用于生产超吸收性聚合物的聚合反应器的制作方法

1.对相关申请的交叉引用
2.本技术要求于2020年10月15日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请no.10-2020-0133710的权益，其公开内容通过引用整体并入本文。
3.本公开涉及用于生产超吸收性聚合物的聚合反应器。


背景技术：

4.超吸收性聚合物(sap)是一种能够吸收其自身重量约500至1000倍的水分的合成聚合物材料。各制造商已经将其命名为不同的名称，例如sam(超吸收性材料)、agm(吸收性凝胶材料)等。由于这种超吸收性聚合物开始实际应用于卫生产品中，现在它们不仅广泛用于卫生产品例如儿童用一次性尿布等，而且还广泛用于园艺用保水土壤产品，土木工程和建筑用止水材料，育苗用片材，食品分配领域用保鲜剂，膏药用材料等。
5.作为这种超吸收性聚合物的生产方法，通过反相悬浮聚合的方法和通过水溶液聚合的方法是已知的。反相悬浮聚合方法公开于例如日本未审专利公开no.56-161408(jps56161408a；1981.12.11)、57-158209(jps57158209a；1982.09.30)和57-198714(jps57198714a；1982.12.06)等中。
6.通过水溶液聚合的方法还包括热聚合方法和光聚合方法，在热聚合方法中，水凝胶状聚合物在配备有多个螺杆的捏合机中破碎和冷却的同时进行聚合，在光聚合方法中，用uv射线照射在带上的高浓度的水溶液以同时进行聚合和干燥。
7.这种超吸收性聚合物通常可通过聚合用于聚合物生产的单体，并将它们干燥和粉碎而制成粉末产品，并且聚合单体的步骤是确定聚合物物理性质的重要步骤。
8.在超吸收性聚合物的物理性质中，快速吸收速率是重要的物理性质，并且添加化学发泡剂以增加吸收速率。
9.然而，化学发泡剂在提高所生产的超吸收性聚合物的吸收速率方面是有效的，但是由于化学发泡剂的使用，超吸收性聚合物的颗粒形状非常不规则地形成。
10.如果颗粒形状以这种方式不规则，则产生的聚合物的压碎强度在粉碎/分级过程中不稳定，因此不能获得具有所需粒径和物理性质的超吸收性聚合物。


技术实现要素：

11.[技术问题]
[0012]
本公开的一个目的是提供一种用于生产包含气泡的超吸收性聚合物的聚合反应器，从而能够生产具有均匀颗粒形状的超吸收性聚合物同时改善吸收速率的超吸收性聚合物。
[0013]
[技术方案]
[0014]
根据本公开的一种用于生产超吸收性聚合物的聚合反应器，其包括：用于供应单体组合物溶液的组合物供应部；连接到所述组合物供应部的中心管；组合物分配部，其包
括：位于所述中心管的排出口的贮水罐，与所述贮水罐连接的分配管，以及安装在所述贮水罐内的超声波装置；传送带，所述传送带位于所述组合物分配部下方并且所述组合物溶液滴落在所述传送带上；和能量供应部，其用于向所述传送带上的所述组合物溶液供应聚合能量，其中，所述超声波装置向流入所述贮水罐的所述组合物溶液供应气泡。
[0015]
所述分配管可包括多个排出口，这些排出口向所述传送带排出所述组合物溶液，并且沿着所述传送带的宽度以规则的间隔布置。
[0016]
所述分配管的排出口以所述贮水罐为基准可对称地设置在两侧。
[0017]
所述组合物溶液可填充所述贮水罐，然后从罐中溢出并流到所述分配管。
[0018]
所述中心管的位置可对应于所述贮水罐的中心。
[0019]
所述分配管的位置可低于所述贮水罐侧壁的端部。
[0020]
所述分配管可向所述贮水罐的侧壁倾斜。
[0021]
所述组合物供应部可还包括原料供应部、溶剂供应部和单体组合物混合部。
[0022]
所述能量供应部可供应光能。
[0023]
[有益效果]
[0024]
本公开的聚合反应器通过超声波发生器而在组合物溶液中充分地包含细气泡，从而能够省略或减少向组合物溶液中添加发泡剂的步骤。
[0025]
此外，聚合反应器均匀地包含细气泡，由此超吸收性聚合物的颗粒形状也均匀地形成，并且降低了由发泡剂引起的物理性质和粉末的量的不均匀性，从而提供高质量的超吸收性聚合物。
附图说明
[0026]
图1是示意性地示出根据本公开的一个实施方式的用于生产超吸收性聚合物的聚合反应器的图。
[0027]
图2和图3是示意性地示出根据本公开的一个实施方式的聚合反应器的组合物分配部的图。
[0028]
图4是用于说明图3所示的组合物分配部中的组合物溶液流动的视图。
[0029]
图5和图6是根据本公开的另一个实施方式的用于生产超吸收性聚合物的聚合反应器的一部分的放大视图。
[0030]
《附图标记说明》
[0031]
11,12,13:原料供应部 32：溶剂供应部
[0032]
34:组合物混合部
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40：组合物分配部
[0033]
41:中心管道
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43：分配管
[0034]
45:排出口
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47：贮水罐
[0035]
49:超声波发生器
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50：传送带
[0036]
55:单体组合物
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60：聚合能量供应部
[0037]
100:聚合反应器
具体实施方式
[0038]
在下文中，将参照附图详细描述本公开的实施方式，使得本领域技术人员可以容
易地实施它们。本公开的实施方式可以以各种不同的方式修改，并且不限于这里阐述的实施方式。
[0039]
下面，将参照附图详细描述本公开的实施方式。
[0040]
图1是示意性地示出根据本公开的一个实施方式的用于生产超吸收性聚合物的聚合反应器的图。
[0041]
如图1所示，根据本公开的一个实施方式的聚合反应器100包括用于供应聚合用原料的组合物供应部30、组合物分配部40、传送带50和能量供应部60。
[0042]
组合物供应部30包括用于供应超吸收性聚合物的原料的多个原料供应部11、12和13，用于供应溶剂的溶剂供应部32，和用于混合原料和溶剂的单体组合物混合单元34。
[0043]
超吸收性聚合物的原料可为例如单体，用于中和单体的碱性化合物，光聚合引发剂，交联剂和各种添加剂，并且溶剂不受限制，只要其为能够溶解原料的液体即可。在附图中，仅示出了三个原料供应部11、12和13，但是本发明不限于此，并且可以根据原料的数量进行各种修改。此外，溶剂可以通过溶剂供应部32单独供应。
[0044]
超吸收性聚合物的原料和溶剂在单体组合物混合部34中均匀混合，以制备单体组合物溶液，然后通过组合物分配部40将其排出到传送带50上。
[0045]
组合物分配部40将在单体组合物混合部34中混合的单体组合物均匀地排出到传送带50上。
[0046]
将从单体组合物混合部34混合的组合物供应到组合物分配部40的上部，并在通过重力下落的同时排出到组合物分配部40的下部，使得组合物可以排出到传送带50上。
[0047]
图2和图3是示意性地示出根据本公开的一个实施方式的聚合反应器的组合物分配部的图，图4是用于解释图3中所示的组合物分配部中的组合物溶液流的图，并且图5和图6是根据本公开的另一个实施方式的用于生产超吸收性聚合物的聚合反应器的一部分的放大图。
[0048]
参考图2和3，组合物分配部40包括中心管41和连接到中心管41的分配管43。
[0049]
中心管41具有在重力方向上延长的管状形状，并且可以垂直于传送带50的上表面安装。组合物混合部34可以连接到中心管41的上部(参见图1)，分配管43可以连接到中心管的下部，组合物溶液通过该分配管排出。
[0050]
分配管43连接到中心管41的下部，并且可与中心管41连通。中心管41可以是分配管43的长度被二等分的点。
[0051]
也就是说，中心管41可以连接到分配管43的中心，使得可以相对于分配管43的中心将组合物溶液均匀地供应到两侧。
[0052]
分配管43具有在传送带50的宽度(w)方向上延长的管状形状，其中多个排出口45可形成在分配管43面向传送带50的一侧。排出口45可以沿传送带50的宽度(w)方向以规则的间隔布置。
[0053]
同时，贮水罐47可以连接到分配管43的中心，并且通过中心管41滴落的组合物溶液滴落到贮水罐47中。此时，分配管43的排出口45可以相对于储水罐47位于两侧，并且可以相对于储水罐47对称地布置。
[0054]
将组合物溶液滴入贮水罐47中并填充贮水罐47，连续供应的组合物溶液从贮水罐47溢出并流到两侧的分配管43。
[0055]
超声波发生器49可安装在贮水罐47内，超声波发生器49用于产生气泡。由超声波发生器49产生的气泡以包含在组合物溶液中的状态从贮水罐47溢出，并被输送到分配管43。
[0056]
超声波发生器49位于贮水槽47的中心，使得产生的气泡不偏向贮水槽的任一侧，并且在组合物溶液中包含均匀的微泡。由于当超声波发生器49偏向任一侧时产生的气泡，供应到分配管43的组合物溶液的量可以变化。
[0057]
如图4所示，根据本公开，组合物溶液停留一段时间，同时通过滴落填充贮水罐47。因此，通过超声波发生器49产生的微泡以充分包含在组合物溶液中的状态移动到分配管43。此外，填充后供应的组合物溶液移动到贮水槽的下部，并且预存的组合物溶液以含有气泡的状态移动到贮水槽的上部，然后溢出贮水槽的侧壁并流到分配管43。
[0058]
此时，可以根据所需微泡的量来选择储水罐47的容量。
[0059]
如上所述，根据本公开，微泡通过超声波发生器49充分地包含在组合物溶液中，由此可以省略或减少向组合物溶液中添加发泡剂的工序。因此，可以减少由发泡剂引起的物理性质和细粉末的量的不均匀性，从而提供高质量的超吸收性聚合物。
[0060]
同时，为了容易地将从贮水罐47溢出的组合物溶液移动到分配管43并防止溶液反向流动并再次流动到贮水罐47，分配管43可连接在低于贮水罐47的侧壁4的下方，如图5所示。此外，如图6所示，其可以倾斜地连接到贮水罐的侧壁4。
[0061]
再次参考图1，传送带50是通过组合物分配部40排出组合物溶液的地方，并且当组合物溶液移动到传送带50上时发生聚合反应。
[0062]
供应到传送带50上的单体组合物溶液55根据传送带50的运动从传送带50的一端移动到另一端。如上所述，组合物溶液55在移动期间通过从能量供应部60供应的聚合能量进行交联聚合反应。
[0063]
能量供应部60用于供应单体聚合所需的光能或热能，并且可以位于传送带50的上部。
[0064]
能量供应部60的构造不受限制，只要其能够将聚合能量转移至组合物溶液55以制备超吸收性聚合物即可。然而，它可以是选自紫外线照射部、热空气供应部、微波照射部和红外线照射部中的至少一种。
[0065]
此外，在一些情况下，可以沿传送带50的纵向多个安装能量供应部60。此外，能量供应部60的安装位置可以优选为传送带50上供应组合物溶液55并引发聚合的一侧。
[0066]
聚合的片状聚合物凝胶通过聚合凝胶排出部(未示出)排出到聚合反应器的外部，并且可以在另外连接的聚合物凝胶粉碎部中进行粗粉碎。
[0067]
同时，聚合物凝胶粉碎部的构造不受限制，只要其包括能够粗粉碎片状聚合物凝胶的粉碎装置即可。
[0068]
具体而言，可例举选自立式粉碎机，涡轮切割机，涡轮研磨机，旋转式切碎机，切碎机，盘式粉碎机，打碎机，破碎机，切碎机和盘式切割机中的任一种，但它们不限于上述实例。
[0069]
此时，在粗粉碎步骤中，可将聚合凝胶粉碎为具有约2至约10mm的粒径。
[0070]
可将粗粉碎的聚合物凝胶干燥以使聚合物的水含量为约1至约5％，然后粉碎为具有约150至约850μm的粒径。
[0071]
用于粉碎干燥聚合物的粉碎装置的具体实例包括针磨机，锤磨机，螺旋磨机，辊磨机，盘式磨机，慢磨机等，但本公开不限于上述实例。
[0072]
此外，在粉碎之后获得的聚合物可以进行将聚合物根据粒径分级的分离工序。优选地，可以将粒径为约150至约850μm的聚合物分级。
[0073]
将描述根据上述本公开的实施方式的使用用于制备超吸收性聚合物的聚合反应器制备超吸收性聚合物的方法。
[0074]
本公开的用于制备超吸收性聚合物的方法包括：制备包含水溶性烯属不饱和单体、聚合引发剂和溶剂的组合物溶液的步骤；填充图2和3中所示的包括超声波发生器49的贮水罐，然后沿分配管流动以将组合物溶液供应到传送带上的步骤；以及在移动聚合反应器的传送带和组合物溶液的同时使组合物溶液经受热聚合或光聚合的步骤。
[0075]
超吸收性聚合物的原料可包括单体、用于中和单体的碱性化合物、聚合引发剂，交联剂和各种添加剂。
[0076]
单体可不受构成限制地使用，只要其为在超吸收性聚合物的制备中常用的单体即可。作为单体，可以使用选自阴离子单体及其盐、非离子亲水性单体、以及含氨基的不饱和单体及其季铵化合物中的任何一种或多种。
[0077]
具体地，优选使用选自以下化合物组成的组中的一种以上：阴离子型单体，如(甲基)丙烯酸、马来酸酐、富马酸、巴豆酸、衣康酸、2-丙烯酰乙磺酸、2-甲基丙烯酰乙磺酸、2-(甲基)丙烯酰基丙磺酸或2-(甲基)丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、以及它们的盐等；非离子型亲水性单体，如(甲基)丙烯酰胺、n-取代的(甲基)丙烯酸酯、(甲基)丙烯酸2-羟乙酯、(甲基)丙烯酸2-羟丙酯、甲氧基聚乙二醇(甲基)丙烯酸酯或聚乙二醇(甲基)丙烯酸酯等；以及含氨基的不饱和单体，如(甲基)丙烯酸(n,n)-二甲氨基乙酯、(n,n)-二甲基氨基丙基(甲基)丙烯酰胺、以及它们的季铵化合物等。
[0078]
考虑到聚合时间、反应条件等，可以适当选择和使用单体的浓度。
[0079]
碱性化合物可以不受构成限制地使用，只要它是溶解在水中以表现出碱性的化合物即可。此类碱性化合物可以选自例如碱金属氢氧化物，如氢氧化钾和氢氧化钠；氢化物，如氢化锂和氢化钠；酰胺化合物，如酰胺锂、酰胺钠和酰胺钾；醇盐化合物。如甲醇钠和甲醇钾；及其组合。
[0080]
基于单体组合物溶液的总含量，碱性化合物的含量可以为7重量％至20重量％。
[0081]
单体组合物溶液含有聚合引发剂，并且当从聚合能量供给部照射紫外线时，其可以含有光聚合引发剂，而当供给热空气时，其可以含有热聚合引发剂等。
[0082]
作为热聚合引发剂，可以使用选自由过硫酸盐类引发剂、偶氮类引发剂、过氧化物类引发剂、过氧化氢和抗坏血酸组成的组中的任意一种或多种。过硫酸盐类引发剂的具体实例可包含过硫酸钠(na2s2o8)、过硫酸钾(k2s2o8)、过硫酸铵((nh4)2s2o8)等，偶氮类引发剂的实例包括2,2-偶氮双(2-脒基丙烷)二盐酸盐)、2,2-偶氮双-(n,n-二亚甲基)异丁脒二盐酸盐、2-(氨基甲酰偶氮)异丁腈、2,2-偶氮双[2-(2-咪唑啉-2-基)丙烷]二盐酸盐、4,4-偶氮双-(4-氰基戊酸)等。在odian撰写的“principle of polymerization(wiley,1981)”第203页中详细公开了更多各种热聚合引发剂，然而，它们不限于上述示例。
[0083]
作为光聚合引发剂，可以使用选自由苯偶姻醚、二烷基苯乙酮、羟基烷基酮、乙醛酸苯酯、苄基二甲基缩酮、酰基膦和α-氨基酮组成的组中的任意一种或多种化合物。同时，
酰基膦的具体实例可包括市售的lucirin tpo，即2,4,6-三甲基-苯甲酰基-三甲基氧化膦。更多不同的光聚合引发剂充分公开在“uv coatings:basics,recent developments and new applications(elsevier,2007)”，由reinhold schwalm撰写，第115页，但是它们不限于上述示例。
[0084]
作为交联剂，选自包括己二醇二丙烯酸酯、乙二醇二丙烯酸酯、二乙二醇二丙烯酸酯、三乙二醇二丙烯酸酯、丙二醇二丙烯酸酯、二丙二醇二丙烯酸酯和三丙二醇二丙烯酸酯等二丙烯酸酯类交联剂；三丙烯酸酯类交联剂；氮丙啶类交联剂；环氧类交联剂等中的一种或两种以上的组合。
[0085]
基于单体组合物的总含量，交联剂的含量可为约0.01～约0.5重量％。
[0086]
添加剂可包括增稠剂、增塑剂、防腐稳定剂、抗氧化剂等。
[0087]
单体、碱性化合物、聚合引发剂、交联剂和添加剂可以以溶解在溶剂中的溶液的形式制备。
[0088]
在这种情况下，可以使用溶剂，对其构成没有限制，只要它可以溶解上述组分即可。例如，可以使用选自水、乙醇、乙二醇、二乙二醇、三乙二醇、1,4-丁二醇、丙二醇、乙二醇单丁醚、丙二醇单甲醚、丙二醇单甲醚乙酸酯、甲基乙基酮、丙酮、甲基戊基酮、环己酮、环戊酮、二乙二醇单甲醚、二乙二醇乙醚、甲苯、二甲苯、丁内酯、卡必醇、甲基溶纤剂乙酸酯、n,n-二甲基乙酰胺等中的一种或两种以上的组合。
[0089]
基于单体组合物的总含量，溶剂的含量可以为以上公开的组分之外的余量。
[0090]
组合物溶液从聚合反应器的组合物混合部34供应，并与通过超声波发生器产生的气泡一起通过分配管43滴落到传送带50上。
[0091]
在这种情况下，可以沿着传送带的宽度以规则的间隔以预定量供应组合物溶液。
[0092]
在根据本公开的超吸收聚合物的制备方法中，如上所述将包含气泡的组合物溶液供应至传送带，从而能够制备具有均匀颗粒形状的超吸收聚合物。
[0093]
聚合反应可以通过接收来自光照部的光例如紫外光的供应来进行。
[0094]
在进行组合物溶液的聚合之后，可通过诸如粉碎和干燥聚合所得物的工序来制备超吸收性聚合物，并且可根据用于制备超吸收性聚合物的常规方法来进行诸如粉碎和干燥等工序。
[0095]
例如，粉碎步骤中的聚合物片可以粉碎成通常为几毫米至几百毫米的尺寸。
[0096]
虽然已经参照附图中示出的实施方式描述了本公开，但是应当理解，本公开不限于此，相反，本领域技术人员可以在与本公开等同的范围内进行各种修改或其他实施方式。因此，本公开的真正保护范围应由所附权利要求限定。