise nur inerte Gase, d.h. Gase, die unter Reaktionsbedingungen nicht in die Polymerisation eingreifen, beispielsweise Stickstoff und/oder Wasserdampf.
Vorzugsweise werden weitgehend monodisperse Tropfenketten erzeugt, beispielsweise mittels einer Vertropferplatte oder einem Vertropferrohr.
Eine Vertropferplatte ist eine Platte mit mindestens einer Bohrung, wobei die Flüssig- keit von oben durch die Bohrung tritt. Die Vertropferplatte bzw. die Flüssigkeit kann in Schwingungen versetzt werden, wodurch an der Unterseite der Vertropferplatte je Bohrung eine idealerweise monodisperse Tropfenkette erzeugt wird.
Ein Vertropferrohr ist eine Rohr mit mindestens einer Bohrung, wobei die Flüssigkeit von oben durch die Bohrung tritt. Das Vertropferrohr bzw. die Flüssigkeit kann in
Schwingungen versetzt werden, wodurch an der Unterseite des Vertropferrohrs je Bohrung eine idealerweise monodisperse Tropfenkette erzeugt wird.
Die Anzahl und die Größe der Bohrungen werden gemäß der gewünschten Kapazität und Tropfengröße ausgewählt. Der Tropfendurchmesser beträgt dabei üblicherweise das 1 ,9fache des Durchmessers der Bohrung. Wichtig ist hierbei, dass die zu vertropfende Flüssigkeit nicht zu schnell durch die Bohrung tritt bzw. der Druckverlust über die Bohrung nicht zu groß ist. Ansonsten wird die Flüssigkeit nicht vertropft, sondern der Flüssigkeitsstrahl wird infolge der hohen kinetischen Energie zerrissen (versprüht). Der Vertropfer wird im Strömungsbereich des laminaren Strahlzerfalls betrieben, d.h. die Reynoldszahl bezogen auf den Durchsatz pro Bohrung und den Bohrungsdurchmesser ist vorzugsweise kleiner als 2.000, bevorzugt kleiner 1.000, besonders bevorzugt kleiner 500, ganz besonders bevorzugt kleiner 100. Der Druckverlust über die Bohrung beträgt vorzugsweise weniger als 2,5 bar, besonders bevorzugt weniger als 1 ,5 bar, ganz besonders bevorzugt weniger als 1 bar. Der Durchmesser der Bohrungen wird an die gewünschte Tropfengröße angepasst. Die erzeugten Tropfen weisen eine mittlere Tropfengröße von vorzugsweise mindestens 200 μm, besonders bevorzugt von mindestens 250 μm, ganz besonders bevorzugt von mindestens 300 μm, auf, wobei der Tropfendurchmesser durch Lichtstreuung be- stimmt werden kann.
Die Vertropfung kann aber auch mittels pneumatischer Ziehdüsen, Rotation, Zerschneiden eines Strahls oder schnell ansteuerbarer Mikroventildüsen durchgeführt werden.
In einer pneumatischen Ziehdüse wird ein Flüssigkeitsstrahl zusammen mit einem Gasstrom durch eine Blende beschleunigt. Über die Gasmenge kann der Durchmesser des Flüssigkeitsstrahls und damit der Tropfendurchmesser beeinflusst werden.
Bei der Vertropfung durch Rotation tritt die Flüssigkeit durch die Öffnungen einer rotierenden Scheibe. Durch die auf die Flüssigkeit wirkende Fliehkraft werden Tropfen definierter Größe abgerissen. Bevorzugte Vorrichtungen zur Rotationsvertropfung werden beispielsweise in DE 43 08 842 A1 beschrieben
Der austretende Flüssigkeitsstrahl kann aber auch mittels eines rotierenden Messers in definierte Segmente zerschnitten werden. Jedes Segment bildet anschließend einen Tropfen.
Bei Verwendung von Mikroventildüsen werden direkt Tropfen mit definiertem Flüssig- keitsvolumen erzeugt.
Bevorzugt strömt die Gasphase als Trägergas durch den Reaktionsraum. Dabei kann das Trägergas im Gleichstrom oder im Gegenstrom zu den frei fallenden Tropfen der Monomerlösung durch den Reaktionsraum geführt werden, bevorzugt im Gleichstrom. Vorzugsweise wird das Trägergas nach einem Durchgang zumindest teilweise, bevorzugt zu mindestens 50%, besonders bevorzugt zu mindestens 75%, als Kreisgas in den Reaktionsraum zurückgeführt. Üblicherweise wird eine Teilmenge des Trägergases nach jedem Durchgang ausgeschleust, vorzugsweise bis zu 10%, besonders bevorzugt bis zu 3%, ganz besonders bevorzugt bis zu 1 %.
Die Gasgeschwindigkeit wird vorzugsweise so eingestellt, dass die Strömung im Polymerisationsreaktor gerichtet ist, beispielsweise liegen keine der allgemeinen Strömungsrichtung entgegengesetzte Konvektionswirbel vor, und beträgt beispielsweise 0,01 bis 5 m/s, vorzugsweise 0,02 bis 4 m/s, besonders bevorzugt 0,05 bis 3 m/s, ganz besonders bevorzugt 0,1 bis 2 m/s. Das den Reaktor durchströmende Gas wird zweckmäßigerweise vor dem Reaktor auf die Reaktionstemperatur vorgewärmt.
Die Reaktionstemperatur beträgt bei der thermisch induzierten Polymerisation vorzugsweise 100 bis 2500C, besonders bevorzugt 120 bis 2000C, ganz besonders bevorzugt 150 bis 180°C.
Die Reaktion kann im Überdruck oder im Unterdruck durchgeführt werden, ein Unter- druck von bis zu 100 mbar gegenüber dem Umgebungsdruck ist bevorzugt.
Das Reaktionsabgas, d.h. das der Reaktionsraum verlassende Gas, kann beispielsweise in einem Wärmeaustauscher abgekühlt werden. Dabei kondensieren Wasser und nicht umgesetztes Monomer a). Danach kann das Reaktionsabgas zumindest teil- weise wieder aufgewärmt und als Kreisgas in den Reaktor zurückgeführt werden. Ein Teil des Reaktionsabgases kann ausgeschleust und durch frisches Gas ersetzt werden, wobei im Reaktionsabgas enthaltenes Wasser und nicht umgesetzte Monomere a) abgetrennt und rückgeführt werden können.
Besonders bevorzugt ist ein Wärmeverbund, dass heißt, ein Teil der Abwärme beim Abkühlen des Abgases wird zum Aufwärmen des Kreisgases verwendet.
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.
Das Reaktionsprodukt kann dem Reaktor in üblicher weise entnommen werden und wahlweise bis zur gewünschten Restfeuchte und zum gewünschten Restmonomeren- gehalt getrocknet werden.
Das Reaktionsprodukt wird vorzugsweise in mindestens einer Wirbelschicht getrocknet.
Die Polymerpartikel können zur weiteren Verbesserung der Eigenschaften nachver- netzt werden.
Nachvernetzer sind Verbindungen, die mindestens zwei Gruppen enthalten, die mit den 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.
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.
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 Schau- feimischer. 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 bei- spielsweise ein Hordentrockner, ein Drehrohrofen oder eine beheizbare Schnecke. Besonders vorteilhaft wird in einem Wirbelschichttrockner gemischt und getrocknet.
Bevorzugte Trocknungstemperaturen liegen im Bereich 170 bis 2500C, bevorzugt 180 bis 2200C, und besonders bevorzugt 190 bis 2100C. Die bevorzugte Verweilzeit bei dieser Temperatur im Reaktionsmischer oder Trockner beträgt vorzugsweise mindes- tens 10 Minuten, besonders bevorzugt mindestens 20 Minuten, ganz besonders bevorzugt mindestens 30 Minuten.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Herstellung wasserabsorbierender Polymerpartikel mit gleichbleibenden Eigenschaften.
Die gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren erhältlichen 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 wasserabsorbierenden Polymerpartikel beträgt üblicherweise weniger als 100 g/g. Die Zentrifugenretentionskapazität der wasserabsorbierenden Polymerpartikel wird gemäß der von der EDANA (Euro- pean Disposables and Nonwovens Association) empfohlenen Testmethode Nr. 441.2- 02 "Centrifuge retention capacity" bestimmt.
Der mittlere Durchmesser der gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren erhältlichen wasserabsorbierenden Polymerpartikel beträgt vorzugsweise mindestens 200 μm, besonders bevorzugt von 250 bis 600 μm, ganz besonders von 300 bis 500 μm, wobei der Partikeldurchmesser durch Lichtstreuung bestimmt werden kann und den volu- mengemittelten mittleren Durchmesser bedeutet. 90% der Polymerpartikel weisen einen Durchmesser von vorzugsweise 100 bis 800 μm, besonders bevorzugt von 150 bis 700 μm, ganz besonders bevorzugt von 200 bis 600 μm, auf.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung von Polymerpartikeln durch Polymerisation von Flüssigkeitstropfen, enthaltend mindestens ein Monomer, in einer die Tropfen umge- benden Gasphase, dadurch gekennzeichnet, dass die Tropfen während der Polymerisation mit partikulären Feststoffen beschichtet werden.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Tropfen einen mittleren Durchmesser von mindestens 200 μm aufweisen.
3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die partikulären Feststoffe einen Durchmesser von weniger als 200 μm aufweisen.
4. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die partikulären Feststoffe Polymerpartikel sind.
5. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die partikulären Feststoffe rückgeführte Polymerpartikel sind.
6. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Monomerumsatz während der Beschichtung weniger als 90 mol-% beträgt.
7. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung in einer Wirbelschicht durchgeführt wird.
8. Verfahren zur Herstellung wasserabsorbierender Polymerpartikel gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Tropfen eine Lösung, bestehend aus
a) mindestens einem ethylenisch ungesättigten Monomer, b) mindestens einem Vernetzer, c) mindestens einem Polymerisationsinitiator und d) Wasser,
enthalten.
9. Verfahren gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Wassergehalt der polymerisierenden Tropfen während der Beschichtung mindestens 15 Gew.- % beträgt.
10. Verfahren gemäß Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass Monomer a) zu mindestens 50 mol-% Acrylsäure ist.
1 1. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Tropfen mindestens 0,1 Gew.-% Vernetzer b), bezogen auf Monomer a), enthalten.
12. Wasserabsorbierende Polymerpartikel, erhältlich gemäß einem Verfahren der Ansprüche 8 bis 11.
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