JP7083020B2 - 吸水性樹脂粉末、及びその製造方法 - Google Patents
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Description
〔1-1〕「吸水性樹脂」
本発明における「吸水性樹脂」とは、水膨潤性水不溶性の高分子ゲル化剤を指し、下記の物性を満たすものをいう。即ち、水膨潤性としてERT441.2-02で規定されるCRC(遠心分離機保持容量)が5g/g以上であり、かつ、水不溶性としてERT470.2-02で規定されるExt(水可溶分)が50質量%以下である高分子ゲル化剤を指す。
本発明における「微粉」とは、粒子状又は粉末状の吸水性樹脂であって、その質量平均粒子径が150μm未満のものを意味する。好ましくは、ポリ(メタ)アクリル酸(塩)系架橋重合体を主成分とする吸水性樹脂からなる微粉末を意味する。表面架橋されたものであっても良く、表面架橋されていないものであってもよい。また、微粉が、水や後述するその他の添加剤の添加工程に記載の添加剤を含んでもよい。すなわち、本発明である「吸水性樹脂からなる微粉」とは、100%が吸水性樹脂(含水率0%の重合体)に限らず、微粉は水や吸水性樹脂粉末の副原料であるその他微量成分(例;無機微粒子など)を含んでもよい。
本発明における「ポリ(メタ)アクリル酸(塩)」とは、ポリ(メタ)アクリル酸及び/又はその塩を指し、主成分として(メタ)アクリル酸及び/又はその塩(以下、「(メタ)アクリル酸(塩)」とも称する)を繰り返し単位として含み、任意成分としてグラフト成分を含む架橋重合体を意味する。
「EDANA」は、European Disposables and Nonwovens Associationsの略称である。また、「ERT」は、EDANA Recommended Test Methodsの略称であり、吸水性樹脂の測定方法を規定した欧州標準である。本発明では、特に断りのない限り、ERT原本(2002年改定)に準拠して、吸水性樹脂の物性を測定する。ERT原本(2002年改定)に記載のない評価方法に関しては、実施例に記載された方法及び条件で測定する。
「CRC」は、Centrifuge Retention Capacity(遠心分離機保持容量)の略称であり、吸水性樹脂の無加圧下での吸水倍率(「吸水倍率」と称する場合もある)を意味する。具体的には、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分間浸漬して自由膨潤させ、その後、遠心分離機(250G)で3分間、水切りした後の吸水倍率(単位;g/g)のことをいう。なお、重合後及び/又はゲル粉砕後の含水ゲルについては、含水ゲル0.4gを使用し、測定時間を24時間に変更し、且つ固形分補正してCRCを求める。
「Ext」は、Extractablesの略称であり、吸水性樹脂の水可溶分(吸水性樹脂中の水可溶分ポリマー量)を意味する。具体的には、吸水性樹脂1.0gを0.9質量%塩化ナトリウム水溶液200mlに添加し、500rpmで16時間攪拌した後、水溶液に溶解した物質の量(単位;質量%)のことをいう。水可溶分の測定には、pH滴定が用いられる。なお、重合後及び/又はゲル粉砕後の含水ゲルについては、含水ゲル2.0gを使用して測定し、固形分当たりの水可溶分の質量%として算出する。
「Moisture Content」は、吸水性樹脂の乾燥減量で規定される含水率を意味する。具体的には、吸水性樹脂4.0gを105℃で3時間乾燥した際の乾燥減量から算出した値(単位;質量%)を意味する。なお、本発明において、乾燥後の吸水性樹脂の含水率は、吸水性樹脂1.0gの180℃、3時間の乾燥減量で規定され、乾燥前の含水ゲルの含水率は、含水ゲル2.0gの180℃、24時間の乾燥減量で規定される。
「PSD」は、Particle Size Distributionの略称であり、篩分級により測定される吸水性樹脂の粒度分布を意味する。なお、質量平均粒子径(D50)及び粒度分布の対数標準偏差(σζ)は、米国特許第7638570号のカラム27~28の(3)質量平均粒子径(D50)及び粒度分布の対数標準偏差に記載された方法と同様の方法で振動分級機(電源60Hz)にて測定される。なお、本発明において粒子状含水ゲルの粒度分布(PSD)は後述の方法で湿式に篩分級することで規定される。さらに、粒子状含水ゲルの固形分換算の粒子径(μm)は、粒子状含水ゲルの粒子径(μm)とその固形分率(質量%)から後述の計算方法で規定される。
「AAP」は、Absorption Against Pressureの略称であり、吸水性樹脂の加圧下における吸水倍率を意味する。具体的には、吸水性樹脂0.9gを大過剰の0.9質量%塩化ナトリウム水溶液に対して、1時間、2.06kPa(21g/cm2、0.3psi)の荷重下で膨潤させた後の吸水倍率(単位;g/g)のことをいう。本願明細書では荷重条件を4.83kPa(約49g/cm2、約0.7psiに相当)に変更して測定した値として定義される。
「Residual Monomers」は、吸水性樹脂中に残存する単量体(モノマー)質量(以下、「残存モノマー」と称する)の、吸水性樹脂の質量に対する割合(単位;ppm)を意味する。具体的には、吸水性樹脂1.0gを0.9質量%塩化ナトリウム水溶液200mlに添加し、1時間攪拌した後に溶出したモノマー量を、高速液体クロマトグラフィーを用いて測定する。尚、含水ゲルの残存モノマーは、必要により強制冷却等の重合停止操作を行った後、後述する方法にて測定して得られる残存モノマー質量の、含水ゲルの樹脂固形分の質量に対する割合(単位;質量%)とする。
本発明における「Vortex」とは、吸水性樹脂の吸水速度を表す指標であり、2gの吸水性樹脂が50mlの0.9質量%の塩化ナトリウム水溶液を所定の状態まで吸水するのに要する時間(単位;秒)を意味する。
本明細書において、範囲を示す「X~Y」は「X以上、Y以下」を意味する。また、特に注釈のない限り、質量の単位である「t(トン)」は「Metric ton(メトリック トン)」を意味し、「ppm」は「質量ppm」又は「重量ppm」を意味する。更に、「質量」と「重量」、「質量部」と「重量部」、「質量%」と「重量%」はそれぞれ同義語として扱う。また、「~酸(塩)」は「~酸及び/又はその塩」、「(メタ)アクリル」は「アクリル及び/又はメタクリル」をそれぞれ意味する。
本発明に係る製造方法は、酸基含有不飽和単量体を主成分として得られる粒子状含水ゲル状架橋重合体を乾燥して乾燥重合体を得る乾燥工程と、吸水性樹脂からなる微粉に、バインダーと接着制御剤を添加して、微粉造粒物を得る微粉造粒工程と、を含んでおり、得られた微粉造粒物を、乾燥工程又は乾燥工程前のいずれかの工程に回収して吸水性樹脂粉末を製造するものである。
本工程は、酸基含有不飽和単量体を主成分として含む水溶液(以下、「単量体水溶液」と称する)を調製する工程である。なお、得られる吸水性樹脂の吸水性能が低下しない範囲で、単量体のスラリー液(単量体の飽和濃度を超えた分散液)を使用することもできるが、本項では便宜上、単量体水溶液について説明を行う。
本発明に規定する酸基は、特に限定されないが、カルボキシル基、スルホン基、リン酸基等が例示される。この酸基含有不飽和単量体の例としては、(メタ)アクリル酸、(無水)マレイン酸、イタコン酸、ケイ皮酸、ビニルスルホン酸、アリルトルエンスルホン酸、ビニルトルエンスルホン酸、スチレンスルホン酸、2-(メタ)アクリルアミド-2-メチルプロパンスルホン酸、2-(メタ)アクリロイルエタンスルホン酸、2-(メタ)アクリロイルプロパンスルホン酸、2-ヒドロキシエチル(メタ)アクリロイルフォスフェート等が挙げられる。吸水性能の観点から、好ましくは(メタ)アクリル酸、(無水)マレイン酸、イタコン酸、ケイ皮酸であり、より好ましくは(メタ)アクリル酸である。
酸基含有不飽和単量体以外の単量体としては、重合して吸水性樹脂となり得る化合物であればよい。例えば、(メタ)アクリルアミド、N-エチル(メタ)アクリルアミド、N,N-ジメチル(メタ)アクリルアミド等のアミド基含有不飽和単量体;N,N-ジメチルアミノエチル(メタ)アクリレート、N,N-ジメチルアミノプロピル(メタ)アクリレート、N,N-ジメチルアミノプロピル(メタ)アクリルアミド等のアミノ基含有不飽和単量体;メルカプト基含有不飽和単量体;フェノール性水酸基含有不飽和単量体;N-ビニルピロリドン等のラクタム基含有不飽和単量体等が挙げられる。
重合に使用される単量体は、重合の安定性から、好ましくは少量の重合禁止剤を含む。好ましい重合禁止剤はp-メトキシフェノールである。単量体(特にアクリル酸及びその塩)中に含まれる重合禁止剤の量は、通常1ppm~250ppm、好ましくは10ppm~160ppm、より好ましくは20ppm~80ppmである。
本発明において、酸基含有不飽和単量体に含まれる酸基の一部又は全部が中和された中和塩を用いることができる。この場合、酸基含有不飽和単量体の塩としては一価のカチオンとの塩であることが好ましく、アルカリ金属塩、アンモニウム塩及びアミン塩から選ばれる少なくとも1種であることがより好ましく、アルカリ金属塩であることが更に好ましく、ナトリウム塩、リチウム塩及びカリウム塩から選ばれる少なくとも1種であることがより更に好ましく、ナトリウム塩が特に好ましい。
上記酸基含有不飽和単量体を中和するために使用される中和剤としては、特に限定されないが、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、炭酸ナトリウム、炭酸アンモニウム等の無機塩や、アミノ基やイミノ基を有するアミン系有機化合物等の塩基性物質が適宜選択されて用いられる。中和剤として、2種以上の塩基性物質が併用されてもよい。なお、本発明における単量体は、特に断りのない限り、中和塩を含む概念である。
吸水性能の観点から、酸基含有不飽和単量体とその中和塩の合計モル数に対する中和塩のモル数(以下、「中和率」と称する)は、好ましくは40モル%以上、より好ましくは40モル%~80モル%、更に好ましくは45モル%~78モル%、特に好ましくは50モル%~75モル%である。
吸水性樹脂粉末の製造方法において、好ましくは内部架橋剤が用いられる。該内部架橋剤によって、得られる吸水性樹脂の吸水性能や吸水時のゲル強度等が調整される。
本発明に係る製造方法において、本発明の目的が達成される範囲内で、以下に例示する物質(以下、「その他の物質」と称する)を単量体水溶液に添加することもできる。
本工程において、単量体水溶液中の単量体濃度(=総単量体量/(総単量体量+総重合溶媒量(通常は水))は、吸水性樹脂の物性及び生産性の観点から、好ましくは10質量%~90質量%、より好ましくは20質量%~80質量%、更に好ましくは30質量%~70質量%、特に好ましくは40質量%~60質量%である。以下、単量体濃度を「モノマー濃度」と称する場合がある。
本発明で使用される重合開始剤は、重合形態等によって適宜選択されるため、特に限定されないが、例えば、熱分解型重合開始剤、光分解型重合開始剤、若しくはこれらの併用、又は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等が挙げられる。具体的には、米国特許第7265190号に開示された重合開始剤のうち、1種又は2種以上が用いられる。なお、重合開始剤の取扱性や吸水性樹脂の物性の観点から、好ましくは過酸化物又はアゾ化合物、より好ましくは過酸化物、更に好ましくは過硫酸塩が使用される。
なお、重合前の単量体水溶液中の溶存酸素を、昇温又は不活性ガスとの置換により低減させることも好ましい。例えば、溶存酸素は、好ましくは5ppm以下、より好ましくは3ppm以下、特に好ましくは1ppm以下に低減される。
本工程は、前記単量体水溶液を重合して、含水ゲル状架橋重合体(以下、「含水ゲル」と称する場合がある)を得る工程である。
重合形態としては、特に限定されない。吸水性能や重合制御の容易性等の観点から、好ましくは気相中の液滴重合、水溶液重合、逆相懸濁重合(ここで疎水性有機溶媒中の液滴重合も逆相懸濁の一例に含む)、より好ましくは水溶液重合、逆相懸濁重合、更に好ましくは水溶液重合が挙げられる。中でも、連続水溶液重合が特に好ましく、その例として、連続ベルト重合、連続ニーダー重合が挙げられる。連続水溶液重合を採用することで、吸水性樹脂の生産効率が向上する。
重合工程で得られる含水ゲル状架橋重合体の重合率は、次のゲル粉砕工程で得られる粒子状含水ゲル状架橋重合体の乾燥中の凝集抑制や、得られる吸水性樹脂中の残存モノマー低減の観点から、好ましくは90質量%以上、より好ましくは95質量%以上、更に好ましくは98質量%以上、特に好ましくは99質量%以上である。重合工程後に、重合率の低い含水ゲルを粉砕して、多量の未反応モノマーを含む状態で乾燥工程を実施すると、乾燥中に重合反応が進行して、粒子径の小さいゲル粒子から大粒子径のゲル粒子が再生又は副生される場合がある。また、重合と同時にゲル粉砕を行う実施形態でも、粉砕されたゲル粒子中に多量に含まれる未反応モノマーが乾燥中に重合して、粉砕されたゲル粒子同士を接着するため、乾燥中に大粒子径のゲル粒子が再生又は副生される場合がある。さらには、後述する微粉造粒物をゲル粉砕工程又は重合工程に回収する場合に、重合率の低い含水ゲル粒子との接着による大粒子化が生じる恐れがある。この大粒子径のゲル粒子によって、得られる吸水性樹脂の吸水速度の低下、乾燥物の大粒子化、目的とする製品粒度への再粉砕による微粉発生等の問題が発生する。この問題を回避するために、含水ゲルの重合率を上記範囲とすることが好ましい。
重合工程で得られる含水ゲル状架橋重合体のCRC(遠心分離機保持容量)は、固形分換算で、好ましくは5g/g~80g/g、より好ましくは10g/g~50g/g、さらに好ましくは15g/g~45g/g、特に好ましくは20g/g~40g/gである。また、重合工程で得られる含水ゲル状架橋重合体の水可溶分は、固形分換算で好ましくは1質量%~20質量%、より好ましくは2質量%~15質量%、さらに好ましくは3質量%~10質量%である。なお、固形分換算とは、含水ゲルでCRCや水可溶分などの諸物性を測定後、含水ゲル中の吸水性樹脂固形分あたりの物性に換算した物性(例えば、含水率50%(固形分50%)の含水ゲルなら、含水ゲルでの物性測定値×2倍に換算)のことである。
CRC及び/又は水可溶分が上記範囲を上回る場合には、後述する粉砕工程で粉砕された含水ゲル粒子に粘着性が発現して、粒子状含水ゲルの流動性が低下する。これにより、細粒化された含水ゲル粒子同士の付着、回収された微粉造粒物同士の接着又は含水ゲル粒子と微粉造粒物との接着等が生じて、吸水速度の低下、乾燥物の大粒子化、再粉砕による微粉発生等の問題が生じるため、好ましくない。また、上記範囲を下回る場合には、得られる吸水性樹脂の吸水倍率が過度に低下したり、重合条件の制御が困難となるため好ましくない。
本工程は、上記重合工程で得られた含水ゲル状架橋重合体を、重合と同時及び/又は重合後に粉砕して粒子状含水ゲル状架橋重合体(以下、「粒子状含水ゲル」)を得る工程である。所定の粒子径の粒子状含水ゲルを得るために、本工程を2回以上実施してもよい。また、逆相懸濁重合又は気相重合のように、重合工程で目的とする粒度の粒子状含水ゲルが得られる場合には、本工程を実施しなくてもよい。また、必要な場合には、重合工程後ゲル粉砕工程前に、ローラーカッター、ギロチンカッター等を用いて、含水ゲル状架橋重合体を、ゲル粉砕装置に投入可能な大きさに切断又は粗砕する細断工程を実施してもよい。特に、重合工程がベルト重合であり、シート状又はブロック状の含水ゲルが得られる場合に、細断工程を実施することが好ましい。ゲル粉砕工程に、後述する微粉造粒物を回収する場合、含水ゲル状架橋重合体と微粉造粒物とが、順次又は同時にゲル粉砕装置に投入される。
本発明の製造方法において、吸水性能を損なうことなく、所定の粒度の粒子状含水ゲルが得られる限り、ゲル粉砕装置の種類は特に限定されない。例えばバッチ式又は連続式の双腕型ニーダー等、複数の回転撹拌翼を備えたゲル粉砕機、1軸押出機、2軸押出機、ミートチョッパー等が挙げられる。
好ましくは、ゲル粉砕前の含水ゲル状架橋重合体の温度T1は50℃以上である。この温度T1は、ゲル粉砕装置の投入口に設置された温度計にて測定される。温度T1を50℃以上とすることにより、ゲル粉砕された含水ゲル粒子同士の付着が防止される。さらには、後述する微粉造粒物を本工程に回収する場合に、微粉造粒物同士の接着防止又は含水ゲル粒子と微粉造粒物との接着による大粒子化が抑制される。この観点から、温度T1は、60℃以上がより好ましく、70℃以上がさらに好ましく、80℃以上が特に好ましい。過度の乾燥を抑制する観点から、温度T1は130℃以下が好ましく、110℃以下がより好ましく、105℃以下が特に好ましい。
ゲル粉砕工程に供される含水ゲルの固形分率(以下、ゲル固形分率)は、25質量%以上が好ましい。ゲル粉砕後の含水ゲル粒子同士の凝集抑制、回収された微粉造粒物の接着防止、粉砕に要するエネルギー、乾燥効率及び吸収性能の観点から、ゲル固形分率は25質量%~75質量%がより好ましく、30質量%~70質量%がさらに好ましく、35質量%~65質量%がよりさらに好ましく、40質量%~60質量%が特に特に好ましい。ゲル固形分率は、後述する実施例に記載の方法にて測定される。
本発明に係る製造方法において、ゲル粉砕工程前及び/又はゲル粉砕工程中に、ゲル流動化剤を添加してもよい。ゲル流動化剤の添加により、後述する乾燥工程における含水ゲル粒子同士の付着又は回収された微粉造粒物との接着が抑制され、得られる吸水性樹脂の吸水速度が向上する。また、後述する乾燥後の粉砕工程における負荷が低減され、微粉発生量が減少する。さらに、乾燥工程において攪拌乾燥を行う場合には、製品粒度に近い粒子状の乾燥重合体が得られるという効果がある。なお、ゲル粉砕工程を要しない実施形態においても、乾燥工程前に粒子状含水ゲルにゲル流動化剤を添加することにより、上記効果が得られる。
粒子状含水ゲルの含水率(%)は、下記実施例の(h)に記載した測定方法(含水ゲルの含水率:180℃、24時間での乾燥減量)によって求められる。また、含水率(%)=100-固形分(%)である。後述する乾燥工程における含水ゲル粒子同士の付着抑制又は回収された微粉造粒物との接着防止及び造粒強度の観点から、粒子状含水ゲルの含水率は通常15質量%以上、25質量%以上が好ましく、30質量%以上がより好ましく、35質量%以上がさらに好ましく、40質量%以上が特に好ましく、43質量%以上が極めて好ましい。乾燥効率及び吸収性能の観点から、粒子状含水ゲルの含水率は、75質量%以下が好ましく、60質量%以下がより好ましく、55質量%以下が特に好ましい。
得られる吸水性樹脂の吸水速度及び粒子径、並びに粉砕時の微粉発生抑制の観点から、乾燥前の粒子状含水ゲル架橋重合体の質量平均粒子径d1は、固形分換算で、好ましくは800μm以下、より好ましくは500μm以下、さらに好ましくは50μm~500μm、よりさらに好ましくは100μm~400μm、特に好ましくは100~300μm、極めて好ましくは100~200μmである。なお、固形分換算の粒子状含水ゲルの平均粒子径d1は、下記実施例に記載の(i)の方法(粒子状含水ゲルの粒度:含水ゲルの湿式分級)により、粒子状含水ゲルの質量平均粒子径(D50)から算出される。
乾燥前の粒子状含水ゲルのCRC(遠心分離機保持容量)は、固形分換算(後述する測定方法で規定)で、好ましくは5g/g~80g/g、より好ましくは10g/g~50g/g、更に好ましくは15g/g~45g/g、特に好ましくは20g/g~40g/gである。また、乾燥前の粒子状含水ゲルの水可溶分(Ext)は、固形分換算(後述する測定方法で規定)で、好ましくは1質量%~15質量%、より好ましくは2質量%~10質量%、さらに好ましくは3質量%~5質量%である。粒子状含水ゲルのCRC及び/又は水可溶分が上記範囲を上回る場合には、特に攪拌乾燥時に、含水ゲル粒子同士又は回収された微粉造粒物との接着が進行するため、好ましくない。また、上記範囲を下回る場合には、得られる吸水性樹脂の吸水倍率が過度に低下したり、重合条件の制御が困難となるため好ましくない。
本工程は、粒子状含水ゲル(好ましくはゲル流動化剤を含む)を所望の含水率にまで乾燥させて乾燥重合体、好ましくは粒子状乾燥重合体を得る工程である。本発明に係る製造方法では、この乾燥工程又は乾燥工程以前のいずれかの工程に、後述する微粉造粒物が回収される。従って、本工程は、詳細には、粒子状含水ゲル(好ましくはゲル流動化剤を含む)と、微粉造粒物との混合物を、所望の含水率にまで乾燥させる工程である。なお、本工程に供される粒子状含水ゲルは、ゲル粉砕工程を経て得られるものに限定されず、例えば逆相懸濁重合により得られてもよい。また、本工程で得られる(粒子状)乾燥重合体が、複数の粒子が物理的又は化学的に付着することで形成された造粒物(以下、乾燥造粒物)を含んでもよい。
粒子状含水ゲル及び微粉造粒物の接着による大粒子化防止の観点から、乾燥工程に供される粒子状含水ゲルの温度T2を、好ましくは50℃以上、より好ましくは60℃以上、さらに好ましくは70℃以上、特に好ましくは80℃以上、最も好ましくは90℃以上に制御する。また、被乾燥物の着色や性能低下抑制の観点から、この温度T2は好ましくは130℃以下、より好ましくは110℃以下、さらに好ましくは105℃以下である。代表的には、この温度T2は、材料層(粒子状含水ゲルや乾燥物)の中心部(例えば、材料の厚みが10cmの場合は5cm前後の位置)において、接触温度計にて測定される。
乾燥工程で使用される乾燥装置としては、加熱方法は特に限定されず、伝熱伝導型乾燥機、輻射伝熱型乾燥機、熱風伝熱型乾燥機、誘電加熱型乾燥機等の1種又は2種以上が適宜選択される。バッチ式でもよく、連続式でもよい。また、直接加熱式でもよく、間接加熱式でもよい。例えば、通気バンド式、通気回路式、通気縦型式、平行流バンド式、通気トンネル式、通気攪拌式、通気回転式、流動層式、気流式等の伝熱型乾燥機が挙げられる。
周速(V)(m/s)=2πr×n/60 ・・・ (式1)
ここで、(式1)中、Vは攪拌翼の周速(単位;m/s)、rは攪拌翼の径(単位;m)、nは単位時間当たりの攪拌翼の回転数(単位;rpm)である。
乾燥工程において用いられる添加剤の例としては、前述のゲル流動化剤(界面活性剤、高分子滑剤等)の他に、後述する表面架橋剤(後架橋剤)が挙げられる。乾燥前さらには乾燥途中に表面架橋剤を添加することにより、攪拌乾燥時の付着を低減でき、さらに一般的な乾燥後の表面架橋効果(例えば加圧下吸水倍率の向上)も示すため、乾燥工程後の表面架橋工程も省略できるという利点がえられる。
(粒子状)乾燥重合体の水可溶分(Ext)は、好ましくは、乾燥前の粒子状含水ゲルの水可溶分より大きい。(粒子状)乾燥重合体の水可溶分は、固形分換算で、好ましくは+0.5質量%以上増加、より好ましくは+1~20質量%の範囲で増加、さらに好ましくは+2~10質量%の範囲で増加するように、含水ゲルの架橋密度(特に内部架橋剤の種類や量)や加熱乾燥条件などが調整される。
本工程は、吸水性樹脂からなる粒子の表層部(粒子表面から深さ数十μm程度の領域)において、架橋反応を行う工程である。典型的には、本工程は、粒子状の含水ゲル又は乾燥重合体に、吸水性樹脂の官能基(特にカルボキシル基)と反応する表面架橋剤を添加する表面架橋剤添加工程と、この表面架橋剤を含む粒子状の含水ゲル又は乾燥重合体を加熱処理する熱処理工程とを含み、好ましくは、熱処理工程後に冷却工程を含む。尚、必要な場合には、乾燥工程後、表面架橋工程前に、〔2-7〕で後述する整粒工程を実施して、好ましい粒度の粒子状乾燥重合体とする。例えば、乾燥工程で静置乾燥を行う場合には、得られる乾燥重合体に比較的大きな凝集物が含まれるため、表面架橋工程前に整粒工程を実施することが好ましい。
本工程は、粒子状含水ゲル及び/又は粒子状乾燥重合体に、表面架橋剤を添加する工程である。表面架橋剤は、乾燥前もしくは乾燥途中の粒子状含水ゲル、又は、乾燥後もしくは整粒後の粒子状乾燥重合体に対して添加される。粒子状含水ゲル及び/又は粒子状乾燥重合体が、後述する微粉造粒物を含んでもよい。
上記表面架橋剤として、吸水性樹脂の複数の官能基(好ましくは複数のカルボキシル基)と反応しうる表面架橋剤、好ましくは共有結合またはイオン結合、さらには共有結合しうる表面架橋剤が使用される。具体的には、エチレングリコール、ジエチレングリコール、プロピレングリコール、トリエチレングリコール、テトラエチレングリコール、ポリエチレングリコール、1,3-プロパンジオール、ジプロピレングリコール、2,2,4-トリメチル-1,3-ペンタンジオール、ポリプロピレングリコール、グリセリン、ポリグリセリン、2-ブテン-1,4-ジオール、1,3-ブタンジオール、1,4-ブタンジオール、1,5-ペンタンジオール、1,6-ヘキサンジオール、1,2-シクロヘキサンジメタノール、1,2-シクロヘキサノール、トリメチロールプロパン、ジエタノールアミン、トリエタノールアミン、ポリオキシプロピレン、オキシエチレン-オキシプロピレンブロック共重合体、ペンタエリスリトール、ソルビトール等の多価アルコール化合物;エチレングリコールジグリシジルエーテル、ポリエチレングリコールジグリシジルエーテル、グリセロールポリグリシジルエーテル、ジグリセロールポリグリシジルエーテル、ポリグリセロールポリグリシジルエーテル、プロピレングリコールジグリシジルエーテル、ポリプロピレングリコールポリグリシジルエーテル、グリシドール、ソルビトールポリグリシジルエーテル、ペンタエリスリトールポリグリシジルエーテル、トリメチロールプロパンポリグリシジルエーテル、ネオペンチルグリコールジグリシジルエーテル、1,6-ヘキサンジオールジグリシジルエーテル等のエポキシ化合物;エチレンジアミン、ジエチレントリアミン、トリエチレンテトラミン、テトラエチレンペンタミン、ペンタエチレンヘキサミン、ポリエチレンイミン等の多価アミン化合物及びこれらの無機塩又は有機塩;2,4-トリレンジイソシアネート、ヘキサメチレンジイソシアネート等の多価イソシアネート化合物;ポリアジリジン等のアジリジン化合物;1,2-エチレンビスオキサゾリン、ビスオキサゾリン、ポリオキサゾリン等の多価オキサゾリン化合物;尿素、チオ尿素、グアニジン、ジシアンジアミド、2-オキサゾリジノン等の炭酸誘導体;1,3-ジオキソラン-2-オン、4-メチル-1,3-ジオキソラン-2-オン、4,5-ジメチル-1,3-ジオキソラン-2-オン、4,4-ジメチル-1,3-ジオキソラン-2-オン、4-エチル-1,3-ジオキソラン-2-オン、4-ヒドロキシメチル-1,3-ジオキソラン-2-オン、1,3-ジオキサン-2-オン、4-メチル-1,3-ジオキサン-2-オン、4,6-ジメチル-1,3-ジオキサン-2-オン、1,3-ジオキソパン-2-オン等のアルキレンカーボネート化合物;エピクロロヒドリン、エピブロムヒドリン、α-メチルエピクロロヒドリン等のハロエポキシ化合物及びこれらの多価アミン付加物;オキセタン化合物;γ-グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、γ-アミノブロピルトリエトキシシラン等のシランカップリング剤;亜鉛、カルシウム、マグネシウム、アルミニウム、鉄、ジルコニウム等の水酸化物、塩化物、硫酸塩、硝酸塩又は炭酸塩等の多価金属化合物;等が挙げられる。これらのうち、2種以上を併用してもよい。上記表面架橋剤の中でも、多価金属イオン、エポキシ系化合物、オキサゾリン系化合物、アルキレンカーボネート化合物から選択された1又は2以上が好ましい。
上記表面架橋剤の添加量は、粒子状含水ゲル又は粒子状乾燥重合体に対して、固形分換算で、好ましくは5質量%以下、より好ましくは3質量%以下、更に好ましくは2質量%以下である。また、下限値としては好ましくは0.001質量%である。
本工程は、表面架橋剤を含む粒子状含水ゲル又は粒子状乾燥重合体を加熱処理して、表面架橋された乾燥重合体を得る工程である。本発明に係る製造方法によれば、表面架橋剤を含む粒子状含水ゲル又は粒子状乾燥重合体が、後述する微粉造粒物を含む場合がある。
表面架橋剤(場合により、微粉造粒物)を含む粒子状含水ゲル又は粒子状乾燥重合体を100℃以上に加熱することにより、表面架橋された乾燥重合体が得られる。この加熱温度(表面架橋温度)は、添加する表面架橋剤の種類により適宜選択されるが、熱処理効率の観点から、好ましくは100℃~250℃、より好ましくは120℃~230℃、さらに好ましくは150℃~210℃である。
上記表面架橋温度で加熱処理する時間は、粒子状含水ゲル又は粒子状乾燥重合体の含水率、表面架橋剤の種類等に応じて適宜設定される。一応の目安としては、得られる吸水性樹脂粉末の含水率が10質量%以下になるまで加熱すればよく、時間としては10分間~120分間の範囲であり、好ましくは30分間~90分間である。
本発明の目的が達成される限り、熱処理工程で用いる加熱装置は特に限定されないが、加熱ムラが発生しにくいとの観点から、固体-固体接触による伝導伝熱形式で撹拌機構を有する(以下、撹拌型の間接加熱式と称することがある)が好適に用いられる。熱処理後に、表面架橋された粒子状の乾燥重合体が得られることから、好ましくは、乾燥工程において前述した攪拌乾燥機(好ましくは、回転型乾燥機)が、熱処理工程の加熱装置としても用いられる。例えば、前述した加熱管付き回転型乾燥機100を用いて、粒子状含水ゲルに、添加剤48として表面架橋剤を添加して加熱することにより、乾燥工程と表面架橋工程とが同時に実施され、所定の含水率(固形分率)に調整され、かつ表面架橋された粒子状乾燥重合体が一工程で得られるため好ましい。
本発明に係る製造方法では、前述の乾燥工程又は熱処理工程後、後述する整粒工程前に、(粒子状)乾燥重合体又は表面架橋された(粒子状)乾燥重合体を強制冷却して、所望の温度に調整する冷却工程を有している。前述の乾燥機100において、表面架橋工程と乾燥工程とが一工程で実施される場合には、回転容器10において、表面架橋処理が適正になされ、かつ(粒子状)乾燥重合体又は表面架橋された(粒子状)乾燥重合体の固形分率又は含水率が所望の範囲に調整された後、整粒工程に供される前に、この冷却工程が実施される。
冷却工程において、(粒子状)乾燥重合体及び/又は表面架橋された(粒子状)乾燥重合体を冷却する方法は、特に限定されない。好ましくは、通気伝熱式又は伝導伝熱式の冷却手段を有する連続冷却機が用いられる。
本工程は、乾燥重合体又は表面架橋された(粒子状)乾燥重合体の粒度を調整する工程である。表面架橋工程後に整粒工程をおこなうことにより、粒子径又は粒度分布が高レベルで制御された吸水性樹脂粉末が得られる。
微粉低減の観点から、整粒工程に供される(粒子状)乾燥重合体又は表面架橋された(粒子状)乾燥重合体の質量平均粒子径d2は、好ましくは200μm以上であり、より好ましくは300μm以上であり、更に好ましくは400μm以上、特に好ましくは500μm以上である。解砕ステップの効率化の観点から、質量平均粒子径d2は2000μm以下、さらには1500μm以下、1000μm以下が好ましい。
吸水性能の観点から、整粒工程を経て得られる吸水性樹脂粉末の質量平均粒子径d3は、好ましくは200μm以上であり、より好ましくは200~600μm、さらに好ましくは250~550μm、特に好ましくは300~500μmである。
本発明に係る製造方法は、必須工程として、この微粉造粒工程を有している。微粉造粒工程とは、吸水性樹脂からなる微粉に、バインダーとして水と接着制御剤を同時または別々に添加して、微粉造粒物を得る工程であり、好ましくは接着制御剤と、水分として液体の水と水蒸気(気体の水)とを添加して微粉造粒物(特に含水ゲル状微粉造粒物)を得る工程であり、より好ましくは接着制御剤を含む水溶液と水蒸気とを添加して微粉造粒物を得る工程である。本発明において微粉をなす吸水性樹脂は表面架橋されていてもよく、表面架橋されていなくてもよいし、それらの混合物(混合微粉)でもよい。すなわち、本工程において、微粉造粒物が、表面架橋された微粉のみから得られてもよく、表面架橋されていない微粉のみから得られてもよいし、表面架橋された微粉と表面架橋されていない微粉からなる混合微粉から得られた微粉造粒物でもよい。また、表面架橋された微粉と表面架橋されていない微粉を別々に造粒し、それぞれの造粒物をさらに混合してもよい。本発明において、表面架橋された微粉と表面架橋されていない微粉の使用比率(重量比)は0:100~100:0、さらには5:95~100:0、特に10:90~100:0の範囲で適宜決定される。
本工程で用いる造粒方法は粒子状造粒物が得られれば特に限定されず、攪拌造粒法、流動層造粒法、転動造粒法等、ミートチョッパーなどの多孔板の押し出し造粒などが適宜用いられる。また、造粒方法は、バッチ式でもよく、連続式でもよい。得られる微粉造粒物の粒度及び造粒効率の観点から、攪拌造粒法が好ましく、連続式の攪拌造粒法がより好ましい。
好ましくは、微粉は、ポリ(メタ)アクリル酸(塩)系架橋重合体を主成分とする吸水性樹脂からなる。得られる吸水剤の吸水性能の観点から、微粉におけるポリ(メタ)アクリル酸(塩)の含有量は、好ましくは50モル%~100モル%、より好ましくは70モル%~100モル%、更に好ましくは90モル%~100モル%である。
微粉造粒物の大粒子化を抑制する観点から、吸水性樹脂からなる微粉の、篩分級による質量平均粒子径は、好ましくは150μm未満であり、より好ましくは10~150μm、さらに好ましくは10~140μmである。この微粉に含まれる粒子径150μm未満の粒子の割合は、好ましくは70質量%以上、より好ましくは80質量%以上、さらに好ましくは90質量%以上であり、理想的には100質量%である。
流動性及び混合性の観点から、微粉の固形分率は、好ましくは75質量%以上、より好ましくは80質量%以上、さらに好ましくは85質量%以上である。微粉造粒時の粉塵発生抑制の観点から、微粉の固形分率は、好ましくは99.9質量%以下、より好ましくは99.5質量%以下、さらに好ましくは99.0質量%以下である。なお、微粉の固形分率の測定方法は、実施例において後述する。
吸水性樹脂からなる微粉のCRC(遠心分離機保持容量)は、固形分換算で、好ましくは5~70g/g、より好ましくは10~60g/g、さらに好ましくは15~50g/g、特に好ましくは18~40g/gである。また、微粉の水可溶分は、好ましくは2~50質量%、より好ましくは4~25質量%、さらに好ましくは6~20質量%である。
CRC及び/又は水可溶分が上記範囲を上回る場合には、微粉造粒工程において過度の粘着性が発現して、大粒子径の微粉造粒物が形成される可能性がある。また、上記範囲を下回る場合には、接着制御剤との均一混合が困難となるため好ましくない。
接着制御剤は、湿潤した微粉中の含水ゲル粒子の粘着性を調整する。この接着制御剤の使用により、粒度及び造粒強度が適正な微粉造粒物が得られる。本工程において、含水ゲル粒子の粘着性を調整(好ましくは粘着性を適度に低減)する作用を有する限り、接着制御剤の種類は特に限定されない。接着制御剤は前述のゲル流動化剤と同じ化合物でもよく、異なってもよい。
具体的には、接着制御剤に用いられる界面活性剤として、下記(1)~(4)が例示される。
接着制御剤の添加量は、吸水性樹脂からなる微粉の固形分に対して、好ましくは0.001~2.0質量%、より好ましくは0.010~1.5質量%、更に好ましくは0.020~1.0質量%、特に好ましくは0.025~0.8質量%である。添加量が過少な場合は微粉量低減の効果が少なく、また過剰な添加は造粒強度の低下や製品の表面張力の低下などの可能性がある。なお、接着制御剤を水溶液として添加する場合は、その有効成分の添加量を上記範囲内とする。また、接着制御剤として複数の化合物を併用する場合には、その合計量が上記範囲内となっていればよい。接着制御剤を上記範囲で添加することにより、造粒強度及び粒度が適正な微粉造粒物が得られる。その結果として、この微粉造粒物を乾燥工程又は乾燥工程前のいずれかの工程に回収したときに、得られる乾燥物の大粒子化が回避され、その後の工程における微粉発生量が低減される。また、吸水性樹脂粉末の製造工程で発生する微粉を微粉造粒工程に供する実施形態では、微粉発生量の減少にともなって、乾燥工程等に回収する微粉造粒物も減少して、得られる吸水性樹脂粉末の物性が向上する。さらには、乾燥工程以降の工程における製造装置をコンパクト化することも可能になる。
前述した通り、好ましくは、接着制御剤は、水溶液として、吸水性樹脂からなる微粉に添加される。微粉造粒工程において、この接着制御剤を含む水溶液の水は、微粉を湿潤させ、この微粉に含まれる複数の含水ゲル粒子を接着するバインダーとして作用する。この水溶液における接着制御剤の濃度及び水溶液としての添加量によって、含水ゲル粒子の粘着性の程度が調整される。
吸水性樹脂からなる微粉との混合性の観点から、接着制御剤又は接着制御剤を含む水溶液の温度は、通常0℃(さらには10℃、20℃)~沸点の範囲であり、好ましくは30℃以上、より好ましくは40℃以上、さらに好ましくは45℃以上、特に好ましくは50℃以上である。上限値は特に限定されないが、通常は水の沸点である。なお、水分として水溶液(液体の水)に水蒸気(気体の水)を併用することで、水溶液をさらに加熱してもよい。
本工程において、微粉に接着制御剤とともに水蒸気を添加する場合、水蒸気は、吸水性樹脂からなる微粉を湿潤させ、この微粉に含まれる複数の含水ゲル粒子のバインダーとして作用する。微粉全体に、速やかにかつ均一に吸収されるとの観点から、添加する水蒸気は、好ましくは飽和水蒸気であり、より好ましくは0.11MPa以上(102℃以上)の飽和水蒸気であり、さらに好ましくは0.12MPa以上(105℃以上)の飽和水蒸気である。
接着制御剤又は接着制御剤を含む水溶液との混合性の観点から、本工程に供される微粉の温度は、好ましくは30℃以上、より好ましくは40℃以上、さらに好ましくは45℃以上、特に好ましくは50℃以上である。吸水性樹脂からなる微粉の熱劣化防止の観点から、好ましい温度は100℃以下である。
乾燥工程に回収した場合の乾燥効率及び大粒子化抑制の観点から、微粉造粒物の固形分率は、好ましくは30質量%以上、より好ましくは35質量%以上、さらに好ましくは40質量%以上である。造粒強度の観点から、固形分率は、好ましくは80質量%以下、より好ましくは70質量%以下、さらに好ましくは60質量%以下である。すなわち、かかる微粉造粒物は好ましくは含水ゲル状微粉造粒物であり、以下、さらに乾燥されて乾燥微粉造粒物を含む吸水性樹脂粉末とされる。
微粉造粒物のCRC(遠心分離機保持容量)は、固形分換算で、好ましくは5~70g/g、より好ましくは10~60g/g、さらに好ましくは15~50g/g、特に好ましくは18~40g/gである。また、微粉造粒物の水可溶分は、好ましくは2~50質量%、より好ましくは4~25質量%、さらに好ましくは6~20質量%である。CRC及び/又は水可溶分が上記範囲を上回る場合には、乾燥工程又は乾燥工程前のいずれかの工程に回収した場合に、粒子状含水ゲル又は乾燥重合体との付着により大粒子化する可能性がある。また、上記範囲を下回る場合には、得られる吸水剤の性能が低下する可能性がある。
本工程は、整粒工程の分級ステップで除去された微粉を採取して、前述したいずれかの工程に供給することにより回収(リサイクル)する工程である。本発明に係る製造方法では、整粒工程で採取した微粉は、前述の微粉造粒工程で微粉造粒物(さらには含水ゲル状微粉造粒物)とされた後、乾燥工程又は乾燥工程前のいずれかの工程に回収され、さらに乾燥される。
上記好ましい実施態様における微粉造粒物を乾燥工程または乾燥工程前のいずれかの工程に回収、すなわち、微粉造粒物の添加工程について詳述する。
微粉造粒物を添加する工程は具体的に前記重合工程中、前記重合工程後かつ前記ゲル粉砕工程前、前記ゲル粉砕工程中、前記ゲル粉砕工程後かつ前記乾燥工程前、及び、前記乾燥工程中よりなる群から選ばれる少なくとも1以上に微粉造粒物を添加することが好ましい。なお、前記重合工程中でも含水ゲルが得られるため、該重合工程中に造粒ゲルを添加してもよい。また、乾燥工程のうち重合体の固形分が80質量%未満の重合体は通常含水ゲルとみなせる。すなわち、乾燥工程の途中までは含水ゲルが存在するため、該乾燥工程中に造粒ゲルを添加してもよい。好ましくは前記ゲル粉砕工程後かつ前記乾燥工程前、又は、前記乾燥工程中であり、より好ましくはゲル粉砕工程後、乾燥工程前の含水ゲルに微粉造粒物を添加することである。このように粉砕後の含水ゲルに微粉造粒物を添加すると、両者の粒度差が小さいため混合しやすく、乾燥が不均一になり難い。特にゲル粉砕エネルギーを制御した粉砕を行うと含水ゲルが造粒形状となるため、より一層不均一な乾燥を抑制できる。一方、ゲル粉砕工程前、又は工程中に微粉造粒物を添加すると、ゲル粉砕機の負荷を上げたり、ゲル粉砕が不安定になって、ゲル粒子径が制御できなくなる場合がある。なお、「工程前」、「工程後」とは当該工程前、或いは当該工程後の全ての工程を含み、また工程間の輸送工程や貯蔵工程等、任意の工程において微粉造粒物を添加することを意味する。例えばゲル粉砕工程後とは、ゲル粉砕工程から次工程に輸送される間、及び次工程を含む。
本発明では微粉造粒物を含水ゲルに添加するが、その際の該微粉造粒物の温度、及び該含水ゲルの温度は、いずれも50℃以上100℃以下の範囲内であり、好ましくは55℃以上、より好ましくは60℃以上であって、好ましくは95℃以下、より好ましくは90℃以下である。このような温度範囲内であれば両者の良好な混合状態が得られる。微粉造粒物や含水ゲルの温度が50℃を下回ると微粉造粒物が硬くなったり、含水ゲルと微粉造粒物を混合すると凝集物を形成することがある。すなわち、混合時に凝集物が形成されると更に含水ゲルや微粉造粒物がくっついてより巨大な凝集物を形成されて混合状態が不良となる。また混合できたとしても、乾燥する際に凝集物が存在すると乾燥不良、すなわち未乾燥物を生じやすい。また該凝集物を所望の含水率になるまで加熱を継続して乾燥させると、既に乾燥されている他の微粉造粒物や含水ゲルは過乾燥状態となり、熱劣化して可溶分が増加する等、吸水性樹脂の品質が劣化する。このような問題は一方の温度が50℃以上、他方の温度が50℃未満の場合でも生じる。一方、微粉造粒物や含水ゲルの温度が100℃を超えるとゲル表面が乾燥してしまい、かえってゲルが硬くなることがある。
本工程は、吸水剤に様々な付加機能を付与し、また吸水性能を向上させることを目的として実施される任意の工程であり、表面架橋工程を経て得られる吸水性樹脂粉末に、下記添加剤を添加する工程である。添加効果の観点から、下記添加剤は吸水性樹脂粉末の各粒子表面に存在させることが好ましい。従って、本工程は、好ましくは、表面架橋工程と同時又は別途実施され、より好ましくは表面架橋工程後に実施される。
多価金属塩の多価金属として、好ましくはアルミニウム、ジルコニウム等が挙げられる。また、使用できる多価金属塩として、好ましくは乳酸アルミニウム及び硫酸アルミニウムであり、より好ましくは硫酸アルミニウムである。
カチオン性ポリマーとして、好ましくは米国特許第7098284号に例示される化合物が挙げられる。なかでもビニルアミンポリマーが好ましい。このカチオン性ポリマーの添加量としては、吸水性樹脂粉末100質量部に対して、好ましくは2.5質量部未満、より好ましくは2.0質量部未満、さらに好ましくは1.0質量部未満である。
無機微粒子として、具体的には、タルク、カオリン、フラー土、ハイドロタルサイト、ベントナイト、活性白土、重晶石、天然アスファルタム、ストロンチウム鉱石、イルメナイト、パーライト等の鉱産物;硫酸アルミニウム14~18水塩(又はその無水物)、硫酸カリウムアルミニウム12水塩、硫酸ナトリウムアルミニウム12水塩、硫酸アンモニウムアルミニウム12水塩、塩化アルミニウム、ポリ塩化アルミニウム、酸化アルミニウム等のアルミニウム化合物類;リン酸カルシウム等のその他の多価金属塩、多価金属酸化物及び多価金属水酸化物;親水性のアモルファスシリカ類;酸化ケイ素・酸化アルミニウム・酸化マグネシウム複合体、酸化ケイ素・酸化アルミニウム複合体、酸化ケイ素・酸化マグネシウム複合体等の酸化物複合体類;等が挙げられる。これらのうち、2種以上を併用してもよい。この無機微粒子の添加量としては、吸水性樹脂粉末100質量部に対して、好ましくは2.0質量部未満、より好ましくは1.5質量部未満、さらに好ましくは1.0質量部未満である。
本発明に係る製造方法は、上述した各工程以外に、必要に応じて、冷却工程、再湿潤工程、粉砕工程、分級工程、造粒工程、輸送工程、貯蔵工程、梱包工程、保管工程等を更に含んでもよい。
本発明に係る製造方法においては、上記表面架橋剤、ゲル流動化剤、接着制御剤以外にも、その他添加剤として、乾燥前又は乾燥後に、無機微粒子、粉塵防止剤、乾燥した吸水性樹脂(微粉)、通液性向上剤等を、更に加えることが可能である。
前述した通り、本発明の製造方法によれば、微粉造粒工程において接着制御剤を用いることにより、造粒強度及び粒度が適正な微粉造粒物が得られる。この微粉造粒物を、乾燥工程又は乾燥工程前のいずれかの工程に回収することにより、得られる乾燥重合体の大粒子化が抑制される。これにより、図1に示すフローチャートのように、乾燥工程で得られる乾燥重合体を、コンパクト化した整粒工程で所定の粒度に調整することができる。
上記製造方法を製造の一例として、本発明は、含水ゲル状架橋重合体の乾燥物である吸水性樹脂粉末(一次粒子)と接着制御剤を含む吸水性樹脂微粉造粒物を含む吸水性樹脂粉末を提供する。なお、ここで一次粒子とは含水ゲル状架橋重合体の乾燥物を意味し、さらに、乾燥後の吸水性樹脂微粉から得られる吸水性樹脂微粉造粒物は2次粒子に相当する。
本発明の吸水性樹脂粉末(吸水剤)のCRC(遠心分離機保持容量)は、通常5g/g以上であり、好ましくは15g/g以上、より好ましくは25g/g以上である。上限値については特に限定されず、より高いCRCが好ましいが、他の物性とのバランスの観点から、好ましくは70g/g以下、より好ましくは50g/g以下、更に好ましくは40g/g以下である。
Extは、通常1~40質量%であり、好ましくは2~35質量%、より好ましくは3~30質量%、さらに好ましくは4~25質量%、特に好ましくは5~20質量%である。
吸水性樹脂粉末(吸水剤)の含水率は、好ましくは0質量%を超えて20質量%以下、より好ましくは1~15質量%、更に好ましくは2~13質量%、特に好ましくは2~10質量%である。この含水率を上記範囲内とすることで、粉体特性(例えば、流動性、搬送性、耐ダメージ性等)に優れた吸水剤が得られる。
吸水性樹脂粉末(吸水剤)の質量平均粒子径d3(D50)は前述した通りであり、好ましくは200μm以上、より好ましくは200~600μm、さらに好ましくは250~550μm、特に好ましくは300~500μmである。また、粒子径150μm未満の粒子の割合は、通常15質量%以下、好ましくは10質量%以下、より好ましくは8質量%以下、さらに好ましくは6質量%以下である。また、粒子径850μm超の粒子の割合は、好ましくは5質量%以下、より好ましくは3質量%以下、さらに好ましくは1質量%以下である。この吸水剤は、粒子径150~850μmの粒子を、好ましくは90質量%以上、より好ましくは95質量%以上、さらに好ましくは97質量%以上、特に好ましくは99質量%以上含む。理想的には100質量%である。粒度分布の対数標準偏差(σζ)は、好ましくは0.20~0.50、より好ましくは0.25~0.40、更に好ましくは0.27~0.35である。
吸水性樹脂粉末(吸水剤)のAAP(加圧下吸水倍率)は、好ましくは15g/g以上、より好ましくは20g/g以上、更に好ましくは23g/g以上、特に好ましくは24g/g以上、最も好ましくは25g/g以上である。上限値については特に限定されないが、好ましくは30g/g以下である。
吸水性樹脂粉末(吸水剤)のVortex(吸水速度)は、好ましくは60秒以下、より好ましくは50秒以下、更に好ましくは40秒以下、特に好ましくは30秒以下、最も好ましくは25秒以下である。下限値については特に限定されないが、好ましくは5秒以上、より好ましくは10秒以上である。
Vortexを上記範囲とすることで、短時間で所定量の液を吸収することができるようになる。紙オムツ等の吸収性物品の吸収体に使用した際に、使用者が肌の濡れを感じる時間が少なくなり、不快感を与えにくくなるとともに、漏れ量も減少することができる。
吸水性樹脂粉末(吸水剤)中の界面活性剤の平均含有量に対して、吸水性樹脂微粉造粒物に含まれる界面活性剤含有量が多いことが好ましい。吸水性樹脂粉末(吸水剤)中の界面活性剤の平均含有量に対して、吸水性樹脂微粉造粒物に含まれる界面活性剤含有量がより好ましくは1.5倍以上、さらに好ましくは2倍以上である。吸水性樹脂微粉造粒物に含まれる界面活性剤含有量が多いことにより、運搬時などの摩擦により吸水性樹脂微粉造粒物が壊れることを防止する一方、界面活性剤による吸水性樹脂微粉造粒物以外の粒子(一次粒子)への悪影響を抑えることができる。
なお、吸水性樹脂粉末(吸水剤)から吸水性樹脂微粉造粒物のみを抜き出すのは難しいため、本発明では吸水性樹脂微粉造粒物が比較的脆いことを利用し、下記方法で評価する。
吸水性樹脂粉末(吸水剤)を目開きが850μmと150μmのJIS標準篩を用いてロータップ式分級機(ES65型 電源は100V、60Hzを使用 (株)飯田製作所製)で5分間分級し、粒子径が850~150μmの吸水性樹脂粉末(吸水剤)を得る。この吸水性樹脂粉末(吸水剤)30gを特開2000-302876号(対応米国特許6562879号)に記載の(機械的ダメージ試験)方法にて振動時間を10分間として、吸水性樹脂粉末(吸水剤)にダメージを与える。具体的にはペイントシェーカー(東洋精機製作所社製、No.488試験用分散機)で吸水性樹脂粉末(吸水剤)30gをガラス玉10gとともに10分間振とうする。ダメージ付与後の吸水性樹脂粉末(吸水剤)を目開きが150μmのJIS標準篩を用いて前記ロータップ式分級機で前記と同様に分級し、粒子径が150μm以下の微粉を得る。微粉と吸水性樹脂粉末(吸水剤)を50倍(質量比)の脱イオン水で膨潤させ、さらに50倍(質量比)のメタノールで収縮させて界面活性剤の抽出液を得る。これを、HPLCを用いて定量することにより、微粉と吸水性樹脂粉末(吸水剤)の界面活性剤含有量を求める。ここでこの微粉の界面活性剤含有量を吸水性樹脂微粉造粒物の界面活性剤含有量とする。
吸水性樹脂粉末(吸水剤)の用途は、特に限定されないが、好ましくは紙オムツ、生理用ナプキン、失禁パッド等の吸収性物品の吸収体用途が挙げられる。特に、高濃度紙オムツの吸収体として使用することができる。本発明の吸水性樹脂粉末は微粉造粒物に融着制御剤(界面活性剤)を多く含むため、機械的にダメージに強く、おむつ製造工程での機械的ダメージにも強く高濃度紙オムツの吸収体の製造にも適している。更に、吸水剤は、吸水時間に優れ、かつ粒度分布が制御されているので、上記吸収体の上層部に使用する場合に、顕著な効果が期待できる。
(a)CRC(遠心分離機保持容量)
吸水性樹脂のCRC(遠心分離機保持容量)を、EDANA法(ERT441.2-02)に準拠して測定した。また、含水ゲルのCRC(遠心分離機保持容量)は、試料として含水ゲルを0.4gに、自由膨潤時間を24時間に、それぞれ変更した以外はEDANA法(ERT441.2-02)と同様の操作を行った。更に、別途含水ゲルの固形分率αを測定し、含水ゲル0.4g中の吸水性樹脂の乾燥質量を求め、下記(式2)にしたがって含水ゲルのCRCを算出した。
含水ゲルのExt(水可溶分)を、EDANA法(ERT470.2-02)に準拠して測定した。試料であるして含水ゲルの質量を5.0gに、攪拌時間を24時間に、それぞれ変更した以外はEDANA法(ERT470.2-02)と同様の操作を行った。更に、別途含水ゲルの固形分率αを測定し、含水ゲル5.0g中の乾燥質量を求め、下記(式3)にしたがって含水ゲルのExtを算出した。
乾燥された吸水性樹脂(吸水剤)の含水率を、EDANA法(ERT430.2-02)に準拠して測定した。なお、本発明においては、試料量を1.0g、乾燥温度を180℃にそれぞれ変更して測定した。固形分率(質量%)は、100質量%から含水率(質量%)を引くことで求めた。
吸水性樹脂粉末又は粒子状乾燥重合体の粒度(質量平均粒子径(D50)及び対数標準偏差(σζ))を、米国特許第7638570号のカラム27及び28に記載された方法に準拠して測定した。
上記(d)に記載の質量平均粒子径(D50)の測定方法と同様の分級操作を行って、目開き150μmの篩を通過した粒子の割合(質量%)を、150pass率として求めた。
目開き4000μm、2800μm、2000μm、1400μm、1000μm及び850μmのJIS標準篩を使用した以外は、上記(d)に記載の質量平均粒子径(D50)の測定方法と同様の分級操作を行って、目開き4000μm及び2800μmの篩を通過しなかった粒子の割合(質量%)を、2800on率として求めた。
イオン交換水1000gに含水ゲル1.00gを投入し、300rpmで2時間攪拌した後に、ろ過することにより、不溶分を除去した。上記操作で得られたろ液中に抽出された単量体の量を、液体クロマトグラフを用いて測定した。得られたデータについて、下記(式4)に従ってゲル固形分補正を行い、重合率C(単位;質量%)を算出した。
乾燥前の含水ゲルの含水率について、上記(c)において、含水ゲルを2.0gとしさらに乾燥時間を24時間として測定した。始めに、底面の直径が50mmのアルミカップに含水ゲル2.00gを投入した後、試料(含水ゲル及びアルミカップ)の総質量W1(g)を正確に秤量した。次に、上記試料を、雰囲気温度180℃に設定されたオーブン内に静置した。24時間経過後、該試料を上記オーブンから取り出し、総質量W2(g)を正確に秤量した。本測定に供された含水ゲルの質量をM(g)としたときに、下記(式5)にしたがって、含水ゲルの含水率(100-α)(質量%)を求めた。なお、下記(式5)中、αは含水ゲルの固形分率(質量%)である。
粒子状含水ゲルの粒度(質量平均粒子径(D50)及び対数標準偏差(σζ))を以下の方法で測定した。
X;分級、水切り後に各篩上に残留した含水ゲルの質量%(%)
w;分級、水切り後に各篩上に残留した含水ゲルのそれぞれの質量(g)
W;分級、水切り後に各篩上に残留した含水ゲルの総質量(g)
R(α);固形分率α質量%の吸水性樹脂に換算したときの篩の目開き(mm)
r;20質量%塩化ナトリウム水溶液中で膨潤した含水ゲル状架橋重合体(含水ゲル粒子)が分級された篩の目開き(mm)である。
σζ=0.5×ln(X2/X1) (式8)
上記(h)含水ゲルの含水率及び(i)粒子状含水ゲルの質量平均粒子径から、下記(式9)に従って、固形分換算の質量平均粒子径(含水ゲル粒子の乾燥後の質量平均粒子径)を求めた。
GelD50;含水ゲル粒子の質量平均粒子径(μm)
GS;含水ゲル粒子の固形分率(質量%)
SolidD50;含水ゲル粒子の乾燥物に換算した質量平均粒子径(μm)
である。
吸水性樹脂のVortex(吸水時間)は、以下の手順にしたがって測定した。先ず、予め調整された生理食塩水(0.9質量%塩化ナトリウム水溶液)1000質量部に、食品添加物である食用青色1号(ブリリアントブルー)0.02質量部を添加した後、液温を30℃に調整した。
吸水性樹脂のAAP(加圧下吸水倍率)を、EDANA法(ERT442.2-02)に準拠して測定した。なお、測定に当たり、荷重条件を4.83kPa(0.7psi)に変更した。
各実施例において微粉に水性液を添加して造粒して得られた微粉造粒物(100g)を造粒後直ちに円筒型プラスチック容器(内壁:フッ素樹脂コーティング、高さ:12cm、底面直径:8cm)に投入した。所定時間経過後、該容器投入口をバットで塞いで該容器を上下逆さまにして静置した後、円筒型プラスチック容器を上方向に引き上げて3分間放置した。その後、自重によりバット上に広がった微粉造粒物の最も長い幅を測定して凝集崩壊度(単位:cm)とし、該凝集崩壊度に基づいて微粉造粒物の流動性を評価した。
(評価基準)
凝集崩壊度:不良:10cm以下:ほぐしにくい
凝集崩壊度:良 :11cm以上、15cm以下:ほぐしやすい
凝集崩壊度:優良:16cm以上:かなりほぐしやすい
[製造例1]
アクリル酸300質量部、48質量%水酸化ナトリウム水溶液100質量部、ポリエチレングリコールジアクリレート(平均n数9)0.61質量部、0.1質量%ジエチレントリアミン5酢酸3ナトリウム水溶液16.4質量部、脱イオン水273.2質量部からなる単量体水溶液を作成した。
[製造例2]
製造例1で得られた粒子状含水ゲル(1)を、通気バンド式乾燥機を用いて乾燥した。始めに、この乾燥機の通気板(パンチングメタル)に、厚み約10cmになるように粒子状含水ゲル(1)を散布した。続いて185℃の熱風を35分間通気して、乾燥重合体(1)を得た。乾燥機の出口で得られた乾燥重合体(1)は一体化しており、一枚板のブロック状に固まっていた。乾燥重合体(1)の横幅はほぼ乾燥ベルトの幅に相当し、長さはエンドレスであり、厚みは数cmであった。
[製造例3]
製造例1で得られた粒子状含水ゲル(1)を、回転型乾燥機を用いて乾燥した。この乾燥機は、その内部に回転軸方向に延在する10本の加熱管と2枚の障壁(中心部に一つの円形開口部を有するドーナツ状の仕切り板、開口率50%)とを有する円筒状の回転容器(容積100L)を備えており、投入部から取り出し口に向かって、0.6°の下向きの傾斜が付けられている。回転容器内の取り出し口側の端部には、中心に一つの円形開口部(開口率24%)を有するドーナツ状の仕切り板(別称;排出堰)を有している。
製造例3で得られた乾燥重合体(2)を、冷風により、強制的に80℃以下に冷却した後、その冷却物を1段のロールミル(粉砕機)に供給し、粉砕条件を変更して粉砕することにより粒度を調整して、吸水性樹脂粉末(3)を得た。吸水性樹脂粉末(3)は、上記粒子状含水ゲル(1)に由来するラウリルジメチルアミノ酢酸ベタインを含み、質量平均粒子径(d2)420μm、目開き150μmの篩を通過した粒子の割合(150pass率)7.8質量%、固形分率97.6質量%であった。
[製造例5]
製造例3の回転型乾燥機において、乾燥途中の粒子状含水ゲル(1)に対して、エチレングリコールジグリシジルエーテル0.16質量%及び水2質量%を含む表面架橋剤溶液2.6質量%を噴霧添加した以外は、製造例3と同様にして、乾燥重合体(4)及び吸水性樹脂粉末(4)を得た。表面架橋剤溶液添加時の粒子状含水ゲル(1)は、含水率30質量%、温度110℃であった。乾燥重合体(4)は、固形分率98.5質量%、目開き2800μmの篩未通過の粒子の割合(2800on率)が固形分換算で7.5質量%であった。吸水性樹脂粉末(4)は、質量平均粒子径(d2)350μm、目開き150μmの篩を通過した粒子の割合(150pass率)10.5質量%、固形分率97.8質量%であった。
[製造例6]
攪拌羽根、解砕羽根、排出羽根及びノズルを備えた、内容積7L(攪拌部有効容積5L)の縦型回転円盤型混合機(粉研パウテックス製)を用いて、微粉造粒を行った。製造例3で得た微粉(1)を、定量供給機(アキュレートInc製)を用いて、200kg/hrで縦型回転円盤型混合機に供給した。続いて、撹拌羽根を1060rpmで回転させて微粉(1)を撹拌しながら、ミキサー(粉研パウテックス製、連続噴射混合機フロージェットミキサMW-F-300型(回転円盤上のピンを除去した改良型))を用いて、接着制御剤水溶液(ラウリルジメチルアミノ酢酸ベタイン水溶液、有効成分濃度0.253質量%、温度50℃)及び水蒸気(ゲージ圧0.6MPa、ミキサー内圧解放)を注入して、連続的に混合することにより、接着制御剤ラウリルジメチルアミノ酢酸ベタインを含む微粉造粒物(1)を得た。接着制御剤の添加量は、微粉(1)の固形分に対し2200ppmであり、水蒸気の注入速度は、15kg/hrであった。微粉造粒物(1)は、固形分率50質量%であった。
接着制御剤水溶液に代えて水(50℃)を用いた以外は製造例6と同様にして、微粉造粒物(2)を得た。微粉造粒物(2)は、固形分率50質量%であった。
微粉(1)に代えて製造例5で得た微粉(2)を用い、接着制御剤水溶液の有効成分濃度を0.092質量%とし、接着制御剤の添加量を、微粉(2)の固形分に対して800ppmとした以外は、製造例6と同様にして、接着制御剤ラウリルジメチルアミノ酢酸ベタインを含む微粉造粒物(3)を得た。微粉造粒物(3)は、固形分率50質量%であった。
微粉(1)に代えて製造例5で得た微粉(2)を用い、接着制御剤水溶液の有効成分濃度を0.252質量%とし、接着制御剤の添加量を、微粉(2)の固形分に対して2200ppmとした以外は、製造例6と同様にして、接着制御剤ラウリルジメチルアミノ酢酸ベタインを含む微粉造粒物(4)を得た。微粉造粒物(4)は、固形分率50質量%であった。
微粉(1)に代えて製造例5で得た微粉(2)を用い、接着制御剤水溶液の有効成分濃度を0.573質量%とし、接着制御剤の添加量を、微粉(2)の固形分に対して5000ppmとした以外は、製造例6と同様にして、接着制御剤ラウリルジメチルアミノ酢酸ベタインを含む微粉造粒物(5)を得た。微粉造粒物(5)は、固形分率50質量%であった。
微粉(1)に代えて製造例5で得た微粉(2)を用い、接着制御剤水溶液に代えて水(50℃)を用いた以外は製造例6と同様にして、微粉造粒物(6)を得た。微粉造粒物(6)は、固形分率50質量%であった。
製造例2で得られた乾燥重合体(1)及び吸水性樹脂粉末(1)を、参考例1とした。参考例1は、乾燥工程に微粉造粒物を回収しなかった製造方法であり、実施例1及び2並びに比較例1及び2の基準品である。参考例1、実施例1及び2並びに比較例1及び2の結果を、表1にまとめて示す。
製造例1の重合及びゲル粉砕で得られた粒子状含水ゲル(1)(固形分44重量%)と製造例6で得られた微粉造粒物(1)(含水ゲル状微粉造粒物)(固形分50重量%)とを質量比85/15(固形分比では約87/13)となるように混合して、含水ゲル混合物(1)を得た。この含水ゲル混合物(1)を、粒子状含水ゲル(1)に代えて用いた以外は、製造例2と同様にして、乾燥重合体(5)及び吸水性樹脂粉末(5)を得た。なお、上記混合直前の粒子状含水ゲル(1)と微粉造粒物(1)の温度は加熱により、夫々95℃、60℃であった。
なお、吸水性樹脂粉末(5)は、粒子状含水ゲル(1)に由来する吸水性樹脂の一次粒子83%および、接着制御剤を含む微粉造粒物(1)に由来する吸水性樹脂造粒粒子17%からなる吸水性樹脂粉末である。吸水性樹脂微粉造粒物には、吸水性樹脂微粉(1)に含まれていた界面活性剤1500ppmに加え、製造例6で加えた界面活性剤を2200ppm加えたことにより、界面活性剤を吸水性樹脂の一次粒子に比べて2200ppm多く含む。
製造例1で得られた粒子状含水ゲル(1)(固形分率44重量%)と製造例9で得られた微粉造粒物(4)(固形分率50重量%)とを質量比85/15(固形分比で約83/17)となるように混合して、含水ゲル混合物(2)を得た。この含水ゲル混合物(2)を、粒子状含水ゲル(1)に代えて用いた以外は、製造例2と同様にして、乾燥重合体(6)及び吸水性樹脂粉末(6)を得た。なお、上記混合直前の粒子状含水ゲル(1)と微粉造粒物(4)の温度は加熱により、夫々95℃、60℃であった。
ここで、吸水性樹脂粉末(6)は、粒子状含水ゲル(1)に由来する吸水性樹脂の一次粒子83%および、接着制御剤を含む微粉造粒物(4)に由来する造粒粒子17%からなる吸水性樹脂粉末である。吸水性樹脂微粉造粒物は、吸水性樹脂微粉(2)に含まれていた界面活性剤1500ppmに加え、製造例9で加えた界面活性剤2200ppmにより、界面活性剤を吸水性樹脂の一次粒子に比べて2200ppm多く含む。
製造例1で得られた粒子状含水ゲル(1)と製造例7で得られた微粉造粒物(2)とを質量比85/15(固形分比で約83/17)となるように混合して、含水ゲル混合物(8)を得た。この含水ゲル混合物(8)を、粒子状含水ゲル(1)に代えて用いた以外は、製造例2と同様にして、乾燥重合体(12)及び吸水性樹脂粉末(12)を得た。なお、上記混合直前の粒子状含水ゲル(1)と微粉造粒物(2)の温度は加熱により、夫々95℃、60℃であった。
ここで、吸水性樹脂粉末(12)は、粒子状含水ゲル(1)に由来する吸水性樹脂の一次粒子83%および、接着制御剤を未添加の微粉造粒物(2)に由来する吸水性樹脂造粒粒子17%からなる吸水性樹脂粉末であり、吸水性樹脂造粒粒子は吸水性樹脂の一次粒子に対して同等量の界面活性剤を含む。
製造例1で得られた粒子状含水ゲル(1)と製造例11で得られた微粉造粒物(6)とを質量比85/15(固形分比で約83/17)となるように混合して、含水ゲル混合物(9)を得た。この含水ゲル混合物(9)を、粒子状含水ゲル(1)に代えて用いた以外は、製造例2と同様にして、乾燥重合体(13)及び吸水性樹脂粉末(13)を得た。なお、上記混合直前の粒子状含水ゲル(1)と微粉造粒物(6)の温度は加熱により、夫々95℃、60℃であった。
ここで、吸水性樹脂粉末(13)は、粒子状含水ゲル(1)に由来する吸水性樹脂の一次粒子83%および、接着制御剤未添加の微粉造粒物(6)に由来する吸水性樹脂造粒粒子17%からなる吸水性樹脂粉末であり、吸水性樹脂微粉造粒物には追加の接着制御剤を含まない。
製造例3で得られた乾燥重合体(2)及び吸水性樹脂粉末(2)を、参考例2とした。参考例2は、乾燥工程に微粉造粒物を回収しなかった製造方法であり、実施例3-6並びに比較例3及び4の基準品である。参考例2、実施例3-6並びに比較例3及び4の結果を、表2にまとめて示す。
製造例1で得られた粒子状含水ゲル(1)と製造例6で得られた微粉造粒物(1)とを質量比85/15(固形分比で約83/17)となるように混合して、含水ゲル混合物(3)を得た。この含水ゲル混合物(3)を、粒子状含水ゲル(1)に代えて用いた以外は、製造例3と同様にして、乾燥重合体(7)及び吸水性樹脂粉末(7)を得た。なお、上記混合直前の粒子状含水ゲル(1)と微粉造粒物(1)の温度は加熱により、夫々95℃、60℃であった。
ここで、吸水性樹脂粉末(7)は、粒子状含水ゲル(1)に由来する吸水性樹脂の一次粒子83%および、接着制御剤を含む微粉造粒物(1)に由来する吸水性樹脂造粒粒子15%からなる吸水性樹脂粉末である。吸水性樹脂微粉造粒物は、吸水性樹脂微粉(1)に含まれていた界面活性剤1500ppmに加え、製造例6で加えた界面活性剤2200ppmにより、界面活性剤を吸水性樹脂の一次粒子に比べて2200ppm多く含む。
製造例1で得られた粒子状含水ゲル(1)と製造例8で得られた微粉造粒物(3)とを質量比85/15(固形分比で約83/17)となるように混合して、含水ゲル混合物(4)を得た。この含水ゲル混合物(4)を、粒子状含水ゲル(1)に代えて用いた以外は、製造例3と同様にして、乾燥重合体(8)及び吸水性樹脂粉末(8)を得た。なお、上記混合直前の粒子状含水ゲル(1)と微粉造粒物(3)の温度は加熱により、夫々95℃、60℃であった。
ここで、吸水性樹脂粉末(8)は、粒子状含水ゲル(1)に由来する吸水性樹脂の一次粒子83%および、接着制御剤を含む微粉造粒物(3)に由来する吸水性樹脂造粒粒子17%からなる吸水性樹脂粉末である。吸水性樹脂微粉造粒物は、吸水性樹脂微粉(2)に含まれていた界面活性剤1500ppmに加え、製造例8で加えた界面活性剤800ppmにより、界面活性剤を吸水性樹脂の一次粒子に比べて800ppm多く含む。
製造例1で得られた粒子状含水ゲル(1)と製造例9で得られた微粉造粒物(4)とを質量比85/15(固形分比で約83/17)となるように混合して、含水ゲル混合物(5)を得た。この含水ゲル混合物(5)を、粒子状含水ゲル(1)に代えて用いた以外は、製造例3と同様にして、乾燥重合体(9)及び吸水性樹脂粉末(9)を得た。なお、上記混合直前の粒子状含水ゲル(1)と微粉造粒物(4)の温度は加熱により、夫々95℃、60℃であった。
ここで、吸水性樹脂粉末(9)は、粒子状含水ゲル(1)に由来する吸水性樹脂の一次粒子83%および、接着制御剤を含む微粉造粒物(4)に由来する吸水性樹脂造粒粒子17%からなる吸水性樹脂粉末である。吸水性樹脂微粉造粒物は、吸水性樹脂微粉(2)に含まれていた界面活性剤1500ppmに加え、製造例9で加えた界面活性剤2200ppmにより、界面活性剤を吸水性樹脂の一次粒子に比べて2200ppm多く含む。
製造例1で得られた粒子状含水ゲル(1)と製造例10で得られた微粉造粒物(5)とを質量比85/15(固形分比で約83/17)となるように混合して、含水ゲル混合物(6)を得た。この含水ゲル混合物(6)を、粒子状含水ゲル(1)に代えて用いた以外は、製造例3と同様にして、乾燥重合体(10)及び吸水性樹脂粉末(10)を得た。なお、上記混合直前の粒子状含水ゲル(1)と微粉造粒物(5)の温度は加熱により、夫々95℃、60℃であった。
ここで、吸水性樹脂粉末(10)は、粒子状含水ゲル(1)に由来する吸水性樹脂の一次粒子83%および、接着制御剤を含む微粉造粒物(5)に由来する吸水性樹脂造粒粒子17%からなる吸水性樹脂粉末である。吸水性樹脂微粉造粒物は、吸水性樹脂微粉(2)に含まれていた界面活性剤1500ppmに加え、製造例10で加えた界面活性剤5000ppmにより、界面活性剤を吸水性樹脂の一次粒子に比べて5000ppm多く含む。
製造例1で得られた粒子状含水ゲル(1)と製造例7で得られた微粉造粒物(2)とを質量比85/15(固形分比で約83/17)となるように混合して、含水ゲル混合物(10)を得た。この含水ゲル混合物(10)を、粒子状含水ゲル(1)に代えて用いた以外は、製造例3と同様にして、乾燥重合体(14)及び吸水性樹脂粉末(14)を得た。なお、上記混合直前の粒子状含水ゲル(1)と微粉造粒物(2)の温度は加熱により、夫々95℃、60℃であった。
ここで、吸水性樹脂粉末(14)は、粒子状含水ゲル(1)に由来する吸水性樹脂の一次粒子83%および、接着制御剤を含まない微粉造粒物(2)に由来する吸水性樹脂造粒粒子17%からなる吸水性樹脂粉末である。吸水性樹脂微粉造粒物は、界面活性剤を吸水性樹脂の一次粒子と同程度含む。
製造例1で得られた粒子状含水ゲル(1)と製造例11で得られた微粉造粒物(6)とを質量比85/15(固形分比で約83/17)となるように混合して、含水ゲル混合物(11)を得た。この含水ゲル混合物(11)を、粒子状含水ゲル(1)に代えて用いた以外は、製造例3と同様にして、乾燥重合体(15)及び吸水性樹脂粉末(15)を得た。なお、上記混合直前の粒子状含水ゲル(1)と微粉造粒物(6)の温度は加熱により、夫々95℃、60℃であった。
ここで、吸水性樹脂粉末(15)は、粒子状含水ゲル(1)に由来する吸水性樹脂の一次粒子83%および、接着制御剤を含まない微粉造粒物(6)に由来する吸水性樹脂造粒粒子17%からなる吸水性樹脂粉末である。吸水性樹脂微粉造粒物は、界面活性剤を吸水性樹脂の一次粒子と同程度含む。
製造例3で得られた乾燥重合体(2)及び製造例4で得られた吸水性樹脂粉末(3)を、参考例3とした。参考例3は、乾燥工程に微粉造粒物を回収しなかった製造方法であり、実施例7及び比較例5の基準品である。参考例3、実施例7及び比較例5の結果を、表3にまとめて示す。
製造例1で得られた粒子状含水ゲル(1)と製造例9で得られた微粉造粒物(4)とを質量比85/15(固形分比で約83/17)となるように混合して、含水ゲル混合物(7)を得た。この含水ゲル混合物(7)を、粒子状含水ゲル(1)に代えて用いた以外は、製造例3と同様にして、乾燥重合体(11)を得た。続いて、製造例4の粉砕工程と同様にして、吸水性樹脂粉末(11)を得た。なお、上記混合直前の粒子状含水ゲル(1)と微粉造粒物(4)の温度は加熱により、夫々95℃、60℃であった。
ここで、吸水性樹脂粉末(11)は、粒子状含水ゲル(1)に由来する吸水性樹脂の一次粒子83%および、接着制御剤を含む微粉造粒物(4)に由来する吸水性樹脂造粒粒子17%からなる吸水性樹脂粉末である。吸水性樹脂微粉造粒物は、吸水性樹脂微粉(2)に含まれていた界面活性剤1500ppmに加え、製造例9で加えた界面活性剤2200ppmにより、界面活性剤を吸水性樹脂の一次粒子に比べて2200ppm多く含む。
製造例1で得られた粒子状含水ゲル(1)と製造例11で得られた微粉造粒物(6)とを質量比85/15(固形分比で約83/17)となるように混合して、含水ゲル混合物(12)を得た。この含水ゲル混合物(12)を、粒子状含水ゲル(1)に代えて用いた以外は、製造例3と同様にして、乾燥重合体(16)を得た。続いて、製造例4の粉砕工程と同様にして、吸水性樹脂粉末(16)を得た。なお、上記混合直前の粒子状含水ゲル(1)と微粉造粒物(6)の温度は加熱により、夫々95℃、60℃であった。
ここで、吸水性樹脂粉末(16)は、粒子状含水ゲル(1)に由来する吸水性樹脂の一次粒子83%および、接着制御剤を含まない微粉造粒物(6)に由来する吸水性樹脂造粒粒子17%からなる吸水性樹脂粉末である。吸水性樹脂微粉造粒物は、界面活性剤を吸水性樹脂の一次粒子と同程度含む。
製造例5で得られた乾燥重合体(4)及び吸水性樹脂粉末(4)を、参考例4とした。参考例4は、乾燥工程に微粉造粒物を回収しなかった製造方法であり、実施例8及び比較例6の基準品である。参考例4、実施例8及び比較例6の結果を、表4にまとめて示す。
製造例1で得られた粒子状含水ゲル(1)と製造例9で得られた微粉造粒物(4)とを質量比85/15(固形分比で約83/17)となるように混合して、含水ゲル混合物(13)を得た。この含水ゲル混合物(13)を、粒子状含水ゲル(1)に代えて用いた以外は、製造例5と同様にして、乾燥重合体(17)及び吸水性樹脂粉末(17)を得た。なお、上記混合直前の粒子状含水ゲル(1)と微粉造粒物(4)の温度は加熱により、夫々95℃、60℃であった。
ここで、吸水性樹脂粉末(17)は、粒子状含水ゲル(1)に由来する吸水性樹脂の一次粒子83%および、接着制御剤を含む微粉造粒物(4)に由来する吸水性樹脂造粒粒子17%からなる吸水性樹脂粉末である。吸水性樹脂微粉造粒物は、吸水性樹脂微粉(2)に含まれていた界面活性剤1500ppmに加え、製造例9で加えた界面活性剤2200ppmにより、界面活性剤を吸水性樹脂の一次粒子に比べて2200ppm多く含む。
製造例1で得られた粒子状含水ゲル(1)と製造例11で得られた微粉造粒物(6)とを質量比85/15(固形分比で約83/17)となるように混合して、含水ゲル混合物(14)を得た。この含水ゲル混合物(14)を、粒子状含水ゲル(1)に代えて用いた以外は、製造例5と同様にして、乾燥重合体(18)及び吸水性樹脂粉末(18)を得た。なお、上記混合直前の粒子状含水ゲル(1)と微粉造粒物(6)の温度は加熱により、夫々95℃、60℃であった。
ここで、吸水性樹脂粉末(18)は、粒子状含水ゲル(1)に由来する吸水性樹脂の一次粒子83%および、接着制御剤を含まない微粉造粒物(6)に由来する吸水性樹脂造粒粒子17%からなる吸水性樹脂粉末である。吸水性樹脂微粉造粒物は、界面活性剤を吸水性樹脂の一次粒子と同程度含む。
製造例3で得られた乾燥重合体(2)及び吸水性樹脂粉末(2)を、参考例2とした。参考例2は、ゲル粉砕工程に微粉造粒物を回収しなかった製造方法であり、実施例9及び比較例7の基準品である。参考例2、実施例9及び比較例7の結果を表5にまとめて示す。
製造例1で得られた短冊状の含水ゲル(1b)と製造例9で得られた微粉造粒物(4)とを質量比85/15(固形分比で約85/15)となるように混合して、含水ゲル混合物(15)を得た。この含水ゲル混合物(15)と、3.1質量%ラウリルジメチルアミノ酢酸ベタイン水溶液、水及び0.6MPaの水蒸気を、同時にスクリュー押出機に供給しながらゲル粉砕を行った。ラウリルジメチルアミノ酢酸ベタイン水溶液の供給量は、含水ゲル混合物(15)の固形分に対してラウリルジメチルアミノ酢酸ベタインが0.15質量%となるようにした。該スクリュー押出機として、スクリュー軸の外径が86mmであり、先端部に直径100mm、孔径8.0mm、厚さ10mmの多孔板が備えられたミートチョッパーを使用し、ゲル粉砕(第1ゲル粉砕)を行った。次に、孔径4.7mmの多孔板に変更して、第1ゲル粉砕で得られた粉砕ゲルをさらにゲル粉砕(第2ゲル粉砕)した。得られた粒子状含水ゲル(2)は、固形分率が45質量%(含水率が55質量%)、固形分換算の平均粒子径d1が125μm、粒子径150μm未満の粒子の割合が約54質量%であった。得られた粒子状含水ゲル(2)を、粒子状含水ゲル(1)に代えて用いた以外は、製造例3と同様にして、乾燥重合体(19)及び吸水性樹脂粉末(19)を得た。なお、上記混合直前の短冊状含水ゲル(1b)と微粉造粒物(4)の温度は加熱により、いずれも60℃であった。
ここで、吸水性樹脂粉末(19)は、粒子状含水ゲル(2)に由来する吸水性樹脂の一次粒子85%および、接着制御剤を含む微粉造粒物(4)に由来する吸水性樹脂微粉造粒物15%からなる吸水性樹脂粉末であり、吸水性樹脂造粒粒子には製造例9で加えた接着制御剤(濃度0.253%)に由来するラウリルジメチルアミノベタインを吸水性樹脂の一次粒子に比べて追加で2200ppm含む。
製造例1で得られた短冊状の含水ゲル(1b)と製造例11で得られた微粉造粒物(6)とを質量比85/15(固形分比で約85/15)となるように混合して、含水ゲル混合物(16)を得た。この含水ゲル混合物(16)と、3.1質量%ラウリルジメチルアミノ酢酸ベタイン水溶液、水及び0.6MPaの水蒸気を、同時にスクリュー押出機に供給しながらゲル粉砕を行った。ラウリルジメチルアミノ酢酸ベタイン水溶液の供給量は、含水ゲル混合物(16)の固形分に対して0.15質量%であった。該スクリュー押出機として、スクリュー軸の外径が86mmであり、先端部に直径100mm、孔径8.0mm、厚さ10mmの多孔板が備えられたミートチョッパーを使用し、ゲル粉砕(第1ゲル粉砕)を行った。次に、孔径4.7mmの多孔板に変更して、第1ゲル粉砕で得られた粉砕ゲルをさらにゲル粉砕(第2ゲル粉砕)した。得られた粒子状含水ゲル(3)は、固形分率が45質量%(含水率が55質量%)、固形分換算の平均粒子径d1が128μm、粒子径150μm未満の粒子の割合が約54質量%であった。得られた粒子状含水ゲル(3)を、粒子状含水ゲル(1)に代えて用いた以外は、製造例3と同様にして、乾燥重合体(20)及び吸水性樹脂粉末(20)を得た。なお、上記混合直前の短冊状含水ゲル(1b)と微粉造粒物(6)の温度は加熱により、いずれも60℃であった。
(重合工程)
アクリル酸、48.5質量%の水酸化ナトリウム水溶液、ポリエチレングリコールジアクリレート(PEGDA、平均分子量:523)及び脱イオン水を混合し、得られた混合液の温度を90℃に保った。続いて、当該混合液を攪拌しながら、3質量%の過硫酸ナトリウム(NaPS)水溶液を添加することで、単量体水溶液とした。当該単量体水溶液は、単量体濃度が43質量%、中和率が71モル%、PEGDA濃度が0.07モル%(対単量体)、NaPS濃度が0.05モル%(対単量体)であった。
前記過硫酸ナトリウム水溶液の添加後直ぐに重合反応が開始し、3分後には帯状の含水ゲル(2a)を得た。
前記重合工程で得られた帯状の含水ゲル(2a)は、ミートチョッパーを用いてゲル粉砕された。なお、帯状の含水ゲル(2a)をミートチョッパーに投入する際、温度が80℃の温水を添加した。また、ミートチョッパーの排出口の先端には孔径が7.5mmの多孔板を設置した。製造例1におけるゲル粉砕後の含水ゲル(以下、「粒子状含水ゲル(4)」という)は、質量平均粒子径(D50)が1.7mmであり、含水率は53質量%であった。
前記ゲル粉砕工程で得られた粒子状含水ゲル(4)は、目開き20メッシュの金網上に平均の厚みが5cmとなるように積層し、通気乾燥機(サタケ化学機械工業(株)製:品番 71-S6)を用いて乾燥した。乾燥条件は190℃の熱風を20分間通気させることで乾燥し、乾燥重合体(21)とした。当該乾燥は問題なく終了し、乾燥重合体中に未乾燥物は見られなかった。乾燥重合体の含水率は5質量%であった。なお、本実施例で用いた通気乾燥機は、通気バンド乾燥機とはバッチ式と連続式の違い以外の乾燥挙動はほぼ同じであるため、本結果は通気バンド乾燥機にも適用できる。
前記乾燥工程で得られた乾燥重合体(21)は、ロールミルで粉砕した後、目開きが850μm及び150μmの2種類の篩を用いて分級した。目開き850μmの篩上に残留した乾燥重合体は、その全量が目開き850μmの篩を通過するまで、粉砕及び分級を繰り返した。この操作によって、目開き150μmの篩上に残留した粉末上の表面架橋前の吸水性樹脂粉末(21)と、目開き150μmの篩を通過した微粉(3)を得た。
エチレンカーボネート0.3質量部、プロピレングリコール0.5質量部及び脱イオン水2.7質量部からなる表面架橋剤水溶液を作成した。前記表面架橋前の吸水性樹脂(21)100質量部を攪拌しながら、当該表面架橋剤水溶液3.5質量部を噴霧して混合した。その後、得られた混合物を200℃で40分間、熱処理することで表面架橋をした。
続いて、攪拌冷却しながら、27質量%の硫酸アルミニウム水溶液1質量部、60質量%の乳酸ナトリウム水溶液0.2質量部からなる添加剤水溶液を添加して、表面架橋後の吸水性樹脂粉末(21)とした。
前記操作で得られた表面架橋後の吸水性樹脂(21)を目開きが850μm及び150μmの2種類の篩を用いて分級した。目開き850μmの篩上に残留した凝集体状の吸水性樹脂は、その全量が目開き850μmの篩を通過するまで、凝集を解し、分級を繰り返した。この操作によって、目開き150μmの篩上に残留した吸水性樹脂(21)と、目開き150μmの篩を通過した微粉(4)を得た。
[製造例13]
製造例12で得られた微粉(5)60gを75℃に加熱した後、オーブンで80℃に加熱しておいたフードカッターで微粉(5)を攪拌しながら3秒で82℃の脱イオン水を28g添加し、続いて2秒で25℃の0.1質量%ポリオキシエチレンソルビタンモノステアラート(TWEEN60)水溶液12g、すなわち、微粉(5)に対しポリオキシエチレンソルビタンモノステアラート200ppmを添加して微粉造粒した。得られた微粉造粒物(7)の固形分率は60質量%であった。
製造例12で得られた微粉(5)60gを78℃に加熱した後、オーブンで80℃に加熱しておいたフードカッターで微粉(5)を攪拌しながら4秒で79℃の水を28g添加し、続いて2秒で25℃の1質量%ラウリルジメチルアミノ酢酸ベタイン水溶液6g、すなわち、微粉(5)に対しラウリルジメチルアミノ酢酸ベタイン1000ppmを添加して微粉造粒した。得られた微粉造粒物(8)の固形分率は60質量%であった。
製造例(13)で得られた微粉造粒物(7)80gを、配管又はバケットコンベアを想定した円筒型プラスチック容器(直径:8cm)に入れて輸送し、前記微粉(5)と脱イオン水を混合し始めた時点、すなわち、造粒開始から2.5分経過後に製造例12で得られた粒子状含水ゲル(4)360gに加えた。なお、前記モルタルミキサーで混合する直前の微粉造粒物(7)及び粒子状含水ゲル(4)の温度は、それぞれ67℃、55℃であった。その後すぐに、容器を80℃に加熱しておいたモルタルミキサー(西日本試験機社製)で10秒間混合し、含水ゲル混合物(17)を得た。
その後、含水ゲル混合物(17)を目開き20メッシュの金網上に積層し、製造例12と同じ通気乾燥機を用いて乾燥した。乾燥条件は熱風温度が190℃であり、乾燥時間は20分間であった。また、金網上の平均厚みは5cmであった。当該乾燥は問題なく終了し、乾燥重合体(22)中に未乾燥物はなかった。乾燥重合体(22)の含水率は5質量%であった。なお、この乾燥工程は製造例12の乾燥工程を模擬したものであり、製造例12と同一条件とした。
前記乾燥工程で得られた乾燥重合体(22)について、製造例12の粉砕工程と同様の操作を行って吸水性樹脂粉末(22)を製造した。吸水性樹脂粉末(22)は、目開き150μmの篩を通過した粒子の割合(150pass率)が9.5質量%であった。
ここで、吸水性樹脂粉末(22)は、粒子状含水ゲル(1)に由来する吸水性樹脂の一次粒子78%および、接着制御剤を含む微粉造粒物(7)に由来する吸水性樹脂造粒粒子22%からなる吸水性樹脂粉末であり、吸水性樹脂微粉造粒物には製造例13で加えた接着制御剤に由来するポリオキシエチレンソルビタンモノステアラートを吸水性樹脂の一次粒子に比べて追加で200ppm含む。
実施例10において、微粉造粒物(7)から微粉造粒物(8)に変更した以外は実施例10と同様に操作して、含水ゲル混合物(18)、乾燥重合体(23)、および、吸水性樹脂粉末(23)を得た。吸水性樹脂粉末(23)は、目開き150μmの篩を通過した粒子の割合(150pass率)が9.2質量%であった。なお、前記モルタルミキサーで混合する直前の微粉造粒物(8)及び粒子状含水ゲル(4)の温度は、それぞれ65℃、55℃であった。
ここで、吸水性樹脂粉末(23)は、粒子状含水ゲル(1)に由来する吸水性樹脂の一次粒子78%および、接着制御剤を含む微粉造粒物(8)に由来する吸水性樹脂造粒粒子22%からなる吸水性樹脂粉末であり、吸水性樹脂微粉造粒物には製造例14で加えた接着制御剤に由来するラウリルジメチルアミノベタインを吸水性樹脂の一次粒子に比べて追加で1000ppm含む。
製造例9において、接着制御剤水溶液の有効成分濃度を1.15質量%とし、接着制御剤の添加量を、微粉(2)の固形分に対して5000ppmとした以外は、製造例6と同様にして、微粉造粒物(9)を得た。微粉造粒物(9)は、固形分率64質量%であった。
製造例1で得られた95℃の粒子状含水ゲル(1)(固形分率44重量%)と製造例15で得られた60℃の微粉造粒物(9)(固形分率64質量%)とを質量比85/15(固形分比で約80/20)となるように混合して、含水ゲル混合物(19)を得た。この含水ゲル混合物(19)を、粒子状含水ゲル(1)に代えて用いた以外は、製造例3と同様にして、乾燥重合体(24)及び吸水性樹脂粉末(24)を得た。
乾燥重合体(24)は、目開き2800μmの篩未通過の粒子の割合(2800on率)が8.2質量%であり、基準品である参考例2との差であるΔ2800on率が0.8質量%であった。吸水性樹脂粉末(24)は、目開き150μmの篩を通過した粒子の割合(150pass率)が12.1質量%であり、基準品である参考例2との差であるΔ150pass率が1.3質量%であった。なお、吸水性樹脂粉末(24)の固形分率は98.3質量%、質量平均粒子径(d2)は343μmである。
ここで、吸水性樹脂粉末(24)は、粒子状含水ゲル(1)に由来する吸水性樹脂の一次粒子80%および、接着制御剤を含む微粉造粒物(9)に由来する吸水性樹脂微粉造粒物20%からなる吸水性樹脂粉末である。吸水性樹脂微粉造粒物には、吸水性樹脂微粉(2)に含まれていた界面活性剤1500ppmに加え、製造例15で加えた界面活性剤を5000ppm加えたことにより、界面活性剤を吸水性樹脂の一次粒子に比べて追加で5000ppm含む。
表1において、微粉(1)に接着制御剤を添加して造粒した微粉造粒物(1)を回収して、粒子状含水ゲル(1)とともに通気バンド式乾燥機で乾燥し、粉砕工程を経て得られた実施例1のΔ150pass率は、接着制御剤を添加せずに造粒した微粉造粒物(2)を用いた比較例1のΔ150pass率より小さい。実施例1と比較例1との対比から、微粉発生量低減のために、接着制御剤の添加が重要であることがわかる。
表1において、微粉(2)に接着制御剤を添加して造粒した微粉造粒物(4)を回収して、粒子状含水ゲル(1)とともに通気バンド式乾燥機で乾燥し、粉砕工程を経て得られた実施例2のΔ150pass率は、接着制御剤を添加せずに造粒した微粉造粒物(6)を用いた比較例2のΔ150pass率より小さい。実施例2と比較例2との対比から、微粉発生量低減のために、接着制御剤の添加が重要であることがわかる。
さらに、本発明のおいて得られた吸水性樹脂粉末は、吸水性樹脂一次粒子および接着制御剤を含む吸水性樹脂微粉造粒物からなる吸水性樹脂粉末であり、機械的ダメージに比較的弱い微粉造粒物に接着制御剤(界面活性剤)が添加(含水ゲルの乾燥物に由来する吸水性樹脂一次粒子より多く添加)されているため、吸水性樹脂微粉造粒物を含む吸水性樹脂粉末としても機械的ダメージにも強く、また粉体流動性もよい。
Claims (14)
- 酸基含有不飽和単量体を主成分として得られる粒子状含水ゲル状架橋重合体を乾燥して乾燥重合体を得る乾燥工程と、
吸水性樹脂からなる微粉にバインダーと接着制御剤を添加して、微粉造粒物を得る微粉造粒工程と、を含んでおり、
上記バインダーとして水蒸気を添加し、
上記接着制御剤を水溶液として添加し、
上記接着制御剤の添加量が、上記微粉に対して、固形分換算で0.02~1.0質量%であり、
上記微粉造粒物を、上記乾燥工程又は上記乾燥工程前のいずれかの工程に回収する吸水性樹脂粉末の製造方法。 - 上記接着制御剤が界面活性剤である請求項1に記載の製造方法。
- 上記乾燥工程における乾燥方法が攪拌乾燥である請求項1または2に記載の製造方法。
- 上記微粉の主成分が、ポリ(メタ)アクリル酸(塩)系架橋重合体であり、
上記微粉の質量平均粒子径が、150μm未満である請求項1から3のいずれかに記載の製造方法。 - 上記粒子状含水ゲル状架橋重合体及び/又は乾燥重合体を表面架橋する表面架橋工程と、
上記乾燥重合体及び/又は表面架橋された乾燥重合体の粒度を調整する整粒工程と、をさらに有しており、
上記微粉が、上記整粒工程において得られる請求項1から4のいずれかに記載の製造方法。 - 上記微粉造粒物が、表面架橋された微粉を含んでいる請求項1から5のいずれかに記載の製造方法。
- 上記微粉に対して、上記水蒸気を、単位時間当たり1質量%以上100質量%以下添加する請求項1から6のいずれかに記載の製造方法。
- 上記微粉造粒物の固形分率が30質量%以上80質量%以下である請求項1から7のいずれかに記載の製造方法。
- 上記乾燥工程において、通気加熱式、外壁加熱式及び管状加熱式から選択される1又は2以上の加熱手段を有する攪拌乾燥機を用いる請求項1から8のいずれかに記載の製造方法。
- 上記乾燥工程における攪拌乾燥機内部の雰囲気露点が60~100℃である請求項9に記載の製造方法。
- 上記微粉造粒物が回収される上記乾燥工程又は上記乾燥工程前のいずれかの工程において、上記微粉造粒物、及び上記粒子状含水ゲル状架橋重合体の温度が50℃以上、100℃以下である請求項1~10のいずれかに記載の製造方法。
- 請求項1から11のいずれかに記載の製造方法により得られる吸水性樹脂粉末であって、
前記吸水性樹脂粉末は接着制御剤を含む吸水性樹脂微粉造粒物を含有し、
前記接着制御剤は界面活性剤である吸水性樹脂粉末。 - 前記吸水性樹脂微粉造粒物中の界面活性剤量が前記吸水性樹脂粉末中の界面活性剤の平均量よりも多いものである請求項12に記載の吸水性樹脂粉末。
- 前記吸水性樹脂粉末に含まれる粒子径150μm未満の粒子の割合は15質量%以下である請求項12または13に記載の吸水性樹脂粉末。
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