CN101115511A - 具有弹性成膜聚合物涂层的吸水性材料 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种可由包括如下步骤的方法得到的吸水性材料:a)在0-50℃的温度下在流化床反应器中用弹性成膜聚合物喷雾涂覆吸水性聚合物颗粒,和b)在50℃以上的温度下热处理涂覆的颗粒,及其生产方法。
Description
本发明涉及一种具有弹性成膜聚合物涂层的吸水性聚合物以及其生产方法。
一次性吸收制品如尿布的重要组成部分为吸收芯结构,该吸收芯结构包含吸水性聚合物,通常为形成水凝胶的吸水性聚合物,其也称作吸收性凝胶材料,AGM,或者超吸收性聚合物或SAP。该聚合物材料确保大量体液如尿可被制品在其使用过程中吸收并锁住,这提供低的再湿和良好的皮肤干燥。
特别有用的吸水性聚合物或SAP经常通过首先在较少量的二-或多官能单体如N,N’-亚甲基二丙烯酰胺、三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、乙二醇二(甲基)丙烯酸酯或三烯丙基胺存在下聚合不饱和羧酸或其衍生物如丙烯酸,或丙烯酸的碱金属(如钠和/或钾)盐或铵盐,丙烯酸烷基酯等而制备。二-或多官能单体材料用于微交联聚合物链,由此使得它们不溶于水但仍吸水。这些微交联吸收性聚合物含有多个与聚合物骨架相连的羧酸化物基团。通常认为中和的羧酸化物基团通过交联的聚合物网络对体液的吸收产生渗透驱动力。此外,通常处理聚合物颗粒以在外表面形成表面交联层,以改进它们尤其在婴儿尿布应用中的性能。
可在吸收部件和制品如一次性尿布中用作吸收剂的吸水性(形成水凝胶)的聚合物需要具有足够高的吸收能力以及足够高的凝胶强度。吸收能力需要足够高以使吸收性聚合物能够吸收在使用吸收制品过程中遇到的大量含水体液。连同凝胶的其它性能,凝胶强度涉及溶胀聚合物颗粒在施加的应力下抵抗变形的能力。在吸收部件或制品中凝胶强度需要足够高,以使颗粒不会变形并填充毛细空隙空间至造成所谓凝胶堵塞的不可接受的程度。这种凝胶堵塞抑制了流体吸收或流体分布的速率,即一旦发生凝胶堵塞,其可显著阻碍流体向吸收制品的较干地带或区域分布,并且远在吸收性聚合物颗粒完全饱和之前或在流体可扩散或毛细通过“凝胶堵塞”颗粒进入吸收制品的剩余部分之前,可发生从吸收制品上渗漏。因此重要的是吸水性聚合物(在掺入吸收结构或制品中时)保持高的湿孔隙率并高度抵抗变形,因此对通过溶胀凝胶床的流体产生高的渗透性。
具有较高渗透性的吸收性聚合物可通过增加内交联或表面交联水平而制备,增加内交联或表面交联水平提高了溶胀凝胶对由外部压力如由穿戴者造成的压力引起的变形的抵抗,但这通常也降低了凝胶的吸收能力,这是不希望的。常规途经的显著缺点在于必须牺牲吸收能力来获得渗透性。在卫生制品中,较低的吸收能力必须由较高的吸收性聚合物用量来补偿,这例如在穿戴过程中导致了尿布的芯完整性的困难。因此,需要特定的技术挑战和昂贵的固定技术以克服这种问题,以及还有因为需要较高的吸收性聚合物用量水平而产生的较高的成本。
因为在常规途经中吸收能力和渗透性之间的平衡,因此极难生产显示对由以下经验方程所述的与吸收能力和渗透性有关的改进性能的吸收性聚合物:
(1)Log(CS-SFC’/150)≤3.36-0.133×CS-CRC
甚至更难生产显示对由以下经验方程所述的与吸收能力和渗透性有关的改进性能的吸收性聚合物:
(2)Log(CS-SFC’/150)≤2.5-0.095×CS-CRC
因此非常希望生产出满足下列方程(3)或(4)或者优选(3)和(4)的吸收性聚合物:
(3)Log(CS-SFC’/150)>3.36-0.133×CS-CRC
(4)Log(CS-SFC’/150)>2.5-0.095×CS-CRC
在上述所有方程中,CS-SFC’=CS-SFC×107且150的量纲为[cm3s/g]。
通常表面交联的吸收性聚合物颗粒受表面交联的壳限制且不能充分吸收和溶胀,和/或表面交联的壳强度不足以承受溶胀的应力或在负载下的行为有关的应力。
其结果是在聚合物显著溶胀时,用于本领域的吸水性聚合物的涂层或壳(包括表面交联‘涂层’)破裂,或处在溶胀态下一段时间时‘涂层’破裂。本领域已知的涂覆和/或表面交联的吸收性聚合物或超吸收性材料经常在使用中显著变形,因此导致凝胶床在湿态中孔隙率和渗透性较低。
本发明的目的是提供一种更有利的表面改性,其中在使用这种吸收性聚合物制备的卫生制品的溶胀过程中,以及优选在所述卫生制品的使用期中该表面的完整性得以保持。
EP-A-0 703 265教导了用成膜聚合物如丙烯酸/甲基丙烯酸分散体处理水凝胶以生产抗磨吸收剂。所述处理剂包括聚氨酯。然而,其中得到的吸收颗粒尤其是对于CS-CRC和CS-SFC具有不令人满意的吸收值。而且,所引用的参考文献没有教导如何生产在溶胀和使用过程中它们的机械性能保持足够程度的均匀涂层。
因此,本发明的目的是提供一种具有高芯壳离心保留能力(CS-CRC)、具有高芯壳负载下吸收率(CS-AUL)和高芯壳盐水导流能力(CS-SFC)的吸水性聚合物颗粒,该吸水性聚合物尤其必须具有高的芯壳盐水导流能力(CS-SFC)。
我们发现该目的通过可由包括如下步骤的方法得到的吸水性材料而实现:
a)在0-50℃的温度下用弹性成膜聚合物喷雾涂覆吸水性聚合物颗粒,和
b)在50℃以上的温度下热处理涂覆的颗粒。
优选包括如下步骤的方法:
a)在0-50℃下在流化床反应器中用弹性成膜聚合物喷雾涂覆吸水性聚合物颗粒,和
b)在50℃以上的温度下热处理涂覆的颗粒。
本发明进一步提供了一种生产吸水性材料的方法,其包括如下步骤:
a)在流化床反应器中,优选以连续法,在0-50℃,优选低于45℃的温度下用弹性成膜聚合物喷雾涂覆吸水性聚合物颗粒,和
b)在50℃以上的温度下热处理涂覆的颗粒。应理解的是,在上文所述的以及将在下文更具体描述的本发明主题的特征不仅可以以所述特定的组合使用,还可以以其它不脱离本发明范围的组合使用。
本文中的吸水性材料为在水中通过吸收水而溶胀;由此可形成凝胶。它也可吸收其它液体并溶胀。因此在用于本文时,‘吸水’是指材料吸收水且通常在水中溶胀,但通常也在其它液体或溶液中,优选在基于水的液体如0.9%的盐水和尿中吸收水且溶胀。
在本发明的范围内,惰性气体为在各反应条件下呈气态形式且在这些条件下对反应混合物的组分或对聚合物不具有氧化作用的材料,以及这些气体的混合物。有用的惰性气体例如包括氮气、二氧化碳或氩气,优选氮气。
对本发明而言,有用的是原则上本领域技术人员由超吸收剂文献已知的所有颗粒状吸水性聚合物,例如如Modern Superabsorbent PolymerTechnology,F.L.Buchholz,A.T.Graham,Wiley 1998中所述。吸水性聚合物颗粒优选为通常由反相悬浮聚合得到的球形颗粒;它们任选可至少聚集至一定程度以形成较大的不规则颗粒。但最优选市售的可通过现有技术生产方法得到的不规则形状颗粒,这在下文中通过举例而更特别描述。
根据本发明涂覆的吸水性聚合物颗粒优选为可通过使包含如下组分的单体溶液聚合而得到的聚合物颗粒:
i)至少一种烯属不饱和酸官能单体,
ii)至少一种交联剂,
iii)合适的话一种或多种可与i)共聚的烯属和/或烯丙基属不饱和单体,和
iv)合适的话一种或多种其上可至少部分接枝单体i)、ii)以及合适的话iii)的水溶性聚合物,
其中将所得基础聚合物干燥、分级以及合适的话随后在干燥之前用v)处理:
v)至少一种后交联剂,并热后交联(即表面交联)。
有用的单体i)例如包括烯属不饱和羧酸如丙烯酸、甲基丙烯酸、马来酸、富马酸和衣康酸,或其衍生物如丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺、丙烯酸酯和甲基丙烯酸酯。丙烯酸和甲基丙烯酸为特别优选的单体。最优选丙烯酸。
根据本发明使用的吸水性聚合物通常为交联的,即聚合在具有两个或更多个可自由基共聚入聚合物网络的可聚合基团的化合物存在下进行。有用的交联剂ii)例如包括如EP-A 530 438所述的乙二醇二甲基丙烯酸酯、二甘醇二丙烯酸酯、甲基丙烯酸烯丙酯、三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、三烯丙基胺、四烯丙氧基乙烷,如EP-A 547 847、EP-A 559 476、EP-A 632 068、WO 93/21237、WO 03/104299、WO 03/104300、WO 03/104301和DE-A 10331 450中所述的二丙烯酸酯和三丙烯酸酯,如DE-A 103 31 456和DE-A103 55 401中所述的除丙烯酸酯基团外还包含其它烯属不饱和基团的混合丙烯酸酯,或者例如如DE-A 195 43 368、DE-A 196 46 484、WO 90/15830和WO 02/32962中所述的交联剂混合物。
有用的交联剂ii)尤其包括N,N’-亚甲基双丙烯酰胺和N,N’-亚甲基双甲基丙烯酰胺,多元醇的不饱和一元羧酸或多元羧酸的酯,例如二丙烯酸酯或三丙烯酸酯如丁二醇二丙烯酸酯、丁二醇二甲基丙烯酸酯、乙二醇二丙烯酸酯、乙二醇二甲基丙烯酸酯以及三羟甲基丙烷三丙烯酸酯,以及烯丙基化合物如(甲基)丙烯酸烯丙酯、氰脲酸三烯丙酯、马来酸二烯丙酯、聚烯丙基酯、四烯丙氧基乙烷、三烯丙胺、四烯丙基乙二胺、磷酸的烯丙基酯以及例如如EP-A-0 343 427中所述的乙烯基膦酸衍生物。有用的交联剂ii)还包括季戊四醇二烯丙基醚、季戊四醇三烯丙基醚、季戊四醇四烯丙基醚、聚乙二醇二烯丙基醚、乙二醇二烯丙基醚、甘油二烯丙基醚、甘油三烯丙基醚、基于山梨糖醇的聚烯丙基醚及其乙氧基化变体。本发明方法优选利用聚乙二醇的二(甲基)丙烯酸酯,其中所用聚乙二醇的分子量为300-1000g/摩尔。
然而,特别有利的交联剂ii)为共3-15重乙氧基化的甘油、共3-15重乙氧基化的三羟甲基丙烷的二丙烯酸酯和三丙烯酸酯,尤其是共3重乙氧基化的甘油或共3重乙氧基化的三羟甲基丙烷、3重丙氧基化的甘油、3重丙氧基化的三羟甲基丙烷,以及共3重混合乙氧基化或丙氧基化的甘油、共3重混合乙氧基化或丙氧基化的三羟甲基丙烷、共15重乙氧基化的甘油、共15重乙氧基化的三羟甲基丙烷、共40重乙氧基化的甘油以及共40重乙氧基化的三羟甲基丙烷的二丙烯酸酯和三丙烯酸酯。其中n重乙氧基化是指n摩尔氧化乙烯与1摩尔各多元醇反应,其中n为大于0的整数。
非常特别优选用作交联剂ii)的为二丙烯酸酯化、二甲基丙烯酸酯化、三丙烯酸酯化或三甲基丙烯酸酯化的多重乙氧基化和/或丙氧基化的甘油,例如如在先德国专利申请DE 103 19 462.2中所述。特别有利的是3-10重乙氧基化甘油的二-和/或三丙烯酸酯。非常特别优选1-5重乙氧基化和/或丙氧基化甘油的二-或三丙烯酸酯。最优选3-5重乙氧基化和/或丙氧基化甘油的三丙烯酸酯。这些交联剂的显著之处在于它们在吸水性聚合物中的残留水平特别低(通常在10ppm以下),并且与相同温度下的水的表面张力(通常不低于0.068N/m)相比,用其产生的吸水性聚合物的水性提取物具有几乎不变的表面张力。
可与单体i)共聚的烯属不饱和单体iii)的实例为丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺、巴豆酰胺、甲基丙烯酸二甲基氨基乙酯、丙烯酸二甲基氨基乙酯、丙烯酸二甲基氨基丙酯、丙烯酸二乙基氨基丙酯、丙烯酸二甲基氨基丁酯、甲基丙烯酸二甲基氨基乙酯、甲基丙烯酸二乙基氨基乙酯、丙烯酸二甲基氨基新戊酯和甲基丙烯酸二甲基氨基新戊酯。
有用的水溶性聚合物iv)包括聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、淀粉、淀粉衍生物、聚乙二醇、聚丙烯酸、聚乙烯胺或聚烯丙胺,部分水解的聚乙烯基甲酰胺或聚乙烯基乙酰胺,优选聚乙烯醇和淀粉。
优选其基础聚合物为微交联的吸水性聚合物颗粒。微交联度以高CRC值以及可提取物含量反映。
交联剂的用量(取决于其分子量及其确切组成)优选使得所生产的基础聚合物当其粒度为150-850μm时CRC为20-60g/g并且16小时的可提取物含量不超过25重量%。优选CRC为30-45g/g,更优选33-40g/g。
特别优选基础聚合物的16小时可提取物含量不超过20重量%,优选不超过15重量%,甚至更优选不超过10重量%,最优选不超过7重量%且其CRC值在上述优选范围内。
合适基础聚合物的制备以及其它有用的亲水性烯属不饱和单体i)描述于DE-A 199 41 423、EP-A 686 650、WO 01/45758和WO 03/104300中。
反应优选例如如WO01/38402中所述在捏合机中进行,或者例如如EP-A-0 955 086中所述在带式反应器中进行。
还可以使用任何常规的反相悬浮聚合方法。合适的话在这种反相悬浮聚合方法中,可大大降低交联剂的含量或完全省略,因为在这种方法中在本领域技术人员已知的一定条件下发生自交联。
还可以使用任何所需的喷雾聚合方法制备基础聚合物。
所得基础聚合物的酸性基团优选30-100摩尔%,更优选65-90摩尔%,最优选72-85摩尔%被中和,对于中和可使用常规中和剂,例如氨或胺如乙醇胺、二乙醇胺、三乙醇胺或二甲基氨基乙醇胺,优选碱金属氢氧化物、碱金属氧化物、碱金属碳酸盐或碱金属碳酸氢盐及其混合物,此时碱金属特别优选为钠和钾,还最优选氢氧化钠、碳酸钠或碳酸氢钠及其混合物。中和通常通过将中和剂以水溶液或水分散体或者优选以熔融或以固体材料混入而实现。
中和可在聚合之后,在基础聚合物段进行。但也可在聚合之前通过向单体溶液加入部分中和剂而中和至多40摩尔%,优选10-30摩尔%,更优选15-25摩尔%的酸性基团,并且仅在聚合之后,在基础聚合物段设定最终所需的中和度。可通过混入中和剂将单体溶液中和至预定的预中和度,随后在聚合反应之后或在聚合反应过程中后中和至最终值,或者通过在聚合之前混入中和剂将单体溶液直接调至最终值。可将基础聚合物机械粉碎,例如借助绞肉机粉碎,该情况下可将中和剂喷雾、淋洒或倾注,随后小心混入。为此,可将所得凝胶块反复切碎而均化。
然后将中和的基础聚合物用带式干燥器、流化床干燥器、塔式干燥器或转鼓式干燥器干燥,直至残留水分含量优选低于13重量%,尤其是低于8重量%,最优选低于4重量%,其中水含量根据由EDANA(EuropeanDisposables and Nonwovens Association)推荐的测试方法No.430.2-02“水分含量”测定。然后将干燥的基础聚合物研磨并筛分,可用的研磨设备通常包括辊磨机、针磨机、锤磨机、喷射磨机或摆动磨机。
随后可将待用的吸水性聚合物在本发明的一个变形方案中后交联。有用的后交联剂v)包括包含两个或更多个能够与聚合物的羧酸酯基团形成共价键的基团的化合物。有用的化合物例如包括如EP-A 083 022、EP-A 543303和EP-A 937 736所述的烷氧基甲硅烷基化合物、聚氮丙啶、多胺、聚酰胺胺、二-或多缩水甘油基化合物,如DE-C 33 14 019所述的多元醇。有用的后交联剂v)进一步包括DE-A 40 20 780的环状碳酸酯,DE-A 198 07502的2-唑烷酮及其衍生物如N-(2-羟基乙基)-2-唑烷酮,DE-A 198 07992的二(2-唑烷酮)和聚(2-唑烷酮),DE-A 198 54 573的2-氧代四氢-1,3-嗪及其衍生物,DE-A 198 54 574的N-酰基-2-唑烷酮,DE-A 10204 937的环脲,德国专利申请103 34 584.1双环酰胺缩醛,EP-A 1 199 327的氧杂环丁烷和环脲以及WO 03/031482的吗啉-2,3-二酮及其衍生物。
后交联通常通过将后交联剂溶液喷雾至基础聚合物上或干的基础聚合物颗粒上而进行。在喷雾之后热干燥,后交联反应不仅可在干燥之前进行,也可在干燥过程中进行。
优选后交联剂v)为通式I的酰胺缩醛或氨基甲酸酯:
其中
R1为C1-C12烷基、C2-C12羟基烷基、C2-C12链烯基或C6-C12芳基,
R2为X或OR6,
R3为氢、C1-C12烷基、C2-C12羟基烷基、C2-C12链烯基或C6-C12芳基或者X,
R4为C1-C12烷基、C2-C12羟基烷基、C2-C12链烯基或C6-C12芳基,
R5为氢、C1-C12烷基、C2-C12羟基烷基、C2-C12链烯基、C1-C12酰基或C6-C12芳基,
R6为C1-C12烷基、C2-C12羟基烷基、C2-C12链烯基、C1-C12酰基或C6-C12芳基,和
X为R2和R3共同的羰基氧,
其中R1和R4和/或R5和R6可为桥连的C2-C6链烷二基,其中上述基团R1-R6仍可总共具有1至2个自由价,并且可通过这些自由价与至少一种合适的基础结构连接,例如2-唑烷酮类如2-唑烷酮和N-羟乙基-2-唑烷酮、N-羟丙基-2-唑烷酮、N-甲基-2-唑烷酮,N-酰基-2-唑烷酮如N-乙酰基-2-唑烷酮,2-氧代四氢-1,3-嗪,双环酰胺缩醛如5-甲基-1-氮杂-4,6-二氧杂双环[3.3.0]辛烷、1-氮杂-4,6-二氧杂双环[3.3.0]辛烷和5-异丙基-1-氮杂-4,6-二氧杂双环[3.3.0]辛烷、双-2-唑烷酮和聚-2-唑烷酮;
或者为多元醇,此时多元醇的分子量优选低于100g/mol,优选低于90g/mol,更优选低于80g/mol,最优选低于70g/mol每羟基,并且多元醇没有邻近的、成对的仲或叔羟基,并且多元醇或为通式IIa的二醇,或为通式IIb的多元醇:
HO-R6-OH (IIa)
其中R6或为式-(CH2)m-的未支化亚烷基,其中m为3-20的整数,优选3-12,并且两个羟基均可在端部,或为未支化、支化或环状亚烷基,
其中R7、R8、R9和R10独立地为氢、羟基、羟甲基、羟基乙氧基甲基、1-羟基丙-2-基氧基甲基、2-羟基丙氧基甲基、甲基、乙基、正丙基、异丙基、正丁基、正戊基、正己基、1,2-二羟基乙基、2-羟基乙基、3-羟基丙基或4-羟基丁基并且总共存在2、3或4个,优选2或3个羟基,且R7、R8、R9和R10中不超过一个为羟基,实例为1,3-丙二醇、1,5-戊二醇、1,6-己二醇和1,7-庚二醇、1,3-丁二醇、1,8-辛二醇、1,9-壬二醇和1,10-癸二醇、丁烷-1,2,3-三醇、丁烷-1,2,4-三醇、甘油、三羟甲基丙烷、三羟甲基乙烷、季戊四醇、每分子各自具有1-3个氧化乙烯单元的甘油、每分子各自具有1-3个氧化乙烯单元的三羟甲基乙烷或三羟甲基丙烷、丙氧基化甘油、每分子各自具有1-3个氧化丙烯单元三羟甲基乙烷或三羟甲基丙烷、2重乙氧基化或丙氧基化的新戊二醇或为通式III的环状碳酸酯:
其中R11、R12、R13、R14、R15和R16独立地为氢、甲基、乙基、正丙基、异丙基、正丁基、仲丁基或异丁基且n为0或1,实例为碳酸亚乙酯和碳酸亚丙酯,
或为通式IV的双唑啉:
其中R17、R18、R19、R20、R21、R22、R23和R24独立地为氢、甲基、乙基、正丙基、异丙基、正丁基、仲丁基或异丁基,R25为单键,线性、支化或环状C1-C12亚烷基或由1-10个氧化乙烯和/或氧化丙烯单元构成且例如聚二醇二羧酸所包含的聚烷氧基二基。式IV化合物的实例为2,2’-双(2-唑啉)。
至少一种后交联剂v)以水溶液使用的用量通常为约1.50重量%或更低,优选不超过0.50重量%,更优选不超过0.30重量%,最优选在0.001-0.15重量%的范围内,其中所有百分数基于基础聚合物。可以使用上述选择中的一种后交联剂v)或使用各种后交联剂的任何所需混合物。
除所述至少一种后交联剂v)外,后交联水溶液通常还可包含共溶剂。在工艺上高度有用的共溶剂为C1-C6醇如甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇、仲丁醇、叔丁醇或2-甲基-1-丙醇,C2-C5二醇如乙二醇、1,2-丙二醇、1,3-丙二醇或1,4-丁二醇,酮类如丙酮,或羧酸酯如乙酸乙酯。
优选实施方案不使用任何共溶剂。因此至少一种后交联剂v)仅以水溶液使用并加入或不加入解聚集助剂。解聚集助剂对本领域技术人员是已知的并且例如描述于DE-A-10 239 074以及在先PCT申请PCT/EP/2005/011073中,此处特别将其引入作为参考。优选解聚集助剂为表面活性剂如2-丙基庚醇的乙氧基化和烷氧基化衍生物以及失水山梨糖醇单酯。特别优选解聚集助剂为聚氧乙烯20失水山梨醇醚单月桂酸酯和单硬脂酸聚乙二醇400酯。
至少一种后交联剂v)在后交联溶液中的浓度基于后交联剂溶液例如为1-50重量%,优选1.5-20重量%,更优选2-5重量%。
在另一实施方案中,将后交联剂溶于至少一种有机溶剂中并喷雾分散;此时,溶液的水含量低于10重量%,优选在后交联溶液中根本不使用水。
然而,应理解的是对于最终聚合物性能而言具有相当表面交联结果的后交联剂当然可以用于本发明,甚至当含有这种后交联剂和任选共溶剂的溶液的水含量在>0至<100重量%的范围内。
后交联溶液的总量基于基础聚合物通常为0.3-15重量%,优选2-6重量%。后交联操作对本领域技术人员而言是公知常识且例如描述于DE-A-12 239 074以及在先专利申请PCT/EP/2005011073中。
可用于后交联的喷嘴不受任何限制。合适的喷嘴和雾化***例如描述于如下参考文献中:Zerstuben von Flüssigkeiten,Expert-Verlag,第660卷,Reihe Kontakt&Studium,Thomas Richter(2004)以及Zerstubungstechnik,Springer-Verlag,VDI-Reihe,Günter Wozniak(2002)。可使用单分散和多分散喷雾***。合适的多分散***包括单料压力喷嘴(形成射流或薄层)、旋转雾化器、双料雾化器、超声雾化器和冲击喷嘴。对于双料喷嘴,液相和气相不仅可在内部也可在外部发生混合。由喷嘴产生的喷雾形状并不关键,并且可假定任何所需形状例如圆形射流、扁平射流、广角圆形射流或圆环。在使用双料雾化器时,使用惰性气体是有利的。这类喷嘴可加压供入待喷雾分散的液体。此时待喷雾分散液体的雾化可在液体达到某一最小速率之后通过在喷嘴孔中使液体减压来进行。还有用的喷嘴为单料喷嘴,例如缝式喷嘴或涡流或旋转室(全锥形喷嘴)(例如可由德国的Düsen-Schlick GmbH,或由德国的Spraying SystemsDeutschland GmbH得到)。这类喷嘴还描述于EP-A-0 534 228和EP-A-1191 051中。
在喷雾之后,热干燥吸水性聚合物颗粒,并且后交联反应可在干燥之前、期间或之后进行。
喷雾后交联剂溶液优选在具有移动混合构件的混合器中进行,例如在螺杆混合器、叶片式混合器、盘式混合器、犁头式混合器和桨式混合器中进行。特别优选立式混合器,非常特别优选犁头式混合器和桨式混合器。有用的混合器例如包括Ldige混合器、Bepex混合器、Nauta混合器、Processall混合器和Schugi混合器。
优选将接触式干燥器,更优选将桨式干燥器,最优选将盘式干燥器用作其中进行热干燥的设备。合适的干燥器例如包括Bepex干燥器和Nara干燥器。还可使用流化床干燥器如Carman干燥器。
干燥例如可通过加热夹套或引入温热的惰性气流而在混合器自身中进行。类似地可使用顺流干燥器如塔盘式干燥器、旋转管式烘箱或可加热的螺杆。但例如还可使用共沸蒸馏作为干燥方法。
特别优选在高速混合器如Schugi-Flexomix或Turbolizer型混合器中将后交联剂溶液施加至基础聚合物,然后使基础聚合物在反应式干燥器如Nara-Paddle-Dryer型干燥器或盘式干燥器(即Torus-Disc Dryer,Hosokawa)中热后交联。来自在先操作的基础聚合物的温度仍可为10-120℃,并且后交联溶液的温度可为0-150℃。更特别地可加热后交联溶液以降低粘度。优选的后交联和干燥温度为30-220℃,尤其是120-210℃,最优选145-190℃。在此温度下在反应式混合器或干燥器中的优选停留时间小于100分钟,更优选小于70分钟,最优选小于40分钟。
特别优选将流化床干燥器用于后交联反应,此时停留时间优选低于30分钟,更优选低于20分钟,最优选低于10分钟。
后交联干燥器或流化床干燥器可用空气或干燥空气操作以从聚合物中有效除去蒸气。
优选在干燥和后交联反应过程中用惰性气体吹扫交联干燥器以除去蒸气并置换氧化性气体如大气氧气。惰性气体通常如上对空气所述具有相同的相对湿度限定。也可以使用空气和惰性气体的混合物。为增进干燥方法,将干燥器和连接的组件良好地绝热并理想地完全加热。后交联干燥器内部优选处于大气压力或者略微减压或过压。
为生产非常白的聚合物,干燥器中的气体空间尽可能保持不含氧化性气体;在任何情况下,气体空间中的氧气体积含量不超过14体积%。
吸水性聚合物颗粒的粒度分布可为45-4000μm。用于卫生领域的粒度分布优选为45-1000μm,优选45-850μm,尤其是100-850μm。优选涂覆含水聚合物颗粒具有窄的粒度分布,尤其是100-850μm,或甚至100-600μm。
窄粒度分布为不小于80重量%的颗粒,优选不小于90重量%的颗粒,最优选不小于95重量%的颗粒的粒度在所选范围内;所述分数可通过使用EDANA No.420.2-02“粒度分布”的惯用筛方法测定。也可选择使用光学方法,条件是这些方法对已接受的EDANA的筛方法校正。
优选窄粒度分布的跨度不超过700μm,更优选不超过600μm,最优选小于400μm。此处跨度是指限定分布的粗筛和细筛之间的差。粗筛不粗于850μm且细筛不细于45μm。对本发明而言,优选的粒度范围例如为150-600μm(跨度:450μm)、200-700μm(跨度:500μm)、150-500μm(跨度:350μm)、150-300μm(跨度:150μm)、300-700μm(跨度:400μm)、400-800μm(跨度:400μm)、100-800μm(跨度:700μm)的级分。
同样优选由反相悬浮聚合方法得到的单分散的吸水性聚合物颗粒。类似地可选择具有不同直径的单分散颗粒的混合物作为吸水性聚合物颗粒,例如具有小直径的单分散颗粒和具有大直径的单分散颗粒的混合物。类似地可使用具有多分散的吸水性聚合物颗粒的单分散混合物。
根据本发明,涂覆这些具有窄粒度分布,优选最大粒度≤600μm的吸水性聚合物颗粒提供了快速溶胀并因此特别优选的吸水性材料。
吸水性颗粒的形状可为球形以及不规则形状的颗粒。
本发明使用的涂覆用聚合物为成膜的且具有弹性性能。具有成膜以及弹性性能的聚合物通常均适合,如共聚酯、共聚酰胺、聚硅氧烷、苯乙烯-异戊二烯嵌段共聚物、苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物,优选聚氨酯。
成膜是指各聚合物可在其所溶解或分散的溶剂蒸发后容易形成层或涂层。聚合物例如可为热塑性和/或交联的。弹性是指材料会呈现张力引起的变形,并且该变形在张力去除后部份或完全回复。
在一个实施方案中,聚合物在湿态下的断裂拉伸应力至少为1MPa,或甚至至少3MPa,更优选至少5MPa,或甚至至少8MPa。最优选材料的断裂拉伸应力至少为10MPa,优选至少40MPa。此可经由下文所述的试验方法测定。
在一个实施方案中,本文特别优选的聚合物为在400%伸长率下由下列试验方法测定的湿正割弹性模量(SMwet 400%)至少为0.25MPa,优选至少0.50MPa,更优选至少约0.75MPa或甚至至少2.0MPa,最优选至少约3.0MPa的材料。
在一个实施方案中,本文的优选聚合物的[400%伸长率下的湿正割弹性模量(SMwet 400%)]与[400%伸长率下的干燥正割弹性模量(SMdry 400%)]之比为10或更低,优选1.4或更低,更优选1.2或更低,或甚至更优选1.0或更低,且优选该比例可至少为0.1,优选至少0.6或甚至至少0.7。
在一个实施方案中,成膜聚合物为以壳张力(定义为(理论上相等的壳厚度)×(在400%伸长率下的平均湿正割弹性模量))约为5至200N/m,或优选10-170N/m,或更优选20-130N/m,甚至更优选40-110N/m的涂层形式存在。
在本发明的一个实施方案中,本文的吸水性聚合物颗粒已表面交联(施加本文所述的壳之前或施加该壳的同时),可能甚至更优选该吸水性材料的壳张力为15-60N/m,或甚至更优选20-60N/m,或优选40-60N/m。
其中吸水性聚合物颗粒未表面交联的另一实施方案中,甚至更优选吸水性材料的壳张力为约60-110N/m。
在一个实施方案中,成膜聚合物以在吸水性材料表面上的涂层形式存在,其壳冲击参数(定义为(在400%伸长率下的平均湿正割弹性模量)*(壳聚合物相对于涂覆聚合物总重的相对重量))约为0.03-0.6MPa,优选0.07-0.45MPa,更优选约0.1至0.35MPa。″壳聚合物相对于涂覆聚合物总重的相对重量″通常为0.0-1.0的分数。
所得吸水性材料显示以CS-CRC试验测量的吸收物能力和以本文所述的CS-SFC试验测量的渗透性的不寻常的有效组合。
在一个优选实施方案,吸水材料显示超过1.0,优选至少约2.0,更优选至少约3.0,甚至更优选至少约6.0,最优选至少约10.0的特别有利的吸收率-分布-指数(ADI),其中ADI如下所定义:
ADI=(CS-SFC′/150)/102.5-0.095×CCRC
在该方程中,CS-SFC′=CS-SFC×107且150的量纲为[cm3s/g]。CCRC为在如下测试方法部分中所述的溶胀4小时之后的圆筒离心保留能力。
通常吸水性材料的ADI不超过约200,通常不超过50。
在最优选的实施方案中,吸水性材料产生超过1,优选至少6,或甚至更优选至少10,且优选至多200或更优选至多50的如本文所定义的吸收率分布指数(ADI)。
在一个实施方案中,优选成膜聚合物尤其为聚氨酯,其与吸水性聚合物颗粒相反,与含水流体接触时(如果是的话)仅略微溶胀。这意味着实际上成膜聚合物的水溶胀能力优选小于1g/g,或甚至小于0.5g/g,或甚至小于0.2g/g,或甚至小于0.1g/g,所述水溶胀能力可通过下文所述的方法测定。
在另一实施方案中,优选成膜聚合物尤其为聚氨酯,其与吸水性聚合物颗粒相反,与含水流体接触时仅适度溶胀。这意味着实际上成膜聚合物的水溶胀能力优选至少1g/g,或大于2g/g,或甚至大于3g/g,或优选4-10g/g,但小于30g/g,优选小于20g/g,最优选小于12g/g,所述水溶胀能力可通过下文所述的方法测定。
成膜聚合物通常使得本文的水溶胀性聚合物上的所得涂层不溶于水,优选不为水分散性。
在一个实施方案中,聚合物优选使得本文的水溶胀性聚合物上的所得涂层为水渗透性,但不溶于水,优选不为水分散性。优选聚合物,尤其是聚氨酯(如本文所述以特定厚度的膜形式测试)为至少适度水可渗透性(可透气性)且水蒸气透过率(MVTR)大于200g/m2/天,优选MVTR为800g/m2/天的可透气性,或更优选1200-(含)1400g/m2/天,甚至优选MVTR至少为1500g/m2/天,至多2100g/m2/天(含)的可透气性,最优选涂覆剂或材料为具有MVTR为2100g/m2/天或更高的高度可透气性。
为赋予弹性聚合物所需的性能,可任选额外掺入填料如颗粒、油、溶剂、增塑剂、表面活性剂、分散剂。
据认为上述机械性能是适合涂层的成膜聚合物的某些实施方案中的特征。聚合物可为疏水性或亲水性。然而,就快速润湿而言,聚合物优选也为亲水性。
成膜聚合物例如可以溶液或水溶液施加,或在另一实施方案中可以分散体施加,或在优选实施方案中以水分散体施加。溶液可使用任何合适有机溶剂例如丙酮、异丙醇、四氢呋喃、甲基乙基酮、二甲亚砜、二甲基甲酰胺、氯仿、乙醇、甲醇及其混合物制备。
聚合物也可在涂覆之前共混各溶液或各分散体而共混。尤其是,本身不满足弹性标准或渗透性标准的聚合物可与满足这些标准的聚合物共混,并产生适用于本发明涂层的共混物。
可以溶液施加的合适的弹性聚合物例如为Vector4211(DexcoPolymers,Texas,USA)、Vector 4111,Septon 2063(美国的SeptonCompany,A Kuraray Group Company);Septon 2007,Estane58245(Noveon,Cleveland,USA)、Estane 4988,Estane 4986,EstaneX-1007,Estane T5410,Irogran PS370-201(Huntsman Polyurethanes)、Irogran VP654/5,Pellethane 2103-70A(Dow Chemical Company)、ElastollanLP9109(Elastogran)。
优选实施方案中,聚合物呈水分散体形式,在更优选实施方案中,聚合物为聚氨酯的水分散体。
聚氨酯的合成和聚氨酯分散体的制备例如详细描述于Ullmann′sEncyclopedia of Industrial Chemistry,第6版,2000,电子版中。
聚氨酯优选为亲水性,尤其是表面亲水性。表面亲水性可通过本领域技术人员已知的方法测定。在优选操作中,亲水性聚氨酯为被待吸收的液体(0.9%盐水,尿)润湿的材料。其特征可为接触角小于90度。接触角例如可用购自德国Kruess的Krüss G10-G1041的基于影象的接触角测量装置或用本领域已知的其它方法测量。
在优选实施方案中,亲水性能可由包含如下亲水性聚合物嵌段的聚氨酯实现:例如具有由乙二醇(CH2CH2O)或由1,4-丁二醇(CH2CH2CH2CH2O)或由丙二醇(CH2CH2CH2O)或其混合物衍生的基团部分的聚醚基团。因此,聚醚型聚氨酯为优选的成膜聚合物。亲水性嵌段可以其中部分侧链或全部侧链为亲水性聚合物嵌段的梳形聚合物的方式构成。但亲水性嵌段也可构成主链(即聚合物骨架)。优选实施方案利用其中至少亲水性聚合物嵌段的主要部分以侧链形式存在的聚氨酯。该侧链又可为嵌段共聚物如聚乙二醇-聚丙二醇共聚物。
对于聚氨酯,还可以通过升高离子基团,优选羧酸盐基团、磺酸盐基团、磷酸盐基团或铵基的含量而得到亲水性能。铵基可以为质子化或烷化的叔或季基团。羧酸盐基团、磺酸盐基团和磷酸盐基团可以以碱金属或铵盐存在。合适的离子基团及其各自的前体例如描述于″UllmannsEncyclopdie der technischen Chemie″,第4版,第19卷,第311-313页中,此外还描述于DE-A 1 495 745和WO 03/050156中。
优选聚氨酯的亲水性有助于水渗透和溶于由成膜聚合物包封的吸水性聚合物颗粒中。具有这些优选聚氨酯的本发明涂层的显著之处在于尽管为亲水性,但事实上甚至在潮湿状态下也不会过分损害机械性能。
优选的成膜聚合物具有两个或更多个玻璃化转变温度(由DSC测定)。理想的是,所用聚合物表现出相分离的现象,即聚合物中同时含有二个或更多个具有低和高Tg的不同嵌段(热塑性弹性体:A ComprehensiveReview,编辑Legge,N.R.,Holden,G.,Schroeder,H.E.,1987,第2章)。然而,在数个Tg靠在一起的情况下或由于其它实验上的原因,测量Tg事实上可能非常困难。甚至在Tg无法通过试验清楚测得的情况下,聚合物仍可能在本发明的范围内适用。
特别优选的相分离聚合物,尤其是本文的聚氨酯包括一种或多种重均分子量Mw至少为5kg/mol,优选至少10kg/mol和更高的相分离嵌段共聚物。
在一个实施方案中,这种嵌段共聚物至少具有相互聚合的第一聚合的均聚物段(嵌段)和第二聚合的均聚物段(嵌段),因此优选第一(软)段的Tg1小于25℃或甚至小于20℃,或甚至小于0℃,且第二(硬)段的Tg2至少为50℃,或55℃或更高,优选60℃或更高,甚至70℃或更高。
在另一实施方案中,尤其是对聚氨酯而言,这种嵌段共聚物具有至少相互聚合的第一聚合的杂聚物段(嵌段)和第二聚合的杂聚物段(嵌段),因此优选第一(软)段的Tg1小于25℃或甚至小于20℃,或甚至小于0℃,且第二(硬)段的Tg2至少为50℃,或55℃或更高,优选60℃或更高,甚至70℃或更高。
在一个实施方案中,第二(硬)段(Tg至少50℃)的重均分子量优选总共至少28kg/mol,或甚至至少45kg/mol。
第一(软)段(Tg小于25℃)的优选重均分子量至少为500g/mol,优选至少1000g/mol,或甚至至少2000g/mol,但优选小于8000g/mol,优选小于5000g/mol。
然而,整个第一(软)段通常为整个嵌段共聚物的20-95重量%,或甚至20-85重量%,或更优选30-75重量%,或者甚至40-70重量%。此外,当软段总重水平超过70重量%时,甚至更优选各软段的重均分子量小于5000g/mol。
本领域技术人员应充分理解的是″聚氨酯″为用于描述通过使二-或多异氰酸酯与至少一种二-或多官能的″含活性氢″化合物反应而制备的聚合物的总称。″含活性氢″是指该二-或多官能的化合物具有至少2个对异氰酸酯基团呈反应性的官能团(也称为反应性基团),例如羟基、伯氨基和仲氨基和巯基(SH)。
本领域技术人员还应充分理解的是聚氨酯也包括脲基甲酸酯、缩二脲、碳化二亚胺、唑烷基、异氰脲酸酯、缩脲二酮和除氨基甲酸酯和脲键接以外的其它键接。
在一个实施方案中,本文所用的嵌段共聚物优选为聚醚型聚氨酯和聚酯型聚氨酯。尤其优选的是包含聚亚烷基二醇单元,尤其是聚乙二醇单元或聚四亚甲基二醇单元的聚醚型聚氨酯。
本文所用的术语″亚烷基二醇″包括具有2-10个碳原子的亚烷基二醇和取代的亚烷基二醇二者,如乙二醇、1,3-丙二醇、1,2-丙二醇、1,2-丁二醇、1,3-丁二醇、1,4-丁二醇、苯乙烯二醇等。
根据本发明使用的聚氨酯通常通过使多异氰酸酯与具有两个或更多个反应性基团的含活性氢的化合物反应而制备。这些化合物包括:
a)分子量优选为300-100000g/mol,尤其500-30000g/mol的高分子量化合物
b)低分子量化合物,和
c)具有聚醚基,尤其是聚氧化乙烯基或聚四氢呋喃基,且分子量为200-20000g/mol的化合物,该聚醚基并不具有反应性基团。
这些化合物也可以混合物使用。
合适的多异氰酸酯平均具有约两个或更多个异氰酸酯基团,优选平均约2至约4个异氰酸酯基团,且包括脂族、脂环族、芳脂族和芳族多异氰酸酯,将其单独使用或以两种或更多种的混合物使用。更优选二异氰酸酯。尤其优选的是脂族和脂环族多异氰酸酯,尤其是二异氰酸酯。
合适脂族二异氰酸酯的具体实例包括具有5-20个碳原子的α-、ω-亚烷基二异氰酸酯,如六亚甲基-1,6-二异氰酸酯、1,12-十二烷二异氰酸酯、2,2,4-三甲基六亚甲基二异氰酸酯、2,4,4-三甲基-六亚甲基二异氰酸酯、2-甲基-1,5-五亚甲基二异氰酸酯等。可使用具有小于5个碳原子的多异氰酸酯,但因其高挥发性和毒性而较不优选。优选的脂族多异氰酸酯包括六亚甲基-1,6-二异氰酸酯、2,2,4-三甲基-六亚甲基二异氰酸酯和2,4,4-三甲基-六亚甲基二异氰酸酯。
合适脂环族二异氰酸酯的具体实例包括二环己基甲烷二异氰酸酯(可由Bayer Corporation以DesmodurW市购)、异佛尔酮二异氰酸酯、1,4-环己烷二异氰酸酯、1,3-二(异氰酸酯基甲基)环己烷等。优选的脂环族二异氰酸酯包括二环己基甲烷二异氰酸酯和异佛尔酮二异氰酸酯。
合适芳脂族二异氰酸酯的具体实例包括间-四甲基亚二甲苯基二异氰酸酯、对-四甲基亚二甲苯基二异氰酸酯、1,4-亚二甲苯基二异氰酸酯、1,3-亚二甲苯基二异氰酸酯等。优选的芳脂族二异氰酸酯为四甲基亚二甲苯基二异氰酸酯。
合适芳族二异氰酸酯的实例包括4,4′-二苯基甲烷二异氰酸酯、甲苯二异氰酸酯、它们的异构体、萘二异氰酸酯等。优选的芳族二异氰酸酯为甲苯二异氰酸酯和4,4′-二苯基甲烷二异氰酸酯。
具有2或更多个反应性基团的高分子量化合物a)的实例为如聚酯多元醇和聚醚多元醇,以及多羟基聚酯酰胺、含羟基的聚己内酯、含羟基的丙烯酸共聚物、含羟基的环氧化物、多羟基聚碳酸酯、多羟基聚缩醛、多羟基聚硫醚、聚硅氧烷多元醇、乙氧化聚硅氧烷多元醇、聚丁二烯多元醇和氢化聚丁二烯多元醇、聚丙烯酸酯多元醇、卤化聚酯和聚醚等,及其混合物。优选聚酯多元醇、聚醚多元醇、聚碳酸酯多元醇、聚硅氧烷多元醇和乙氧化聚硅氧烷多元醇。特别优选聚酯多元醇、聚碳酸酯多元醇、聚亚烷基醚多元醇。上述高分子量化合物中的官能团数平均每分子优选为1.8-3,尤其是2-2.2个官能团。
聚酯多元醇通常为通过使有机聚羧酸或其酸酐与化学计量过量的二醇反应而制备的酯化产物。制备聚酯多元醇所用的二醇包括亚烷基二醇例如乙二醇,1,2-和1,3-丙二醇,1,2-、1,3-、1,4-和2,3-丁二醇,己二醇、新戊二醇,1,6-己二醇,1,8-辛二醇,以及其它二醇如双酚-A、环己二醇、环己烷二甲醇(1,4-双-羟基甲基环己烷)、2-甲基-1,3-丙二醇、2,2,4-三甲基-1,3-戊二醇、二甘醇、三甘醇、四甘醇、聚乙二醇、二丙二醇、聚丙二醇、二丁二醇、聚丁二醇、二聚二醇、羟基化双酚、聚醚二醇、卤化二醇等及其混合物。优选的二醇包括乙二醇、二甘醇、丁二醇、己二醇和新戊二醇。或者或另外,也可使用等同的巯基化合物。
制备聚酯多元醇所用的合适羧酸包括二羧酸和三羧酸和酸酐,例如马来酸、马来酸酐、琥珀酸、戊二酸、戊二酸酐、己二酸、辛二酸、庚二酸、壬二酸、癸二酸、氯菌酸、1,2,4-丁烷-三羧酸、邻苯二甲酸、邻苯二甲酸的异构体、邻苯二甲酸酐、富马酸、二聚脂肪酸如油酸等及其混合物。制备聚酯多元醇所用的优选多元羧酸包括脂族或芳族二元酸。
合适聚酯多元醇的实例包括聚(己二酸二醇酯)、聚(对苯二甲酸乙二醇酯)多元醇、聚己内酯多元醇、邻苯二甲酸多元醇、磺化和膦酸化的多元醇等及其混合物。
优选的聚酯多元醇为二醇。优选的聚酯二醇包括聚(丁二醇己二酸酯),己二醇己二酸和间苯二甲酸聚酯如己烷己二酸酯间苯二甲酸聚酯;己二醇新戊二醇己二酸聚酯二醇,例如Piothane 67-3000 HNA(PanolamIndustries)和Piothane 67-1000 HNA,以及丙二醇马来酸酐己二酸聚酯二醇如Piothane SO-1000 PMA和己二醇新戊二醇富马酸聚酯二醇如Piothane 67-SO0 HNF。其它优选的聚酯二醇包括RucoflexS101.5-3.5、S1040-3.5和S-1040-110(Bayer Corporation)。
聚醚多元醇可以已知方式通过使含反应性氢原子的起始化合物如水或上述用于制备聚酯多元醇的二醇,以及亚烷基二醇或环状醚如乙二醇、丙二醇、丁二醇、苯乙烯二醇、氧化乙烯、氧化丙烯、1,2-氧化丁烯、2,3-氧化丁烯、氧杂环丁烷、四氢呋喃、表氯醇等及其混合物反应而制备。优选的聚醚包括聚乙二醇、聚丙二醇、聚四氢呋喃和聚乙二醇-聚丙二醇共聚物。聚乙二醇和聚丙二醇可直接使用或以物理共混物使用。在使氧化丙烯和氧化乙烯共聚的情况下,则这些聚亚丙基-聚亚乙基共聚物可以无规聚合物或嵌段共聚物使用。
在一个实施方案中,聚醚多元醇为聚合物主链成分。
在另一实施方案中,聚醚醇为聚合物主链的端基。在另一实施方案中,聚醚多元醇为与聚合物主链梳形连接的侧链的成分。这种单体的实例为Tegomer D-3403(Degussa)。
聚碳酸酯包括由二元醇如1,3-丙二醇、1,4-丁二醇、1,6-己二醇、二甘醇、三甘醇、四甘醇等及其混合物与碳酸二烷基酯如碳酸二乙酯,碳酸二芳基酯如碳酸二苯酯或光气反应而得到的那些。
具有二个反应性官能团的低分子量化合物b)的实例为二醇如亚烷基二醇和上述与制备聚酯多元醇有关提到的其它二醇。它们也包括二胺如二胺和多胺,它们属于用于制备上述聚酯酰胺和聚酰胺的优选化合物。合适二胺和多胺包括1,2-二氨基乙烷、1,6-二氨基己烷、2-甲基-1,5-戊二胺、2,2,4-三甲基-1,6-己二胺、1,12-二氨基十二烷、2-氨基乙醇、2-[(2-氨基乙基)氨基]-乙醇、哌嗪、2,5-二甲基哌嗪、1-氨基-3-氨基甲基-3,5,5-三甲基环己烷(异佛尔酮二胺或IPDA)、二-(4-氨基环己基)-甲烷、二-(4-氨基-3-甲基-环己基)甲烷、1,4-二氨基环己烷、1,2-丙二胺、肼、脲、氨基酸酰肼、半咔巴基羧酸的酰肼、双酰肼和双半卡巴肼、二亚乙基三胺、三亚乙基四胺、四亚乙基五胺、五亚乙基六胺、N,N,N-三-(2-氨基乙基)胺、N-(2-哌嗪基乙基)-乙二胺、N,N′-二-(2-氨基乙基)-哌嗪、N,N,N′-三-(2-氨基乙基)乙二胺、N-[N-(2-氨基乙基)-2-氨基乙基]-N′-(2-氨基乙基)-哌嗪、N-(2-氨基乙基)-N′-(2-哌嗪基乙基)-乙二胺、N,N-二-(2-氨基乙基)-N-(2-哌嗪基乙基)胺、N,N-二-(2-哌嗪基乙基)胺、聚乙烯亚胺、亚氨基二丙基胺、胍、蜜胺、N-(2-氨基乙基)-1,3-丙二胺、3,3′-二氨基联苯胺、2,4,6-三氨基嘧啶、聚氧丙烯胺、四亚丙基五胺、三亚丙基四胺、N,N-二-(6-氨基己基)胺、N,N′-二-(3-氨基丙基)乙二胺和2,4-二(4′-氨基苄基)-苯胺等及其混合物。优选的二胺和多胺包括1-氨基-3-氨基甲基-3,5,5-三甲基-环己烷(异佛尔酮二胺或IPDA)、二-(4-氨基环己基)-甲烷、二-(4-氨基-3-甲基环己基)-甲烷、乙二胺、二亚乙基三胺、三亚乙基四胺、四亚乙基五胺和五亚乙基六胺等及其混合物。其它合适二胺和多胺例如包括JeffamineD-2000和D-4000,它们为仅分子量不同的胺封端的聚丙二醇,和JeffamineXTJ-502、T 403、T 5000和T 3000,它们为胺封端的聚乙二醇、胺封端的聚丙二醇-聚乙二醇共聚物和基于丙氧基化甘油或三羟甲基丙烷的三胺且其购自Huntsman Chemical Company。
聚(亚烷基二醇)可为聚合物主链的一部分或可作为侧链与主链以梳形连接。
在优选实施方案中,聚氨酯包含足量的聚(亚烷基二醇)侧链,以及在最终聚氨酯中基于干重包含约10重量%至90重量%,优选约12重量%至约80重量%,优选约15重量%至约60重量%,更优选约20重量%至约50重量%聚(亚烷基二醇)单元。至少约50重量%,优选至少约70重量%,更优选至少约90重量%的聚(亚烷基二醇)侧链单元包含聚(乙二醇),且其余侧链聚(亚烷基二醇)单元可包含具有3至约10个碳原子的亚烷基二醇和取代亚烷基二醇。术语″最终聚氨酯″是指用于涂覆吸水性聚合物颗粒的聚氨酯。
优选侧链单元的量(i)当侧链单元的分子量小于约600g/mol时为至少约30重量%,(ii)当侧链单元的分子量为约600至约1000g/mol时为至少约15重量%,以及(iii)当侧链单元的分子量超过约1000g/mol时为至少约12重量%。可将具有这类聚(亚烷基二醇)侧链的含活性氢化合物的混合物与不具有这类侧链的含活性氢化合物一起使用。
这些侧链可通过用具有至少二个反应性官能团和不含反应性基团的聚醚基,优选聚亚烷基醚基,更优选聚乙二醇基团的化合物c)代替部份或全部的上述高分子量二醇a)或低分子量化合物b)而掺入聚氨酯中。
例如,具有聚醚基,尤其是聚(亚烷基二醇)基的含活性氢化合物包括如美国专利第3,905,929号(此处全部引入作为参考)中所述的具有聚(乙二醇)基的二醇。另外,美国专利第5,700,867号(此处全部引入作为参考)第4栏第3.5行至第5栏第4.5行教导了掺入聚(乙二醇)侧链的方法。优选的具有聚(乙二醇)侧链的含活性氢化合物为可由Degussa-Goldschmidt以TegomerD-3403得到的三(羟甲基)丙烷单(聚氧化乙烯甲基酮)。
优选待用于本发明的聚氨酯也已经与至少一种不具有所述侧链且通常具有约50至约10000g/mol,优选约200至约6000g/mol,更优选约300至约3000g/mol的宽范围分子量的含活性氢化合物反应。不具有所述侧链的合适含活性氢化合物包括本文中以化合物a)和b)描述的任一种胺和多元醇。
根据本发明的一个优选实施方案,选择活性氢化合物以使骨架(主链)中聚(乙二醇)单元基于最终聚氨酯的干重小于约25重量%,更优选小于约15重量%,最优选小于约5重量%,因为这种主链聚(乙二醇)单元倾向于造成聚氨酯水分散体中的聚氨酯颗粒溶胀并且还会使由聚氨酯分散体制备的制品的使用拉伸强度降低。
制备具有聚醚侧链的聚氨酯对本领域技术人员是已知的且广泛描述于入US 2003/0195293中,此处将其特别引入作为参考。
因此,本发明也提供一种包含用弹性成膜聚氨酯涂覆的吸水性聚合物颗粒的吸水性材料,其中聚氨酯不仅包含具有聚氧化乙烯单元的侧链,而且主链中也包含聚氧化乙烯单元。
在本发明范围内,有利的聚氨酯为通过首先制备具有异氰酸酯端基的预聚物,随后将其在扩链步骤中键接在一起而得到。该键接在一起可通过水或通过与具有至少一个可交联官能团的化合物反应而进行。
预聚物通过使上述异氰酸酯化合物之一与活性氢化合物反应而得到。优选预聚物由上述多异氰酸酯、至少一种化合物c)和任选的至少一种选自化合物a)和b)的其它活性氢化合物制备。
在一个实施方案中,在形成预聚物的化合物中异氰酸酯与活性氢之比通常为约1.3/1至约2.5/1,优选约1.5/1至约2.1/1,更优选约1.7/1至约2/1。
聚氨酯可额外含有可进行进一步交联反应且任选可使其自交联的官能团。
具有至少一个额外的可交联官能团的化合物包括具有羧基、羰基、胺基、羟基和酰肼基等和这些基团的混合物的那些。任选化合物的量基于每g最终聚氨酯干重通常为至多约1毫当量,优选约0.05至约0.5毫当量,更优选约0.1至约0.3毫当量。
用于掺入异氰酸酯-封端预聚物中的优选单体为具有通式(HO)xQ(COOH)y的羟基-羧酸,其中Q为具有1-12个碳原子的直链或支化烃基,且x和y为1-3。该羟基-羧酸的实例包括柠檬酸、二羟甲基丙酸(DMPA)、二羟甲基丁酸(DMBA)、羟基乙酸、乳酸、苹果酸、二羟基苹果酸、酒石酸、羟基新戊酸等及其混合物。更优选二羟基-羧酸,最优选二羟甲基丙酸(DMPA)。
其它提供交联性的合适化合物包括巯基乙酸、2,6-二羟基苯甲酸等及其混合物。
任选中和具有侧羧基的预聚物使羧基转化成羧酸根阴离子,因此具有提高水分散性的作用。合适的中和剂包括叔胺、金属氢氧化物、氨和其它本领域技术人员熟知的试剂。
作为扩链剂,水、平均具有约2个或更多个伯和/或仲氨基的无机或有机多胺、多元醇、脲或其组合物的至少一种适用于本发明。适合用作扩链剂的有机胺包括二亚乙基三胺(DETA)、乙二胺(EDA)、间-苯二甲二胺(MXDA)、氨基乙基乙醇胺(AEEA)、2-甲基戊二胺等及其混合物。在本发明的操作中,还合适的是丙二胺、丁二胺、六亚甲基二胺、环己二胺、苯二胺、甲苯二胺、3,3-二氯联苯胺、4,4′-亚甲基-二-(2-氯苯胺)、3,3-二氯-4,4-二氨基二苯基甲烷、磺化伯和/或仲胺等及其混合物。合适无机和有机胺包括肼、取代的肼和肼反应产物等及其混合物。合适多元醇包括具有2-12个碳原子,优选2-8个碳原子的那些,如乙二醇、二甘醇、新戊二醇、丁二醇、己二醇等及其混合物。合适脲包含尿素及其衍生物等及其混合物。优选肼,最优选以水溶液使用。扩链剂的量基于可得的异氰酸酯通常为约为0.5至约0.95当量。
在一定程度上支化的聚氨酯可能是有利的,但并不需要保持高的拉伸强度和改进抗蠕变性(例如应变松弛)。该支化程度可在预聚物步骤或扩链的步骤过程中实现。对于扩链步骤过程中的支化,优选扩链剂DETA,但也可使用平均具有约两个或更多个伯和/或仲氨基的其它胺。对于预聚物步骤过程中的支化,优选使用三羟甲基丙烷(TMP)和平均具有超过二个羟基的其它多元醇。支化单体可以以聚合物骨架的至多约4重量%的量存在。
聚氨酯为优选的成膜聚合物。其可由溶液或分散体施加在吸水性聚合物颗粒上。最优选水分散体。
优选的聚氨酯水分散体为Hauthane HD-4638(购自Hauthaway)、HydrolarHC 269(购自意大利COlm)、Impraperm48180(购自德国Bayer Material Science AG)、LurapretDPS(购自德国BASF)、Permax120、Permax 200和Permax 220(购自Noveon,Brecksville,OH)、SyntegraYM2000和Syntegra YM2100(购自Dow,Midland,Michigan)、WitcobondG-213、Witcobond G-506、Witcobond G-507、Witcobond 736(购自Uniroyal Chemical,Middlebury,CT)。
特别合适的弹性成膜聚氨酯详细描述于如下参考文献中并且尤其形成本发明公开内容的主题的一部分。特别亲水的热塑性聚氨酯由Noveon,Brecksville,Ohio以商品名Permax 120、Permax 200和Permax 220出售,且详述于″Proceedings International Waterborne High Solids Coatings,32,299,2004″中,且公布于2004年2月美国New Orleans的″InternationalWaterborne,High-Solids,and Powder Coatings Symposium″中。其制备详细描述于US 2003/0195293中。此外,US 4,190,566、US 4,092,286、US2004/0214937以及WO 03/050156中所述的聚氨酯尤其形成本发明公开内容的主题的一部分。
更特别而言,所述的聚氨酯可以相互的混合物或以与其它成膜聚合物、填料、油、水溶性聚合物或增塑剂的混合物使用,以获得与亲水性、透水性和机械性能相关的特别有利的性能。
本文的涂覆剂可优选包含填料以降低粘性,如购自美国Noveon Inc.,9911 Brecksville Road,Cleveland,OH44 141-3247的树脂Estane58245-047P和Estane X-1007-040P。或者,可在施加之前将该填料加入合适的弹性体聚合物分散体或溶液中,以降低粘性。典型的填料为Aerosil,但也可使用如下所列的其它无机解聚集助剂。
此处,用于涂覆剂的优选聚氨酯为应***化和/或应变结晶的。在应力-应变测量的过程中观察到应***化,并在随应变增加应力快速增加时表现显著。通常认为应***化是由于膜中的聚合物链取向对拉伸方向的伸长产生更大阻力而造成。
施加涂覆剂以使所得涂层优选具有的平均厚度(厚度)超过0.1μm,优选涂层的平均厚度(厚度)为1微米(μm)至100微米,优选1-50微米,更优选1-20微米,或甚至2-20微米,或甚至2-10微米。
在一个实施方案中,涂层优选在厚度和/或形状上均匀。优选平均厚度使得最小与最大厚度之比为1∶1至1∶5,优选1∶1至1∶3,或甚至1∶1至1∶2,或甚至1∶1至1∶1.5。
在另一实施方案中,该涂层可能呈现某些缺陷(也即洞),但聚合物仍表现出本发明的非常良好的实施性能。在本发明另一实施方案中,涂层可在吸水性颗粒周围形成纤维状网络。
聚合物膜的施加量基于100重量份干燥吸水性聚合物颗粒优选为0.1-25重量份成膜聚合物(以固态材料计算)。每100重量份的吸水性聚合物颗粒使用的成膜聚合物量优选为0.1-15重量份,尤其是0.5-10重量份,更优选0.5-7重量份,甚至更优选0.5-5重量份,特别是0.5-4.5重量份。
特别优选基于100重量份的吸水性聚合物颗粒,通过用<5重量份,优选0.5-4.5重量份,尤其是0.5-4重量份,更优选0.5-3重量份成膜聚合物,优选在0℃至<50℃,优选0℃至<45℃,更优选10℃至<40℃,最优选15℃至<35℃的温度下涂覆吸水性聚合物颗粒,然后在50℃以上的温度下热处理涂覆的颗粒而得到的吸水性材料。
成膜聚合物,尤其是聚氨酯可以固体材料、热熔体、分散体、水分散体、水溶液或有机溶液施加至吸水加成聚合物的颗粒上。成膜聚合物,尤其是聚氨酯施加至吸水性聚合物颗粒上的形式优选为溶液或更优选水分散体。
可用于聚氨酯的溶剂包括能够在各溶剂或混合物中建立1至不小于40重量%的聚氨酯浓度的溶剂。可提及的实例为醇、酯、醚、酮、酰胺和卤代烃,如甲基乙基酮、丙酮、异丙醇、四氢呋喃、二甲基甲酰胺、氯仿及其混合物。特别有利的是极性、质子惰性且沸点小于100℃的溶剂。
本文中的含水是指水以及水和基于溶剂的总量至多为20重量%的水溶混性溶剂的混合物。水溶混性溶剂可在25℃和1巴下与所需用量的水溶混。它们包括醇如甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇、乙二醇、1,2-丙二醇、1,3-丙二醇、碳酸亚乙酯、甘油和甲氧基乙醇以及水溶性醚如四氢呋喃和二烷。
特别有利的是在流化床反应器中进行涂覆。取决于反应器的类型,将吸水性颗粒如通常那样引入,且通常通过喷雾以固体材料或优选聚合物溶液或分散体的成膜聚合物而涂覆。为此最优选成膜聚合物的水分散体。
本发明进一步提供了一种生产吸水性材料的方法,其包括如下步骤:
a)在流化床反应器中,优选以连续法,在0-50℃,优选低于45℃下用弹性成膜聚合物喷雾涂覆吸水性聚合物颗粒,和
b)在50℃以上的温度下热处理涂覆的颗粒。
通过喷雾涂覆施加的聚氨酯溶液或分散体优选极浓。为此,该聚氨酯混合物的粘度必需不能太高,否则对话聚氨酯溶液或分散体不再能够精细分散以用于喷雾。优选粘度如下的聚氨酯溶液或分散体:<500mPa.s,优选<300mPa.s,更优选<100mPa.s,甚至更优选<10mPa.s,最优选<5mPa.s(通常用旋转粘度计在剪切速率≥200rpm下对聚氨酯分散体测量,特别合适的是Haake旋转粘度计RV20型,***M5,NV)。
在使用其它成膜聚合物的实施方案中,优选这些成膜聚合物在施加时表现出与聚氨酯相同的粘度。
聚氨酯溶液或分散体中的聚氨酯浓度通常为1-60重量%,优选5-40重量%,尤其是10-30重量%。也可更高度的稀释,但通常导致更长的涂覆时间。聚氨酯分散体的特别有利的优点在于甚至在高浓度和高分子量下也具有较低的粘度。
可用的流化床反应器例如包括制药工业中熟知的流化床或悬浮床涂覆机。特别优选Wurster方法或Glatt-Zeller方法并且这些方法例如描述于″Pharmazeutische Technologie,Georg Thieme Verlag,第2版(1989),第412-413页″以及″Arzneiformenlehre,WissenschaftlicheVerlagsbuchandlung mbH,Stuttgart 1985,第130-132页″中。在工业规模上特别合适的分批和连续式流化床方法描述于Drying Technology,20(2),419-447(2002)中。
在Wurster方法中,将吸收性聚合物颗粒在中心管中通过向上的载气流并抵抗重力夹带通过至少一喷嘴,且与细分散的聚合物溶液或分散体并流喷雾。颗粒随后沿着侧壁掉回底部,在底部汇集,并再次由载气流夹带经过中心管并通过喷嘴。喷嘴通常从底部喷雾至流化床,其也可从底部投入流化床。
在Glatt-Zeller方法中,将聚合物颗粒通过外面的载气沿着壁以向上的方向输送,然后在中间落到中心喷嘴头上,该喷嘴头通常包含至少3个喷雾至侧边的双料喷嘴。因此颗粒从侧边喷雾,通过喷嘴头落入底部且再次由载气从底部带起,使得重新开始循环。
该两种方法的共同特征在于颗粒以流化床的形式重复夹带通过喷雾装置,因此可施加极薄且通常非常均匀的壳。此外,在所有时间均使用载气,必须将载体供入并以足够高的速率移动以维持颗粒的流化。结果是甚至在低温下液体会在装置中快速汽化,例如分散体中的溶剂(即水),因此分散体的聚合物颗粒沉积在待涂覆的吸收性聚合物颗粒表面上。有用的载气包括上述惰性气体和空气或干燥空气或任何这些气体的混合物。
合适流化床反应器根据使成膜聚合物溶液或分散体精细雾化,且液滴在流化床中与吸水性聚合物颗粒随机碰撞,因此逐渐形成基本均匀的壳,且在多次碰撞后均匀的原理操作。液滴的尺寸必须小于吸收剂聚合物的粒度。液滴尺寸由喷嘴类型,喷雾条件,即温度、浓度、粘度和压力决定,典型的液滴尺寸为10-400μm。通常发现聚合物粒度与液滴尺寸之比至少为10。优选具有窄尺寸分布的小液滴。将雾化的聚合物分散体或溶液的液滴或者与颗粒的流动并流引入,或者从侧面进入颗粒流中,并且也可从顶部喷雾至流化床中。就此而言,遵循该原理且同样可建立流化床的其它装置和设备的改进均十分适合产生这种效果。
一个实施方案例如为圆筒型流化床分批反应器,其中将吸水性聚合物颗粒从装置内部的外壁处由载气流向上输送,且从一处或多处将喷雾的成膜聚合物从侧边加入该流化床中,因此在装置的中心区根本没有载气流,颗粒再次落下,使立方体搅拌器移动并使整个流化颗粒再分布。
其它实施方案例如可为Schuggi混合器、湍流器或犁头式混合器,其可单独使用或优选以多个串联单元的组件使用。若单独使用这种混合器,则吸水性聚合物可能必须多次通过装置供入,以变得均匀涂覆。如果以串联单元建立两个或更多个该装置,则通过一次就足够。
在另一实施方案中,使用Telschig-型的连续或分批喷雾-混合器,其中喷雾击中飞行中自由落下的颗粒,且颗粒重复暴露于喷雾中。合适的混合器描述于Chemie-Technik,22(1993),第4期,第98页以及随后各页中。
在优选实施方案中,使用连续流化床方法,并且以顶部或底部-模式操作喷雾。在特别优选实施方案中,喷雾以底部模式操作且方法连续。合适的装置例如描述于US 5,211,985中。合适装置例如也可由GlattMaschinen-und Apparatebau AG(瑞士)以串联GF(连续流化床)和ProCell喷动床购得。喷动床技术使用简单的缝代替筛底以产生流化床,并且尤其适合难以流化的材料。
在其它实施方案中,其也可能希望以顶部-和底部-模式操作喷雾,或可能希望从侧边或从数个不同喷雾位置的组合而喷雾。
本发明方法利用常用于后交联的上述喷嘴。然而,特别优选双料喷嘴。
本发明方法优选使用Wurster涂覆机。该涂覆机的实例可由GEA-Aeromatic Fielder AG(瑞士)购得且在Coating Place Inc.(Wisconsin,美国)组装的PRECISION COATERSTM。
有利的是同样选择从下面进入的流化床气流,以使全部量的吸水性聚合物颗粒均在装置中流化。流化床的气体速率高于最小的流化速率(测量方法描述于Kunii and Levenspiel″Fluidization engineering″1991中),且小于吸水性聚合物颗粒的最终速率,优选超过最小流化速率10%。Wurster管的气体速率超过吸水性聚合物颗粒的最终速率,通常小于100米/秒,优选超过最终速率10%。
气流使水或溶剂汽化。在优选实施方案中,选择气流和温度的涂覆条件,以使气流在出口处的相对湿度或蒸气饱和度,基于相同温度下载气中盛行的相当的绝对湿度或合适的话绝对饱和蒸汽压,为10-90%,优选10-80%或优选10-70%,尤其是30-60%。
流化床反应器可由不锈钢或用于该反应器的任何其它典型材料制成,也可以产物接触的部件为不锈钢,以允许使用有机溶剂和高温。
在另一优选实施方案中,流化床反应器的内表面至少部份涂覆在25℃下与水的接触角超过90°的材料。该材料的实例为聚四氟乙烯或聚丙烯。优选装置的所有接触产品的部件均涂覆该材料。
然而,用于装置的接触产品部件的材料的选择也取决于这些材料是否对所用聚合物分散体或溶液或对待涂覆聚合物呈现强的粘合。优选选用对待涂覆聚合物或聚合物分散体或溶液没有这种粘合的材料,以避免结块。
根据本发明,在产物和/或载气温度在0-50℃,优选5-45℃,尤其是10-40℃,最优选15-35℃下进行涂覆。
在优选实施方案中,在热处理步骤之前将解聚集助剂加入待涂覆或优选已涂覆的颗粒中。解聚集助剂对本领域技术人员是已知的,如选自有机和无机盐及其混合物的细碎的水不溶性盐,以及蜡和表面活性剂。水不溶性盐在本文中是指在pH为7的水中溶解度小于5g/l,优选小于3g/l,尤其小于2g/l,最优选小于1g/l(在25℃和1巴下)的盐。使用水不溶性盐可降低由成膜聚合物,尤其是聚氨酯引起的粘性,这在热处理过程中发生。
水不溶性盐可以固体材料或分散体的形式使用,优选以水分散体的形式使用。固体通常借助载气,以细尘喷入装置中。分散体优选借助高速搅拌器,通过在第一步骤由固体材料和水制备分散体,且在第二步骤中将其快速引入流化床(优选经由喷嘴)中而施加。优选二个步骤均在相同装置中进行。合适的话,水分散体可与聚氨酯(或其它成膜聚合物)一起施加,或经由独立的喷嘴以独立的分散体与聚氨酯同时或与聚氨酯不同时施加。特别优选在已施加成膜聚合物之后和随后的热处理步骤之前施加解聚集助剂。
水不溶性盐中合适阳离子例如为Ca2+、Mg2+、Al3+、Sc3+、Y3+、Ln3+(其中Ln代表镧系元素)、Ti4+、Zr4+、Li+、K+、Na+或Zn2+。合适的无机阴离子抗衡离子例如为碳酸根、硫酸根、碳酸氢根、原磷酸根、硅酸根、氧离子或氢氧根。当盐以各种晶形出现,则应包括盐的所有晶形。水不溶性无机盐优选选自硫酸钙、碳酸钙、磷酸钙、硅酸钙、氟化钙、磷灰石、磷酸镁、氢氧化镁、氧化镁、碳酸镁、白云石、碳酸锂、磷酸锂、氧化锌、磷酸锌,镧系元素的氧化物、氢氧化物、碳酸盐和磷酸盐,硫酸钠镧、硫酸钪、硫酸钇、硫酸镧、氢氧化钪、氧化钪、氧化铝、水合氧化铝及其混合物。磷灰石是指氟磷灰石、羟基磷灰石、氯磷灰石、碳酸盐磷灰石和碳酸盐氟磷灰石。特别合适的是钙和镁盐如碳酸钙、磷酸钙、碳酸镁、氧化钙、氧化镁、硫酸钙及其混合物。无定形或结晶的氧化铝、二氧化钛和二氧化硅也是合适的。这些解聚集助剂也可以它们的水合形式使用。有用的解聚集助剂进一步包括许多粘土、滑石和沸石。二氧化硅优选以其无定型的形式使用,例如亲水性或疏水性Aerosil,也可选择使用市售的含水硅溶胶,如粒度为5-75nm的LevasilKiselsole(H.C.Starck GmbH)。
细碎水不溶性盐的平均粒度通常小于200μm,优选小于100μm,尤其小于50μm,更优选小于20μm,甚至更优选小于10μm,最优选小于5μm。通常使用甚至更细的气相法二氧化硅,例如小于50nm,优选小于30nm,甚至更优选小于20nm的初级粒度。
在优选实施方案中,细碎水不溶性盐的用量基于吸水性聚合物的重量为0.001-20重量%,优选小于10重量%,尤其是0.001-5重量%,更优选0.001-2重量%,最优选0.001-1重量%。
可代替或除上述无机盐外,也可使用其它已知的解聚集助剂,实例为蜡,优选经微粉化或优选部份氧化的聚乙烯蜡,其同样可以水分散体的形式使用。该蜡描述于EP 0 755 964中,此处特别将其引入作为参考。
此外,为实现解聚集,可用高Tg(>50℃)的另一聚合物分散体进行第二次涂覆。
有用的解聚集助剂进一步包括硬脂酸,硬脂酸盐例如硬脂酸镁、硬脂酸钙、硬脂酸锌、硬脂酸铝和其它聚氧乙烯-20-失水山梨糖醇醚单月桂酸酯以及聚乙二醇400单硬脂酸酯。
有用的解聚集助剂同样包括表面活性剂。表面活性剂可单独使用或与上述解聚集助剂之一,优选水不溶性盐混合使用。
所述加入可与聚氨酯一起进行、在加入聚氨酯之前或加入聚氨酯之后进行。通常可在热处理之前加入。在后交联操作过程中可进一步施加表面活性剂。
有用的表面活性剂包括非离子、阴离子和阳离子表面活性剂及其混合物。吸水性材料优选包含非离子表面活性剂。有用的非离子表面活性剂例如包括失水山梨糖醇酯如失水山梨糖醇与C8-C18羧酸如月桂酸、棕榈酸、硬脂酸和油酸的单-、二-或三酯;聚山梨糖醇酯;烷基链中具有8-22个,优选10-18个碳原子和具有1-20,优选1.1-5个葡糖苷单元的烷基聚葡糖苷;N-烷基葡糖酰胺;烷基胺烷氧基化物或烷基酰胺乙氧基化物;烷氧基化的C8-C22醇如脂肪醇烷氧基化物或羰基合成醇烷氧基化物;氧化乙烯、氧化丙烯和/或氧化丁烯的嵌段聚合物;具有C6-C14烷基链和5-30mol氧化乙烯单元的烷基酚乙氧基化物。
表面活性剂的量基于吸水性材料的重量通常为0.01-0.5重量%,优选小于0.1重量%,尤其小于0.05重量%。
根据本发明,热处理在50℃以上,优选100-200℃,尤其是120-160℃的温度下进行。不希望受理论限制,该热处理造成施加的成膜聚合物,优选聚氨酯流动并形成聚合物膜,由此使聚合物链缠结在一起。热处理持续时间取决于所选的热处理温度和成膜聚合物的玻璃化转变温度与熔融温度。通常发现30-120分钟的热处理时间已足够。然而,当例如在流化床干燥器中热处理小于30分钟时,也可完成所需聚合物膜形成。当然时间可以更长,但尤其是在较高温下可能造成聚合物膜或吸水性材料受损。
热处理例如在下游流化床干燥器、隧道式干燥器、塔盘式干燥器、塔式干燥器、一个或多个加热螺杆或盘式干燥器或Nara干燥器中进行。热处理优选在流化床反应器,更优选直接在Wurster涂覆机中进行。
热处理可在强制空气烘箱中在塔盘上进行。此时需要在热处理之前用解聚集助剂处理涂覆的聚合物。或者,可对塔盘防粘涂覆,然后将涂覆的聚合物以单颗粒层置于塔盘上,以避免烧结在一起。
在一个关于涂覆、热处理和冷却的方法步骤的实施方案中,可在每个步骤中使用空气或干燥空气。
在另一实施方案中,可在一个或多个这些方法步骤使用惰性气体。在另一实施方案中,可在一个或多个这些方法步骤使用空气和惰性气体的混合物。
热处理优选在惰性气体中进行。特别优选涂覆步骤也在惰性气体中进行。非常特别优选最后的冷却阶段也在保护气体中进行。因此,优选一种其中在惰性气体中生产本发明吸水性材料的方法。
据认为通过本发明方法得到的吸水性材料可由均匀膜围绕。取决于基于吸收性聚合物颗粒的涂覆速率以及进行涂覆的方式,可想到聚合物膜不可能完全不中断,而会有未覆盖的区域如岛。该实施方案也包括在本发明中。裂纹例如具有洞的涂层并不是不利的,只要超吸收性聚合物颗粒的涂覆使得尽管涂层中有裂纹,但在涂覆的吸水性聚合物颗粒的溶胀中出现与基本无裂纹涂层基本类似的机械力。聚合物的亲水性在该实施方案中起较小作用。例如通过在分散体中使用填料或聚合物添加剂故意掺入这种缺陷可提供一种增加所要求保护的材料吸收速率的方法,并可作为优点使用。有利的是涂层可包含水溶性填料,其随后会在涂覆的吸水性材料的溶胀过程中溶解。
通常发现无裂纹和有裂纹的颗粒并存,这可通过染色方法显微观察到。
在这种情况下,可能有利的是将吸收性聚合物颗粒如上所述后交联。已经后交联的吸水性聚合物颗粒可用成膜聚合物,尤其是聚氨酯涂覆。还可直到热处理之前施加后交联剂,即与成膜聚合物,尤其是聚氨酯在流化床中同时发生,或在涂覆成膜聚合物步骤之后进行。在后面的变型方案中,这可同时优选加入解聚集助剂进行。在所有情况下,热处理优选在120-160℃的温度下进行。
在热处理步骤结束之后,将干燥的吸水性聚合物材料冷却。为此,优选将温热和干燥的聚合物连续输入游冷却器中。该冷却器例如可为盘式冷却器、Nara叶片式冷却器或螺杆冷却器。通过使合适的冷却介质如温水或冷水流过壁或合适的话冷却器的搅拌元件而冷却。可优选将水或添加剂的水溶液或分散体喷雾入冷却器中,这可改进冷却效率(使水部分蒸发),最终产物的残留水分含量可调整至0-15重量%,优选0.01-6重量%,最优选0.1-3重量%。增加的残留水分含量使产物的粉尘含量下降,且在该吸水性材料与含水液体接触时有助于加速溶胀。添加剂的实例为三乙醇胺、表面活性剂、二氧化硅或硫酸铝。
然而,任选可仅使用冷却器来冷却,且在下游分开的混合器中加入水和添加剂。降低产物温度冷却仅进行至使得可将产物容易地装入塑料袋中或筒舱卡车中的程度。冷却后的产品温度通常小于90℃,优选小于60℃,最优选小于40℃,优选高于-20℃。
优选使用流化床冷却器。
如果涂覆和热处理均在流化床中进行,则两个操作可在分开的装置中进行或在一个具有连通室的装置中进行。如果冷却也在流化床冷却器中进行,则可在分开的装置中进行或任选与其它两个步骤合并恰在一个具有第三反应室的装置中进行。更多个反应室也是可以的,如果需要在互相依次连接的多个室中进行某些步骤如涂覆步骤,从而使吸水性聚合物颗粒在各室中通过使颗粒依次通过各室而连续建立成膜聚合物壳。
优选可通过包括如下步骤的方法得到的吸水性材料:
a)在流化床反应器中,在0-50℃下,优选0-45℃的温度下用弹性成膜聚合物分散体喷雾吸水性聚合物颗粒,和
b)任选用解聚集助剂涂覆根据a)获得的颗粒,以及随后
c)在50℃以上的温度下热处理涂覆的颗粒,以及随后
d)使热处理的颗粒冷却至90℃以下。
涂覆的吸水性颗粒可与其它颗粒组分如纤维,(纤维状)胶,有机或无机填充材料或流动助剂,加工助剂,抗结块剂,臭味抑制剂,着色剂,赋予湿粘性的涂层,亲水性表面涂层等混合存在于本发明吸水性材料中。
通常可通过描述于本文中的方法得到吸水性材料,所得材料通常为固体;其包括凝胶、片、纤维、聚集体、大块、微粒、颗粒、球和其它在下文中描述的吸水性聚合物领域中已知的形式。
本发明吸收性材料优选包含小于20重量%的水,或甚至小于10%,或甚至小于8%,或甚至小于5%,或甚至不含水。吸收性材料的水含量可通过Edana试验编号ERT 430.1-99(1999年2月)测定,其包括在摄氏105℃下干燥吸收性材料3小时并通过吸收性材料干燥后的重量损失测定水含量。
吸收性材料可包含两层或更多层涂覆剂(壳),其可通过涂覆吸收性聚合物两次或更多次而得到。这可为相同涂覆剂或不同的涂覆剂。然而,由于经济上的原因,优选具有成膜聚合物,优选聚氨酯的单个涂层。
本发明吸水性材料的显著之处在于在干燥时具有不规则形状的颗粒在溶胀态下采取更圆的形状/形态,因为吸收芯的溶胀经由表面上的弹性聚合物壳的回弹力分布,并且就此而言,在该溶胀过程中以及在使用中弹性聚合物壳基本保持其性能。包封的成膜聚合物,尤其是聚氨酯是盐水渗透性的,因此聚合物颗粒在CS-CRC(芯壳离心保留能力)试验中获得优异的吸收值,且在CS-SFC试验中获得良好的渗透性。
优选芯壳离心保留能力(CS-CRC)值不小于20g/g,优选不小于25g/g的吸水性材料。
同样优选其中CS-CRC和CS-SFC(芯壳盐水导流能力)满足以下不等式的吸水性材料:Log(CS-SFC′/150)>3.36-0.133×CS-CRC,其中CS-SFC′=CS-SFC×107,且150的量纲为[cm3s/g]。
同样优选其中CS-CRC和CS-SFC(芯壳盐水导流能力)满足以下不等式的吸水性材料:Log(CS-SFC′/150)>2.5-0.095×CS-CRC,其中CS-SFC′=CS-SFC×107,且150的量纲为[cm3s/g]。
此外,通过本发明方法制备的吸水性材料具有高的湿孔隙率,即这意味着一旦使一定量的本发明吸水性材料吸收液体并溶胀,其通常会形成(水)凝胶或(水)凝胶床,尤其与未涂覆的吸水性聚合物颗粒相比,其具有特定的湿孔隙率,其中孔隙率用US 5,562,646(此处引入作为参考)公开的PHL试验测量;如果吸水性材料和吸水性聚合物颗粒与试验方法所述的不同的压力下试验,则应相应调节用于该试验的重量。
此外,通过本发明方法制备的吸水性材料可用本文所述的CS-SFC试验测量,对于流经凝胶床的液体具有高渗透性。
在下文中也称为形成水凝胶的聚合物的吸水性材料通过下述测试方法测试。
方法:
测量应在23±2℃的环境温度和50±10%的相对湿度下进行,除非另有说明。在测量前将吸水性聚合物颗粒充分混合。对下述方法而言,AGM是指″吸收剂凝胶材料″且可与吸水性聚合物颗粒以及吸水性材料有关。各自的含义由以下实施例中给出的数据清楚地定义。
CRC(离心保留能力)
该方法测量茶袋中水凝胶的自由溶胀性。为测定CRC:将0.2000±0.0050g干燥水凝胶(粒度级106-850μm或如下述实施例中具体规定)称入尺寸为60×85mm的茶袋中,随后将其密封。将茶袋在过量的0.9重量%氯化钠溶液(至少0.83L氯化钠溶液/1g聚合物粉末)中放置30分钟。然后将茶袋在250g下离心3分钟。通过称重离心后的茶袋测定液体量。该程序对应于EDANA推荐的试验方法No.441.2-02(EDANA=EuropeanDisposables and Nonwovens Association)。其中也定义了茶袋材料以及离心和评价。
CS-CRC(芯壳离心保留能力)
CS-CRC完全类似CRC进行,不同之处在于样品溶胀时间由30分钟延长为240分钟。
AUL(0.7psi负载下的吸收率)
类似于由EDANA(European Disposables and Nonwovens Association)推荐的在压力下的吸收的测试方法No.442.2-02测定负载下的吸收率,不同之处在于对于各实施例测量了具有在实施例中所报导的粒度分布的真实样品。
测定AUL 0.7psi用的测量池是内径60mm,高度50mm的有机玻璃圆筒。粘附在圆筒底部的是网目大小为36μm的不锈钢筛底。测量池还包括直径为59mm的塑料板,以及可与塑料板一起放入测量池的砝码。塑料板与砝码的总重为1345g。为测定AUL 0.7psi,通过测量空有机玻璃圆筒与塑料板的重量,并记录为Wo。然后将0.900±0.005g形成水凝胶的聚合物(粒度分布:150-800μm或如下述实施例所具体报导)称入有机玻璃圆筒中并非常均匀地分布于不锈钢筛底上。然后,将有机玻璃板小心放入有机玻璃圆筒中,称重整个组件并记录为Wa。然后,将砝玛置于有机玻璃圆筒中的塑料板上。将直径为120mm、高10mm且孔隙率为0的陶瓷过滤板(Duran,购自Schott)置于直径为200mm,高度为30mm的陪替氏培养皿中央,并引入足量的0.9重量%氯化钠溶液,至液体表面与过滤板表面平,但不湿过滤板表面。然后,将直径为90mm且孔径大小<20μm的圆形滤纸(购自Schleicher&Schüll的S&S 589 Schwarzband)置于陶瓷板上。然后,将包含形成水凝胶的聚合物的有机玻璃圆筒与塑料板和砝码一起置于滤纸上,并放置60分钟。在时间到时,从滤纸和陪替氏培养皿中取出整个组件,随后从有机玻璃圆筒中取出砝码。将包含溶胀水凝胶的有机玻璃圆筒与塑料板一起称重,并将重量记录为Wb。
根据以下公式计算负载下的吸收率(AUL):
AUL 0.7psi[g/g]=[Wb-Wa]/[Wa-Wo]
AUL 0.3psi和0.5psi在恰当的低压下类似地测量。
CS-AUL(在负载0.7psi下的芯壳吸收率)
测定CS-AUL 0.7psi用的测量池是内径60mm,高度50mm的有机玻璃圆筒。粘附在圆筒底部的是网目大小为36μm的不锈钢筛底(钢1.4401,金属丝直径0.028mm,购自Weisse&Eschrich)。测量池还包括直径为59mm的塑料板,以及可与塑料板一起放入测量池的砝码。塑料板与砝码的总重为1345g。为测定AUL 0.7psi,通过测量空有机玻璃圆筒与塑料板的重量,并记录为Wo。然后将0.900±0.005g形成水凝胶的聚合物(粒度分布:150-800μm或如下述实施例所具体报导)称入有机玻璃圆筒中并非常均匀地分布于不锈钢筛底上。然后,将塑料板小心放入有机玻璃圆筒中,称重整个组件并记录为Wa。然后,将砝玛置于有机玻璃圆筒中的塑料板上。将直径为90mm的圆形滤纸(购自Schleicher&Schüll的No.597)置于直径115mm且高度65mm的500ml结晶盘(购自Schott)的中心。然后引入200ml0.9重量%的氯化钠溶液,然后将包含形成水凝胶的聚合物的有机玻璃圆筒与塑料板和砝码一起置于滤纸上,并放置240分钟。在时间到时,从滤纸和陪替氏培养皿中取出整个组件并沥干附着的液体5秒钟。随后从有机玻璃圆筒中取出砝码。将包含溶胀水凝胶的有机玻璃圆筒与塑料板一起称重,并将重量记录为Wb。
根据以下公式计算负载下的吸收率(AUL):
AUL 0.7psi[g/g]=[Wb-Wa]/[Wa-Wo]
AUL 0.3psi和0.5psi在恰当的低压下类似地测量。
盐水导流率(SFC)
测定溶胀凝胶层渗透性的方法为″盐水导流率″,还已知为″凝胶层渗透性″,且描述于EP A 640 330中。该方法使用的设备已如下所述进行改进。图1显示了由用于空气进入的端部开口管A、再填充用的塞住的孔B、恒定静水压头储槽C、实验室千斤顶D、输送管E、活塞F、环状立式支架G、接收容器H、天平I和SFC装置L装配的渗透性测量设备。
图2显示由金属砝码M、柱塞轴N、盖O、中心柱塞P和圆筒Q组成的SFC装置L。圆筒Q的内径为6.00cm(面积=28.27cm2)。圆筒Q的底部面对不锈钢筛布(网目宽度:0.036mm,金属丝直径:0.028mm),不锈钢筛布在连接之前经双轴拉伸绞紧。柱塞由直径21.15mm的柱塞轴N组成。上部26.0mm的直径为15.8mm,形成轴环、穿孔的中心柱塞P,其也用拉伸的不锈钢筛网(网目宽度:0.036mm,金属丝直径:0.028mm)遮蔽,以及环状不锈钢砝码M。环状不锈钢砝码M具有中心孔,因而它们可在柱塞轴上滑动且留在轴环上。中心柱塞P、轴和不锈钢砝码M的总重必须为596g(±6g),这对应于在圆筒面积上0.30psi。圆筒盖O的中心具有用于垂直对准柱塞轴N的开口和靠近边缘的用于将流体从储槽引入圆筒Q的第二个开口。
圆筒Q详细规格为:
圆筒外径:70.35mm
圆筒内径:60.0mm
圆筒高度:60.5mm
圆筒盖O详细规格为:
SFC盖的外径:76.05mm
SFC盖的内径:70.5mm
SFC盖的总外部高度:12.7mm
SFC盖不含轴环的高度:6.35mm
位于中心的用于柱筛轴的孔直径:22.25mm
SFC盖的孔直径:12.7mm
上述两个孔的中心距离:23.5mm
金属砝码M的详细规格为:
金属砝码用柱塞轴直径:16.0mm
金属砝码的直径:50.0mm
金属砝码的高度:39.0mm
图3显示了柱塞中心P的详细规格:
SFC柱塞中心的直径m:59.7mm
SFC柱塞中心的高度n:16.5mm
在47.8mm螺栓环上间距相等的直径9.65mm的14个孔o,和
在26.7mm螺栓环上间距相等的直径9.65mm的7个孔p,
5/8英寸的螺纹q。
在使用之前,应对SFC装置的不锈钢筛网精确检测堵塞、孔或过度拉伸且必要时替换。具有受损筛网的SFC装置可产生不正确的SFC结果且必须直到筛网全部替换才使用。
在连接在圆筒底部的筛网上方的5.00cm(±0.05cm)的高度测量并用永久精密标记清楚地标记圆筒。这可标记分析过程中需保持的流体液面。正确且恒定的保持流体液面(静水压力)对测量精度相当重要。
使用恒定的静水压头储槽C将NaCl溶液输送至圆筒,且使溶液的液面保持在连接在圆筒底部的筛网上方5.0cm的高度。储槽的底部装有空气吸入管A,从而在测量过程中使圆筒中流体液面维持在所需的5.0cm高度,即当将其置于接收容器上的支撑筛网上时,空气管A底部距离工作台顶部的高度与标记在距离圆筒上5.0cm的工作台顶部的高度相同。空气吸入管A和标记在圆筒上的5.0cm流体高度的恰当高度校正对分析相当重要。合适的储槽由含有如下部件的瓶组成:用于输送流体的水平方向的L-型输送管E、在储槽中在固定高度的用于空气进入的端部开口的垂直管A、用于再填充储槽的塞住的孔B。位于靠近储槽C底部的输送管E含有用于开启/停止流体输送的活塞F。管的出口尺寸使其可***圆筒盖O中开口,其末端位于圆筒中流体表面以下(在达到5cm高度之后)。空气吸入管位于o-环轴环内。储槽可位于实验室千斤顶D之上,以调节其相对于圆筒的高度。储槽组件的尺寸使得可快速填充圆筒至所需高度(即静水压头)且在测量期间保持该高度。储槽必须可在最小3g/秒的流速下输送液体至少10分钟。
柱塞/圆筒装置设置在环上,直立配置16网目的硬不锈钢支撑筛网(或等价的装置)。该支撑筛网具有足够的渗透性,从而不会阻碍流体流动,且具有足够的硬度以支撑不锈钢筛布以防拉伸。支撑筛网应平坦并水平以避免测试过程中使圆筒装置倾斜。将通过该网筛的流体收集在收集储槽中,其位于支撑筛网下方(但不支撑)。将收集储槽置于天平上使精度至少为0.01g。天平的数字输出与计算机数据获取***相连。
试剂的制备
以下制备基于标准1L的体积。对于超过1L的制备,所有成份必须合适地计算。
Jayco合成尿
1L容量瓶中装入去离子水至其容积的80%,加入搅拌棒并置于搅拌盘上。使用分析天平并使用称重纸或烧杯分开称取(精确至±0.01g)如下干燥成分的量并与上述相同的顺序加入容量瓶中。混合直到所有固体溶解,然后移除搅拌棒并用蒸馏水稀释至1L容量。再加入搅拌棒并在搅拌盘上混合数分钟以上。所制备的溶液导电率必须为7.6±0.23mS/cm。
无水化学式[水合]
氯化钾(KCl) 2.00g
硫酸钠(Na2SO4)2.00g
磷酸二氢铵(NH4H2PO4)0.85g
磷酸铵,二碱式((NH4)2HPO4)0.15g
氯化钙(CaCl2)0.19g(2H2O)0.25g
氯化镁(MgCl2)0.23g(6H2O)0.50g
为使制备更快速,在加入下一成分之前需等待直至各种盐全部溶解。Jayco可在清洁玻璃容器中储存2周。如果溶液变浑浊则不使用。在清洁的塑料容器中的储存寿命为10天。
0.118M氯化钠(NaCl)溶液
使用称重纸或烧杯将6.90g的氯化钠(精确至±0.01g)称重入1L容量瓶中并用去离子水填充至容量。加入搅拌棒并在搅拌盘上混合直到所有固体溶解。所制备溶液的电导率必须为12.50±0.38mS/cm。
测试预备
使用参比金属圆筒(直径40mm;高度140mm)设定测径器(例如Mitotoyo Digimatic Height Gage)读数为零。该操作通常在光滑且水平的工作台顶部上进行。将不含AGM的SFC装置置于测径器下并记录厚度为L1,取值舍入至0.01mm。
用0.118 M NaCl溶液填充恒定静水压头储槽。储槽的底部装有空气吸入管A,从而在测量过程中使SFC圆筒中液体弯月面的顶部部份维持在所需的5.0cm高度。空气吸入管A高度恰当对准于圆筒上标记的5cm流体高度对分析是关键的。
通过在圆盘的顶部加入过量的合成尿使8cm的多孔盘(厚度7mm;例如Chemglass Inc.#CG 201-51,粗糙孔隙率)饱和。重复直到盘饱和。将饱和多孔盘置于吸水盘中,并加入合成尿直到达到盘的水平。流体高度必须不超过盘的高度。
将收集储槽置于天平上并将天平的数字输出与计算机数据获取***连接。将直立配置16网目的硬不锈钢支撑筛网的环置于收集盘上方。该16网目筛网应具有足够的硬度以在测量过程中支撑SFC装置。支撑筛网必须平坦且水平。
AGM取样
AGM样品应储存在密封瓶中且维持在恒定、低湿度的环境中。混合样品至粒度均匀分布。使用刮刀将待测试材料的代表性样品从容器的中心取出。推荐使用样品分配器以增加样品粒度分布的均匀性。
SFC程序
将称重的漏斗置于分析天平盘上并使天平归零。用刮刀将0.9g(±0.05g)AGM称重入漏斗中。将SFC圆筒置于工作台上,取出称重的漏斗并用手指轻轻敲击,将AGM转移到圆筒中并确保其均匀地分布在筛网上。在AGM转移过程中,使圆筒逐渐旋转以便于分散并获得均匀分布。使颗粒均匀地分布在筛网上对获得最高精确度的结果是重要的。在分布结束时,必须使AGM材料不粘附在圆筒壁上。将柱塞轴***盖的中心孔中,然后将柱塞中心***圆筒数厘米。使柱塞中心与AGM保持距离而***圆筒中的盖,且将其小心旋转直到二者对准。将柱塞小心旋转使其与盖对准,然后使其向下移动并停留在干燥AGM的顶部。将不锈钢砝码***栓塞杆中并检查盖是否自由移动。适当安排盖以避免束缚并确保重量均匀地分布在凝胶床上。
圆筒底部的薄筛网易于拉伸。为防拉伸,用食指在柱塞杆上恰高于盖处施加侧压,同时抓住装置的圆筒部分。这将柱塞″锁″靠在圆筒内部从而可将装置举起。将整个装置置于吸水盘中的多孔盘上。盘中的液面应不超过多孔盘的高度。应小心使层在该程序期间不损失流体或在空气中。可在盘中得到的流体应足以溶胀所有相。需要的话,在水合过程中将更多流体加入盘中,以确保有足够可用的合成尿。在60分钟后,将SFC装置置于测径器下,且记录厚度为L2,取值舍入至0.01mm。通过L2-L1的差计算凝胶层的厚度为L0,取值舍入至±0.1mm。如果读数随时间变化,则仅记录初始值。
将SFC装置移到收集盘上方的支撑筛网上。在举起装置时,须将柱塞锁靠在圆筒内部。以使输送管通过圆筒盖中的孔来放置恒定静水压头储槽。按如下顺序开始测量:
a)开启恒定静水压头储槽的活塞并使流体达到5cm标记。所述流体液面应在开启活塞的10秒内达到。
b)一旦达到5cm的流体时,立即启动数据收集程序。
借助与天平相连的计算机,以20秒的间隔记录通过凝胶层相对于时间的流体量,记录10分钟。10分钟后,关闭储槽的活塞。使用从60秒至实验结束时的数据来计算。60秒之前收集的数据不包括在计算中。对各AGM样品重复进行三次试验。
测量的评价保持与EP-A 640 330一样。自动收集输出流量。
如下计算盐水导流率(SFC):
SFC[cm3s/g]=(Fg(t=0)×L0)/(d×A×WP),
其中Fg(t=0)为从输出流量测量的Fg(t)数据通过外推至t=0线性回归分析而得到的NaCl溶液的输出流量(g/s);L0为凝胶层厚度(cm);d为NaCl溶液的密度(g/cm3);A为凝胶层的面积(cm2);WP为凝胶层上的静水压力(dyn/cm2)。
CS-SFC(芯壳盐水导流率)
CS-SFC完全类似SFC测定,但具有如下改变:
为改进SFC,本领域技术人员会设计包括活塞的供入管线,以使供入管线的流体动力学阻力相当低,使得在真正用于评价的测量时间开始之前得到与SFC(5cm)相同的流体压力并在用于评价的测量时间内保持恒定。
-所用AGM重量为1.50+/-0.05g
-使用0.9重量%氯化钠溶液作为使AGM样品预溶胀的溶液以及用于测量输出流量
-用于测量的样品预溶胀时间为240分钟
-对于预溶胀,可将直径为90mm的滤纸(Schleicher&Schüll,No 597)置于500ml的结晶盘(Schott,直径=115mm,高度65mm)中,并加入250ml 0.9重量%氯化钠溶液,然后将具有样品的SFC测量池置于滤纸上并溶胀240分钟
-每5秒记录输出流量数据,总共记录3分钟
-使用10秒和180秒之间所测量的点评价,并且Fg(t=0)为从输出流量测量的Fg(t)数据通过外推至t=0线性回归分析而得到的NaCl溶液的输出流量(g/s)
-SFC-测量装置中用于输出流量溶液的原料储存瓶含约5kg氯化钠溶液。
粒度分布
粒度分布通过EDANA(European Disposables and NonwovensAssociation)推荐的测试方法No.420.2-02“粒度分布”测定。
16小时可提取物
吸水性聚合物颗粒中可提取成分的水平通过由EDANA(EuropeanDisposables and Nonwovens Association)推荐的测试方法No.470.2-02“通过电位滴定测定可提取聚合物含量”测定。提取时间为16小时。
pH值
吸水性聚合物颗粒的pH通过由EDANA(European Disposables andNonwovens Association)推荐的测试方法No.400.2-02“测定pH”测定。
自由溶胀速率(FSR)
将1.00g(=W1)干燥的吸水性聚合物颗粒称重入25mL的玻璃烧杯中并均匀分布在玻璃烧杯的底部。然后将20mL 0.9重量%氯化钠溶液分散入第二玻璃烧杯中,将该烧杯中的内容物迅速加入第一烧杯中并启动秒表。一旦通过液体表面上的反射消失确定最后一滴盐溶液被吸收,停止秒表。通过再称重第二烧杯而精确测定由第二烧杯倒出且由第一烧杯中的聚合物吸收的液体的确切量(=W2)。用秒表测量的吸收所需时间记为t。将表面上最后一滴液体消失定义为时间t。
如下计算自由溶胀速率(FSR):
FSR[g/gs]=W2/(W1×t)
然而,当形成基础聚合物的水分含量超过3重量%时,必须因该水分含量而校正重量W1。
水性提取物的表面张力
将0.50g吸水性聚合物颗粒称重入小玻璃烧杯中并与40mL 0.9重量%盐溶液混合。将烧杯内容物在500rpm下磁力搅拌3分钟,然后放置2分钟。最后,用K10-ST数字张力仪或具有铂盘的相当的设备(购自Kruess)测量上层水相的表面张力。测量在23℃的温度下进行。
基础聚合物的水分含量
吸水性聚合物颗粒的水含量通过由EDANA(European Disposablesand Nonwovens Association)推荐的测试方法No.430.2-02“水分含量”测定。
CIE色数(Lab)
根据CIELAB程序(Hunterlab,第8卷,1996,第7期,第1-4页)进行颜色测定。在CIELAB体系中,经由三维体系的坐标L*、a*和b*描述颜色。L*表示亮度,L*=0指黑色,L*=100指白色。a*和b*值分别表示颜色在红/绿和黄/蓝颜色轴上的位置,其中+a*表示红色,-a*表示绿色,+b*表示黄色以及-b*表示蓝色。
按照德国标准规范DIN 5033-6的三域法(three range method)测定颜色。
Hunter 60值为表面白度的度量且定义为L*-3b*,即该值越低,颜色越深和越黄。
使用Hunterlab LS 5100比色计。
例如可由European Disposables and Nonwovens Association,AvenueEugène Plasky 157,B-1030 Brussels,比利时,得到EDANA测试方法。涂覆聚合物的分析方法:
弹性成膜聚合物膜的制备
为了使本文所用的弹性成膜聚合物进行以下某些测试方法(包括湿-拉伸测试),需要得到该聚合物的膜。
用于在本文的测试法中评价的(干)膜的优选平均(如下所述)厚度约为60μm。
制备膜的方法通常对本领域技术人员是已知的,通常包括溶剂流延、热熔融挤出或热熔融吹膜。通过这些方法制备的膜可能具有如膜拉伸或拉出的方向所定义的加工方向。与加工方向垂直的方向定义为横向方向。
对本发明而言,以下测试方法中所用的膜由溶剂流延形成,除当弹性成膜聚合物无法制成任何下列溶剂的溶液或分散体时,则通过如下所述的热熔融挤出制备膜。(后者为当弹性成膜聚合物的颗粒材料在室温下企图溶解或分散2-48小时后,在材料或涂覆剂与溶剂的混合物中仍看到该聚合物时,或当溶液或分散体的粘度太高而无法膜流延时的情况)。
所得膜应具有光滑的表面且没有可见的缺陷如气泡或裂纹。
由弹性成膜聚合物制备本文的溶剂流延膜的实例:
待进行本文测试的膜可如下所述通过由所述材料或涂覆剂的溶液或分散体流延膜而制备:
溶液或分散体通过将弹性成膜聚合物以10重量%溶于或分散于水中而制备,或若不能则在THF(四氢呋喃)中,或若不能则在二甲基甲酰胺(DMF)中,或若不能则在甲基乙基酮(MEK)中,或若不能则在二氯甲烷中或若不能则在甲苯中,或若不能则在环己烷中(且若不能,则使用下文中的热熔融挤出方法形成膜)。然后,将分散体或溶液倒入聚四氟乙烯盘中,并覆盖铝箔以减慢蒸发,在高于聚合物最低成膜温度,通常约25℃的温度下使溶剂或分散剂长时间缓慢蒸发,例如蒸发至少48小时,或甚至高达7天。然后,将膜在25℃的真空烘箱中放置6小时,以确保除去任何剩余溶剂。
由水分散体形成膜方法如下:
可使用购自供货商的分散体或用水稀释,只要可维持粘度足够高以拉成膜(200-500cps)。将分散溶液(5-10ml)置于一片与下拉桌面连接的铝箔上。使用#30或#60 Gardner计量棒拉聚合物分散体,以在干燥后得到50-100微米厚的膜。使分散剂在高于聚合物最小成膜温度,通常约25℃的温度下长时间缓慢蒸发,例如蒸发48小时或甚至高达7天。将膜在150℃的真空烘箱中加热至少5分钟至至多2小时,然后通过在温水浴中浸泡5-10分钟从箔基材上移除膜,而从该基材上移除膜。然后,将所移除的膜置于聚四氟乙烯片上并在环境条件下干燥24小时。然后将干燥的膜密封在塑料袋中直至可进行测试。
制备本文热熔融挤出膜方法如下:
若不能使用溶剂流延法,则此处弹性成膜聚合物的膜可在足够高的以允许弹性成膜聚合物流动的温度下使用单螺旋挤出设备由热熔体挤出。若聚合物的熔点温度为Tm,则挤出应在超过该Tm至少20K的温度进行。若聚合物为无定形(即不具有Tm),则可进行稳态剪切粘度法以测定聚合物的有序至无序转变,或粘度急剧下降的温度。由挤出机拉出膜的方向定义为加工方向,与拉出方向垂直的方向定义为横向方向。
例如 可湿拉伸的材料 模具温度 螺杆rpm
20 Irogran VP 654/5 180℃ 40
21 Elastollan LP 9109 170℃ 30
22 Estane 58245 180℃ 30
23 Estane 4988 180℃ 30
24 Pellethane 2103-70A 185℃ 30
膜的热处理:
对如下测试方法而言,膜的热处理应通过将膜置于比所用弹性成膜聚合物的最高Tg高约20K的温度下的真空烘箱中进行,并且在真空烘箱中在小于0.1托下进行2小时,条件是在弹性成膜聚合物具有熔融温度Tm时,热处理温度比Tm至少低20K,而优选比最高Tg高(如接近)20K。当达到Tg时,温度应缓慢上升至高于该最高Tg,以避免气体排出,气体排出可在膜中产生气泡。例如,硬段Tg为70℃的材料可在90℃下热处理10分钟,然后使温度逐渐升高,直到达到热处理温度。
若弹性成膜聚合物具有Tm,则膜(如上所述制备,并且通过下文中的方法测试)的所述热处理在高于(最高)Tg且比Tm低至少20K且高于(最高)Tg(如接近)20K的温度下进行。例如,Tm为135℃且最高Tg(硬段)为100℃的可湿拉伸的材料可在115℃下热处理。
不存在可测得的Tg或Tm时,则该方法中的热处理温度可与制备吸水性材料方法所用的温度相同。
可进行的话,移除膜,
如果干燥和任选热处理的膜难以从成膜基材上移除,则可将其在温水浴中放置30秒至5分钟,以从基材上移除膜。然后将膜在25℃下干燥6-24小时。
湿拉伸测试和湿拉伸应力测试:
该测试方法通过对平坦样品施加单轴应变且测量使样品伸长所需的力,而用于测量断裂湿伸长率(=断裂时的伸长率)和本文所用的弹性成膜聚合物的膜的拉伸性能。
进行该测试的优选设备为具有25N或50N测力仪的拉伸测试机如可由美国MN Eden Prairie的MTS Systems Corporation 14000 TechnologyDrive得到的MTS Synergie100或MTS Alliance。这测量了恒定的拉伸速率,其中拉伸夹具以均匀的速率移动且测量力的装置随着力增加移动的距离几乎可以忽略的距离(小于0.13mm)。选择测力仪以使测试样品的测量负载(例如力)为测力仪能力的10-90%。
各样品如上所述使用将膜切割成样品的钻板水压模具将膜切割成样品,其中各样品为1×1英寸(2.5×2.5cm)(因此,当通过不引入任何取向的方法制备膜时,膜可在任意方向测试)。选择测试的样品(最少三个)基本上不含可见缺陷如气泡、孔、内含物和缺口。它们还必须具有锐利且基本没有缺陷的边缘。
用低压测径器如Mitutoyo Caliper Gauge,使用约0.1psi的压力测量各干燥样品的厚度精确至0.001mm。测量样品的三个不同区域,并确定平均厚度。使用标准分析天平测量各样品的干重精确至0.001g并记录。干燥样品用于干伸长率、干正割模量和干拉伸应力值的测定,而未另外制备。
对于湿测试,可在环境温度(23+/-2℃)下将预称重的干燥膜样品在盐水溶液[0.9%(w/w)NaCl]中浸24小时。用120网目的耐腐蚀金属筛网将膜固定在浴中,以防样品卷曲和自粘。从浴中取出膜并用吸收薄纸如Bounty纸巾吸干,以从表面除去过量或未吸收的溶液。对干燥样品如注释测定湿厚度。将湿样品用于进行拉伸测试,而未另外制备。测试应在制备结束后5分钟内完成。评价湿样品以测定湿伸长率、湿正割模量和湿拉伸应力。
对本发明而言,伸长至断裂(或断裂时)称为湿断裂(或断裂时)伸长率,且断裂时的拉伸应力称为湿断裂应力。(断裂时,断裂伸长率%为本文所用的湿断裂伸长率)。
拉伸测试在具有计算机界面的恒定拉伸速率的拉伸测试机上进行,如具有Testworks 4软件的MTS Alliance拉伸测试机。选择测力仪以使测量的力落在测力仪能力的10-90%之间。设定装有平坦的1”-平方橡胶-面夹具的气动式夹具,使测量长度为1英寸。使样品负载足够的张力,以消除可看到的松弛,但小于0.05N。样品以10”/分钟的恒定十字头速度伸长,直到样品完全断裂。若发现样品在夹具的接口处断裂或在夹具中滑动,则放弃数据,并用新的样品重复测试,并适当调整夹具压力。样品重复操作三次,以考虑膜的变化。
使用起始样品尺寸(由其得到此处所用的伸长率、拉伸应力和模量)将所得拉伸力-位移数据转化成应力-应变曲线。断裂拉伸应力定义为样品断裂时测得的最大应力并以MPa报导。断裂点定义为应力-应变曲线上测量的应力落在其最大值的90%时的点。断裂伸长率定义为断裂点的应变并以相对于起始测量长度的百分比报导。400%伸长率下的正割模量定义为在0%和400%应变时应力-应变曲线交叉点构成的直线斜率。评价各弹性体膜涂层产生的三条应力-应变曲线。此处所用的伸长率、拉伸应力和模量均为由各曲线得到的各个值的平均。
在400%伸长率时的干正割弹性模量(SM干燥400%)通过使由上述方法得到(但其未浸泡在0.9%NaCl溶液中)的干燥膜进行上述相同的拉伸测试,然后如上所述计算与零截距和400%时的应力-应变曲线交叉的直线斜率而计算。
玻璃化转变温度
对本发明而言,玻璃化转变温度(Tg)通过差示扫描量热法(DSC)测定。量热计应能够在包括待测试样品的预期Tg的温度范围内,如-90℃至250℃以至少20℃/分钟的速率加热/冷却,且量热计的灵敏度应为约0.2μW。TAInstruments Q1000 DSC非常适合测定此处所指的Tg。相关材料可使用如下温度程序分析:在-90℃下平衡,以20℃/分钟升温至120℃,保持等温5分钟,以20℃/分钟降温至-90℃,保持等温5分钟,以20℃/分钟升温至250℃。使用第二次加热循环的数据(热流动相对于温度)经由标准半外推热容量温度算法而计算Tg。通常,将3-5g样品材料(+/-0.1g)称重入具有皱折盖的铝DSC盘中。
此处所用的Tg1的温度小于Tg2。
聚合物分子量
可使用具有多角光散射监测器的凝胶渗透色谱仪(GPC-MALS)测定本文的弹性成膜聚合物的分子量。本文的分子量是指重均摩尔质量(Mw)。适合进行这些测量***由DAWN DSP激光光度计(Wyatt Technology)、Optilab DSP干涉折光仪(Wyatt Technology)和标准HPLC泵如Waters 600E***所组成,所有装置均经由ASTRA软件(Wyatt Technology)操作。
对于任何色谱分离、溶剂选择、柱、温度和洗脱曲线和条件均取决于待测试的特定聚合物。已发现以下条件通常适合本文所指的弹性成膜聚合物:使用四氢呋喃(THF)作为溶剂和流动相;以1ml/分钟的流速通过二个串联配置的300×7.5mm、5μm、PLgel、混合-C GPC柱(Polymer Labs),并将其加热至40-45℃(将Optilab折光仪保持在相同温度下);注入100μl0.2%聚合物溶液的THF溶液用于分析。dn/dc值由可获得的文献得到,或用ASTRA计算。重均摩尔质量(Mw)使用Zimm拟合法通过ASTRA软件计算。
水蒸气传输速率法(MVTR法)
MVTR法测量在特定温度和湿度下由膜传输的水蒸气量。传输的蒸气由CaCl2干燥剂吸收并测定重量。用用作正对照的已建立渗透性的参考膜样品(例如Exxon Exxaire微孔材料#XBF-110W)评价样品三次。
该测试使用装有法兰的杯(由Delrin(McMaster-CarrCatalog#8572K34)制成)和无水CaCl2(Wako Pure Chemical Industries,Richmond,Va.;Catalog 030-00525)。杯的高度为55mm,内径为30mm且外径为45mm。杯上配有聚硅氧烷垫片和含有3个用于翼形螺钉以完全密封杯的孔的盖。干燥剂颗粒具有通过8号筛网但不会通过10号筛网的尺寸。将约1.5″×2.5″的没有明显缺陷的膜样品用于分析。膜必须完全覆盖杯的开口A,该开口为0.0007065m2。
用CaCl2填充杯至顶部1cm内。在台上轻敲该杯10次,使CaCl2的表面水平。调节CaCl2的量直到膜表面与CaCl2顶部之间的上方空间为1.0cm。将膜置于杯顶横跨开口(30mm),并使用聚硅氧烷垫片、固定环和翼形螺钉固定。恰当安装,样品应不会卷曲或拉伸。用分析天平称重样品组件且记录至±0.001g。将组件在恒定温度(40±3℃)和湿度(75±3%RH)的室中放置5.0小时±5分钟。取出样品组件,用Saran Wrap覆盖并用橡皮筋固定。使样品平衡至室温30分钟,移除塑料包,称重组件并记录重量至±0.001g。吸收的水分Ma为起始与最终组件重量之差。MVTR,以g/m2/24小时(g/m2/天)计,如下计算:
MVTR=Ma/(A*0.208天)
将重复的结果平均并舍入而取值至100g/m2/24小时,例如2865g/m2/24小时在本文为2900g/m2/24小时,275g/m2/24小时在本文为300g/m2/24小时。
测定成膜聚合物水溶胀能力的方法
将聚合物样品在室温(25℃)下在过量去离子水中浸泡3天后的重量记录为W1。将该聚合物样品之前干燥的重量记录为W0。然后如下计算水溶胀能力:
WSC[g/g]=(W1-W0)/W0
水溶胀能力为聚合物样品的水吸取量,以g水/1g干燥聚合物计。对于该测试方法,对于中等溶胀聚合物必须制备通常不厚于1.0mm的聚合物样品。对于低溶胀聚合物可能必须制备厚度小于0.5mm的聚合物膜,以在3天后获得平衡的溶胀。本领域技术人员会以在3天后获得平衡溶胀情形的方式调节厚度和干燥样品的重量。
圆筒离心保留能力(4小时CCRC)
圆筒离心保留能力(CCRC)方法测定水溶胀性材料或聚合物(样品)在250g的加速下离心的流体保留能力,本文称的为吸收能力。在离心前,先使样品在具有筛网底部和开口顶部的硬样品圆筒中的过量盐水溶液中溶胀。
对各测试材料评价重复样品试样并报导其平均值。
CCRC可在环境温度下通过将样品材料(1.0+/-0.001g)置于预称重(+/--0.01g)的有机玻璃样品容器中而测量,其中该有机玻璃样品容器顶部开口且底部用可使盐水轻易流入圆筒但含有被评价吸收剂颗粒的不锈钢筛网(400)密封。样品圆筒近似为高度尺寸为67mm具圆滑边缘的矩形棱柱。底部尺寸(OD 78×58mm,ID 67.2×47.2mm)与模件管的接合器(此处称为圆筒架)精确匹配,将该接合器装入离心机(Heraeus Megafuge 1.0;Heraeus#75003491,VWR#20300-016)的矩形旋转筒(Heraeus#75002252,VWR#20300-084)中。
将装有样品的圆筒轻轻振摇,以使样品均匀分布在筛网表面上,然后垂直置于含盐水溶液的盘中。应确保盐水自由流动通过筛底而放置圆筒。圆筒不应互相依靠或靠在盘的壁上或对盘的底部密封。使样品在无围压下在过量盐水中溶胀4小时。
在4小时后,立即从溶液中取出圆筒。将各圆筒置于(筛网侧向下)圆筒架上,并将所得组件置于旋转筒中,以使两个样品组件在离心旋转器中处于平衡位置。
在达到使圆筒架底部产生250±5g离心加速度所需的旋转速率后使样品离心3分钟(±10s)。圆筒架中的开口可使通过施加离心力而从吸收剂中驱出的任何溶液从样品流到旋转桶的底部且留在其中。将样品圆筒在旋转停止后立即移开,称重并取值舍入至0.01g。
以每g样品材料吸收的盐水溶液g数表示的圆筒离心保留能力按如下对每次重复操作进行计算:
其中:
mcs:为离心后具有样品的圆筒质量[g]
mcb:为不具有样品的干燥圆筒质量[g]
ms:为不具有盐水溶液的样品质量[g]
本文所指的CCRC为重复样品的平均值,并取值舍入至0.01g/g而报导。
测定本文水溶胀性材料的理论上相等的壳厚度的方法
如果已知包含在吸水性材料中的成膜聚合物量,则可如下所述确定理论上等价的平均厚度。该方法在吸水性材料为单分散和球形(实际上并非如此)的假设下计算此处的吸水性材料上的涂层或壳的平均厚度。相信甚至在不规则形状的颗粒的情况下,该方法对壳的平均厚度提供良好的估算。
主要参数
输入的参数 | 符号 |
吸水性聚合物(AGM)涂覆成膜聚合物之前的质量中值粒度(也称为″平均直径″) | D_AGM_dry |
基础吸水性聚合物的固有密度(本体相,未涂覆) | Rho_AGM_intrinsic |
弹性成膜聚合物的固有密度(仅涂层或壳) | Rho_polymer_shell |
涂覆的吸水性聚合物的涂层(壳)重量分数(成膜聚合物涂层占全部涂覆的吸水性聚合物的百分数) | c_shell_per_total |
输出参数 | |
如果吸水性聚合物为单分散和球形的成膜聚合物涂层平均厚度 | d_shell |
涂覆的吸水性聚合物的质量中值粒度(″涂覆后的平均直径″) | D_AGM_coated |
作为聚合物涂层占未涂覆的吸水性聚合物重量百分数的涂层重量比 | c_shell_to_bulk |
公式
(注释:在该注释中所有以百分数表示的c的范围在0-1之间,等价于0-100%)
D_coated_AGM:=D_AGM dry+2·d_shell
计算实例
D_AGM_dry:=0.4mm(400μm);
Rho_AGM_intrinsic:=Rho_polymer_shell:=1.5g/cc
C_shell_per_total[%] | 1 | 2 | 5 | 10 | 20 | 30 | 40 | 50 |
C_shell_to_bulk[%] | 1.0 | 2.0 | 5.3 | 11 | 25 | 43 | 67 | 100 |
d_shell[μm] | 0.7 | 1.4 | 3.4 | 7.1 | 15 | 25 | 37 | 52 |
D_Coated_AGM[μm] | 401 | 403 | 407 | 414 | 431 | 450 | 474 | 504 |
本发明实施例:
实施例1-用Permax 120涂覆ASAP 510 Z市售产品
从具有以下性能的市售产品ASAP 510 Z(BASF AG)中筛出800-850μm级分,然后根据本发明涂覆Permax 120:
ASAP 510 Z(筛分前的性能)
CCRC=29.0g/g
AUL 0.7psi=24.5g/g
SFC=50×10-7[cm3s/g]
ASAP 510 Z(仅800-850μm级分的性能)
CS-CRC=32.5g/g
CS-AUL 0.7psi=26.4g/g
CS-SFC=66×10-7[cm3s/g]
使用Wurster实验室涂覆机,吸收性聚合物(ASAP 510 Z,此时为800-850μm)的用量为500克,Wurster管的直径为50mm且长度为150mm,间隙宽度(与基板的距离)为15mm,Wurster装置为底部直径为150mm扩大到顶部直径为300mm的圆锥体,所用载气为温度24℃的氮气,Wurster管中的气体流速为3.1m/s,且周围环形空间的气体流速为0.5m/s。
使用开口直径为1.2mm的氮气驱动双料喷嘴将聚合物分散体雾化,氮气温度为28℃。由温度为24℃的41重量%纯水分散体以在65分钟喷雾183g分散体的速率喷雾Permax 120。在此过程中,将15重量%Permax施加于吸收性聚合物的表面。所报导的量基于所用吸收性聚合物。
以完全相同的方式再进行两次操作,不同之处在于Permax的施加水平降低至:5.0重量%和10重量%
然后取出涂覆的材料且将其均匀分布于聚四氟乙烯化的盘上(避免烧结在一起),并在真空烘箱中在150℃下干燥2小时。借助粗筛网(1000μm)除去块,聚合物表征如下:
负载Permax 120 | CS-CRC[g/g] | CS-AUL 0.7psi[g/g] | CS-SFC[×10-7cm3s/g] |
5重量% | 27.4 | 23.5 | 764 |
10重量% | 23.1 | 22.0 | 1994 |
15重量% | 21.5 | 20.2 | 2027 |
因此,这些如此涂覆的聚合物的性能远超出了常规范围。
实施例2-用Permax 200涂覆ASAP 510 Z市售产品
从具有以下性能的市售产品ASAP 510 Z(BASF AG)中筛出800-850μm级分,然后根据本发明涂覆Permax 200。
ASAP 510 Z(筛分前的性能)如实施例1所述。
使用如实施例1中的Wurster实验室涂覆机,吸收性聚合物(ASAP 510Z,此时为800-850μm)的用量为1000克,Wurster管的直径为50mm且长度为150mm,间隙宽度(与基板的距离)为15mm,Wurster装置为底部直径为150mm扩大到顶部直径为300mm的圆锥体,所用载气为温度24℃的氮气,Wurster管中的气体流速为2.0m/s,且周围环形空间的气体流速为0.5m/s。
使用开口直径为1.2mm的氮气驱动双料喷嘴将聚合物分散体雾化,氮气温度为27℃。由温度为24℃的22重量%纯水分散体以在168分钟喷雾455g分散体的速率喷雾Permax 200。在此过程中,将10重量%Permax施加于吸收性聚合物的表面。所报导的量基于所用吸收性聚合物。
以完全相同的方式再进行三次操作,不同之处在于Permax的施加水平降低至:2.5重量%、5.0重量%和7.5重量%。
然后取出涂覆的材料且将其均匀分布于聚四氟乙烯化的盘上(避免烧结在一起),并在真空烘箱中在150℃下干燥2小时。借助粗筛网(1000μm)除去块,聚合物表征如下:
负载Permax200 | CS-CRC[g/g] | CS-AUL 0.7psi[g/g] | CS-SFC[×10-7cm3s/g] |
2.5重量% | 29.7 | 24.7 | 234 |
5.0重量% | 27.5 | 25.3 | 755 |
7.5重量% | 25.6 | 23.8 | 1082 |
10.0重量% | 23.2 | 24.4 | 1451 |
因此,这些如此涂覆的聚合物的性能远超出了常规范围。
实施例3-用Permax 200涂覆ASAP 510 Z市售产品
以整个市售粒度分布150-850μm使用具有以下性能的市售产品ASAP510 Z(BASF AG),然后根据本发明涂覆Permax 200。
ASAP 510 Z的性能如实施例1所述。
使用如实施例1和2中的Wurster实验室涂覆机,吸收性聚合物(此时为ASAP 510 Z)的用量为1000克,Wurster管的直径为50mm且长度为150mm,间隙宽度(与基板的距离)为15mm,Wurster装置为底部直径为150mm扩大到顶部直径为300mm的圆锥体,所用载气为温度24℃的氮气,Wurster管中的气体流速为1.0m/s,且周围环形空间的气体流速为0.26-0.30m/s。
使用开口直径为1.2mm的氮气驱动双料喷嘴将聚合物分散体雾化,氮气温度为25℃。由温度为24℃的22重量%纯水分散体以在221分钟喷雾455g分散体的速率喷雾Permax 200。在此过程中,将10重量%Permax施加于吸收性聚合物的表面。所报导的量基于所用吸收性聚合物。
以完全相同的方式再进行三次操作,不同之处在于Permax的施加水平降低至:2.5重量%、5.0重量%和7.5重量%。
然后取出涂覆的材料且将其均匀分布于聚四氟乙烯化的盘上(避免烧结在一起),并在真空烘箱中在150℃下干燥2小时。借助粗筛网(850μm)除去块,聚合物表征如下:
负载Permax 200 | CS-CRC[g/g] | CS-AUL 0.7psi[g/g] | CS-SFC[×10-7cm3s/g] |
2.5重量% | 25.5 | 22.2 | 279 |
5.0重量% | 24.1 | 25.1 | 735 |
7.5重量% | 23.1 | 22.3 | 930 |
10.0重量% | 21.7 | 25.4 | 1303 |
因此,这些如此涂覆的聚合物的性能远超出了常规范围。
实施例4:在热处理前使用解聚集助剂(磷酸钙)
用10%Permax 200重复实施例2的操作,然而将用分散体涂覆的聚合物转移到实验室滚筒混合器中,并基于聚合物加入1.0重量%磷酸三钙型C13-09(购自Budenheim,Mainz)并与涂覆的聚合物干混合约10分钟。随后将聚合物转移至预热到150℃的实验室流化床干燥器(直径约70mm)中,在30分钟的停留时间后,测得以下性能:
CS-CRC=22.2g/g
CS-AAP=22.3g/g
CS-SFC=1483×10-7[cm3s/g]
在热处理过程中在流化床中没有任何结块,因此流化床仍保持非常稳定并如随后通过1000μm筛网的筛分证明。
未加入解聚集助剂的比较操作导致流化床崩解且未获得任何有用的产物。
实施例5:热处理前使用解聚集助剂(Aerosil 90)
用10%Permax 200重复实施例2的操作,然而将用分散体涂覆的聚合物转移到实验室滚筒混合器中,并基于聚合物加入1.0重量%Aerosil 90(购自Degussa)并与涂覆的聚合物干混合约10分钟。随后将聚合物以1.5-2.0cm的层置于直径5cm且高3cm的开口玻璃杯中,并在强制空气循环干燥烘箱中在150℃下热处理120分钟。聚合物仍可完全流动,并且未发生任何结块或聚集。
测得以下性能:
CS-CRC=23.6g/g
CS-AAP=23.4g/g
CS-SFC=1677×10-7[cm3s/g]
实施例6:
重复实施例5的操作。然而,未添加解聚集助剂,但在滚筒混合器中均化10分钟。将聚合物颗粒以松散的单颗粒层分散在聚四氟乙烯化的盘上并在强制空气干燥箱中在150℃下处理120分钟。
测得以下性能:
CS-CRC=23.5g/g
CS-AAP=21.6g/g
CS-SFC=1889×10-7[cm3s/g]
如实施例5在玻璃杯中用热处理进行的对比操作(未加入解聚集助剂)并不成功。产物形成块且变得无用。
实施例7:
使用与实施例1中相同的Wurster实验室涂覆机,吸收性聚合物(ASAP510Z,此时为800-850μm级分)的用量为1000克,Wurster管的直径为50mm且长度为150mm,间隙宽度(与基板的距离)为15mm,Wurster装置为底部直径为150mm扩大到顶部直径为300mm的圆锥体,所用载气为温度22℃的氮气,Wurster管中的气体流速为2.0m/s,且周围环形空间的气体流速为0.5m/s。
将Estane X-1007-040P溶于四氢呋喃中得到5重量%的溶液。使用开口直径为1.2mm的氮气驱动双料喷嘴将聚合物溶液雾化,氮气和溶液的温度为22℃。溶液以在106分钟喷雾586g溶液的速率喷雾。在此过程中,将2.9重量%Estane X-1007-040P施加于吸收性聚合物的表面。所报导的成膜聚合物Estane X-1007-040P的量基于所用吸收性聚合物。
然后取出涂覆的材料且将其均匀分布于聚四氟乙烯化的盘上(避免烧结在一起),并在真空烘箱中在150℃下干燥2小时。借助粗筛网(1000μm)除去块,聚合物表征如下:
负载EstaneX-1007-040P | CS-CRC[g/g] | CS-AUL 0.7psi[g/g] | CS-SFC[×10-7cm3s/g] |
2.9重量% | 25.7 | 18.4 | 443 |
实施例8:
使用与实施例1中相同的Wurster实验室涂覆机,吸收性聚合物(ASAP510Z,800-850μm)的用量为1000克,在该实施例中未使用Wurster管。所用载气为温度22℃的氮气,气体流速为1.09-1.26m/s。
将Estane X-1007-040P溶于四氢呋喃中得到5重量%的溶液。使用开口直径为1.2mm的氮气驱动双料喷嘴将聚合物溶液雾化,氮气和溶液的温度为23℃。溶液以在72分钟喷雾500g溶液的速率喷雾。在此过程中,将2.5重量%Estane X-1007-040P施加于吸收性聚合物的表面。所报导的成膜聚合物Estane X-1007-040P的量基于所用吸收性聚合物。
然后取出涂覆的材料且将其均匀分布于聚四氟乙烯化的盘上(避免烧结在一起),并在真空烘箱中在150℃下干燥2小时。借助粗筛网(1000μm)除去块,聚合物表征如下:
负载EstaneX-1007-040P | CS-CRC[g/g] | CS-AUL 0.7psi[g/g] | CS-SFC[×10-7cm3s/g] |
2.5重量% | 21.1 | 17.9 | 943 |
实施例9:
使用ASAP 510 Z的全部级分150-850μm作为吸收性聚合物重复实施例3,将Permax由如下各浓度的水分散体以表中所给的量加入。然后取出涂覆的材料且将其均匀分布于聚四氟乙烯化的盘上(避免烧结在一起),并在真空烘箱中在150℃下干燥2小时。借助粗筛网(1000μm)除去块,聚合物的表征如下:
负载Permax 200 | Permax在喷雾分散体中的含量 | CS-CRC[g/g] | CS-AUL 0.7psi[g/g] | CS-SFC[×10-7cm3s/g] |
1.0重量% | 22重量% | 28.4 | 24.4 | 161 |
2.5重量% | 22重量% | 27.0 | 24.3 | 285 |
2.5重量% | 11重量% | 26.7 | 24.4 | 399 |
还用标准测试方法对这些试样进行表征,结果如下:
负载Permax200 | Permax在喷雾分散体中的含量 | CRC[g/g] | AUL 0.7psi[g/g] | SFC[×10-7cm3s/g] |
1.0重量% | 22重量% | 27.8 | 21.9 | 187 |
2.5重量% | 22重量% | 25.5 | 22.2 | 244 |
2.5重量% | 11重量% | 24.8 | 22.1 | 337 |
非本发明的对比例:
对比例1-基础聚合物
在操作能力为2公吨的双臂式半商业化捏合机中装入1326kg固含量为36重量%的部份中和的丙烯酸钠水溶液。此处固含量是指基于全部反应溶液的丙烯酸和丙烯酸钠的总和。中和度为69摩尔%。加入0.40重量%(基于丙烯酸单体)的18重乙氧基化的三羟甲基丙烷三丙烯酸酯交联剂并充分混合,随后用氮气使该批料惰性化。该溶液的温度为19℃。
通过在搅拌下快速加入过硫酸钠(1.27kg,溶于7.2kg水中)和抗坏血酸(18.6kg,溶于3.7kg水中)而引发聚合,然后持续剧烈捏合,并且以使捏合机的最大温度维持在100℃以下的方式使反应器的壁冷却45分钟,产生了细碎的不含块的凝胶。
将所述凝胶在带式干燥机上干燥,然后在滚筒式研磨机上研磨,最后经筛分筛出150-850μm的级分。所得聚合物粉末的性能如下:
CRC=34.2g/g
AUL 0.3psi=12.4g/g
16小时可提取物=12重量%
残留丙烯酸单体=220ppm
pH=5.9
粒度分布
>850μm <0.1重量%
710-850μm 8.0重量%
600-710μm 16.1重量%
500-600μm 17.9重量%
400-500μm 15.0重量%
300-400μm 17.0重量%
250-300μm 8.8重量%
200-250μm 8.5重量%
150-200μm 8.1重量%
106-150μm 0.6重量%
<106μm <0.1重量%
对比实施例2-基础聚合物
重复对比例1制备基础聚合物。
将所述聚合物在带式干燥机上干燥,然后在滚筒式研磨机上研磨,最后经筛分筛出150-600μm的级分。所得聚合物粉末的性能如下:
CRC=34.6g/g
AUL 0.3psi=11.2g/g
16小时可提取物=12重量%
残留丙烯酸单体=240ppm
pH=5.9
粒度分布
>850μm 0.0重量%
710-850μm 0.0重量%
600-710μm 0.5重量%
500-600μm 18.2重量%
400-500μm 38.5重量%
300-400μm 14.5重量%
250-300μm 15.6重量%
200-250μm 11.5重量%
150-200μm 1.2重量%
106-150μm <0.1重量%
<106μm 0.0重量%
对比实施例3-基础聚合物
将对比例的即制基础聚合物通过在200μm的筛网筛分一次以上去细粉。所得聚合物粉末的性能如下:
CRC=34.7g/g
AUL 0.3psi=14.1g/g
16小时可提取物=12重量%
pH=5.9
粒度分布
>850μm <0.1重量%
710-850μm 4.0重量%
600-710μm 20.1重量%
500-600μm 22.9重量%
400-500μm 21.1重量%
300-400μm 19.9重量%
250-300μm 6.7重量%
200-250μm 5.2重量%
150-200μm 0.5重量%
106-150μm <0.1重量%
<106μm <0.1重量%
对比例4:
在容量为5L的Ldige VT 5R-MK犁头式捏合机中装入1.2kg对比例1的基础聚合物。制备了具有如下组成的后交联剂混合物,并在搅拌下用氮气驱动的双料喷嘴将其喷雾于基础聚合物上。就混合物而言,所报导的所有量均为基于起始装入的基础聚合物的重量%。
0.10重量%2-唑烷酮
0.10重量%1,2-丙二醇
0.10重量%1,3-丙二醇
0.50重量%磷酸钙(Rhodia TCP 118)
0.20重量%7-重乙氧基化的三羟甲基丙烷(Perstorp Polyol TP70)
0.62重量%异丙醇
2.38重量%完全无离子的水
将磷酸钙分散于该混合物中。
在用后交联剂混合物喷雾后,搅拌产物,同时借助加热流体加热反应器壳,快速的加热对产物性能有利。以使产物尽可能快速地达到185℃的目标温度,然后在稳定条件和搅拌下热处理的方式对加热补偿控制。同样用氮气冲洗反应器。然后在开始加热后40分钟移出产物,将其冷却至室温并测定性能。这些性能列于表1。
对比例5:
重复对比例4,不同之处在于仅在开始加热后50分钟移出产物,随后冷却至室温并测定性能。这些性能列于表1。
对比例6:
在中试装置中,用表面后交联剂混合物喷雾对比例2的基础聚合物,随后对其热处理。
喷雾在Schuggi-Flexomix型100 D混合器中进行,并由重力供入基础聚合物并经由双料喷嘴计量加入连续质量流控制的液体。
制备了具有如下组成的后交联剂混合物,并将其通过用氮气驱动的双料喷嘴喷雾。就混合物而言,所报导的所有量均为基于起始装入的基础聚合物的重量%。
0.12重量%2-唑烷酮
0.12重量%1,2-丙二醇
0.10重量%1,3-丙二醇
0.70重量%磷酸钙(Rhodia TCP 118)
0.40重量%7重乙氧基化的三羟甲基丙烷(Perstorp Polyol TP70)
0.33重量%异丙醇
2.23重量%完全无离子的水
将磷酸钙分散于该混合物中。
将湿聚合物从Schuggi混合器中直接下落转移至NARA NPD 1.6 W反应式干燥器(购自荷兰的Gouda)中。基础聚合物的输出速率为60kg/小时(干燥),且蒸气加热干燥器的干燥器出口处的产物温度约为192℃。干燥器下游的冷却器使产物快速冷却至约50℃。经由聚合物通过干燥器的输出速率以及堰高度(此处为70%)而精确预定干燥器的确切停留时间。将产物通过850μm筛网筛分以除去聚集物。
产物的性能列于表1中。
对比例7:
对比例7完全类似于对比例6进行制备并构成再现。产物性能列于表1中。
对比例8:
在中试装置中,用表面后交联剂混合物喷雾对比例3的基础聚合物,随后对其热处理。
喷雾在Schuggi-Flexomix型100 D混合器中进行,并由重力供入基础聚合物并经由双料喷嘴计量加入连续质量流控制的液体。
制备了具有如下组成的后交联剂混合物,并将其通过用氮气驱动的双料喷嘴喷雾。就混合物而言,所报导的所有量均为基于起始装入的基础聚合物的重量%。
0.10重量%2-唑烷酮
0.10重量%1,2-丙二醇
0.10重量%1,3-丙二醇
0.50重量%磷酸钙(Rhodia TCP 118)
0.20重量%7重乙氧基化的三羟甲基丙烷(Perstorp Polyol TP70)
0.62重量%异丙醇
2.38重量%完全无离子的水
将磷酸钙分散于该混合物中。
将湿聚合物从Schuggi混合器中直接下落转移至NARA NPD 1.6 W反应式干燥器(购自荷兰的Gouda)中。基础聚合物的输出速率为60kg/小时(干燥),且蒸气加热干燥器的干燥器出口处的产物温度约为182℃。干燥器下游的冷却器使产物快速冷却至约50℃。经由聚合物通过干燥器的输出速率以及堰高度(此处为70%)而精确预定干燥器的确切停留时间。将产物通过850μm筛网筛分以除去聚集物。
产物的性能列于表1中。
对比例9:
对比例9完全类似于对比例8进行制备,不同之处在于干燥器出口处的温度仅为约179℃。产物性能列于表1中。
表1
对比例 | CRC[g/g] | SFC[×10-7cm3s/g] | CS-CRC[g/g] | CS-SFC[×10-7cm3s/g] | AUL 0.7psi[g/g] | CS-AUL0.7psi[g/g] |
4 | 30.0 | 97 | 27.0 | 80 | 24.0 | 23.0 |
5 | 27.8 | 157 | 25.6 | 94 | 23.2 | 22.9 |
6 | 26.6 | 96 | 24.6 | 68 | 24.2 | 24.9 |
7 | 26.0 | 108 | 25.0 | 65 | 24.0 | 25.5 |
8 | 29.6 | 58 | 29.1 | 36 | 25.6 | 27.2 |
9 | 29.7 | 48 | 28.8 | 28 | 25.5 | 27.0 |
可从表中看出没有一个对比例可获得与本发明实施例接近的类似CS-CRC对CS-SFC之比。
Claims (39)
1.一种可由包括如下步骤的方法得到的吸水性材料:
a)在0-50℃的温度下用弹性成膜聚合物喷雾涂覆吸水性聚合物颗粒,和
b)在50℃以上的温度下热处理涂覆的颗粒。
2.一种可由包括如下步骤的方法得到的吸水性材料:
a)在0-50℃下在流化床反应器中用弹性成膜聚合物喷雾涂覆吸水性聚合物颗粒,和
b)在50℃以上的温度下热处理涂覆的颗粒。
3.根据权利要求1或2的吸水性材料,其中芯壳离心保留能力(CS-CRC)不低于20g/g。
4.根据权利要求1-3中任一项的吸水性材料,其中CS-CRC和CS-SFC(芯壳盐水导流能力)满足以下不等式:Log(CS-SFC′/150)>2.5-0.095×CS-CRC,其中CS-SFC′=CS-SFC×107且150的量纲为[cm3s/g]。
5.根据权利要求1-4中任一项的吸水性材料,其中将所述吸水性聚合物颗粒后交联。
6.根据权利要求1-5中任一项的吸水性材料,其中所述弹性成膜聚合物为聚氨酯。
7.根据权利要求1-6中任一项的吸水性材料,其中所述弹性成膜聚合物为聚醚型聚氨酯。
8.根据权利要求7的吸水性材料,其中所述聚醚型聚氨酯在侧链中的亚烷基二醇单元的含量基于聚醚型聚氨酯的总重量为10-90重量%。
9.根据权利要求8的吸水性材料,其中基于聚醚型聚氨酯的总重量,氧化乙烯单元在所述聚醚型聚氨酯的侧链中的含量不低于12重量%且氧化乙烯单元在所述聚醚型聚氨酯的主链中的含量不超过30重量%。
10.根据权利要求7的吸水性材料,其中氧化烯单元在所述聚醚型聚氨酯中的含量基于聚醚型聚氨酯的总重量不超过90重量%。
11.根据权利要求1-10中任一项的吸水性材料,其可通过向100重量份干燥吸水性聚合物颗粒施加0.1-25重量份弹性成膜聚合物(以固态材料计算)而得到。
12.根据权利要求1-11中任一项的吸水性材料,其可通过向100重量份干燥吸水性聚合物颗粒施加<5重量份弹性成膜聚合物(以固态材料计算)而得到。
13.根据权利要求1-12中任一项的吸水性材料,其可通过在流化床反应器中以连续法喷雾涂覆而得到。
14.根据权利要求1-13中任一项的吸水性材料,其可通过在0℃至小于45℃的温度下用弹性成膜聚合物喷雾涂覆吸水性聚合物颗粒而得到。
15.根据权利要求1-14中任一项的吸水性材料,其可通过用弹性成膜聚合物的水分散体喷雾涂覆吸水性聚合物颗粒而得到。
16.根据权利要求15的吸水性材料,其中所述聚合物水分散体的粘度为500mPas。
17.根据权利要求1-16中任一项的吸水性材料,其中在Wurster涂覆机或Glatt-Zeller涂覆机中,或在连续流化床反应器中或连续喷动床反应器中进行涂覆。
18.根据权利要求1-17中任一项的吸水性材料,其中选择Wurster涂覆机中的气流,以使气流出口处的相对湿度为10-90%。
19.根据权利要求1-18中任一项的吸水性材料,其可通过在流化床中热处理而得到。
20.根据权利要求1-19中任一项的吸水性材料,其中在所述热处理之前加入解聚集助剂。
21.根据权利要求1-20中任一项的吸水性材料,其中所述热处理在100-200℃的温度下进行。
22.根据权利要求1-21中任一项的吸水性材料,其中所述热处理以及合适的话涂覆在惰性气体中进行。
23.根据权利要求1-22中任一项的可通过包括如下步骤的方法得到的吸水性材料:
a)在0-50℃的温度下在流化床反应器中用弹性成膜聚合物喷雾涂覆吸水性聚合物颗粒,和
b)任选用解聚集助剂涂覆根据a)获得的颗粒,以及随后
c)在50℃以上的温度下热处理涂覆的颗粒,以及随后
d)使热处理的颗粒冷却至90℃以下。
24.根据权利要求1-23中任一项的吸水性材料,其中CS-CRC和CS-SFC(芯壳盐水导流能力)满足以下不等式:Log(CS-SFC′/150)>3.36-0.133×CS-CRC,其中CS-SFC′=CS-SFC×107且150的量纲为[cm3s/g]。
25.一种生产根据权利要求1的吸水性材料的方法,包括如下步骤:
a)在0-50℃下在流化床反应器中用弹性成膜聚合物喷雾涂覆吸水性聚合物颗粒,和
b)在50℃以上的温度下热处理涂覆的颗粒。
26.根据权利要求25的方法,其中用成膜聚合物的水分散体喷雾涂覆吸水性聚合物颗粒。
27.根据权利要求26的方法,其中所述聚合物水分散体的粘度为500mPas。
28.根据权利要求25-27中任一项的方法,其中在Wurster涂覆机或Glatt-Zeller涂覆机中,或在连续流化床反应器中或连续喷动床反应器中进行涂覆。
29.根据权利要求28的方法,其中选择流化床反应器以使气流出口处的相对湿度为10-90%。
30.根据权利要求25-29中任一项的方法,其中所述热处理在连续流化床中进行。
31.根据权利要求25-30中任一项的方法,其中在所述热处理之前加入解聚集助剂。
32.根据权利要求25-31中任一项的方法,其中所述热处理在100-200℃的温度下进行。
33.根据权利要求25-32中任一项的方法,其中所述热处理以及合适的话涂覆在惰性气体中进行。
34.一种用弹性成膜聚氨酯涂覆的包含吸水性聚合物颗粒的吸水性材料,其中所述聚氨酯不仅包含具有聚氧化乙烯单元的侧链而且在主链上具有聚氧化烯单元。
35.根据权利要求34的吸水性材料,其中所述吸水性聚合物颗粒的芯壳离心保留能力(CS-CRC)不低于20g/g。
36.根据权利要求34或35的吸水性材料,其中CS-CRC和CS-SFC满足以下不等式:Log(CS-SFC′/150)>2.5-0.095×CS-CRC,其中CS-SFC′=CS-SFC×107且150的量纲为[cm3s/g]。
37.根据权利要求34-36中任一项的吸水性材料,其中将所述吸水性聚合物颗粒后交联。
38.一种可由包括如下步骤的方法得到的吸水性材料:
a)在流化床反应器中以连续法用弹性成膜聚合物喷雾涂覆吸水性聚合物颗粒,和
b)在50℃以上的温度下热处理涂覆的颗粒。
39.一种生产根据权利要求38的吸水性材料的方法,包括如下步骤:
a)在流化床反应器中以连续法用弹性成膜聚合物喷雾涂覆吸水性聚合物颗粒,和
b)在50℃以上的温度下热处理涂覆的颗粒。
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