JP2023022791A - 固定剤用の吸水性樹脂およびその利用 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】純水20時間膨潤後ろ過率が60%以下である、固定剤用の吸水性樹脂。
【選択図】なし
Description
〔1〕ポリアクリル酸(塩)系吸水性樹脂であって、純水20時間膨潤後ろ過率が60%以下である、固定剤用の吸水性樹脂。
〔2〕純水20時間膨潤後ろ過率が45%以下である、〔1〕に記載の固定剤用の吸水性樹脂。
〔3〕純水10分間膨潤後ろ過率が70%以下である、〔1〕または〔2〕に記載の固定剤用の吸水性樹脂。
〔4〕純水10分間膨潤後ろ過率が50%以下である、〔1〕~〔3〕のいずれかに記載の固定剤用の吸水性樹脂。
〔5〕CRCが35g/g以上である、〔1〕~〔4〕のいずれかに記載の固定剤用の吸水性樹脂。
〔6〕CRCが38g/g以上である、〔1〕~〔5〕のいずれかに記載の固定剤用の吸水性樹脂。
〔7〕質量平均粒子径(D50)が200~800μmである、〔1〕~〔6〕のいずれかに記載の固定剤用の吸水性樹脂。
〔8〕〔1〕~〔7〕のいずれかに記載の固定剤用の吸水性樹脂を含む、固定剤。
〔9〕含水バラ物用の固定剤である、〔8〕に記載の固定剤。
〔10〕〔8〕または〔9〕に記載の固定剤を、含水バラ物に接触させる工程を含む、含水バラ物の改質方法。
〔11〕〔8〕または〔9〕に記載の固定剤を、含水バラ物に接触させる工程を含む、改質された含水バラ物の製造方法。
〔12〕敷材用の固定剤である、〔8〕に記載の固定剤。
産業用途、すなわち、含水バラ物、敷材等の固液が共存する材料の固定剤として吸水性樹脂を使用する場合、従来技術には、吸液後の吸水性樹脂の取り扱い性、特に、搬送時等の飛散や粉塵の発生を防止に関して課題があった。
[2-1.吸水性樹脂]
本明細書において、「吸水性樹脂」とは、水膨潤性水不溶性の架橋重合体を意図し、一般的に粒子状である。また、「水膨潤性」とは、NWSP 241.0.R2(15)で規定される無加圧下吸収倍率(CRC)が5g/g以上であることを意味し、「水不溶性」とは、NWSP 270.0.R2(15)で規定される可溶分(Ext)が50質量%以下であることを意味する。
「NWSP」は、「Non-Woven Standard Procedures-Edition2015」を表し、EDANA(European Disposales And Nonwovens Associations:欧州不織布工業会)とINDA(Association of the Nonwoven Fabrics Industry:北米不織布工業会)とが、不織布およびその製品の評価法を米国および欧州で統一して共同で発行したものであり、吸水性樹脂の標準的な測定法を示すものである。特に断りのない限り、本発明では「NWSP」に準拠して、吸水性樹脂の物性を測定する。
本吸水性樹脂は、ポリアクリル酸(塩)系吸水性樹脂であって、純水20時間膨潤後ろ過率が60%以下である。本吸水性樹脂は、前記構成を有するために、固液共存下において、吸液後の取り扱い性に優れるものであり、それゆえ、固定剤として特に好適に使用できる。したがって、本吸水性樹脂は固定剤用の吸水性樹脂であるとも言える。
<純水20時間膨潤後ろ過率>
吸液後の取り扱い性に優れる吸水性樹脂としては、吸液後の吸水性樹脂のゲル強度が比較的弱い方が好ましく、可溶分は比較的多い方が好ましく、吸液後の吸水性樹脂の粒度(接触面積等の物理的要素)は比較的細かいことが好ましい。これらの複合的な要素が、吸液後の取り扱い性に影響すると考えられる。しかしながら、前記の各種要素がどの程度吸水性樹脂の吸液後の取り扱い性に影響するかを個別に判別することが難しく、それゆえ、吸液後の取り扱い性に優れる吸水性樹脂を前記の従来の要素(パラメーター)により定義することは困難であった。そのような状況にあって、本発明者は、これらの要素の影響を全て含み得る新規の物性値である純水膨潤後ろ過率(%)により、吸液後の取り扱い性に優れる吸水性樹脂を好適に選別できることを見出した。
純水600gをφ80mm、高さ210mm(容量1L)のプラスチック容器に測り取り、当該容器中に、長さ40mm、太さ8mmの円筒型攪拌子を入れ、500rpmで攪拌する。前記容器中(量り取った純水中)に、吸水性樹脂0.3gを投入し、10分間500rpmで攪拌する。その後、攪拌を停止し、20時間静置する。静置後、さらに10分間500rpmで攪拌する。ひだ折りろ紙(例えば、ADVANTEC社製 No.2 300mm)を設置した3つの漏斗(逆円錐型本体入口口径φ140mm、本体高さ120mm、足部口径10mm、足部高さ90mm)に攪拌後の液を均等に入れ、5分間、前記攪拌後の液のろ過を行う。ろ液の総重量(g)を計測し、下記式に基づき、吸水性樹脂の純水20時間膨潤後ろ過率を算出する:
純水20時間膨潤後ろ過率(%)=(ろ液総重量(g)/600(g))×100。
本吸水性樹脂は、純水10分間膨潤後ろ過率(%)が、好ましくは70%以下であり、より好ましくは60%以下であり、さらに好ましくは50%以下であり、よりさらに好ましくは40%以下であり、特に好ましくは35%以下である。純水20時間膨潤後ろ過率より、膨潤時間の短い条件で測定する純水10分間膨潤後ろ過率が、50%以下であれば、固液共存下において、短時間(10分間)で吸液させた後の取り扱い性により優れる吸水性樹脂となる。なお、本明細書において、「純水10分間膨潤後ろ過率」を、「10分間ろ過率」と称する場合がある。
純水600gをφ80mm、高さ210mm(容量1L)のプラスチック容器に測り取り、当該容器中に、長さ40mm、太さ8mmの円筒型攪拌子を入れ、500rpmで攪拌する。前記容器中(量り取った純水中)に、吸水性樹脂0.3gを投入し、10分間500rpmで攪拌する。攪拌後、ひだ折りろ紙(例えば、ADVANTEC社製 No.2 300mm)を設置した3つの漏斗(逆円錐型本体入口口径φ140mm、本体高さ120mm、足部口径φ10mm、足部高さ90mm)に攪拌後の液を均等に入れ、5分間、前記攪拌後の液のろ過を行う。ろ液の総重量(g)を計測し、下記式に基づき、吸水性樹脂の純水10分間膨潤後ろ過率を算出する:
純水10分間膨潤後ろ過率(%)=(ろ液総重量(g)/600(g))×100。
本明細書において、吸水性樹脂の吸液後の取り扱い性は、純水膨潤後取り扱い性によって評価することができる。具体的には、100倍膨潤時の純水膨潤後取り扱い性が良好である吸水性樹脂は、吸液後の取り扱い性に優れる吸水性樹脂と言える。純水100倍膨潤後取り扱い性の評価方法は、以下の通りである。
吸水性樹脂0.5gをφ90mm×高さ15mmのガラスシャーレの中央に測りとり、次いで純水50gを前記ガラスシャーレに投入し、10分間静置する。静置後、ガラスシャーレを3秒程度かけてゆっくり裏返し、裏返した状態で10秒静置し、吸水後の吸水性樹脂が落下したものを×(不良)、落下しなかったものを○(良好)と判定する。
「CRC」は、Centrifuge Retention Capacity(遠心分離保持容量)の略称であり、吸水性樹脂の無加圧下吸水倍率(「吸水倍率」と称する場合もある)を意味する。
本明細書において、「D50」は、後述する、乾燥工程を経て得られた吸水性樹脂(吸水性樹脂粉末)の質量平均粒子径を意図し、表面架橋、造粒、整流工程等を経て得られた吸水性樹脂(吸水性樹脂粉末)の質量平均粒子径であっても良い。
本吸水性樹脂は、吸湿ブロッキング率(%)が、好ましくは20%以下であり、より好ましくは10%以下であり、さらに好ましくは5%以下であり、特に好ましくは0%である。吸湿ブロッキング率が20%以下である吸水性樹脂は、吸液前の取り扱い性(吸湿流動性)に優れるものである。
吸水性樹脂2gを直径52mmのアルミニウムカップに均一に散布した後、温度25℃、相対湿度90±5%RH下の恒温恒湿機(PLATINOUSLUCIFERPL-2G;タバイエスペック社製)中で1時間静置する。1時間経過後、前記アルミニウムカップに入った粒子状吸水剤または吸水性樹脂を、目開き2000μm(JIS8.6メッシュ)のJIS標準篩(The IIDA TESTING SIEVE:内径80mm)の上に静かに移し、ロータップ型ふるい振盪機(株式会社飯田製作所製ES-65型ふるい振盪機;回転数230rpm、衝撃数130rpm)を用いて、室温(20~25℃)、相対湿度50%RHの条件下で5秒間分級する。前記JIS標準篩上に残存した粒子状吸水剤または吸水性樹脂の質量(W1[g])、および該JIS標準篩を通過した粒子状吸水剤または吸水性樹脂の質量(W2[g])を測定し、下記式g-1に従って、吸湿流動性吸湿ブロッキング率を算出する:吸湿ブロッキング率(B.R.)(質量%)={W1/(W1+W2)}×100…式g-1。
なお、吸水性樹脂の吸湿ブロッキング率の値が低いほど、当該吸水性樹脂は、吸湿流動性に優れている。
以下、本吸水性樹脂の製造方法について一例を挙げて詳説するが、本吸水性樹脂の製造方法はこれに限定されるものではない。
本工程は、単量体の水溶液(以下、「単量体水溶液」と称する)を作製する工程である。単量体水溶液には、単量体の他に、必要に応じて、内部架橋剤および後述するその他の物質を添加してもよい。
本発明の一実施形態では、吸水性樹脂の物性および生産性の観点から、単量体として、アクリル酸および/またはアクリル酸塩を主成分として含む単量体を用いることが好ましい。ここで、前記「主成分」とは、アクリル酸(塩)の使用量(含有量)が、重合に用いられる単量体(内部架橋剤を除く)全体に対して、通常50モル%~100モル%、好ましくは70モル%~100モル%、より好ましくは90モル%~100モル%、さらに好ましくは実質100モル%であることをいう。
本発明の一実施形態において、「塩基性化合物」としては、具体的には、アルカリ金属の炭酸塩、アルカリ金属の炭酸水素塩、アルカリ金属の水酸化物、アンモニア、有機アミン等が挙げられる。中でも、得られる吸水性樹脂の物性の観点から、好ましくは、強塩基性を示す化合物が前記塩基性化合物として選択される。即ち、前記塩基性化合物として、より好ましくはナトリウム、カリウム、リチウム等のアルカリ金属の水酸化物、さらに好ましくは水酸化ナトリウムが使用される。なお、当該塩基性化合物は、取扱性の観点から、好ましくは水溶液とされる。
前記アクリル酸塩として、吸水性樹脂の製造プラント内でアクリル酸を中和したものを使用する場合、その中和を行う時期としては以下の(1)~(3)を挙げることができる:(1)アクリル酸に対する中和(重合前)、(2)アクリル酸の架橋重合中での中和(重合中)、(3)アクリル酸を架橋重合して得られる含水ゲル状架橋重合体に対する中和(重合後)。本発明の一実施形態では、中和を行う時期として、これら(1)~(3)の何れかを選択または併用することができる。また、これらの中和は連続式で行ってもよいし、バッチ式で行ってもよく特に限定されないが、吸水性樹脂の生産効率の観点から連続式で行うことが好ましい。
本発明の一実施形態においては、上述したアクリル酸(塩)以外の単量体(以下、「他の単量体」と称する)を、必要に応じて、アクリル酸(塩)と併用することができる。当該他の単量体として、例えば米国特許出願公開第2005/0215734号等に記載された単量体(アクリル酸は除く)が挙げられる。当該他の単量体には、水溶性または疎水性の不飽和単量体が含まれる。他の単量体を併用する場合、その使用量は単量体全体(但し内部架橋剤は除く)に対して、好ましくは30モル%以下、より好ましくは10モル%以下、さらに好ましくは5モル%以下の範囲内で適宜設定される。
本発明の一実施形態において使用される内部架橋剤としては、米国特許第6241928号等に記載された内部架橋剤を適用することができる。これらの中から反応性等を考慮して、1種または2種以上の内部架橋剤が選択される。また、得られる吸水性樹脂の吸水性能等の観点から、内部架橋剤としては、好ましくは重合性不飽和基を2個以上有する化合物、より好ましくは下記乾燥工程における乾燥温度で熱分解性を有する化合物、さらに好ましくは(ポリ)アルキレングリコール構造単位を有する重合性不飽和基を2以上有する化合物が選択される。
本発明の一実施形態においては、得られる吸水性樹脂の物性向上の観点から、下記の物質を、単量体水溶液の作製時、重合工程中、および、重合工程後の何れか1箇所以上で添加することができる。当該物質としては特に限定されないが、例えば、澱粉、澱粉誘導体、セルロース、セルロース誘導体、ポリビニルアルコール、ポリアクリル酸(塩)、ポリアクリル酸(塩)架橋体等の親水性高分子が挙げられる。或いは前記物質は、炭酸塩、アゾ化合物、気泡等の発泡剤、界面活性剤、連鎖移動剤等の化合物であってもよい。これらの物質は単独でまたは2種以上を組み合わせて添加してもよい。
本工程においては、上述した各成分を目的に応じて適宜選択し、各成分について上述した範囲を満たす所定量を混合することによって、単量体水溶液が作製される。前記アクリル酸(塩)を主成分とする単量体は、好ましくは水溶液として、または水と親水性溶媒との混合溶媒に溶解させた状態で、より好ましくは水溶液として使用される。なお、前記単量体水溶液における単量体成分の濃度は特に限定されないが、吸水性樹脂の物性の観点から、好ましくは10質量%~80質量%、より好ましくは20質量%~75質量%、さらに好ましくは30質量%~70質量%の範囲内で適宜設定される。
単量体成分の濃度(質量%)=(単量体成分の質量)/(単量体水溶液の質量)×100・・・ (式1)
(ii)重合工程
本工程は、前記単量体水溶液の作製工程で得られた単量体水溶液を重合させて、含水ゲル状架橋重合体(以下、「含水ゲル」と称することがある)を得る工程である。
本工程で使用される重合開始剤としては、熱分解型重合開始剤、光分解型重合開始剤、またはこれらの重合開始剤の分解を促進する還元剤を併用したレドックス系重合開始剤が挙げられる。例えば、米国特許第7265190号等に記載された重合開始剤が適用される。これらの中から重合形態等を考慮して、1種または2種以上の重合開始剤が選択される。また、重合開始剤の取扱性や吸水性樹脂の物性の観点から、重合開始剤としては、好ましくは過酸化物またはアゾ化合物、より好ましくは過酸化物、さらに好ましくは過硫酸塩が選択される。
本発明の一実施形態で適用される重合形態は特に限定されないが、例えば、水溶液重合、逆相懸濁重合、噴霧重合、液滴重合、バルク重合、沈殿重合等が挙げられる。これらの中から重合の制御性や吸水性樹脂の吸水性能等を考慮して、好ましくは水溶液重合または逆相懸濁重合、より好ましくは水溶液重合、さらに好ましくは連続水溶液重合が選択される。連続水溶液重合としては、具体的には米国特許第4893999号等に記載された連続ベルト重合や、米国特許第6987151号等に記載された連続ニーダー重合が挙げられる。これらの連続水溶液重合によって、吸水性樹脂を高生産性で製造することができる。
本工程は、前記重合工程で得られた含水ゲルをゲル粉砕して、粒子状の含水ゲル(以下、「粒子状含水ゲル」と称する)を得る工程である。当該「ゲル粉砕」とは、ニーダー、ミートチョッパー、カッターミル等のゲル粉砕機を用いて含水ゲルを粒子状にすることをいう。ゲル粉砕の実施形態や条件等については、例えば、国際公開第2011/126079号等に記載された内容が本発明の一実施形態に適用される。
本工程は、前記重合工程で得られる粒子状含水ゲル、または、前記ゲル粉砕工程で得られる粒子状含水ゲルを所望する範囲の樹脂固形分まで乾燥させて、乾燥重合体を得る工程である。所望する範囲の樹脂固形分は、好ましくは80質量%以上、より好ましくは85質量%~99質量%、さらに好ましくは90質量%~98質量%、特に好ましくは92質量%~97質量%の範囲内で適宜設定される。ここで、「樹脂固形分」とは、乾燥減量(試料1gを180℃で3時間乾燥した際の質量変化)から算出される値であり、下記(式2)から算出される。
樹脂固形分(質量%)=(試料の質量(1g)-乾燥減量)/(試料の質量(1g))×100 ・・・ (式2)
本発明の一実施形態での乾燥方法としては特に限定されないが、例えば、加熱乾燥、熱風乾燥、減圧乾燥、流動層乾燥、赤外線乾燥、マイクロ波乾燥、ドラムドライヤー乾燥、疎水性有機溶媒との共沸脱水による乾燥、高温の水蒸気を利用した高湿乾燥等が挙げられる。中でも乾燥効率の観点から、好ましくは熱風乾燥、より好ましくは通気ベルト上で熱風乾燥を行うバンド乾燥が選択される。
本工程は、前記乾燥工程で得られた乾燥重合体を粉砕(粉砕工程)し、所望する範囲の粒度に調整(分級工程)して、吸水性樹脂粉末を得る工程である。なお、当該粉砕工程は、粉砕対象である乾燥重合体が乾燥工程を経ている点で前記(iii)ゲル粉砕工程と異なる。なお、本明細書においては、表面架橋を施す前の乾燥工程を経た粒子状の吸水性樹脂を便宜上「吸水性樹脂粉末」と称する。
本工程は、乾燥や分級した後の吸水性樹脂粉末について、吸水速度を向上させることを目的として行われる工程であり、上述した各工程を経て得られる吸水性樹脂粉末の表面層(吸水性樹脂粉末の表面から内部に数10μmまでの部分)に、架橋密度の高い部分をさらに設ける工程であり、例えば、混合工程、熱処理工程および冷却工程から構成される。当該表面架橋工程において、吸水性樹脂粉末の表面層でのラジカル架橋および/またはモノマー重合、吸水性樹脂粉末の表面層と表面架橋剤との架橋反応等が行われることで、表面架橋された吸水性樹脂粒子が得られる。なお、本明細書においては、表面架橋を施した後の粒子状の吸水性樹脂を便宜上「吸水性樹脂粒子」と称する。
本工程は、吸水性樹脂粉末と、表面架橋剤を含む溶液(以下、「表面架橋剤溶液」と称する)とを混合装置内で混合して、加湿混合物を得る工程である。
本発明の一実施形態で使用される表面架橋剤としては、特に限定されないが、有機または無機の表面架橋剤が挙げられる。中でも、得られる吸水性樹脂の物性や表面架橋剤の取扱性の観点から、カルボキシル基と反応する有機表面架橋剤が好ましい。例えば、米国特許第7183456号等に記載される表面架橋剤が適用される。これらの中から反応性等を考慮して、1種または2種以上の表面架橋剤が選択される。また、表面架橋剤の取扱性や吸水性樹脂の吸収性能の観点から、好ましくはカルボキシル基と反応する官能基を2以上する化合物であって、当該カルボキシル基との反応によって共有結合が形成される有機化合物が選択される。かかる有機化合物としては、具体的には、多価アルコール化合物、エポキシ化合物、多価アミン化合物、多価アミン化合物とハロエポキシ化合物との縮合物、オキサゾリン化合物、オキサゾリジノン化合物、アルキレンカーボネート化合物、多価グリシジル化合物、オキセタン化合物、ビニルエーテル化合物、環状尿素化合物等が挙げられる。
前記吸水性樹脂粉末と表面架橋剤溶液との混合方法については、特に限定されないが、予め表面架橋剤溶液を作製しておき、当該溶液を吸水性樹脂粉末に対して、好ましくは噴霧または滴下して、より好ましくは噴霧して混合する方法が選択される。
本工程は、前記混合工程で得られた加湿混合物を熱処理して、吸水性樹脂粒子を得る工程である。
前記加湿混合物を加熱する方法は特に限定されず、当該加湿混合物を静置状態で加熱してもよく、攪拌等の混合手段を用いて加熱してもよい。加湿混合物全体に均等に加熱できるという観点から、攪拌混合下で加熱することが好ましい。なお、本工程で使用される装置として、好ましくはモルタルミキサー、パドルドライヤー、マルチフィンプロセッサー、タワードドライヤー等が挙げられる。
本工程は、前記熱処理工程後に、必要に応じて設置される任意の工程である。本工程において、表面架橋反応中の吸水性樹脂粒子が強制冷却され、表面架橋反応が速やかに終了される。
前記吸水性樹脂粒子を冷却する方法は特に限定されず、当該吸水性樹脂粒子を静置状態で冷却してもよく、攪拌等の混合手段を用いて冷却してもよい。吸水性樹脂粒子全体に均等に、速やかに冷却できるという観点から、攪拌混合下で冷却することが好ましい。なお、本工程で使用される装置として、好ましくはパドルドライヤー、マルチフィンプロセッサー、タワードドライヤー等が挙げられる。
本工程は、前記表面架橋工程で得られた吸水性樹脂粒子に、下記の無機粉末、多価金属塩化合物、カチオン性ポリマー、無機還元剤、α-ヒドロキシカルボン酸化合物、消臭剤、その他抗菌剤、殺菌成分を含む水性液からなる群から選ばれる少なくとも1種の添加剤を添加する任意の工程である。なお、本明細書において、再加湿工程に供される吸水性樹脂粒子を、粒子状吸水剤と称する場合がある。
本発明の一実施形態に係る吸水性樹脂は、当該吸水性樹脂の表面上に配置された複数の無機粉末を含んでいてもよい。無機粉末としては、水不溶性の無機粉末が好ましく、親水性であり、かつ水不溶性の無機粉末がより好ましい。このような無機粉末としては、例えば、非晶質シリカ等のシリカ(二酸化珪素)や酸化チタン等の金属酸化物;亜鉛と珪素、または、亜鉛とアルミニウムとを含む複合含水酸化物(例えば、国際公開第2005/010102号に例示);硫酸アルミニウム、カリウム明礬、アンモニウム明礬、ナトリウム明礬、(ポリ)塩化アルミニウム、これらの水和物などの多価金属化合物;ポリエチレンイミン、ポリビニルアミン、ポリアリルアミンなどのポリカチオン化合物;天然ゼオライトや合成ゼオライト等の珪酸(塩)、カオリン、タルク、クレー、ベントナイト、リン酸カルシウム、リン酸バリウム、珪酸またはその塩、粘土、珪藻土、シリカゲル、ゼオライト、ベントナイト、ヒドロキシアパタイト、ハイドロタルサイト、バーミュキュライト、パーライト、イソライト、活性白土、ケイ砂、ケイ石、ストロンチウム鉱石、蛍石、ボーキサイト等が挙げられる。また、これらのうち二酸化ケイ素および珪酸(塩)がより好ましい。これら無機粉末は、1種類を単独で使用してもよく、2種類以上を組み合わせて使用してもよい。
本発明の一実施形態において、得られる吸水性樹脂の吸水速度、吸湿流動性等の向上の観点から、多価金属塩および/またはカチオン性ポリマーを添加してもよい。
本発明の一実施形態において、得られる吸水性樹脂の色調(着色防止)、劣化防止、残存モノマー低減等の観点から、無機還元剤を添加してもよい。
本発明の一実施形態において、得られる吸水性樹脂の色調(着色防止)等の観点から、α-ヒドロキシカルボン酸を添加してもよい。なお、「α-ヒドロキシカルボン酸化合物」とは、分子内にヒドロキシル基を有するカルボン酸またはその塩のことで、α位にヒドロキシル基を有するヒドロキシカルボン酸である。
本発明の一実施形態においては、上述した添加剤以外の添加剤を、吸水性樹脂に種々の機能を付加させるため、添加することもできる。その他の添加剤としては、具体的には、界面活性剤、リン原子を有する化合物、酸化剤、有機還元剤、水不溶性無機微粒子、金属石鹸等の有機粉末、パルプや熱可塑性繊維、香料、発泡剤、顔料、染料、可塑剤、粘着剤、肥料、塩類、ポリエチレングリコールやポリエチレンイミン等の親水性高分子、パラフィン等の疎水性分子、ポリエチレンやポリプロピレン等の熱可塑性樹脂、ポリエステル樹脂やユリア樹脂等の熱硬化性樹脂等が挙げられる。なお、前記界面活性剤は、国際公開第2005/075070号に開示された化合物が好ましく適用される。
本発明の一実施形態においては、上述した工程以外に、造粒工程、整粒工程、微粉除去工程、微粉の再利用工程等を必要に応じて設けることができる。また、輸送工程、貯蔵工程、梱包工程、保管工程等の1種または2種以上の工程をさらに含んでもよい。なお、「整粒工程」は、表面架橋工程以降の微粉除去工程や吸水性樹脂が凝集し、所望の大きさを超えた場合に分級、粉砕を行う工程を含む。また、「微粉の再利用工程」は、本発明の一実施形態のように微粉をそのままモノマーや乾燥前の重合ゲルに添加する形態(重合工程やゲル粉砕工程へのリサイクル)の他、大きな含水ゲルにして、吸水性樹脂の製造工程の何れかの工程に添加する工程を含む。
本発明の一実施形態において、本吸水性樹脂を含む固定剤を提供する。本発明の一実施形態に係る固定剤(以下、本固定剤と称する場合がある)は、本吸水性樹脂を含むため、固液共存下において、吸液後の取り扱い性に優れる。なお、本明細書において、固定剤とは、固液共存下において、水分を吸液し、固形物状とする(水分含有量を低減する)作用を有し、当該固形物状の成分を結着、固定する作用を有するものを意図する。固定剤は、バインダーとも言える。
本固定剤は、含水バラ物用の固定剤として好適に利用することができる。本明細書において、バラ物とは、梱包をしていない状態のままトラックやばら積みタンカー等で運搬される粉体や粒体の積荷を表し、例えば、石炭、コークス、鉄鉱石、石灰石、焼結鉱、製鉄所ダスト、木質チップ、木質ペレット、RDFおよびRPF等の、固体燃料および鉄鋼原料が挙げられる。
本固定剤は、敷材用の固定剤としても好適に利用することができる。本明細書において、敷材とは、家畜(例えば、ウシ、ウマ、ブタ等)を飼育する畜舎において、し尿の管理等を目的として畜舎の床に敷かれる材料を意図する。敷材は、し尿処理材とも言える。
本固定剤は、廃液固化用の固定剤としても好適に利用することができる。本固定剤を使用し得る廃液としては、特に限定されないが、例えば、工場廃液、食品製造時に発生する廃液、食品消費後に発生する廃液、糞尿廃液、放射性廃液、飲料物廃液、汚泥を含む泥水等が挙げられる。
以下、実施例における吸水性樹脂の物性の測定方法について説明する。
吸水性樹脂の純水20時間膨潤後ろ過率の測定方法は、以下の通りであった。
純水600gをφ80mm、高さ210mm(容量1L)のプラスチック容器に測り取り、当該容器中に、長さ40mm、太さ8mmの円筒型攪拌子を入れ、500rpmで攪拌した。前記容器中(量り取った純水中)に、吸水性樹脂0.3gを投入し、10分間500rpmで攪拌した。その後、攪拌を停止し、20時間静置した。静置後、さらに10分間500rpmで攪拌した。ひだ折りろ紙(例えば、ADVANTEC社製 No.2 300mm)を設置した3つの漏斗(逆円錐型本体入口口径φ140mm、本体高さ120mm、足部口径10mm、足部高さ90mm)に攪拌後の液を均等に入れ、5分間、前記攪拌後の液のろ過を行った。ろ液の総重量(g)を計測し、下記式に基づき、吸水性樹脂の純水10分間膨潤後ろ過率を算出した:
純水20時間膨潤後ろ過率(%)=(ろ液総重量(g)/600(g))×100。
吸水性樹脂の純水10分間膨潤後ろ過率の測定方法は、以下の通りであった。
純水600gをφ80mm、高さ210mm(容量1L)のプラスチック容器に測り取り、当該容器中に、長さ40mm、太さ8mmの円筒型攪拌子を入れ、500rpmで攪拌した。前記容器中(量り取った純水中)に、吸水性樹脂0.3gを投入し、10分間500rpmで攪拌した。攪拌後、ひだ折りろ紙(例えば、ADVANTEC社製 No.2 300mm)を設置した3つの漏斗(逆円錐型本体入口口径φ140mm、本体高さ120mm、足部口径φ10mm、足部高さ90mm)に攪拌後の液を均等に入れ、5分間、前記攪拌後の液のろ過を行った。ろ液の総重量(g)を計測し、下記式に基づき、吸水性樹脂の純水10分間膨潤後ろ過率を算出した:
純水10分間膨潤後ろ過率(%)=(ろ液総重量(g)/600(g))×100。
(純水100倍膨潤後取り扱い性評価)
吸水性樹脂0.5gをφ90mm×高さ15mmのガラスシャーレの中央に測りとり、次いで純水50gを前記ガラスシャーレに投入し、10分間静置した。静置後、ガラスシャーレを3秒程度かけてゆっくり裏返し、裏返した状態で10秒静置し、吸水後の吸水性樹脂が落下したものを×、落下しなかったものを〇と判定した。
吸水性樹脂の量を5g、1g、0.75g、または、0.67gに変更したこと以外は前記純水100倍膨潤後取り扱い性評価方法と同じ操作、判断基準にて評価した。
吸水性樹脂のCRCの測定方法は、以下の通りであった。吸水性樹脂0.2gを不織布製の袋に入れた後、大過剰の0.9質量%塩化ナトリウム水溶液中に30分間浸漬しては吸水性樹脂を自由膨潤させ、その後、遠心分離機(遠心力:250G)を用いて脱水した後の吸収倍率(単位:g/g)として、CRCを算出した。
吸水性樹脂の質量平均粒子径(D50)のは、米国特許第7638570号に記載された「(3)Mass-Average Particle Diameter (D50) and Logarithmic Standard Deviation (σζ) of Particle Diameter Distribution」と同様の方法で測定した。
吸水性樹脂の吸湿ブロッキング率の測定方法は、以下の通りであった。
吸水性樹脂2gを直径52mmのアルミニウムカップに均一に散布した後、温度25℃、相対湿度90±5%RH下の恒温恒湿機(PLATINOUSLUCIFERPL-2G;タバイエスペック社製)中で1時間静置した。1時間経過後、前記アルミニウムカップに入った粒子状吸水剤または吸水性樹脂を、目開き2000μm(JIS8.6メッシュ)のJIS標準篩(The IIDA TESTING SIEVE:内径80mm)の上に静かに移し、ロータップ型ふるい振盪機(株式会社飯田製作所製ES-65型ふるい振盪機;回転数230rpm、衝撃数130rpm)を用いて、室温(20~25℃)、相対湿度50%RHの条件下で5秒間分級した。前記JIS標準篩上に残存した粒子状吸水剤または吸水性樹脂の質量(W1[g])、および該JIS標準篩を通過した粒子状吸水剤または吸水性樹脂の質量(W2[g])を測定し、下記式g-1に従って、吸湿ブロッキング率を算出した:
吸湿ブロッキング率(B.R.)(質量%)={W1/(W1+W2)}×100…式g-1。
中和率75モル%のアクリル酸ナトリウム(親水性不飽和単量体)33重量%水溶液5,500gに、内部架橋剤としてのポリエチレングリコールジアクリレート(エチレンオキシドの平均付加モル数9)4.79gを溶解させて反応液とした。次に、この反応液を、窒素ガス雰囲気下で30分間脱気した(この反応液に窒素ガスを30分間吹き込むことによって該反応液中の溶存酸素を追い出した)。次いで、シグマ型羽根を2本有する内容積10Lのジャケット付きステンレス製双腕型ニーダーに蓋を取り付けて形成した反応器に、前記の反応液を供給し、反応液を25℃に保ちながら系を窒素ガス置換した。続いて、反応液を攪拌しながら、重合開始剤としての過硫酸アンモニウム2.4gおよびL-アスコルビン酸0.12gを添加したところ、およそ1分後に重合が開始した。そして、25~90℃で重合を行い、重合を開始してから40分後に反応を終了して含水ゲル状架橋重合体を取り出した。
断熱材の発泡スチロールで覆った、容量1Lのポリプロピレン製容器に、アクリル酸291g、内部架橋剤としてポリエチレングリコールジアクリレート(エチレンオキシドの平均付加モル数9)0.63g、1.0重量%のジエチレントリアミン5酢酸・3ナトリウム水溶液1.80gおよび1.0重量%のIRGACURE(登録商標)184アクリル酸溶液3.60gを投入して、混合溶液(a)を作製した。また、別の断熱材の発泡スチロールで覆った、容量1Lのポリプロピレン製容器に、48.5重量%の水酸化ナトリウム水溶液247gおよび50℃に調温したイオン交換水255gを投入して、混合溶液(b)を作製した。前記混合溶液(a)を、マグネチックスターラー(長さ5cm)を用いて800rpmで攪拌させながら、混合溶液(b)を素早く加え混合することで、単量体水溶液を得た。当該単量体水溶液は中和熱および溶解熱によって、液温が約100℃まで上昇した。なお、アクリル酸の中和率は73.5モル%であった。また、ジエチレントリアミン5酢酸・3ナトリウム(キレート剤)の含有量は、モノマー固形分に対して、0.005重量%(50ppm)であった。続いて、前記単量体水溶液に重合開始剤として3重量%の過硫酸ナトリウム水溶液1.8gを添加し、反応液とした。前記反応液を約1秒間攪拌した後、直ちにステンレス製バット型反応装置(底面;340×340mm、高さ;25mm、内表面;テフロン(登録商標)コーティング)に大気開放系で注ぎ込んだ。また同時に、紫外線を照射したところ、約10秒後に重合反応が開始した。その後、約1分以内にピーク温度に到達した。重合開始後3分を経過した時点で、紫外線照射を停止し、含水ゲル状架橋重合体(以下、「含水ゲル」と称する)を取り出した。なお、前記一連の操作は大気開放系で実施した。
75モル%の中和率を有するアクリル酸ナトリウムの水溶液5500g(単量体濃度38質量%)に、ポリエチレングリコールジアクリレート(エチレンオキシドの平均付加モル数9)7.5gを溶解し反応液とした。次いで、シグマ型羽根を2本有する内容積10Lのジャケット付きステンレス製双腕型ニーダーに蓋を付けて形成した反応器に、前記反応液を供給し、反応液を30℃に保ちながら系を窒素ガス置換して溶存酸素を除いた。続いて、反応液を撹拌しながら、過硫酸ナトリウムの10質量%水溶液29.8gおよびL-アスコルビン酸の1質量%水溶液1.5gを添加したところ、およそ1分後に重合が開始した。重合開始後17分で重合ピーク温度86℃を示し、重合を開始して60分後に含水ゲル状架橋重合体を取り出した。得られた含水ゲル状架橋重合体は約1~4mmの粒子に細分化されていた。
37%アクリル酸ナトリウム水溶液67.0部、アクリル酸10.2部、ポリエチレングリコールジアクリレート(エチレンオキシドの平均付加モル数9)0.084部および水22.0部を混合しモノマー水溶液を調製した。バット中で前記モノマー水溶液に窒素を吹き込み溶液中の溶存酸素を0.1ppm以下とした。引き続き窒素雰囲気下前記モノマー水溶液の温度を18℃に調整し、次いで5%過硫酸ナトリウム水溶液0.16部、5%2,2′-アゾビス(2-アミジノプロパン)2塩酸塩水溶液0.16部、0.5%L-アスコルビン酸水溶液0.15部および0.35%過酸化水素水溶液0.17部を順番に撹拌下滴下した。過酸化水素滴下後直ちに重合が開始した。その後、撹拌を停止し、10分後にモノマーの温度はピーク温度に達した。ピーク温度は85℃であった。引き続きバットを80℃の湯浴に浸し、10分間熟成し、得られた透明の含水ゲル状架橋重合体をミートチョッパーで砕いた。
次いで細分化された含水ゲル状架橋重合体を50メッシュ(目の大きさ300μm)の金網上に広げ、180℃で30分間熱風乾燥し、乾燥重合体を得た。
37%アクリル酸ナトリウム水溶液67.0部、アクリル酸10.2部、ポリエチレングリコールジアクリレート(エチレンオキシドの平均付加モル数9)0.084部および水22.0部を混合しモノマー水溶液を調製した。バット中で前記モノマー水溶液に窒素を吹き込み溶液中の溶存酸素を0.1ppm以下とした。引き続き窒素雰囲気下前記モノマー水溶液の温度を18℃に調整し、次いで5%過硫酸ナトリウム水溶液0.16部、5%2,2′-アゾビス(2-アミジノプロパン)2塩酸塩水溶液0.16部、0.5%L-アスコルビン酸水溶液0.15部および0.35%過酸化水素水溶液0.17部を順番に撹拌下滴下した。過酸化水素滴下後直ちに重合が開始した。その後、撹拌を停止し、10分後にモノマーの温度はピーク温度に達した。ピーク温度は85℃であった。引き続きバットを80℃の湯浴に浸し、10分間熟成し、得られた透明の含水ゲル状架橋重合体をミートチョッパーで砕いた。
米国特許公開第2004/0092688A1号記載の図3に示す装置を用い、吸水性樹脂粉末、および、吸水性樹脂を下記に従い製造した。まず、48.5重量%の水酸化ナトリウム水溶液が5.13g/s、アクリル酸が6.09g/s、30重量%ポリエチレングリコールジアクリレート(エチレンオキシドの平均付加モル数9)水溶液(I)が0.15g/s、1.0重量%2-ヒドロキシメチル-2-メチルプロピオフェノンのアクリル酸溶液50.0質量部と、0.54重量%ジエチレントリアミン5酢酸3ナトリウム水溶液50.0質量部と、を混合した溶液(II)が0.16g/s、水が4.63g/sの流量となるように設定し、米国特許公開第2004/0092688A1号記載の図3に示す装置を用いて各溶液を混合し、モノマー液を作製した。
断熱材である発泡スチロールで覆われた、内径80mm、容量1リットルのポリプロピレン製容器に、アクリル酸291g、内部架橋剤としてのポリエチレングリコールジアクリレート(エチレンオキシドの平均付加モル数9)0.43g(カルボキシル基含有不飽和単量体に対し0.02モル%)、および1.0質量%ジエチレントリアミン5酢酸・5ナトリウム水溶液1.80g、IRGACURE(登録商標)184の1.0質量%アクリル酸溶液3.60gを混合した溶液(A)と、48.5質量%水酸化ナトリウム水溶液247gと50℃に調温したイオン交換水255gを混合した溶液(B)とを作製した。長さ5cmのマグネチックスターラーを用い800r.p.m.で攪拌した溶液(A)に、溶液(B)をすばやく加え混合することで単量体水溶液(C)を得た。単量体水溶液(C)は、中和熱と溶解熱により、液温が約100℃まで上昇した。なお、アクリル酸の中和率は、73.5モル%であった。
実施例4で得られた吸水性樹脂粉末について、各物性を測定した。結果を表1に示す。
実施例6で得られた吸水性樹脂粉末について、各物性を測定した。結果を表1に示す。
容量2リットルのポリプロピレン製容器に、アクリル酸421.7g、内部架橋剤としてポリエチレングリコールジアクリレート(エチレンオキシドの平均付加モル数9)2.4g、1.0重量%のジエチレントリアミン5酢酸・3ナトリウム水溶液11.3g、48.5重量%の水酸化ナトリウム水溶液140.4g、1.0重量%のポリオキシエチレン(20)ソルビタンモノステアレート(花王株式会社製)水溶液4.4g、および脱イオン水(イオン交換水)390.3gを投入し混合させて、単量体水溶液(a’)を作製した。該単量体水溶液(a’)の温度は、作製直後の1段目の中和熱によって62.9℃まで上昇した。次に、前記単量体水溶液(a’)を攪拌しながら冷却した。液温が38℃となった時点で、40℃に調温した48.5重量%の水酸化ナトリウム水溶液211.9gを前記単量体水溶液(a’)に加え、混合することで単量体水溶液(a)を作製した。
続いて、前記乾燥操作で得られた乾燥重合体をロールミル(WL型ロール粉砕機/有限会社井ノ口技研社)を用いて粉砕した後、目開き710μmおよび45μmのJIS標準篩を用いて分級した。前記一連の操作により、不定形破砕状の吸水性樹脂粉末を得た。
得られた吸水性樹脂粉末100重量部に対して、炭酸エチレン0.3重量部、プロピレングリコール0.6重量部、脱イオン水(イオン交換水)3.0重量部、およびポリオキシエチレン(20)ソルビタンモノステアレート(花王株式会社)0.001重量部(吸水性樹脂粉末に対して10ppm)からなる表面架橋剤溶液を添加して均一に混合した。その後、当該混合物を208℃で40分間、加熱処理することで表面架橋を行った。
実施例1~9と比較例を比べることで、20時間ろ過率が60%以下の吸水性樹脂は、純水膨潤後の取り扱い性に優れることが分かる。また、実施例1~3、6~9より、20時間ろ過率がより低い吸水性樹脂は、67~75倍程度の、より低倍率の膨潤時においても取り扱い性が良好であることが分かる。すなわち、幅広い膨潤倍率において取り扱い性が良好であり、産業用途、特に含水バラ物、敷材、廃液固化等の固定剤としての用途での使用において、本願の効果(吸液後の取り扱い性改善)を得るための吸水性樹脂添加量の範囲が広く、吸液後の混合作業等が必要なくなる可能性があるなど、使用上の制限がより少ない好適な吸水性樹脂であることが分かる。中でも10分間ろ過率の低い実施例1~2、6~9の吸水性樹脂は、50倍以下のさらに低倍率膨潤時の取り扱い性に優れており、実施例3よりさらに前記用途に好適な吸水性樹脂であることが分かる。
Claims (12)
- ポリアクリル酸(塩)系吸水性樹脂であって、
純水20時間膨潤後ろ過率が60%以下である、固定剤用の吸水性樹脂。 - 純水20時間膨潤後ろ過率が45%以下である、請求項1に記載の固定剤用の吸水性樹脂。
- 純水10分間膨潤後ろ過率が70%以下である、請求項1または2に記載の固定剤用の吸水性樹脂。
- 純水10分間膨潤後ろ過率が50%以下である、請求項1~3のいずれか1項に記載の固定剤用の吸水性樹脂。
- CRCが35g/g以上である、請求項1~4のいずれか1項に記載の固定剤用の吸水性樹脂。
- CRCが38g/g以上である、請求項1~5のいずれか1項に記載の固定剤用の吸水性樹脂。
- 質量平均粒子径(D50)が200~800μmである、請求項1~6のいずれか1項に記載の固定剤用の吸水性樹脂。
- 請求項1~7のいずれか1項に記載の固定剤用の吸水性樹脂を含む、固定剤。
- 含水バラ物用の固定剤である、請求項8に記載の固定剤。
- 請求項8または9に記載の固定剤を、含水バラ物に接触させる工程を含む、含水バラ物の改質方法。
- 請求項8または9に記載の固定剤を、含水バラ物に接触させる工程を含む、改質された含水バラ物の製造方法。
- 敷材用の固定剤である、請求項8に記載の固定剤。
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