WO2010133460A1 - Beschichtungsverfahren für wasserabsorbierende polymerpartikel - Google Patents

Beschichtungsverfahren für wasserabsorbierende polymerpartikel Download PDF

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WO2010133460A1
WO2010133460A1 PCT/EP2010/056316 EP2010056316W WO2010133460A1 WO 2010133460 A1 WO2010133460 A1 WO 2010133460A1 EP 2010056316 W EP2010056316 W EP 2010056316W WO 2010133460 A1 WO2010133460 A1 WO 2010133460A1
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water
polymer particles
mixer
absorbing polymer
weight
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PCT/EP2010/056316
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Uwe Stueven
Rüdiger Funk
Matthias Weismantel
Holger Barthel
Oskar Stephan
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Basf Se
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    • C08F220/06—Acrylic acid; Methacrylic acid; Metal salts or ammonium salts thereof
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C08J3/124—Treatment for improving the free-flowing characteristics
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C08J2300/14—Water soluble or water swellable polymers, e.g. aqueous gels
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
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    • C08J2333/00—Characterised by the use of homopolymers or copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and only one being terminated by only one carboxyl radical, or of salts, anhydrides, esters, amides, imides, or nitriles thereof; Derivatives of such polymers
    • C08J2333/02—Homopolymers or copolymers of acids; Metal or ammonium salts thereof

Definitions

  • the present invention relates to a coating method wherein in a horizontal mixer, an aqueous liquid is sprayed onto surface-postcrosslinked water-absorbing polymer particles and the product-contacted inner wall of the horizontal mixer is made of a stainless steel.
  • Water-absorbing polymer particles are used in the manufacture of diapers, tampons, sanitary napkins and other sanitary articles, but also as water-retaining agents in agricultural horticulture.
  • the water-absorbing polymer particles are also referred to as superabsorbers.
  • the properties of the water-absorbing polymer particles can be adjusted, for example, via the amount of crosslinker used. As the amount of crosslinker increases, the centrifuge retention capacity (CRC) decreases and the absorption under a pressure of 21.0 g / cm 2 (AULO.3psi) goes through a maximum.
  • CRC centrifuge retention capacity
  • water-absorbing polymer particles are generally surface postcrosslinked.
  • the degree of crosslinking of the particle surface increases, whereby the absorption under a pressure of 63.0 g / cm 2 (AULO.9 psi) and the centrifuge retention capacity (CRC) can be at least partially decoupled.
  • This surface postcrosslinking can be carried out in aqueous gel phase.
  • crosslinkers suitable for this purpose are compounds which can form covalent bonds with at least two carboxylate groups of the water-absorbing polymer particles.
  • the surface postcrosslinkers are usually applied to the base polymer as an aqueous solution.
  • the water applied to the particle surface diffuses only slowly into the particle interior.
  • the water lowers the glass transition temperature of the polymers, the particle surface becomes sticky. Therefore, undesirable agglomerates and caking can occur when the aqueous solution of the surface postcrosslinker is incorporated into the base polymer.
  • the use of high-speed mixers with Serab manden coatings proposed, for example, in EP 0 450 923 A2 and DE 10 2004 026 934 A1.
  • the water-absorbing polymer particles often have a moisture content of less than 1% by weight after the thermal surface postcrosslinking. This increases the tendency of the polymer particles to static charge.
  • the static charge of the polymer particles influences the metering accuracy, for example in diaper production. This problem is usually solved by setting a defined moisture content by adding water or aqueous solutions (rewetting).
  • the particle surface can be further modified, for example by coating with inorganic inert substances, cationic polymers and / or solutions of polyvalent metal cations.
  • Such coatings are described, for example, in WO 2008/1 13788 A2, WO 2008/113789 A1 and WO 2008/1 13790 A1.
  • the object of the present invention was to provide an improved process for coating surface-postcrosslinked water-absorbing polymer particles with water or aqueous solutions, in particular a uniform coating, a low dust content and few agglomerates.
  • the object was achieved by a process for producing water-absorbing polymer particles by polymerization of a monomer solution or suspension containing
  • Mixers with rotating mixing tools are subdivided into vertical mixers and horizontal mixers according to the position of the axis of rotation.
  • Horizontal mixers in the context of this invention are mixers with rotating mixing tools whose position of the axis of rotation to the product flow direction by less than 20 °, preferably by less than 15 °, more preferably by less than 10 °, most preferably by less than 5 °, of the Horizontal deviates.
  • the inner wall of the mixer has a contact angle with respect to water of preferably less than 70 °, more preferably less than 60 °, most preferably less than 50 °.
  • the contact angle is a measure of the wetting behavior and is measured according to DIN 53900.
  • Stainless steels usually have a chromium content of 10.5 to 13 wt .-% chromium.
  • the high chromium content leads to a protective passivation of chromium dioxide on the steel surface.
  • Other alloying components increase corrosion resistance and improve mechanical properties.
  • austenitic steels with, for example, at least 0.08% by weight of carbon.
  • the austenitic steels advantageously contain further alloy constituents, preferably niobium or titanium.
  • the preferred stainless steels are steels with the material number 1.45xx according to DIN EN 10020, where xx can be a natural number between 0 and 99.
  • Particularly preferred materials are the steels with the material numbers 1.4541 and 1.4571, in particular steel with the material number 1.4571.
  • the product-contacted inner wall of the mixer is polished. Polished stainless steel surfaces have a lower roughness and a lower contact angle to water than dull or roughened steel surfaces.
  • the present invention is based on the finding that non-surface-postcrosslinked water-absorbing polymer particles (base polymers) and surface-postcrosslinked water-absorbing polymer particles behave significantly differently when mixed with aqueous liquids.
  • the tackiness of surface-postcrosslinked water-absorbing polymer particles may increase less than the tackiness of non-surface-postcrosslinked water-absorbing polymer particles (base polymers). Therefore, the use of mixers with water-repellent inner surfaces in the coating of surface-postcrosslinked water-absorbing polymer particles is not necessary; Caking is usually not to be feared.
  • the temperature of the supplied to the mixer water-absorbing polymer particles is preferably from 40 to 80 0 C, particularly preferably from 45 to 75 ° C, very particularly preferably from 50 to 70 0 C.
  • the residence time in the mixer is preferably from 1 to 180 minutes, more preferably from 2 to 60 minutes, most preferably from 5 to 20 minutes.
  • the peripheral speed of the mixing tools is preferably from 0.1 to 10 m / s, more preferably from 0.5 to 5 m / s, most preferably from 0.75 to 2.5 m / s.
  • the surface-postcrosslinked water-absorbing polymer particles are agitated in the mixer at a speed corresponding to a Froude number of preferably 0.01 to 6, more preferably 0.05 to 3, most preferably 0.1 to 0.7.
  • the Froude number is defined as follows:
  • the degree of filling of the mixer is preferably from 30 to 80%, more preferably from 40 to 75%, most preferably from 50 to 70%.
  • the aqueous liquid is preferably sprayed by means of a two-fluid nozzle, more preferably by means of an internally mixing two-fluid nozzle.
  • Two-fluid nozzles enable atomization into fine droplets or a spray. As sputtering a circular or elliptical solid or hollow cone is formed.
  • Two-fluid nozzles can be designed to mix externally or internally. In the externally mixing two-fluid nozzles, liquid and atomizing gas leave the nozzle head via separate openings. They are mixed in the spray jet only after leaving the spray nozzle. This allows a wide range of independent regulation of droplet size distribution and throughput.
  • the spray cone of the spray nozzle can be adjusted via the air flap position.
  • liquid and atomizing gas are mixed within the spray nozzle and the two-phase mixture leaves the nozzle head via the same bore (or via a plurality of holes connected in parallel).
  • the quantitative and pressure ratios are more strongly coupled than in the case of the externally mixing spray nozzle. Small changes in throughput therefore lead to a change in the droplet size distribution.
  • the adaptation to the desired throughput takes place over the selected cross section of the nozzle bore.
  • Suitable atomizing gas are compressed air, nitrogen or steam of 0.5 bar and more.
  • the droplet size can be adjusted individually via the ratio of liquid to nebulizer gas as well as gas and liquid pressure.
  • the liquid is sprayed below the product bed surface of the moving polymer particle layer, preferably at least 10 mm, more preferably at least 50 mm, most preferably at least 100 mm, i. the spray nozzle dips into the product bed.
  • the product bed surface is the interface that is established between the surface postcrosslinked water-absorbing polymer particles moving in the mixer and the overlying atmosphere.
  • the angle between the mixer axis and the supply of the spray nozzle is preferably about 90 °.
  • the liquid can be fed vertically from above.
  • a supply obliquely from the side is also possible, wherein the angle to the vertical preferably between 60 and 90 °, more preferably between 70 and 85 °, most preferably between 75 and 82.5 °.
  • the slanted arrangement of the feeder allows the use of shorter feeds and thus lower mechanical loads during operation of the mixer.
  • the spray nozzle is below the axis of rotation and sprays in the direction of rotation.
  • the coated water-absorbing polymer particles are optimally conveyed away from the spray nozzle.
  • At least one spray nozzle is thermally insulated and / or accompanied by heating.
  • Thermally insulated means that the outer surface of the spray nozzle at least partially has a further material layer, wherein the material of the further material layer has a lower thermal conductivity than the material of the spray nozzle.
  • the thermal conductivity of the material of the further layer of material at 20 0 C is preferably less than 2 Wm -1 K "1, more preferably less than 0.5 Wm -1 K" 1, very particularly preferably less than 0.1 Wm -1 K " 1 .
  • Suitable heat carriers are commercially available heat transfer oils, such as Marlotherm®, steam or hot water.
  • a possible supply of heat via one of the starting materials used in the mixing, i. Surface-postcrosslinked water-absorbing polymer particles or liquid to be sprayed is not an accompanying heating in the sense of the present invention.
  • the temperature of the spray nozzle is preferably from 1 to 20 0 C, more preferably from 2 to 15 ° C, most preferably from 5 to 10 0 C, higher than the temperature of the surface postcrosslinked water-absorbing polymer particles.
  • the temperature of the liquid to be sprayed is preferably from 1 to 20 ° C, more preferably from 2 to 15 ° C, most preferably from 5 to 10 0 C, higher than the temperature of the surface after crosslinked water-absorbing polymer particles.
  • the temperature of the liquid to be sprayed corresponds approximately to the temperature of the spray nozzle.
  • the temperature difference between the surface postcrosslinked water-absorbing polymer particles and the liquid is preferably less than 20 0 C, preferably less than 10 0 C, more preferably less than 5 ° C, more preferably less than 2 ° C ,
  • the temperature difference between the sprayed liquid and the atomizing gas is preferably less than 20 0 C, preferably less than 10 ° C, more preferably less than 5 ° C, more preferably less than 2 ° C.
  • Suitable aqueous liquids are, for example, dispersions of inorganic inert substances, solutions or dispersions of cationic polymers, solutions of di- or polyvalent metal cations, and also polyols or their solutions.
  • the aqueous liquids to be used according to the invention preferably contain at least 50% by weight, more preferably at least 70% by weight, very particularly preferably at least 90% by weight, of water.
  • the water-absorbing polymer particles are prepared by polymerization of a monomer solution or suspension and are usually water-insoluble.
  • the monomers a) are preferably water-soluble, i. 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 35 g / 100 g of water.
  • Suitable monomers a) are, for example, ethylenically unsaturated carboxylic acids, such as acrylic acid, methacrylic acid, and itaconic acid. Particularly preferred monomers are acrylic acid and methacrylic acid. Very particular preference is given to acrylic acid.
  • Suitable monomers a) are, for example, ethylenically unsaturated sulfonic acids, such as styrenesulfonic acid and 2-acrylamido-2-methylpropanesulfonic acid (AMPS).
  • sulfonic acids such as styrenesulfonic acid and 2-acrylamido-2-methylpropanesulfonic acid (AMPS).
  • AMPS 2-acrylamido-2-methylpropanesulfonic acid
  • a suitable monomer a) is, for example, an acrylic acid purified according to WO 2004/035514 A1 with 99.8460% by weight of acrylic acid, 0.0950% by weight of acetic acid, 0.0332% by weight of water, 0.0203% by weight.
  • % Propionic acid 0.0001% by weight of furfurals, 0.0001% by weight of maleic anhydride, 0.0003% by weight of diacrylic acid and 0.0050% by weight of hydroquinone monomethyl ether.
  • 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 monomers a) usually contain polymerization inhibitors, preferably hydroquinone half ethers, as a storage stabilizer.
  • the monomer solution preferably contains up to 250 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, particularly preferably at least 30 ppm by weight, in particular by 50% by weight .
  • ppm hydroquinone, in each case based on the unneutralized monomer a).
  • an ethylenically unsaturated, acid group-carrying monomer having a corresponding content of hydroquinone half-ether can be used to prepare the monomer solution.
  • hydroquinone half ethers are hydroquinone monomethyl ether (MEHQ) and / or alpha-tocopherol (vitamin E).
  • Suitable crosslinkers b) are compounds having at least two groups suitable for crosslinking. Such groups are, for example, ethylenically unsaturated groups which can be radically copolymerized into the polymer chain, and functional groups which can form covalent bonds with the acid groups of the monomer a). Furthermore, polyvalent metal salts which can form coordinative bonds with at least two acid groups of the monomer a) are also suitable as crosslinking agents b).
  • Crosslinkers b) are preferably compounds having at least two polymerizable groups which can be incorporated in the polymer network in free-radically polymerized form.
  • Suitable crosslinkers b) are, for example, ethylene glycol dimethacrylate, diethylene glycol diacrylate, polyethylene glycol diacrylate, allyl methacrylate, trimethylolpropane triacrylate, triallylamine, tetraallylammonium chloride, tetraallyloxyethane, as described in EP 0 530 438 A1, di- and triacrylates, as in EP 0 547 847 A1, EP 0 559 476 A1,
  • Preferred crosslinkers b) are pentaerythritol triallyl ether, tetraalloxyethane, methylenebis methacrylamide, 15-times ethoxylated trimethylolpropane triacrylate, polyethylene glycol diacrylate, trimethylolpropane triacrylate and triallylamine.
  • Very particularly preferred crosslinkers b) are the polyethoxylated and / or propoxylated glycerols esterified with acrylic acid or methacrylic acid to form di- or triacrylates, as described, for example, in WO 2003/104301 A1.
  • Particularly advantageous are di- and / or triacrylates of 3- to 10-fold ethoxylated glycerol.
  • diacrylates or triacrylates of 1 to 5 times ethoxylated and / or propoxylated glycerol.
  • Most preferred are the triacrylates of 3 to 5 times ethoxylated and / or propoxylated glycerol, in particular the triacrylate of 3-times ethoxylated glycerol.
  • the amount of crosslinker b) is preferably 0.05 to 1.5% by weight, more preferably 0.1 to 1% by weight, most preferably 0.3 to 0.6% by weight, in each case based on monomer a).
  • the centrifuge retention capacity decreases and the absorption under a pressure of 21.0 g / cm 2 passes through a maximum.
  • initiators c) it is possible to use all compounds which generate free radicals under the polymerization conditions, for example thermal initiators, redox initiators, photoinitiators.
  • Suitable redox initiators are sodium peroxodisulfate / ascorbic acid, hydrogen peroxide / ascorbic acid, sodium peroxodisulfate / sodium bisulfite and hydrogen peroxide / sodium bisulfite.
  • Preference is given to using mixtures of thermal initiators and redox initiators, such as sodium peroxodisulfate / hydrogen peroxide / ascorbic acid.
  • the reducing component used is preferably a mixture of the sodium salt of 2-hydroxy-2-sulfinatoacetic acid, the disodium salt of 2-hydroxy-2-sulfonatoacetic acid and sodium bisulfite.
  • Such mixtures are available as Brüggolite® FF6 and Brüggolite® FF7 (Brüggemann Chemicals; Heilbronn; DE).
  • Examples of ethylenically unsaturated monomers d) which can be copolymerized with the ethylenically unsaturated monomers having acid groups are acrylamide, methacrylamide, hydroxyethyl acrylate, hydroxyethyl methacrylate, dimethylaminoethyl methacrylate, dimethylaminoethyl acrylate, dimethylaminopropyl acrylate, diethylaminopropyl acrylate, dimethylaminoethyl methacrylate, diethylaminoethyl methacrylate.
  • water-soluble polymers e it is possible to use polyvinyl alcohol, polyvinylpyrrolidone, starch, starch derivatives, modified cellulose, such as methylcellulose or hydroxyethylcellulose, gelatin, polyglycols or polyacrylic acids, preferably starch, starch derivatives and modified cellulose.
  • an aqueous monomer solution is used.
  • the water content of the monomer solution is preferably from 40 to 75 wt .-%, particularly preferably from 45 to 70 wt .-%, most preferably from 50 to 65 wt .-%.
  • monomer suspensions ie monomer solutions with excess monomer a), for example sodium acrylate. With increasing water content, the energy expenditure increases during the subsequent drying and with decreasing water content, the heat of polymerization can only be dissipated insufficiently.
  • the monomer solution may be polymerized prior to polymerization by inerting, i.
  • an inert gas preferably nitrogen or carbon dioxide
  • freed of dissolved oxygen and the polymerization inhibitor contained in the monomer solution are deactivated.
  • the oxygen content of the monomer solution prior to the polymerization is reduced to less than 1 ppm by weight, more preferably less than 0.5 ppm by weight, most preferably less than 0.1 ppm by weight.
  • Suitable reactors are, for example, kneading reactors or belt reactors.
  • the polymer gel formed during the polymerization of an aqueous monomer solution or suspension is comminuted continuously by, for example, counter-rotating stirring shafts, as described in WO 2001/038402 A1.
  • the polymerization on the belt is described, for example, in DE 38 25 366 A1 and US Pat. No. 6,241,928.
  • a polymer gel is formed, which must be comminuted in a further process step, for example in an extruder or kneader.
  • the acid groups of the polymer gels obtained are usually partially neutralized.
  • the neutralization is preferably carried out at the stage of the monomers. This is usually done by mixing the neutralizing agent as an aqueous solution or preferably as a solid.
  • the degree of neutralization is preferably from 25 to 95 mol%, particularly preferably from 30 to 80 mol%, very particularly preferably from 40 to 75 mol%, the usual neutralizing agents can be used, preferably alkali metal hydroxides, alkali metal oxides, alkali metal carbonates or Alkalimetallhydrogenkarbonate and mixtures thereof. Instead of alkali metal salts and ammonium salts can be used.
  • Sodium and potassium are particularly preferred as alkali metals, but most preferred are sodium hydroxide, sodium carbonate or sodium bicarbonate and mixtures thereof.
  • the polymer gel is at least partially neutralized after the polymerization
  • the polymer gel is preferably comminuted mechanically, for example by means of an extruder, wherein the neutralizing agent can be sprayed, spread or poured on and then thoroughly mixed in.
  • the gel mass obtained can be extruded several times for homogenization.
  • the polymer gel is then preferably dried with a belt dryer until the residual moisture content is preferably 0.5 to 15 wt .-%, particularly preferably 1 to 10 wt .-%, most preferably 2 to 8 wt .-%, wherein the residual moisture content according to the EDANA recommended test method no. WSP 230.2-05 "Moisture Content". If the residual moisture content is too high, the dried polymer gel has too low a glass transition temperature T 9 and is difficult to process further. If the residual moisture content is too low, the dried polymer gel is too brittle and in the subsequent comminution steps undesirably large quantities of polymer particles with too small a particle size (fine particles) are produced.
  • the solids content of the gel before drying is preferably from 25 to 90% by weight, more preferably from 35 to 70% by weight, most preferably from 40 to 60% by weight.
  • a fluid bed dryer or a paddle dryer can also be used for drying.
  • the dried polymer gel is then ground and classified, wherein for grinding usually one- or multi-stage roller mills, preferably two- or three-stage roller mills, pin mills, hammer mills or vibratory mills, can be used.
  • the mean particle size of the polymer fraction separated as a product fraction is preferably at least 200 ⁇ m, more preferably from 250 to 600 ⁇ m, very particularly from 300 to 500 ⁇ m.
  • the mean particle size of the product fraction can be determined by means of the EDANA recommended test method No. WSP 220.2-05 "Particle Size Distribution", in which the mass fractions of the sieve fractions are cumulatively applied and the average particle size is determined graphically.
  • the mean particle size here is the value of the mesh size, which results for accumulated 50 wt .-%.
  • the proportion of particles having a particle size of at least 150 .mu.m is preferably at least 90 wt .-%, more preferably at least 95 wt .-%, most preferably at least 98 wt .-%.
  • Polymer particles with too small particle size lower the permeability (SFC). Therefore, the proportion of too small polymer particles (fine grain) should be low.
  • Too small polymer particles are therefore usually separated and recycled to the process. This preferably occurs before, during or immediately after polymerization, i. before drying the polymer gel.
  • the too small polymer particles can be moistened with water and / or aqueous surfactant before or during the recycling.
  • the too small polymer particles are preferably added during the last third of the polymerization.
  • the polymer particles which are too small are added very late, for example only in an apparatus downstream of the polymerization reactor, for example an extruder, then the polymer particles which are too small can only be incorporated into the resulting polymer gel with difficulty. Insufficiently incorporated too small polymer particles, however, dissolve again during the grinding of the dried polymer gel, are therefore separated again during classification and increase the amount of recycled too small polymer particles.
  • the proportion of particles having a particle size of at most 850 microns is preferably at least 90 wt .-%, more preferably at least 95 wt .-%, most preferably at least 98 wt .-%.
  • Polymer particles with too large particle size reduce the swelling rate. Therefore, the proportion of polymer particles too large should also be low.
  • Too large polymer particles are therefore usually separated and recycled to the grinding of the dried polymer gel.
  • the polymer particles are surface postcrosslinked to further improve the properties.
  • Suitable surface postcrosslinkers are compounds containing groups that can form covalent bonds with at least two carboxylate groups of the polymer particles.
  • Suitable compounds are, for example, polyfunctional amines, polyfunctional amidoamines, polyfunctional epoxides, as described in EP 0 083 022 A2, EP 0 543 303 A1 and EP 0 937 736 A2, di- or polyfunctional alcohols, as described in DE 33 14 019 A1, DE 35 23 617 A1 and EP 0 450 922 A2, or ⁇ -hydroxyalkylamides, as described in DE 102 04 938 A1 and US Pat. No. 6,239,230.
  • Preferred surface postcrosslinkers are glycerol, ethylene carbonate, ethylene glycol diglycidyl ether, reaction products of polyamides with epichlorohydrin and mixtures of propylene glycol and 1,4-butanediol.
  • Very particularly preferred surface postcrosslinkers are 2-hydroxyethyloxazolidin-2-one, oxazolidin-2-one and 1,3-propanediol.
  • the amount of surface postcrosslinker is preferably 0.001 to 2 wt .-%, more preferably 0.02 to 1 wt .-%, most preferably 0.05 to 0.2 wt .-%, each based on the polymer particles.
  • polyvalent cations are applied to the particle surface before, during or after the surface postcrosslinking in addition to the surface postcrosslinkers.
  • the polyvalent cations which can be used in the process according to the invention are, for example, divalent cations, such as the cations of zinc, magnesium, calcium, iron and strontium, trivalent cations, such as the cations of aluminum, iron, chromium, rare earths and manganese, tetravalent cations, such as the cations of Titanium and zirconium.
  • chloride bromide, sulfate, hydrogen sulfate, carbonate, hydrogen carbonate, nitrate, phosphate, hydrogen phosphate, dihydrogen phosphate and carboxylate, such as acetate and lactate, are possible.
  • Aluminum sulfate and aluminum lactate are preferred.
  • polyamines can also be used as polyvalent cations.
  • the amount of polyvalent cation used is, for example, 0.001 to 1.5% by weight, preferably 0.005 to 1% by weight, particularly preferably 0.02 to 0.8% by weight. in each case based on the polymer particles.
  • the surface postcrosslinking is usually carried out so that a solution of the surface postcrosslinker is sprayed onto the dried polymer particles. Subsequent to the spraying, the surface postcrosslinker coated polymer particles are thermally dried, whereby the surface postcrosslinking reaction can take place both before and during drying.
  • the spraying of a solution of the surface postcrosslinker is preferably carried out in mixers with agitated mixing tools, such as screw mixers, disc mixers and paddle mixers.
  • agitated mixing tools such as screw mixers, disc mixers and paddle mixers.
  • horizontal mixers such as paddle mixers
  • vertical mixers very particularly preferred are vertical mixers.
  • the distinction in horizontal mixer and vertical mixer is made by the storage of the mixing shaft, i.
  • Horizontal mixers have a horizontally mounted mixing shaft and vertical mixers have a vertically mounted mixing shaft.
  • Suitable mixers are, for example, Horizontal Pflugschar® mixers (Gebr.
  • the surface postcrosslinkers are typically used as an aqueous solution.
  • the penetration depth of the surface postcrosslinker into the polymer particles can be adjusted by the content of nonaqueous solvent or total solvent amount.
  • solvent for example isopropanol / water, 1,3-propanediol / water and propylene glycol. col / water, wherein the mixture mass ratio is preferably from 20:80 to 40:60.
  • the thermal drying is preferably carried out in contact dryers, particularly preferably paddle dryers, very particularly preferably disc dryers.
  • Suitable dryers include Hosokawa Bepex® Horizontal Paddle Dryer (Hosokawa Micron GmbH, Leingart, DE), Hosokawa Bepex® Disc Dryer (Hosokawa Micron GmbH, Leingart, DE), and Nara Paddle Dryer (NARA Machinery Europe, Frechen, DE).
  • fluidized bed dryers can also be used.
  • the drying can take place in the mixer itself, by heating the jacket or blowing hot air.
  • a downstream dryer such as a hopper dryer, a rotary kiln or a heatable screw. Particularly advantageous is mixed and dried in a fluidized bed dryer.
  • Preferred drying temperatures are in the range 100 to 250 0 C, preferably 120 to 220 0 C, particularly preferably 130 to 210 ° C most preferably 150 to 200 0 C. by weight, the preferred residence time at this temperature in the reaction mixer or dryer is preferably at least 10 minutes , more preferably at least 20 minutes, most preferably at least 30 minutes, and usually at most 60 minutes.
  • the surface-postcrosslinked polymer particles can be classified again, wherein too small and / or too large polymer particles are separated and recycled into the process.
  • the surface-postcrosslinked polymer particles are coated or rehydrated to further improve the properties.
  • Suitable coatings for improving the swelling rate and the permeability (SFC) are, for example, inorganic inert substances, such as water-insoluble metal salts, organic polymers, cationic polymers and di- or polyvalent metal cations.
  • Suitable coatings for dust binding are, for example, polyols.
  • Suitable coatings against the unwanted caking tendency of the polymer particles are, for example, fumed silica, such as Aerosil® 200, and surfactants, such as Span® 20.
  • Suitable inorganic inert substances are silicates, such as montmorillonite, kaolinite and talc, zeolites, activated carbons, polysilicic acids, magnesium carbonate, calcium carbonate, barium sulfate, aluminum oxide, titanium dioxide and iron (II) oxide.
  • Polysilicic acids are preferably used which, depending on the method of preparation, distinguish between precipitated silicas and fumed silicas. Both variants are commercially available under the names Silica FK, Sipernat®, Wessalon® (precipitated silicas) or Aerosil® (fumed silicas).
  • Inorganic inert substances can be used as a dispersion in an aqueous or water-miscible dispersant.
  • the amount of inorganic inert material used relative to the water-absorbing polymer particles is preferably from 0.05 to 5% by weight, particularly preferably from 0.1 to 1.5% by weight. , most preferably from 0.3 to 1 wt .-%.
  • Suitable organic materials are polyalkyl methacrylates or thermoplastics such as polyvinyl chloride.
  • Suitable cationic polymers are polyalkylenepolyamines, cationic derivatives of polyacrylamides, polyethylenimines and polyquaternary amines.
  • Polyquaternary amines are, for example, condensation products of hexamethylenediamine, dimethylamine and epichlorohydrin, condensation products of dimethylamine and epichlorohydrin, copolymers of hydroxyethylcellulose and diallyldimethylammonium chloride, copolymers of acrylamide and .alpha.-methacrylyloxyethyltrimethylammonium chloride, condensation products of hydroxyethylcellulose, epichlorohydrin and trimethylamine, homopolymers of Diallyldimethylammonium chloride and addition products of epichlorohydrin to amidoamines.
  • polyquaternary amines can be obtained by reacting dimethyl sulfate with polymers such as polyethyleneimines, copolymers of vinylpyrrolidone and dimethylaminoethyl methacrylate or copolymers of ethyl methacrylate and diethylaminoethyl methacrylate.
  • polymers such as polyethyleneimines, copolymers of vinylpyrrolidone and dimethylaminoethyl methacrylate or copolymers of ethyl methacrylate and diethylaminoethyl methacrylate.
  • the polyquaternary amines are available in a wide range of molecular weights.
  • cationic polymers on the particle surface, either by reagents which can self-network, such as addition products of epichlorohydrin to polyamidoamines, or by the application of cationic polymers capable of reacting with an added crosslinker, such as polyamines or polyimines in combination with polyepoxides, multifunctional esters, multifunctional acids or multifunctional (meth) acrylates.
  • reagents which can self-network such as addition products of epichlorohydrin to polyamidoamines
  • cationic polymers capable of reacting with an added crosslinker such as polyamines or polyimines in combination with polyepoxides, multifunctional esters, multifunctional acids or multifunctional (meth) acrylates.
  • All multifunctional amines having primary or secondary amino groups such as polyethyleneimine, polyallylamine and polylysine, can be used.
  • the liquid sprayed according to the method of the invention preferably contains at least one polyamine, for example polyvinylamine.
  • the cationic polymers can be used as a solution in an aqueous or water-miscible solvent, as a dispersion in an aqueous or water-miscible dispersant or in bulk. If the water-absorbing polymer particles are coated with a cationic polymer, the amount of cationic polymer used relative to the water-absorbing polymer particles is preferably from 0.1 to 15% by weight, particularly preferably from 0.5 to 10% by weight, very particularly preferably from 1 to 5% by weight.
  • the residence time of the water-absorbing polymer particles during spraying of the cationic polymer is preferably from 2 to 50%, particularly preferably from 5 to 30%, very particularly preferably from 10 to 25%, of the total residence time in the mixer.
  • Suitable divalent or polyvalent metal cations are Mg 2+ , Ca 2+ , Al 3+ , Sc 3+ , Ti 4+ , Mn 2+ , Fe 2+ / 3+ , Co 2+ , Ni 2+ , Cu + / 2 + , Zn 2+ , Y 3+ , Zr 4+ , Ag + , La 3+ , Ce 4+ , Hf 4+ , and Au + / 3 +
  • preferred metal cations are Mg 2+ , Ca 2+ , Al 3+ , Ti 4+ , Zr 4+ and La 3+
  • particularly preferred metal cations are Al 3+ , Ti 4+ and Zr 4+ .
  • the metal cations can be used alone or mixed with each other.
  • metal salts which have sufficient solubility in the solvent to be used are suitable.
  • metal salts with weakly complexing anions such as chloride, nitrate and sulfate.
  • the metal salts are preferably used as a solution.
  • solvents for the metal salts water, alcohols, dimethylformamide, dimethyl sulfoxide and mixtures thereof can be used.
  • water and water / alcohol mixtures such as water / methanol or water / propylene glycol.
  • the liquid sprayed according to the method of the invention preferably contains at least one polyvalent metal cation, for example Al 3+ .
  • the amount of polyvalent metal cation used relative to the water-absorbing polymer particles is preferably from 0.05 to 5% by weight, particularly preferably from 0.1 to 1.5% by weight, completely particularly preferably from 0.3 to 1% by weight.
  • the residence time of the water-absorbing polymer particles during spraying of the polyvalent metal cation is preferably from 1 to 30%, particularly preferably from 2 to 20%, very particularly preferably from 5 to 15%, of the total residence time in the mixer.
  • the polyvalent metal cation is metered in before the cationic polymer.
  • Particularly suitable polyols are polyethylene glycols having a molecular weight of 400 to 20,000 g / mol, polyglycerol, 3 to 100-fold ethoxylated polyols, such as trimethyl lolpropane, glycerine, sorbitol and neopentyl glycol.
  • Particularly suitable are 7 to 20 times ethoxylated glycerol or trimethylolpropane, such as, for example, polyol TP 70® (Perstorp AB, Perstorp, SE).
  • the latter have the particular advantage that they only insignificantly reduce the surface tension of an aqueous extract of the water-absorbing polymer particles.
  • the polyols are preferably used as a solution in aqueous or water-miscible solvents.
  • the liquid sprayed according to the method of the invention preferably contains at least one polyol, for example polyethylene glycol.
  • the amount of polyol used based on the water-absorbing polymer particles is preferably from 0.005 to 2% by weight, particularly preferably from 0.01 to 1% by weight, very particularly preferably from 0.05 to 0.5% by weight.
  • the residence time of the water-absorbing polymer particles during spraying of the polyol is preferably from 20 to 80%, particularly preferably from 30 to 70%, very particularly preferably from 40 to 60%, of the total residence time in the mixer.
  • the polyol is metered in after the cationic polymer.
  • the water-absorbing polymer particles produced by the process according to the invention have a moisture content of preferably 1 to 15 wt .-%, particularly preferably 1, 5 to 10 wt .-%, most preferably 2 to 8 wt .-%, wherein the water content according to the EDANA recommended test method no. WSP 230.2-05 "Moisture Content".
  • the water-absorbing polymer particles prepared according to the method of the invention have a centrifuge retention capacity (CRC) of typically at least 15 g / g, preferably at least 20 g / g, preferably at least 22 g / g, more preferably at least 24 g / g, most preferably at least 26 g / g, up.
  • the centrifuge retention capacity (CRC) of the water-absorbing polymer particles is usually less than 60 g / g.
  • the Centrifuge Retention Capacity (CRC) is determined according to the EDANA recommended Test Method No. WSP 241.2-05 "Centrifuge Retention Capacity".
  • the water-absorbing polymer particles produced according to the method of the invention have an absorption under a pressure of 63.0 g / cm 2 of typically at least 10 g / g, preferably at least 15 g / g, preferably at least 18 g / g, particularly preferably at least 20 g / g, most preferably at least 22 g / g.
  • the absorption under a pressure of 63.0 g / cm 2 of the water-absorbent polymer particles is usually less than 35 g / g.
  • the absorption under a pressure of 63.0 g / cm 2 is determined analogously to the recommended by EDANA test method no. WSP 242.2-05 "absorption under pressure", wherein instead of a pressure of 21, 0 g / cm 2, a pressure of 63.0 g / cm 2 is set.
  • the water-absorbing polymer particles are tested by the test methods described below.
  • the measurements should be taken at an ambient temperature of 23 ⁇ 2 0 C and a relative humidity of 50 ⁇ 10% unless otherwise specified.
  • the water-absorbing polymer particles are thoroughly mixed before the measurement.
  • the fluid transfer (SFC) of a swollen gel layer under pressure of 0.3 psi (2070 Pa) is, as described in EP 0 640 330 A1, determined as gel-layer permeability of a swollen gel layer of water-absorbing polymer particles, wherein the in the aforementioned patent application on page 19 and in Figure 8 has been modified so that the glass frit (40) is no longer used, the punch (39) made of the same plastic material as the cylinder (37) and now over the entire support surface uniformly distributed 21 equal holes contains.
  • the procedure and evaluation of the measurement remains unchanged compared to EP 0 640 330 A1. The flow is automatically detected.
  • Fluid transfer is calculated as follows:
  • LO is the thickness of the gel layer in cm, d the density of the NaCl solution in g / cm 3 , A the area of the gel layer in cm 2 and WP the hydrostatic pressure over the gel layer in dynes / cm 2 . dust count
  • the dust count of the water-absorbing polymer particles is determined with the aid of the dust measuring device type DustView (Palas GmbH, Düsseldorf, DE).
  • the mechanical part of the measuring device consists of a filling funnel with flap, downpipe and dust housing with removable dust box.
  • the evaluation is done opto-electronically.
  • the dusty solid content leads to the attenuation of a light beam, which is detected photometrically.
  • the measured value registration and evaluation takes place in the control unit.
  • the following measured values are displayed as a numerical value on the control unit:
  • Dust value (sum of maximum value and dust value)
  • Dust number 1 - 12 low dusting to virtually dust-free
  • the particle size distribution of the water-absorbing polymer particles is determined analogously to the EDANA-recommended test method No. WSP 220.2-05 "Particle size distribution".
  • the centrifuge retention capacity (CRC) of the water-absorbing polymer particles is determined according to the EDANA-recommended test method no. WSP 241.2-05 "Centrifuge Retention Capacity". Absorption under a pressure of 63.0 g / cm 2 (absorption under pressure)
  • the absorption under a pressure of 63.0 g / cm 2 (AULO.9 psi) of the water-absorbing polymer particles is determined analogously to the EDANA-recommended test method no. WSP 242.2-05 "Absorption under Pressure", whereby instead of a pressure of 21, 0 g / cm 2 (AULO.3psi) a pressure of 63.0 g / cm 2 (AULO.9psi) is set.
  • the proportion of extractables of the water-absorbing polymer particles is determined according to the EDANA-recommended test method No. WSP 270.2-05 "Extractables".
  • the EDANA test methods are available, for example, from EDANA, Avenue Eugene Plasky 157, B-1030 Brussels, Belgium.
  • an acrylic acid / sodium acrylate solution is prepared, so that the degree of neutralization of 65 mol% corresponded.
  • the solids content of the monomer solution was 40% by weight.
  • Polyethylene glycol 400 diacrylate (diacrylate starting from a polyethylene glycol having an average molecular weight of 400 g / mol) was used as the polyethylenically unsaturated crosslinker. The amount used was 1.35 g per kg of monomer solution.
  • the throughput of the monomer solution was 1200 kg / h.
  • the reaction solution had a temperature of 23.5 ° C. at the inlet.
  • the monomer solution was rendered inert with nitrogen.
  • the product gel obtained was applied to a belt dryer. On the belt dryer, the polymer gel was continuously circulated with an air / gas mixture and dried at 175 ° C. The residence time in the belt dryer was 43 minutes.
  • the dried polymer gel was ground and sieved to a particle size fraction of 150 to 850 microns.
  • the base polymer thus obtained had the following properties:
  • the surface postcrosslinking solution contained 2.0% by weight of N-hydroxyethyl-2-oxazolidinone, 97.5% by weight of deionized water and 0.5% by weight of sorbitan monococoate.
  • the surface postcrosslinked polymer particles were cooled and then in a Nara paddle cooler type NPD 3W9 (GMF Gouda, Waddinxveen, NL) to about 60 0 C and then screened again at 150 to 850 .mu.m.
  • the surface-postcrosslinked water-absorbing polymer particles used had the following property profile:
  • the surface-postcrosslinked water-absorbing polymer particles were in a Ruberg continuous mixer type DLM 350-1500 (Gebrueder Ruberg GmbH & Co KG, Nieheim, DE) by means of a two-fluid nozzle type RZD1-H (Gebrueder Ruberg GmbH & Co KG, Nieheim, DE) with a 50 wt .-% aqueous solution of Lupamin® 9095 (BASF Aktiengesellschaft, Ludwigshafen, DE) coated.
  • Lupamin® 9095 is a high molecular weight linear polyvinylamine.
  • the flow mixer was horizontal (0 ° slope) and had a barrier air flush.
  • the mixing chamber volume was 140 l.
  • the filling rate of the continuous mixer was 60% and the speed was 43 min -1 .
  • the Froude number of moving surface-postcrosslinked water-absorbing polymer particles was 0.36.
  • the two-fluid nozzle was installed horizontally.
  • the distance from the end wall of the continuous mixer was 375 mm and the horizontal distance of the nozzle mouth from the mixer wall was 50 mm.
  • the nozzle head was 150 mm below the product bed surface.
  • the spray nozzle had an electrical trace heating. The trace heating was controlled so that the nozzle temperature 60 0 C was The form of the atomizing gas (nitrogen) was 4.8 bar.
  • the throughput of atomizing gas was 12 kg / h.
  • the throughput of water-absorbing polymer particles was 180 kg / h.
  • the temperature of the water-absorbing polymer particles was 60 ° C.
  • the throughput of the coating solution was 7.2 kg / h.
  • the temperature of the coating solution was 60 ° C.
  • a continuous mixer polytetrafluoroethylene, edge angle 110 °
  • an uncoated continuous mixer edge angle 26 °
  • the inner wall of the uncoated continuous mixer was made of stainless steel (material number 1.4571). The continuous mixers were operated trouble-free for several hours.
  • Example 2 The procedure was as in Example 2. In addition, was coated by means of a second two-fluid nozzle with a 20 wt .-% aqueous solution of polyethylene glycol-400 (polyethylene glycol having an average molecular weight of 400 g / mol).
  • the second two-fluid nozzle was also installed horizontally.
  • the distance from the end wall of the continuous mixer was 750 mm and the horizontal distance of the nozzle mouth from the mixer wall was 50 mm.
  • the die head was completely submerged in the water-absorbing polymer particles.
  • the throughput of the second coating solution was 1.35 kg / h.
  • the temperature of the coating solution was 20 ° C.
  • Example 3 The procedure was as in Example 3. In addition, was coated by means of a third two-fluid nozzle with a 23.9 wt .-% aqueous solution of aluminum sulfate.
  • the third two-fluid nozzle was also installed horizontally.
  • the distance from the end wall of the continuous mixer was 150 mm and the horizontal distance of the nozzle mouth from the mixer wall was 50 mm.
  • the die head was completely submerged in the water-absorbing polymer particles.
  • the throughput of the third coating solution was 7.2 kg / h.
  • the temperature of the coating solution was 20 ° C.
  • Tab. 3 Coating with Lupamin® 9095, polyethylene glycol-400 and aluminum sulfate

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Abstract

Ein Beschichtungsverfahren, wobei in einem Horizontalmischer eine wässrige Flüssigkeit auf oberflächennachvernetzte wasserabsorbierende Polymerpartikel aufgesprüht wird und die produktberührte Innenwand des Horizontalmischers aus einem nichtrostenden Stahl ist.

Description

Beschichtungsverfahren für wasserabsorbierende Polymerpartikel
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Beschichtungsverfahren, wobei in einem Horizontalmischer eine wässrige Flüssigkeit auf oberflächennachvernetzte wasserabsorbierende Polymerpartikel aufgesprüht wird und die produktberührte Innenwand des Horizontalmischers aus einem nichtrostenden Stahl ist.
Wasserabsorbierende Polymerpartikel werden zur Herstellung von Windeln, Tampons, Damenbinden und anderen Hygieneartikeln, aber auch als wasserzurückhaltende Mittel im landwirtschaftlichen Gartenbau verwendet. Die wasserabsorbierenden Polymerpartikel werden auch als Superabsorber bezeichnet.
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.
Die Eigenschaften der wasserabsorbierenden Polymerpartikel können beispielsweise über die verwendete Vernetzermenge eingestellt werden. Mit steigender Vernetzermenge sinkt die Zentrifugenretentionskapazität (CRC) und die Absorption unter einem Druck von 21 ,0 g/cm2 (AULO.3psi) durchläuft ein Maximum.
Zur Verbesserung der Anwendungseigenschaften, wie beispielsweise Permeabilität des gequollenen Gelbetts (SFC) in der Windel und Absorption unter einem Druck von 63,0 g/cm2 (AULO.9psi), werden wasserabsorbierende Polymerpartikel im allgemeinen oberflächennachvernetzt. Dadurch steigt der Vernetzungsgrad der Partikeloberfläche, wodurch die Absorption unter einem Druck von 63,0 g/cm2 (AULO.9psi) und die Zentrifugenretentionskapazität (CRC) zumindest teilweise entkoppelt werden können. Diese Oberflächennachvernetzung kann in wässriger Gelphase durchgeführt werden. Vorzugsweise werden aber getrocknete, gemahlene und abgesiebte Polymerpartikel (Grundpolymer) an der Oberfläche mit einem Oberflächennachvernetzer beschichtet, thermisch oberflächennachvernetzt und getrocknet. Dazu geeignete Vernetzer sind Verbindungen, die mit mindestens zwei Carboxylatgruppen der wasserabsorbierenden Polymerpartikel kovalente Bindungen bilden können.
Die Oberflächennachvernetzer werden üblicherweise als wässrige Lösung auf das Grundpolymer aufgebracht. Das auf die Partikeloberfläche aufgebrachte Wasser diffundiert allerdings nur langsam in das Partikelinnere. Gleichzeitig senkt das Wasser die Glasübergangstemperatur der Polymere, die Partikeloberfläche wird klebrig. Daher können beim Einmischen der wässrigen Lösung des Oberflächennachvernetzers in das Grundpolymer unerwünschte Agglomerate und Anbackungen entstehen. Zur Lösung dieses Problems wird die Verwendung von Hochgeschwindigkeitsmischern mit was- serabweisenden Beschichtungen vorgeschlagen, beispielsweise in EP 0 450 923 A2 und DE 10 2004 026 934 A1.
Die wasserabsorbierenden Polymerpartikel weisen nach der thermischen Oberflächen- nachvernetzung oft einen Feuchtegehalt von weniger als 1 Gew.-% auf. Dadurch Erhöht sich die Neigung der Polymerpartikel zur statischen Aufladung. Die statische Aufladung der Polymerpartikel beeinflusst die Dosiergenauigkeit beispielsweise bei der Windelherstellung. Dieses Problem wird üblicherweise durch Einstellung eines definierten Feuchtegehalts durch Zusatz von Wasser oder wässrigen Lösungen gelöst (Nach- befeuchtung).
Verfahren zur Nachbefeuchtung werden beispielsweise in WO 98/49221 A1 und EP 0 780 424 A1 offenbart.
Zur weiteren Verbesserung der Permeabilität (SFC) kann die Partikeloberfläche weiter modifiziert werden, beispielsweise durch Beschichtung mit anorganischen inerten Substanzen, kationischen Polymeren und/oder Lösungen mehrwertiger Metallkationen.
Derartige Beschichtungen werden beispielsweise in WO 2008/1 13788 A2, WO 2008/113789 A1 und WO 2008/1 13790 A1 beschrieben.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war die Bereitstellung eines verbesserten Verfahrens zur Beschichtung oberflächennachvernetzter wasserabsorbierender Polymerpartikel mit Wasser oder wässrigen Lösungen, insbesondere eine gleichmäßige Beschich- tung, ein geringer Staubanteil und wenig Agglomerate.
Gelöst wurde die Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung wasserabsorbierender Polymerpartikel durch Polymerisation einer Monomerlösung oder -Suspension, enthaltend
a) mindestens ein ethylenisch ungesättigtes, säuregruppentragendes Monomer, das zumindest teilweise neutralisiert sein kann, b) mindestens einen Vernetzer, c) mindestens einen Initiator, d) optional ein oder mehrere mit den unter a) genannten Monomeren copolymerisier- bare ethylenisch ungesättigte Monomere und e) optional ein oder mehrere wasserlösliche Polymere,
umfassend Trocknung, Mahlung, Klassierung, und Oberflächennachvernetzung, wobei in einem kontinuierlichen Horizontalmischer mit bewegten Mischwerkzeugen mittels mindestens einer Sprühdüse eine wässrige Flüssigkeit auf die oberflächennachver- netzten wasserabsorbierenden Polymerpartikel aufgesprüht wird, dadurch gekenn- zeichnet, dass die produktberührte Innenwand des Mischers gegenüber Wasser einen Randwinkel von weniger als 80° aufweist.
Mischer mit rotierenden Mischwerkzeugen werden gemäß der Lage der Rotationsach- se in Vertikalmischer und Horizontalmischer unterteilt.
Horizontalmischer im Sinne dieser Erfindung sind Mischer mit rotierenden Mischwerkzeugen deren Lage der Rotationsachse zur Produktstromrichtung um weniger als 20°, vorzugsweise um weniger als 15°, besonders bevorzugt um weniger als 10°, ganz be- sonders bevorzugt um weniger als 5°, von der Horizontalen abweicht.
Im erfindungsgemäßen Verfahren können alle dem Fachmann bekannten Horizontalmischer mit bewegten Mischwerkzeugen, wie Schneckenmischer, Scheibenmischer, Pflugscharmischer, Schaufelmischer, Schraubenbandmischer und Durchlaufmischer, eingesetzt werden. Die wässrige Flüssigkeit kann sowohl in Hochgeschwindigkeitsmischern als auch in Mischern mit geringer Rührgeschwindigkeit aufgesprüht werden. Ein bevorzugter Horizontalmischer ist der Durchlaufmischer.
Die Innenwand des Mischers weist gegenüber Wasser einen Randwinkel von vorzugs- weise weniger als 70°, besonders bevorzugt von weniger als 60°, ganz besonders bevorzugt von weniger als 50°, auf. Der Randwinkel ist ein Maß für das Benetzungsver- halten und wird gemäß DIN 53900 gemessen.
Vorteilhaft werden im erfindungsgemäßen Verfahren Mischer eingesetzt, deren pro- duktberührte Innenwand aus einem nichtrostenden Stahl ist. Nichtrostende Stähle weisen üblicherweise einen Chromgehalt von 10,5 bis 13 Gew.-% Chrom auf. Der hohe Chromanteil führt zu einer schützenden Passivierung aus Chromdioxid an der Stahloberfläche. Weitere Legierungsbestandteile erhöhen die Korrosionsbeständigkeit und verbessern die mechanischen Eigenschaften.
Besonders geeignete Stähle sind austenitische Stähle mit beispielsweise mindestens 0,08 Gew.-% Kohlenstoff. Vorteilhaft enthalten die austenitischen Stähle neben Eisen, Kohlenstoff, Chrom, Nickel und optional Molybdän noch weitere Legierungsbestandteile, vorzugsweise Niob oder Titan.
Die bevorzugten nichtrostenden Stähle sind Stähle mit der Werkstoffnummer 1.45xx gemäß der DIN EN 10020, wobei xx eine natürliche Zahl zwischen 0 und 99 sein kann. Besonders bevorzugte Werkstoffe sind die Stähle mit den Werkstoffnummern 1.4541 und 1.4571 , insbesondere Stahl mit der Werkstoffnummer 1.4571. Vorteilhaft ist die produktberührte Innenwand des Mischers poliert. Polierte nichtrostende Stahloberflächen weisen eine niedrigere Rauhigkeit und einen niedrigeren Randwinkel gegenüber Wasser auf als matte oder aufgeraute Stahloberflächen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass sich nicht oberflächen- nachvernetzte wasserabsorbierende Polymerpartikel (Grundpolymere) und oberflä- chennachvernetzte wasserabsorbierende Polymerpartikel beim Mischen mit wässrigen Flüssigkeiten deutlich unterschiedlich verhalten.
Bei Zugabe von Wasser nimmt die Klebrigkeit oberflächennachvernetzter wasserabsorbierender Polymerpartikel möglicherweise weniger stark zu als die Klebrigkeit nicht oberflächennachvernetzter wasserabsorbierender Polymerpartikel (Grundpolymere). Daher ist der Einsatz von Mischern mit wasserabweisenden inneren Oberflächen bei der Beschichtung oberflächennachvernetzter wasserabsorbierender Polymerpartikel nicht notwendig; Anbackungen sind üblicherweise nicht zu befürchten.
Außerdem können sich kleine Wassertropfen auf wasserabweisenden Oberflächen leichter zu größeren Tropfen vereinigen. Dies führt möglicherweise zu einer ungleichmäßigeren Verteilung der wässrigen Flüssigkeit.
Die Temperatur der dem Mischer zugeführten wasserabsorbierenden Polymerpartikel beträgt vorzugsweise von 40 bis 800C, besonders bevorzugt von 45 bis 75°C, ganz besonders bevorzugt von 50 bis 700C.
Die Verweilzeit im Mischer beträgt vorzugsweise von 1 bis 180 Minuten, besonders bevorzugt von 2 bis 60 Minuten, ganz besonders bevorzugt von 5 bis 20 Minuten.
Die Umfangsgeschwindigkeit der Mischwerkzeuge beträgt vorzugsweise von 0,1 bis 10 m/s, besonders bevorzugt von 0,5 bis 5 m/s, ganz besonders bevorzugt von 0,75 bis 2,5 m/s.
Die oberflächennachvernetzten wasserabsorbierenden Polymerpartikel werden im Mischer mit einer Geschwindigkeit bewegt, die einer Froude-Zahl von vorzugsweise 0,01 bis 6, besonders bevorzugt 0,05 bis 3, ganz besonders bevorzugt 0,1 bis 0,7, ent- spricht.
Für Mischer mit horizontal gelagertem Mischwerkzeugen ist die Froude-Zahl wie folgt definiert:
ω r
Fr = mit
r: Radius des Mischwerkzeugs ω: Kreisfrequenz g: Erdbeschleunigung:
Der Füllgrad des Mischers beträgt vorzugsweise von 30 bis 80%, besonders bevorzugt von 40 bis 75%, ganz besonders bevorzugt von 50 bis 70%.
Die wässrige Flüssigkeit wird vorzugsweise mittels einer Zweistoffdüse, besonders bevorzugt mittels einer innenmischenden Zweistoffdüse, aufgesprüht.
Zweistoffdüsen ermöglichen eine Zerstäubung in feine Tröpfchen bzw. einen Sprühne- bei. Als Zerstäubungsform wird ein kreisförmiger oder auch elliptischer Voll- oder Hohlkegel ausgebildet. Zweistoffdüsen können außenmischend oder innenmischend gestaltet werden. Bei den außenmischenden Zweistoffdüsen verlassen Flüssigkeit und Zerstäubergas den Düsenkopf über separate Öffnungen. Sie werden erst nach dem Austritt aus der Sprühdüse im Sprühstrahl gemischt. Dies ermöglicht eine im weiten Be- reich unabhängige Regelung von Tropfengrößenverteilung und Durchsatz. Der Sprühkegel der Sprühdüse kann über die Luftklappenstellung eingestellt werden. Bei der innenmischenden Zweistoffdüse werden Flüssigkeit und Zerstäubergas innerhalb der Sprühdüse vermischt und das Zweiphasengemisch verlässt den Düsenkopf über dieselbe Bohrung (bzw. über mehrere parallel geschaltete Bohrungen). Bei der innenmi- sehenden Zweistoffdüse sind die Mengen- und Druckverhältnisse stärker gekoppelt als bei der außenmischenden Sprühdüse. Geringe Veränderungen im Durchsatz führen deshalb zur Änderung der Tropfengrößenverteilung. Die Anpassung an den gewünschten Durchsatz erfolgt über den gewählten Querschnitt der Düsenbohrung.
Als Zerstäubergas kommen Pressluft, Stickstoff oder Dampf von 0,5 bar und mehr in Frage. Die Tröpfchengröße kann individuell über das Verhältnis von Flüssigkeit zu Zerstäubergas sowie Gas- und Flüssigkeitsdruck eingestellt werden.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird die Flüssigkeit unterhalb der Produktbettoberfläche der bewegten Polymerpartikelschicht versprüht, vorzugsweise mindestens 10 mm, besonders bevorzugt mindestens 50 mm, ganz besonders bevorzugt mindestens 100 mm, d.h. die Sprühdüse taucht in das Produktbett ein.
Die Produktbettoberfläche ist die Grenzfläche, die sich zwischen den im Mischer be- wegten oberflächennachvernetzten wasserabsorbierenden Polymerpartikeln und der überlagernden Atmosphäre einstellt. Im Horizontalmischer beträgt der Winkel zwischen der Mischerachse und der Zuführung der Sprühdüse vorzugsweise ca. 90°. Die Flüssigkeit kann senkrecht von oben zugeführt werden. Ein Zuführung schräg von der Seite ist ebenfalls möglich, wobei der Winkel gegenüber der Senkrechten vorzugsweise zwischen 60 und 90°, besonders bevorzugt zwischen 70 und 85°, ganz besonders bevorzugt zwischen 75 und 82,5°, liegt. Die schräge Anordnung der Zuführung ermöglicht die Verwendung kürzerer Zuführungen und damit geringere mechanische Belastungen während des Betriebs des Mischers.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform befindet sich die Sprühdüse unterhalb der Rotationsachse und sprüht in Rotationsrichtung. Durch diese Anordnung werden die beschichteten wasserabsorbierenden Polymerpartikel optimal von der Sprühdüse weggefördert. In Kombination mit der schrägen Anordnung ist es auch möglich die Sprühdüse während des Betriebs des Mischers auszutauschen, ohne dass Produkt austritt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird mindestens eine Sprühdüse thermisch isoliert und/oder begleitbeheizt.
Thermisch isoliert bedeutet, dass die äußere Oberfläche der Sprühdüse zumindest teilweise eine weitere Materialschicht aufweist, wobei das Material der weiteren Materialschicht eine geringere Wärmeleitfähigkeit aufweist als das Material der Sprühdüse. Die Wärmeleitfähigkeit des Materials der weiteren Materialschicht bei 200C beträgt vorzugsweise weniger als 2 Wm-1K"1, besonders bevorzugt weniger als 0,5 Wm-1K"1, ganz besonders bevorzugt weniger als 0,1 Wm-1K"1.
Begleitbeheizt bedeutet, dass der Sprühdüse zusätzlich Wärmeenergie zugeführt wird, beispielsweise mittels elektrischer Energie oder mittels eines von einem Wärmeträger durchströmten Heizmantels. Geeignete Wärmeträger sind handelsübliche Wärmeträ- geröle, wie Marlotherm®, Dampf oder Warmwasser.
Eine mögliche Wärmezufuhr über einen der beim Mischen eingesetzten Einsatzstoffe, d.h. oberflächennachvernetzte wasserabsorbierende Polymerpartikel oder zu versprühende Flüssigkeit, ist keine Begleitbeheizung im Sinne der vorliegenden Erfindung.
Die Temperatur der Sprühdüse ist vorzugsweise von 1 bis 200C, besonders bevorzugt von 2 bis 15°C, ganz besonders bevorzugt von 5 bis 100C, höher als die Temperatur der oberflächennachvernetzten wasserabsorbierenden Polymerpartikel.
Im Falle einer thermisch isolierten Sprühdüse ist die Temperatur der zu versprühenden Flüssigkeit vorzugsweise von 1 bis 20°C, besonders bevorzugt von 2 bis 15°C, ganz besonders bevorzugt von 5 bis 100C, höher als die Temperatur der oberflächennach- vernetzten wasserabsorbierenden Polymerpartikel. Die Temperatur der zu versprühenden Flüssigkeit entspricht ungefähr der Temperatur der Sprühdüse.
Im Falle einer begleitbeheizten und optional thermisch isolierten Sprühdüse beträgt die Temperaturdifferenz zwischen den oberflächennachvernetzten wasserabsorbierenden Polymerpartikeln und der aufzusprühenden Flüssigkeit vorzugsweise weniger als 200C, bevorzugt weniger als 100C, besonders bevorzugt weniger als 5°C, ganz bevorzugt weniger als 2°C.
Die Temperaturdifferenz zwischen der aufzusprühenden Flüssigkeit und dem Zerstäubergas beträgt vorzugsweise weniger als 200C, bevorzugt weniger als 10°C, besonders bevorzugt weniger als 5°C, ganz bevorzugt weniger als 2°C.
Geeignete wässrige Flüssigkeiten sind beispielsweise Dispersionen anorganischer inerter Substanzen, Lösungen oder Dispersionen kationischer Polymere, Lösungen zwei- oder mehrwertiger Metallkationen, sowie Polyole oder deren Lösungen. Die erfindungsgemäß einzusetzenden wässrigen Flüssigkeiten enthalten vorzugsweise mindestens 50 Gew.-%, besonders bevorzung mindestens 70 Gew.-%, ganz besondersbevorzugt mindestens 90 Gew.-%, Wasser.
Die wasserabsorbierenden Polymerpartikel werden durch Polymerisation einer Monomerlösung oder -Suspension hergestellt und sind üblicherweise wasserunlöslich.
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 35 g/100 g Wasser.
Geeignete Monomere a) sind beispielsweise ethylenisch ungesättigte Carbonsäuren, wie Acrylsäure, Methacrylsäure, und Itaconsäure. Besonders bevorzugte Monomere sind Acrylsäure und Methacrylsäure. Ganz besonders bevorzugt ist Acrylsäure.
Weitere geeignete Monomere a) sind beispielsweise ethylenisch ungesättigte Sulfon- säuren, wie Styrolsulfonsäure und 2-Acrylamido-2-methylpropansulfonsäure (AMPS).
Verunreinigungen können einen erheblichen Einfluss auf die Polymerisation haben. Daher sollten die eingesetzten Rohstoffe eine möglichst hohe Reinheit aufweisen. Es ist daher oft vorteilhaft die Monomeren a) speziell zu reinigen. Geeignete Reinigungsverfahren werden beispielsweise in der WO 2002/055469 A1 , der WO 2003/078378 A1 und der WO 2004/035514 A1 beschrieben. Ein geeignetes Monomer a) ist beispielsweise eine gemäß WO 2004/035514 A1 gereinigte Acrylsäure mit 99,8460 Gew.-% Acrylsäure, 0,0950 Gew.-% Essigsäure, 0,0332 Gew.-% Wasser, 0,0203 Gew.-% Propionsäure, 0,0001 Gew.-% Furfurale, 0,0001 Gew.-% Maleinsäureanhydrid, 0,0003 Gew.-% Diacrylsäure und 0,0050 Gew.-% Hydrochinonmonomethylether.
Der Anteil an Acrylsäure und/oder deren Salzen an der Gesamtmenge der Monomeren a) beträgt vorzugsweise mindestens 50 mol-%, besonders bevorzugt mindestens 90 mol-%, ganz besonders bevorzugt mindestens 95 mol-%.
Die Monomere a) enthalten üblicherweise Polymerisationsinhibitoren, vorzugsweise Hydrochinonhalbether, als Lagerstabilisator.
Die Monomerlösung enthält vorzugsweise bis zu 250 Gew.-ppm, bevorzugt höchstens 130 Gew.-ppm, besonders bevorzugt höchstens 70 Gew.-ppm, bevorzugt mindestens 10 Gew.-ppm, besonders bevorzugt mindestens 30 Gew.-ppm, insbesondere um 50 Gew.-ppm, Hydrochinonhalbether, jeweils bezogen auf das unneutralisierte Mono- mer a). Beispielsweise kann zur Herstellung der Monomerlösung ein ethylenisch ungesättigtes, säuregruppentragendes Monomer mit einem entsprechenden Gehalt an Hydrochinonhalbether verwendet werden.
Bevorzugte Hydrochinonhalbether sind Hydrochinonmonomethylether (MEHQ) und/oder alpha-Tocopherol (Vitamin E).
Geeignete Vernetzer b) sind Verbindungen mit mindestens zwei zur Vernetzung geeigneten Gruppen. Derartige Gruppen sind beispielsweise ethylenisch ungesättigte Gruppen, die in die Polymerkette radikalisch einpolymerisiert werden können, und funktio- nelle Gruppen, die mit den Säuregruppen des Monomeren a) kovalente Bindungen ausbilden können. Weiterhin sind auch polyvalente Metallsalze, die mit mindestens zwei Säuregruppen des Monomeren a) koordinative Bindungen ausbilden können, als Vernetzer b) geeignet.
Vernetzer b) sind vorzugsweise Verbindungen mit mindestens zwei polymerisierbaren Gruppen, die in das Polymernetzwerk radikalisch einpolymerisiert werden können. Geeignete Vernetzer b) sind beispielsweise Ethylenglykoldimethacrylat, Diethylenglykoldi- acrylat, Polyethylenglykoldiacrylat, Allylmethacrylat, Trimethylolpropantriacrylat, Trially- lamin, Tetraallylammoniumchlorid, Tetraallyloxyethan, wie in EP 0 530 438 A1 be- schrieben, Di- und Triacrylate, wie in EP 0 547 847 A1 , EP 0 559 476 A1 ,
EP 0 632 068 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 2002/032962 A2 beschrieben. Bevorzugte Vernetzer b) sind Pentaerythrittriallylether, Tetraalloxyethan, Methylenbis- methacrylamid, 15-fach ethoxiliertes Trimethylolpropantriacrylat, Polyethylenglykoldi- acrylat, Trimethylolpropantriacrylat und Triallylamin.
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, insbesondere das Tri- acrylat des 3-fach ethoxylierten Glyzerins.
Die Menge an Vernetzer b) beträgt vorzugsweise 0,05 bis 1 ,5 Gew.-%, besonders be- vorzugt 0,1 bis 1 Gew.-%, ganz besonders bevorzugt 0,3 bis 0,6 Gew.-%, jeweils bezogen auf Monomer a). Mit steigendem Vernetzergehalt sinkt die Zentrifugenretenti- onskapazität (CRC) und die Absorption unter einem Druck von 21 ,0 g/cm2 durchläuft ein Maximum.
Als Initiatoren c) können sämtliche unter den Polymerisationsbedingungen Radikale erzeugende Verbindungen eingesetzt werden, beispielsweise thermische Initiatoren, Redox-Initiatoren, Photoinitiatoren. Geeignete Redox-Initiatoren sind Natriumperoxodi- sulfat/Ascorbinsäure, Wasserstoffperoxid/Ascorbinsäure, Natriumperoxodisulfat/Na- triumbisulfit und Wasserstoffperoxid/Natriumbisulfit. Vorzugsweise werden Mischungen aus thermischen Initiatoren und Redox-Initiatoren eingesetzt, wie Natriumperoxodisul- fat/Wasserstoffperoxid/Ascorbinsäure. Als reduzierende Komponente wird aber vorzugsweise ein Gemisch aus dem Natriumsalz der 2-Hydroxy-2-sulfinatoessigsäure, dem Dinatriumsalz der 2-Hydroxy-2-sulfonatoessigsäure und Natriumbisulfit eingesetzt. Derartige Gemische sind als Brüggolite® FF6 und Brüggolite® FF7 (Brüggemann Chemicals; Heilbronn; DE) erhältlich.
Mit den ethylenisch ungesättigten, säuregruppentragenden Monomeren a) copolymeri- sierbare ethylenisch ungesättigte Monomere d) sind beispielsweise Acrylamid, Methac- rylamid, Hydroxyethylacrylat, Hydroxyethylmethacrylat, Dimethylaminoethylmethacry- lat, Dimethylaminoethylacrylat, Dimethylaminopropylacrylat, Diethylaminopropylacrylat, Dimethylaminoethylmethacrylat, Diethylaminoethylmethacrylat.
Als wasserlösliche Polymere e) können Polyvinylalkohol, Polyvinylpyrrolidon, Stärke, Stärkederivate, modifizierte Cellulose, wie Methylcellulose oder Hydroxyethylcellulose, Gelatine, Polyglykole oder Polyacrylsäuren, vorzugsweise Stärke, Stärkederivate und modifizierte Cellulose, eingesetzt werden. Üblicherweise wird eine wässrige Monomerlösung verwendet. Der Wassergehalt der Monomerlösung beträgt vorzugsweise von 40 bis 75 Gew.-%, besonders bevorzugt von 45 bis 70 Gew.-%, ganz besonders bevorzugt von 50 bis 65 Gew.-%. Es ist auch möglich Monomersuspensionen, d.h. Monomerlösungen mit überschüssigem Monomer a), beispielsweise Natriumacrylat, einzusetzen. Mit steigendem Wassergehalt steigt der Energieaufwand bei der anschließenden Trocknung und mit sinkendem Wassergehalt kann die Polymerisationswärme nur noch ungenügend abgeführt werden.
Die bevorzugten Polymerisationsinhibitoren benötigen für eine optimale Wirkung gelös- ten Sauerstoff. Daher kann die Monomerlösung vor der Polymerisation durch Inertisie- rung, d.h. Durchströmen mit einem inerten Gas, vorzugsweise Stickstoff oder Kohlendioxid, von gelöstem Sauerstoff befreit und der in der Monomerlösung enthaltende Polymerisationsinhibitor deaktiviert werden. Vorzugsweise wird der Sauerstoffgehalt der Monomerlösung vor der Polymerisation auf weniger als 1 Gew.-ppm, besonders bevor- zugt auf weniger als 0,5 Gew.-ppm, ganz besonders bevorzugt auf weniger als 0,1 Gew.-ppm, gesenkt.
Geeignete Reaktoren sind beispielsweise Knetreaktoren oder Bandreaktoren. Im Kneter wird das bei der Polymerisation einer wässrigen Monomerlösung oder -Suspension entstehende Polymergel durch beispielsweise gegenläufige Rührwellen kontinuierlich zerkleinert, wie in WO 2001/038402 A1 beschrieben. Die Polymerisation auf dem Band wird beispielsweise in DE 38 25 366 A1 und US 6,241 ,928 beschrieben. Bei der Polymerisation in einem Bandreaktor entsteht ein Polymergel, das in einem weiteren Verfahrensschritt zerkleinert werden muss, beispielsweise in einem Extruder oder Kneter.
Es ist aber auch möglich eine wässrige Monomerlösung zu vertropfen und die erzeugten Tropfen in einem erwärmten Trägergasstrom zu polymerisieren. Hierbei können die Verfahrensschritte Polymerisation und Trocknung zusammengefasst werden, wie in WO 2008/040715 A2 und WO 2008/052971 A1 beschrieben.
Die Säuregruppen der erhaltenen Polymergele sind üblicherweise teilweise neutralisiert. Die Neutralisation wird vorzugsweise auf der Stufe der Monomeren durchgeführt. Dies geschieht üblicherweise durch Einmischung des Neutralisationsmittels als wässrige Lösung oder bevorzugt auch als Feststoff. Der Neutralisationsgrad beträgt vorzugs- weise von 25 bis 95 mol-%, besonders bevorzugt von 30 bis 80 mol-%, ganz besonders bevorzugt von 40 bis 75 mol-%, wobei die üblichen Neutralisationsmittel verwendet werden können, vorzugsweise Alkalimetallhydroxide, Alkalimetalloxide, Alkalimetallkarbonate oder Alkalimetallhydrogenkarbonate sowie deren Mischungen. Statt Alkalimetallsalzen können auch Ammoniumsalze verwendet werden. Natrium und Kalium sind als Alkalimetalle besonders bevorzugt, ganz besonders bevorzugt sind jedoch Natriumhydroxid, Natriumkarbonat oder Natriumhydrogenkarbonat sowie deren Mischungen. Es ist aber auch möglich die Neutralisation nach der Polymerisation auf der Stufe des bei der Polymerisation entstehenden Polymergels durchzuführen. Weiterhin ist es möglich bis zu 40 mol-%, vorzugsweise 10 bis 30 mol-%, besonders bevorzugt 15 bis 25 mol-%, der Säuregruppen vor der Polymerisation zu neutralisieren indem ein Teil des Neutralisationsmittels bereits der Monomerlösung zugesetzt und der gewünschte Endneutralisationsgrad erst nach der Polymerisation auf der Stufe des Polymergels eingestellt wird. Wird das Polymergel zumindest teilweise nach der Polymerisation neutralisiert, so wird das Polymergel vorzugsweise mechanisch zerkleinert, beispielsweise mittels eines Extruders, wobei das Neutralisationsmittel aufgesprüht, überge- streut oder aufgegossen und dann sorgfältig untergemischt werden kann. Dazu kann die erhaltene Gelmasse noch mehrmals zur Homogenisierung extrudiert werden.
Das Polymergel wird dann vorzugsweise mit einem Bandtrockner getrocknet bis der Restfeuchtegehalt vorzugsweise 0,5 bis 15 Gew.-%, besonders bevorzugt 1 bis 10 Gew.-%, ganz besonders bevorzugt 2 bis 8 Gew.-%, beträgt, wobei der Restfeuchtegehalt gemäß der von der EDANA empfohlenen Testmethode Nr. WSP 230.2-05 "Moisture Content" bestimmt wird. Bei einer zu hohen Restfeuchte weist das getrocknete Polymergel eine zu niedrige Glasübergangstemperatur T9 auf und ist nur schwierig weiter zu verarbeiten. Bei einer zu niedrigen Restfeuchte ist das getrocknete PoIy- mergel zu spröde und in den anschließenden Zerkleinerungsschritten fallen unerwünscht große Mengen an Polymerpartikeln mit zu niedriger Partikelgröße (Feinkorn) an. Der Feststoffgehalt des Gels beträgt vor der Trocknung vorzugsweise von 25 und 90 Gew.-%, besonders bevorzugt von 35 bis 70 Gew.-%, ganz besonders bevorzugt von 40 bis 60 Gew.-%. Wahlweise kann zur Trocknung aber auch ein Wirbelbetttrock- ner oder ein Schaufeltrockner verwendet werden.
Das getrocknete Polymergel wird hiernach gemahlen und klassiert, wobei zur Mahlung üblicherweise ein- oder mehrstufige Walzenstühle, bevorzugt zwei- oder dreistufige Walzenstühle, Stiftmühlen, Hammermühlen oder Schwingmühlen, eingesetzt werden können.
Die mittlere Partikelgröße der als Produktfraktion abgetrennten Polymerpartikel beträgt vorzugsweise mindestens 200 μm, besonders bevorzugt von 250 bis 600 μm, ganz besonders von 300 bis 500 μm. Die mittlere Partikelgröße der Produktfraktion kann mittels der von der EDANA empfohlenen Testmethode Nr. WSP 220.2-05 "Partikel Size Distribution" ermittelt werden, wobei die Massenanteile der Siebfraktionen kumuliert aufgetragen werden und die mittlere Partikelgröße graphisch bestimmt wird. Die mittlere Partikelgröße ist hierbei der Wert der Maschenweite, der sich für kumulierte 50 Gew.-% ergibt. Der Anteil an Partikeln mit einer Partikelgröße von mindestens 150 μm beträgt vorzugsweise mindestens 90 Gew.-%, besonders bevorzugt mindesten 95 Gew.-%, ganz besonders bevorzugt mindestens 98 Gew.-%.
Polymerpartikel mit zu niedriger Partikelgröße senken die Permeabilität (SFC). Daher sollte der Anteil zu kleiner Polymerpartikel (Feinkorn) niedrig sein.
Zu kleine Polymerpartikel werden daher üblicherweise abgetrennt und in das Verfahren rückgeführt. Die geschieht vorzugsweise vor, während oder unmittelbar nach der PoIy- merisation, d.h. vor der Trocknung des Polymergels. Die zu kleinen Polymerpartikel können vor oder während der Rückführung mit Wasser und/oder wässrigem Tensid angefeuchtet werden.
Es ist auch möglich in späteren Verfahrensschritten zu kleine Polymerpartikel abzu- trennen, beispielsweise nach der Oberflächennachvernetzung oder einem anderen Beschichtungsschritt. In diesem Fall sind die rückgeführten zu kleinen Polymerpartikel oberflächennachvernetzt bzw. anderweitig beschichtet, beispielsweise mit pyrogener Kieselsäure.
Wird zur Polymerisation ein Knetreaktor verwendet, so werden die zu kleinen Polymerpartikel vorzugsweise während des letzten Drittels der Polymerisation zugesetzt.
Werden die zu kleinen Polymerpartikel sehr früh zugesetzt, beispielsweise bereits zur Monomerlösung, so wird dadurch die Zentrifugenretentionskapazität (CRC) der erhal- tenen wasserabsorbierenden Polymerpartikel gesenkt. Dies kann aber beispielsweise durch Anpassung der Einsatzmenge an Vernetzer b) kompensiert werden.
Werden die zu kleinen Polymerpartikel sehr spät zugesetzt, beispielsweise erst in einem dem Polymerisationsreaktor nachgeschalteten Apparat, beispielsweise einem Extruder, so lassen sich die zu kleinen Polymerpartikel nur noch schwer in das erhaltene Polymergel einarbeiten. Unzureichend eingearbeitete zu kleine Polymerpartikel lösen sich aber während der Mahlung wieder von dem getrockneten Polymergel, werden beim Klassieren daher erneut abgetrennt und erhöhen die Menge rückzuführender zu kleiner Polymerpartikel.
Der Anteil an Partikeln mit einer Partikelgröße von höchstens 850 μm, beträgt vorzugsweise mindestens 90 Gew.-%, besonders bevorzugt mindesten 95 Gew.-%, ganz besonders bevorzugt mindestens 98 Gew.-%.
Vorteilhaft beträgt der Anteil an Partikeln mit einer Partikelgröße von höchstens 600 μm, vorzugsweise mindestens 90 Gew.-%, besonders bevorzugt mindesten 95 Gew.-%, ganz besonders bevorzugt mindestens 98 Gew.-%. Polymerpartikel mit zu großer Partikelgröße senken die Anquellgeschwindigkeit. Daher sollte der Anteil zu großer Polymerpartikel ebenfalls niedrig sein.
Zu große Polymerpartikel werden daher üblicherweise abgetrennt und in die Mahlung des getrockneten Polymergels rückgeführt.
Die Polymerpartikel werden zur weiteren Verbesserung der Eigenschaften oberflächen- nachvernetzt. Geeignete Oberflächennachvernetzer sind Verbindungen, die Gruppen enthalten, die mit mindestens zwei Carboxylatgruppen der Polymerpartikel kovalente Bindungen bilden können. Geeignete Verbindungen sind beispielsweise polyfunktionelle Amine, polyfunktionelle Amidoamine, polyfunktionelle Epoxide, wie in EP 0 083 022 A2, EP 0 543 303 A1 und EP 0 937 736 A2 beschrieben, di- oder polyfunktionelle Alkohole, wie in DE 33 14 019 A1 , DE 35 23 617 A1 und EP 0 450 922 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 Ci 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 2003/031482 A1 Morpholin-2,3-dion und dessen Derivate als geeignete Oberflächennachvernetzer beschrieben.
Bevorzugte Oberflächennachvernetzer sind Glyzerin, Ethylenkarbonat, Ethylenglykol- diglycidylether, Umsetzungsprodukte von Polyamiden mit Epichlorhydrin und Gemische aus Propylenglykol und 1 ,4-Butandiol.
Ganz besonders bevorzugte Oberflächennachvernetzer sind 2-Hydroxyethyloxazolidin- 2-on, Oxazolidin-2-on und 1 ,3-Propandiol.
Weiterhin können auch Oberflächennachvernetzer eingesetzt werden, die zusätzliche polymerisierbare ethylenisch ungesättigte Gruppen enthalten, wie in DE 37 13 601 A1 beschrieben
Die Menge an Oberflächennachvernetzer beträgt vorzugsweise 0,001 bis 2 Gew.-%, besonders bevorzugt 0,02 bis 1 Gew.-%, ganz besonders bevorzugt 0,05 bis 0,2 Gew.-%, jeweils bezogen auf die Polymerpartikel.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden vor, während oder nach der Oberflächennachvernetzung zusätzlich zu den Oberflächennach- vernetzern polyvalente Kationen auf die Partikeloberfläche aufgebracht. Die im erfindungsgemäßen Verfahren einsetzbaren polyvalenten Kationen sind beispielsweise zweiwertige Kationen, wie die Kationen von Zink, Magnesium, Kalzium, Eisen und Strontium, dreiwertige Kationen, wie die Kationen von Aluminium, Eisen, Chrom, Seltenerden und Mangan, vierwertige Kationen, wie die Kationen von Titan und Zirkonium. Als Gegenion sind Chlorid, Bromid, Sulfat, Hydrogensulfat, Karbonat, Hydrogenkarbonat, Nitrat, Phosphat, Hydrogenphosphat, Dihydrogenphosphat und Carboxylat, wie Acetat und Laktat, möglich. Aluminiumsulfat und Aluminiumlaktat sind bevorzugt. Außer Metallsalzen können auch Polyamine als polyvalente Kationen eingesetzt werden.
Die Einsatzmenge an polyvalentem Kation beträgt beispielsweise 0,001 bis 1 ,5 Gew.-%, vorzugsweise 0,005 bis 1 Gew.-%, besonders bevorzugt 0,02 bis 0,8 Gew.-%. jeweils bezogen auf die Polymerpartikel.
Die Oberflächennachvernetzung wird üblicherweise so durchgeführt, dass eine Lösung des Oberflächennachvernetzers auf die getrockneten Polymerpartikel aufgesprüht wird. Im Anschluss an das Aufsprühen werden die mit Oberflächennachvernetzer beschichteten Polymerpartikel thermisch getrocknet, wobei die Oberflächennachvernetzungsre- aktion sowohl vor als auch während der Trocknung stattfinden kann.
Das Aufsprühen einer Lösung des Oberflächennachvernetzers wird vorzugsweise in Mischern mit bewegten Mischwerkzeugen, wie Schneckenmischer, Scheibenmischer und Schaufelmischer, durchgeführt werden. Besonders bevorzugt sind Horizontalmischer, wie Schaufelmischer, ganz besonders bevorzugt sind Vertikalmischer. Die Un- terscheidung in Horizontalmischer und Vertikalmischer erfolgt über die Lagerung der Mischwelle, d.h. Horizontalmischer haben eine horizontal gelagerte Mischwelle und Vertikalmischer haben eine vertikal gelagerte Mischwelle. Geeignete Mischer sind beispielsweise Horizontale Pflugschar® Mischer (Gebr. Lödige Maschinenbau GmbH; Paderborn; DE), Vrieco-Nauta Continuous Mixer (Hosokawa Micron BV; Doetinchem; NL), Processall Mixmill Mixer (Processall Incorporated; Cincinnati; US) und Schugi Flexomix® (Hosokawa Micron BV; Doetinchem; NL). Es ist aber auch möglich die O- berflächennachvernetzerlösung in einem Wirbelbett aufzusprühen.
Die Oberflächennachvernetzer werden typischerweise als wässrige Lösung eingesetzt. Über den Gehalt an nichtwässrigem Lösungsmittel bzw. Gesamtlösungsmittelmenge kann die Eindringtiefe des Oberflächennachvernetzers in die Polymerpartikel eingestellt werden.
Wird ausschließlich Wasser als Lösungsmittel verwendet, so wird vorteilhaft ein Tensid zugesetzt. Dadurch wird das Benetzungsverhalten verbessert und die Verklumpungs- neigung vermindert. Vorzugsweise werden aber Lösungsmittelgemische eingesetzt, beispielsweise Isopropanol/Wasser, 1 ,3-Propandiol/Wasser und Propylengly- kol/Wasser, wobei das Mischungsmassenverhältnis vorzugsweise von 20:80 bis 40:60 beträgt.
Die thermische Trocknung wird vorzugsweise in Kontakttrocknern, besonders bevor- zugt Schaufeltrocknern, ganz besonders bevorzugt Scheibentrocknern, durchgeführt. Geeignete Trockner sind beispielsweise Hosokawa Bepex® Horizontal Paddle Dryer (Hosokawa Micron GmbH; Leingarten; DE), Hosokawa Bepex® Disc Dryer (Hosokawa Micron GmbH; Leingarten; DE) und Nara Paddle Dryer (NARA Machinery Europe; Frechen; DE). Überdies können auch Wirbelschichttrockner eingesetzt werden.
Die Trocknung kann im Mischer selbst erfolgen, durch Beheizung des Mantels oder Einblasen von Warmluft. Ebenso geeignet ist ein nachgeschalteter Trockner, wie beispielsweise ein Hordentrockner, ein Drehrohrofen oder eine beheizbare Schnecke. Besonders vorteilhaft wird in einem Wirbelschichttrockner gemischt und getrocknet.
Bevorzugte Trocknungstemperaturen liegen im Bereich 100 bis 2500C, bevorzugt 120 bis 2200C, besonders bevorzugt 130 bis 210°C, ganz besonders bevorzugt 150 bis 2000C. Die bevorzugte Verweilzeit bei dieser Temperatur im Reaktionsmischer oder Trockner beträgt vorzugsweise mindestens 10 Minuten, besonders bevorzugt mindes- tens 20 Minuten, ganz besonders bevorzugt mindestens 30 Minuten, und üblicherweise höchstens 60 Minuten.
Anschließend können die oberflächennachvernetzten Polymerpartikel erneut klassiert werden, wobei zu kleine und/oder zu große Polymerpartikel abgetrennt und in das Ver- fahren rückgeführt werden.
Die oberflächennachvernetzten Polymerpartikel werden zur weiteren Verbesserung der Eigenschaften beschichtet oder nachbefeuchtet. Geeignete Beschichtungen zur Verbesserung der Anquellgeschwindigkeit sowie der Permeabilität (SFC) sind beispiels- weise anorganische inerte Substanzen, wie wasserunlösliche Metallsalze, organische Polymere, kationische Polymere sowie zwei- oder mehrwertige Metallkationen. Geeignete Beschichtungen zur Staubbindung sind beispielsweise Polyole. Geeignete Beschichtungen gegen die unerwünschte Verbackungsneigung der Polymerpartikel sind beispielsweise pyrogene Kieselsäure, wie Aerosil® 200, und Tenside, wie Span® 20.
Geeignete anorganische inerte Substanzen sind Silikate, wie Montmorillonit, Kaolinit und Talk, Zeolithe, Aktivkohlen, Polykieselsäuren, Magnesiumcarbonat, Calciumcarbonat, Bariumsulfat, Aluminiumoxid, Titandioxid und Eisen-(ll)-oxid. Bevorzugt gelangen Polykieselsäuren zum Einsatz, die je nach Herstellungsart zwischen Fällungskieselsäu- ren und pyrogenen Kieselsäuren unterschieden werden. Beide Varianten sind unter den Namen Silica FK, Sipernat®, Wessalon® (Fällungskieselsäuren) bzw. Aerosil® (pyrogene Kieselsäuren) kommerziell erhältlich. Die anorganischen inerten Substanzen können als Dispersion in einem wässrigen oder wassermischbaren Dispergiermittel eingesetzt werden.
Werden die wasserabsorbierenden Polymerpartikel mit einem anorganischen inerten Material beschichtet, so beträgt die Einsatzmenge an anorganischem inerten Material bezogen auf die wasserabsorbierenden Polymerpartikel vorzugsweise von 0,05 bis 5 Gew.-%, besonders bevorzugt von 0,1 bis 1 ,5 Gew.-%, ganz besonders bevorzugt von 0,3 bis 1 Gew.-%.
Geeignete organische Materialien sind Polyalkylmethacrylate oder Thermoplaste, wie Polyvinylchlorid.
Geeignete kationische Polymere sind Polyalkylenpolyamine, kationischen Derivate von Polyacrylamiden, Polyethylenimine und polyquartäre Amine.
Polyquartäre Amine sind beispielsweise Kondensationsprodukte aus Hexamethylendi- amin, Dimethylamin und Epichlorhydrin, Kondensationsprodukte aus Dimethylamin und Epichlorhydrin, Copolymere aus Hydroxyethylcellulose und Diallyldimethylammonium- chlorid, Copolymere aus Acrylamid und α-Methacrylyloxyethyltrimethylammonium- chlorid, Kondensationsprodukte aus Hydroxyethylcellulose, Epichlorhydrin und Tri- methylamin, Homopolymere von Diallyldimethylammoniumchlorid und Additionsprodukte von Epichlorhydrin an Amidoamine. Des Weiteren können polyquartäre Amine durch Umsetzung von Dimethylsulfat mit Polymeren, wie Polyethyleniminen, Copolymere aus Vinylpyrrolidon und Dimethylaminoethylmethacrylat oder Copolymere aus Ethylmeth- acrylat und Diethylaminoethylmethacrylat erhalten werden. Die polyquartären Amine sind in einem breiten Molekulargewichtsbereich verfügbar.
Es ist aber auch möglich die kationische Polymere auf der Partikeloberfläche zu erzeugen, entweder durch Reagenzien, die mit sich selbst ein Netzwerk bilden können, wie Additionsprodukte von Epichlorhydrin an Polyamidoamine, oder durch die Auftragung von kationischen Polymeren, die mit einem zugesetzten Vernetzer reagieren können, wie Polyamine oder Polyimine in Kombination mit Polyepoxiden, multifunktionellen Estern, multifunktionellen Säuren oder multifunktionellen (Meth)acrylaten.
Zum Einsatz gelangen können alle multifunktionellen Amine mit primären oder sekundären Aminogruppen, wie Polyethylenimin, Polyallylamin und Polylysin. Die gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren versprühte Flüssigkeit enthält vorzugsweise mindestens ein Polyamin, beispielsweise Polyvinylamin.
Die kationischen Polymere können als Lösung in einem wässrigen oder wassermischbaren Lösungsmittel, als Dispersion in einem wässrigen oder wassermischbaren Dispergiermittel oder in Substanz eingesetzt werden. Werden die wasserabsorbierenden Polymerpartikel mit einem kationischen Polymer beschichtet, so beträgt die Einsatzmenge an kationischem Polymere bezogen auf die wasserabsorbierenden Polymerpartikel vorzugsweise von 0,1 bis 15 Gew.-%, besonders bevorzugt von 0,5 bis 10 Gew.-%, ganz besonders bevorzugt von 1 bis 5 Gew.-%.
Werden die wasserabsorbierenden Polymerpartikel mit einem kationischen Polymer beschichtet, so beträgt die Verweilzeit der wasserabsorbierenden Polymerpartikel beim Aufsprühen des kationischen Polymers vorzugsweise von 2 bis 50%, besonders bevorzugt von 5 bis 30%, ganz besonders bevorzugt von 10 bis 25%, der Gesamtver- weilzeit im Mischer.
Geeignete zwei- oder mehrwertige Metallkationen sind Mg2+, Ca2+, Al3+, Sc3+, Ti4+, Mn2+, Fe2+/3+, Co2+, Ni2+, Cu+/2+, Zn2+, Y3+, Zr4+, Ag+, La3+, Ce4+, Hf4+, und Au+/3+, bevorzugte Metallkationen sind Mg2+, Ca2+, Al3+, Ti4+, Zr4+ und La3+, besonders bevorzugte Metallkationen sind Al3+, Ti4+ und Zr4+. Die Metallkationen können sowohl allein als auch im Gemisch untereinander eingesetzt werden. Von den genannten Metallkationen sind alle Metallsalze geeignet, die eine ausreichende Löslichkeit in dem zu verwendenden Lösungsmittel besitzen. Besonders geeignet sind Metallsalze mit schwach komplexierenden Anionen, wie Chlorid, Nitrat und Sulfat. Die Metallsalze werden vor- zugsweise als Lösung eingesetzt. Als Lösungsmittel für die Metallsalze können Wasser, Alkohole, Dimethylformamid, Dimethylsulfoxid sowie Mischungen davon eingesetzt werden. Besonders bevorzugt sind Wasser und Wasser/Alkohol-Mischungen, wie Wasser/Methanol oder Wasser/Propylenglykol.
Die gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren versprühte Flüssigkeit enthält vorzugsweise mindestens ein mehrwertiges Metallkation, beispielsweise Al3+.
Werden die wasserabsorbierenden Polymerpartikel mit einem mehrwertiges Metallkation beschichtet, so beträgt die Einsatzmenge an mehrwertigem Metallkation bezogen auf die wasserabsorbierenden Polymerpartikel vorzugsweise von 0,05 bis 5 Gew.-%, besonders bevorzugt von 0,1 bis 1 ,5 Gew.-%, ganz besonders bevorzugt von 0,3 bis 1 Gew.-%.
Werden die wasserabsorbierenden Polymerpartikel mit einem mehrwertigen Metallka- tion beschichtet, so beträgt die Verweilzeit der wasserabsorbierenden Polymerpartikel beim Aufsprühen des mehrwertigen Metallkations vorzugsweise von 1 bis 30%, besonders bevorzugt von 2 bis 20%, ganz besonders bevorzugt von 5 bis 15%, der Gesamtverweilzeit im Mischer. Vorteilhaft wird das mehrwertige Metallkation vor dem kationischen Polymer dosiert.
Besonders geeignete Polyole sind Polyethylenglykole mit einem Molekulargewicht von 400 bis 20000 g/mol, Polyglyzerin, 3- bis 100-fach ethoxylierte Polyole, wie Trimethy- lolpropan, Glyzerin, Sorbitol und Neopentylglykol. Besonders geeignet sind 7- bis 20-fach ethoxyliertes Glyzerin oder Trimethylolpropan, wie beispielsweise Polyol TP 70® (Perstorp AB, Perstorp, SE). Letztere haben insbesondere den Vorteil, dass sie die Oberflächenspannung eines wässrigen Extrakts der wasserabsorbierenden PoIy- merpartikel nur unwesentlich herabsetzen. Die Polyole werden vorzugsweise als Lösung in wässrigen oder wassermischbaren Lösungsmittel eingesetzt.
Die gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren versprühte Flüssigkeit enthält vorzugsweise mindestens ein Polyol, beispielsweise Polyethylenglykol.
Werden die wasserabsorbierenden Polymerpartikel mit einem Polyol beschichtet, so beträgt die Einsatzmenge an Polyol bezogen auf die wasserabsorbierenden Polymerpartikel vorzugsweise von 0,005 bis 2 Gew.-%, besonders bevorzugt von 0,01 bis 1 Gew.-%, ganz besonders bevorzugt von 0,05 bis 0,5 Gew.-%.
Werden die wasserabsorbierenden Polymerpartikel mit einem Polyol beschichtet, so beträgt die Verweilzeit der wasserabsorbierenden Polymerpartikel beim Aufsprühen des Polyols vorzugsweise von 20 bis 80%, besonders bevorzugt von 30 bis 70%, ganz besonders bevorzugt von 40 bis 60%, der Gesamtverweilzeit im Mischer. Vorteilhaft wird das Polyol nach dem kationischen Polymer dosiert.
Die gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten wasserabsorbierenden Polymerpartikel weisen einen Feuchtegehalt von vorzugsweise 1 bis 15 Gew.-%, besonders bevorzugt 1 ,5 bis 10 Gew.-%, ganz besonders bevorzugt 2 bis 8 Gew.-%, auf, wobei der Wassergehalt gemäß der von der EDANA empfohlenen Testmethode Nr. WSP 230.2-05 "Moisture Content" bestimmt wird.
Die gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten wasserabsorbierenden Polymerpartikel weisen eine Zentrifugenretentionskapazität (CRC) von typischerweise mindestens 15 g/g, vorzugsweise mindestens 20 g/g, bevorzugt mindestens 22 g/g, besonders bevorzugt mindestens 24 g/g, ganz besonders bevorzugt mindestens 26 g/g, auf. Die Zentrifugenretentionskapazität (CRC) der wasserabsorbierenden Polymerpartikel beträgt üblicherweise weniger als 60 g/g. Die Zentrifugenretentionskapazität (CRC) wird gemäß der von der EDANA empfohlenen Testmethode Nr. WSP 241.2-05 "Centrifuge Retention Capacity" bestimmt.
Die gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten wasserabsorbierenden Polymerpartikel weisen eine Absorption unter einem Druck von 63,0 g/cm2 von typischerweise mindestens 10 g/g, vorzugsweise mindestens 15 g/g, bevorzugt mindes- tens 18 g/g, besonders bevorzugt mindestens 20 g/g, ganz besonders bevorzugt mindestens 22 g/g, auf. Die Absorption unter einem Druck von 63,0 g/cm2 der wasserabsorbierenden Polymerpartikel beträgt üblicherweise weniger als 35 g/g. Die Absorption unter einem Druck von 63,0 g/cm2 wird analog der von der EDANA empfohlenen Testmethode Nr. WSP 242.2-05 "Absorption under Pressure" bestimmt, wobei statt eines Drucks von 21 ,0 g/cm2 ein Druck von 63,0 g/cm2 eingestellt wird.
Die wasserabsorbierenden Polymerpartikel werden mittels der nachfolgend beschriebenen Testmethoden geprüft.
Methoden:
Die Messungen sollten, wenn nicht anders angegeben, bei einer Umgebungstemperatur von 23 ± 2 0C und einer relativen Luftfeuchte von 50 ± 10 % durchgeführt werden. Die wasserabsorbierenden Polymerpartikel werden vor der Messung gut durchmischt.
Flüssigkeitsweiterleitung (Saline Flow Conductivity)
Die Flüssigkeitsweiterleitung (SFC) einer gequollenen Gelschicht unter Druckbelastung von 0,3 psi (2070 Pa) wird, wie in EP 0 640 330 A1 beschrieben, als Gel-Layer-Perme- ability einer gequollenen Gelschicht aus wasserabsorbierenden Polymerpartikeln be- stimmt, wobei die in zuvor genannter Patentanmeldung auf Seite 19 und in Figur 8 beschriebene Apparatur dahingehend modifiziert wurde, dass die Glasfritte (40) nicht mehr verwendet wird, der Stempel (39) aus gleichem Kunststoffmaterial besteht wie der Zylinder (37) und jetzt über die gesamte Auflagefläche gleichmäßig verteilt 21 gleichgroße Bohrungen enthält. Die Vorgehensweise sowie Auswertung der Messung bleibt unverändert gegenüber EP 0 640 330 A1. Der Durchfluss wird automatisch er- fasst.
Die Flüssigkeitsweiterleitung (SFC) wird wie folgt berechnet:
SFC [cm3s/g] = (Fg(t=0)xL0)/(dxAxWP),
wobei Fg(t=O) der Durchfluss an NaCI-Lösung in g/s ist, der anhand einer linearen Regressionsanalyse der Daten Fg(t) der Durchflussbestimmungen durch Extrapolation gegen t=0 erhalten wird, LO die Dicke der Gelschicht in cm, d die Dichte der NaCI-Lösung in g/cm3, A die Fläche der Gelschicht in cm2 und WP der hydrostatische Druck über der Gelschicht in dyn/cm2. Staubzahl
Die Staubzahl der wasserabsorbierenden Polymerpartikel wird mit Hilfe des Staubmessgerätes Typ DustView (Palas GmbH, Karlsruhe, DE) ermittelt.
Der mechanische Teil des Messgerätes besteht aus Einfülltrichter mit Klappe, Fallrohr und Staubgehäuse mit herausnehmbarem Staubkasten.
Bei der Bestimmung der Staubzahl werden staubende Anteile von Feststoffen, welche nach definierter Beanspruchung des Materials (freier Fall und Aufprall) entstehen, quantitativ erfasst.
Die Auswertung erfolgt optoelektronisch. Der staubende Feststoffanteil führt zur Abschwächung eines Lichtstrahls, die photometrisch erfasst wird. Die Messwertregistrierung und Auswertung erfolgt in der Steuereinheit. Dabei werden die folgenden Messwerte als Zahlenwert an der Steuereinheit angezeigt:
1. Messwert nach 0,5 Sekunden (Maximalwert)
2. Messwert nach 30 Sekunden (Staubwert) 3. Staubzahl (Summe aus Maximalwert und Staubwert)
Die Staubzahlen werden wie folgt bewertet:
Staubzahl 25 - 100 staubend bis stark staubend Staubzahl 12 - 25 gering staubend bis staubend
Staubzahl 1 - 12 gering staubend bis quasi staubfrei
Staubzahl < 1 staubfrei
Partikelgrößenverteilung (PSD Particle Size Distribution)
Die Partikelgrößenverteilung der wasserabsorbierenden Polymerpartikel wird analog der von der EDANA empfohlenen Testmethode Nr. WSP 220.2-05 "Particle size distri- bution" bestimmt.
Zentrifugenretentionskapazität (Centrifuge Retention Capacity)
Die Zentrifugenretentionskapazität (CRC) der wasserabsorbierenden Polymerpartikel wird gemäß der von der EDANA empfohlenen Testmethode Nr. WSP 241.2-05 "Centrifuge Retention Capacity" bestimmt. Absorption unter einem Druck von 63,0 g/cm2 (Absorption under Pressure)
Die Absorption unter einem Druck von 63,0 g/cm2 (AULO.9psi) der wasserabsorbierenden Polymerpartikel wird analog der von der EDANA empfohlenen Testmethode Nr. WSP 242.2-05 "Absorption under Pressure" bestimmt, wobei statt eines Drucks von 21 ,0 g/cm2 (AULO.3psi) ein Druck von 63,0 g/cm2 (AULO.9psi) eingestellt wird.
Extrahierbare (Extractables)
Der Anteil an Extrahierbaren der wasserabsorbierenden Polymerpartikel wird gemäß der von der EDANA empfohlenen Testmethode Nr. WSP 270.2-05 "Extractables" bestimmt.
Die EDANA-Testmethoden sind beispielsweise erhältlich bei der EDANA, Avenue Eu- gene Plasky 157, B-1030 Brüssel, Belgien.
Beispiele
Beispiel 1
Durch kontinuierliches Mischen von entionisiertem Wasser, 50gew..-%iger Natronlauge und Acrylsäure wird eine Acrylsäure/Natriumacrylatlösung hergestellt, so dass der Neutralisationsgrad 65mol-% entsprach. Der Feststoffgehalt der Monomerlösung betrug 40 Gew.-%.
Als mehrfach ethylenisch ungesättigter Vernetzer wurde Polyethylenglykol-400-diacry- lat (Diacrylat ausgehend von einem Polyethylenglykol mit einem mittleren Molgewicht von 400 g/mol) verwendet. Die Einsatzmenge betrug 1 ,35g pro kg Monomerlösung.
Zur Initiierung der radikalischen Polymerisation wurden pro kg Monomerlösung 5,11 g einer 0,33gew.-%igen wässrigen Wasserstoffperoxidlösung, 6,31 g einer 15gew-%igen wässrigen Natriumperoxodisulfatlösung und 4,05 g einer 0,5gew.-%igen Ascorbinsäu- relösung eingesetzt.
Der Durchsatz der Monomerlösung betrug 1200 kg/h. Die Reaktionslösung hatte am Zulauf eine Temperatur von 23,5°C.
Die einzelnen Komponenten wurden in folgenden Mengen kontinuierlich in einen Reaktor vom Typ List ORP 250 Contikneter, (LIST AG, Arisdorf, CH) dosiert:
1200 kg/h Monomerlösung
1 ,620 kg/h Polyethylenglykol-400-diacrylat 13,704 kg/h Wasserstoffperoxidlösung/Natriumperoxodisulfat- Lösung 4,860 kg/h Ascorbinsäurelösung
Zwischen dem Zugabepunkt für Vernetzer und den Zugabestellen für die Initiatoren wurde die Monomerlösung mit Stickstoff inertisiert.
Es fand nach ca. 50% der Verweilzeit zusätzlich eine Zudosierung von aus dem Herstellungsprozeß durch Mahlung und Siebung anfallendem Feinkorn (45 kg/h) in den Reaktor statt. Die Verweilzeit der Reaktionsmischung im Reaktor betrug 15 Minuten.
Das erhaltene Produktgel wurde auf einen Bandtrockner aufgegeben. Auf dem Bandtrockner wurde das Polymergel kontinuierlich mit einem Luft/Gasgemisch umströmt und bei 175°C getrocknet. Die Verweilzeit im Bandtrockner betrug 43 Minuten.
Das getrocknete Polymergel wurde gemahlen und auf eine Partikelgrößenfraktion von 150 bis 850μm abgesiebt. Das so erhaltene Grundpolymer hatte folgende Eigenschaften:
CRC: 32 g/g
AUL0.3psi: 26 g/g
Extrahierbare: 9,8 Gew.-% pH-Wert: 5,8
In einem Schugi Flexomix® vom Typ: FX 160 (Hosokawa-Micron B.V., Doetinchem, NL) wurde das Grundpolymer mit der Oberflächennachvernetzungslösung beschichtet und anschließend direkt in einem NARA-Paddle-Dryer vom Typ NPD 5W8 (GMF Gou- da, Waddinxveen, NL) 45 Minuten bei 1900C getrocknet.
Es wurden folgende Mengen in den Schugi Flexomix® dosiert:
500 kg/h Grundpolymer
25,0 kg/h Oberflächennachvernetzungslösung
Die Oberflächennachvernetzungslösung enthielt 2.0 Gew.-% N-Hydroxyethyl-2-oxazo- lidinon, 97,5 Gew.-% entionisiertes Wasser und 0,5 Gew.-% Sorbitanmonococoat.
Die oberflächennachvernetzten Polymerpartikel wurden anschließend in einem NARA- Paddle-Cooler vom Typ NPD 3W9 (GMF Gouda, Waddinxveen, NL) auf ca. 600C abgekühlt und anschließend noch einmal auf 150 bis 850 μm abgesiebt. Die verwendeten oberflächennachvernetzten wasserabsorbierenden Polymerpartikel hatten folgendes Eigenschaftsprofil:
CRC: 26,5 g/g
AUL0.9psi: 21 g/g
SFC: 120x10-7 cm3s/g
Extrahierbare: 7,8 Gew.-%
>850μm 0,7 Gew.-%
600-850μm 31 ,3 Gew.-%
300-600μm 50,5 Gew.-%
90-300μm 17,3 Gew.-%
<90μm 0,2 Gew.-%
Beispiel 2
Die oberflächennachvernetzten wasserabsorbierenden Polymerpartikel wurden in einem Ruberg-Durchlaufmischer Typ DLM 350-1500 (Gebrüder Ruberg GmbH & Co KG, Nieheim, DE) mittels einer Zweistoffdüse Typ RZD1-H (Gebrüder Ruberg GmbH & Co KG, Nieheim, DE) mit eine 50 gew.-%igen wässrigen Lösung von Lupamin® 9095 (BASF Aktiengesellschaft, Ludwigshafen, DE) beschichtet. Lupamin® 9095 ist ein hochmolekulares lineares Polyvinylamin.
Der Durchlaufmischer war waagerecht aufgestellt (0° Steigung) und hatte eine Sperrluftspülung. Das Mischkammervolumen betrug 140 I. Der Füllgrad des Durchlaufmi- schers betrug 60% und die Drehzahl betrug 43 min"1. Die Froude-Zahl der bewegten oberflächennachvernetzten wasserabsorbierenden Polymerpartikel betrug 0,36.
Die Zweistoffdüse war horizontal eingebaut. Der Abstand von der Stirnwand des Durchlaufmischers betrug 375 mm und der horizontale Abstand des Düsenmunds von der Mischerwand betrug 50 mm. Der Düsenkopf befand sich 150 mm unterhalb der Produkbettoberfläche. Die Sprühdüse hatte eine elektrische Begleitheizung. Die Begleitheizung wurde so geregelt, dass die Düsentemperatur 600C betrug Der Vordruck des Zerstäubergases (Stickstoff) betrug 4,8 bar. Der Durchsatz an Zerstäubergas betrug 12 kg/h.
Der Durchsatz an wasserabsorbierenden Polymerpartikeln betrug 180 kg/h. Die Temperatur der wasserabsorbierenden Polymerpartikel betrug 600C.
Der Durchsatz der Beschichtungslösung betrug 7,2 kg/h. Die Temperatur der Be- Schichtungslösung betrug 600C. Es wurde ein mit einer Antihaftbeschichtung versehener Durchlaufmischer (Polytetra- fluorethylen; Randwinkel 110°) und ein unbeschichteter Durchlaufmischer (Randwinkel 26°) eingesetzt. Die Innenwand des unbeschichteten Durchlaufsmischers war aus nichtrostendem Stahl (Werkstoffnummer. 1.4571 ). Die Durchlaufmischer wurden meh- rere Stunden störungsfrei betrieben.
Die beschichteten wasserabsorbierenden Polymerpartikel wurden analysiert. Die Ergebnisse sind in der Tabelle 1 zusammengefasst.
Tab. 1 : Beschichtung mit Lupamin® 9095
Figure imgf000025_0001
Beispiel 3
Es wurde verfahren wie unter Beispiel 2. Zusätzlich wurde mittels einer zweiten Zweistoffdüse mit einer 20 gew.-%igen wässrigen Lösung von Polyethylenglykol-400 (PoIy- ethylenglykol mit einem mittleren Molgewicht von 400 g/mol) beschichtet.
Die zweite Zweistoffdüse war ebenfalls horizontal eingebaut. Der Abstand von der Stirnwand des Durchlaufmischers betrug 750 mm und der horizontale Abstand des Düsenmunds von der Mischerwand betrug 50 mm. Der Düsenkopf war vollständig in die wasserabsorbierenden Polymerpartikel eingetaucht.
Der Durchsatz der zweiten Beschichtungslösung betrug 1 ,35 kg/h. Die Temperatur der Beschichtungslösung betrug 200C.
Die beschichteten wasserabsorbierenden Polymerpartikel wurden analysiert. Die Ergebnisse sind in der Tabelle 2 zusammengefasst. Tab. 2: Beschichtung mit Lupamin® 9095 und Polyethylenglykol-400
Figure imgf000026_0001
Beispiel 4
Es wurde verfahren wie unter Beispiel 3. Zusätzlich wurde mittels einer dritten Zweistoffdüse mit einer 23,9 gew.-%igen wässrigen Lösung von Aluminiumsulfat beschichtet.
Die dritte Zweistoffdüse war ebenfalls horizontal eingebaut. Der Abstand von der Stirnwand des Durchlaufmischers betrug 150 mm und der horizontale Abstand des Düsenmunds von der Mischerwand betrug 50 mm. Der Düsenkopf war vollständig in die wasserabsorbierenden Polymerpartikel eingetaucht.
Der Durchsatz der dritten Beschichtungslösung betrug 7,2 kg/h. Die Temperatur der Beschichtungslösung betrug 200C.
Die beschichteten wasserabsorbierenden Polymerpartikel wurden analysiert. Die Ergebnisse sind in der Tabelle 3 zusammengefasst.
Tab. 3: Beschichtung mit Lupamin® 9095, Polyethylenglykol-400 und Aluminiumsulfat
Figure imgf000026_0002
Beispiel 5
Es wurde die Rauhigkeit und der Randwinkel gegenüber Wasser verschiedener nichtrostender Stähle untersucht. Die Ergebnisse sind in Tabelle 4 zusammengefasst:
Tab. 4: Oberflächenrauigkeit und Randwinkel
Figure imgf000027_0001

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung wasserabsorbierender Polymerpartikel durch Polymerisation einer Monomerlösung oder -Suspension, enthaltend
a) mindestens ein ethylenisch ungesättigtes, säuregruppentragendes Monomer, das zumindest teilweise neutralisiert sein kann, b) mindestens einen Vernetzer, c) mindestens einen Initiator, d) optional ein oder mehrere mit den unter a) genannten Monomeren copoly- merisierbare ethylenisch ungesättigte Monomere und e) optional ein oder mehrere wasserlösliche Polymere,
umfassend Trocknung, Mahlung, Klassierung, und Oberflächennachvernetzung, wobei in einem kontinuierlichen Horizontalmischer mit bewegten Mischwerkzeugen mittels mindestens einer Sprühdüse eine wässrige Flüssigkeit auf die ober- flächennachvernetzten wasserabsorbierenden Polymerpartikel aufgesprüht wird, dadurch gekennzeichnet, dass die produktberührte Innenwand des Mischers gegenüber Wasser einen Randwinkel von weniger als 80° aufweist.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die wasserabsorbierenden Polymerpartikel durch Ausbildung kovalenter Bindungen oberflächen- nachvernetzt wurden.
3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei der O- berflächennachvernetzung zusätzlich polyvalente Kationen eingesetzt wurden.
4. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die produktberührte Innenwand des Mischers aus einem nichtrostenden Stahl ist.
5. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Mischer zugeführten wasserabsorbierenden Polymerpartikel eine Temperatur von 40 bis 800C aufweisen.
6. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verweilzeit der wasserabsorbierenden Polymerpartikel im Mischer von 1 bis 180 Minuten beträgt.
7. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, die Umfangsgeschwindigkeit der Mischwerkzeuge im Mischer von 0,1 bis 10 m/s beträgt und die wasserabsorbierenden Polymerpartikel im Mischer mit einer Geschwindigkeit bewegt werden, die einer Froude-Zahl von 0,01 bis 6 entspricht.
8. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllgrad des Mischers von 30 bis 80% beträgt und die Flüssigkeit mindestens 10 mm unterhalb der Produktbettoberfläche versprüht wird.
9. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Sprühdüse begleitbeheitzt ist.
10. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die wasserabsorbierenden Polymerpartikel eine Zentrifugenretentionskapazität von mindestens 15 g/g aufweisen.
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