Herstellung und deren Verwendung

Die Erfindung betrifft pulverformige Absorptionsmittel für Wasser und wässrige Flüssigkei¬ ten auf Basis wasserquellbarer, aber nicht wasserlöslicher Polymere. Diese vernetzten Poly¬ merisate auf Basis säuregruppenhaltiger Monomerer werden durch die Verwendung einer speziellen Kombination aus zwei Vorvernetzern und einem Nachvemetzer erhalten und zeigen bislang nicht erreichte Eigenschaftskombinationen aus hoher Retention, hoher Absorption unter Druck, niedrigen löslichen Anteile und einer schnellen Flüssigkeitsaufnahme.

Bei den kommerziell verfügbaren superabsorbierenden Polymeren handelt es sich im We¬ sentlichen um vernetzte Polyacrylsäuren oder vernetzte Stärke/Acrylsäure- Propfcopolymerisate, bei denen die Carboxylgruppen teilweise mit Natrium- und/oder Kali¬ um-Ionen neutralisiert sind.

Solche Polymere finden ihren Einsatz z.B. in Hygieneartikeln, die Körperflüssigkeiten wie z.B. Urin aufsaugen können oder in Materialien zur Umhüllung von Kabeln. Dort nehmen sie unter Quellung und Ausbildung von Hydrogelen große Mengen an wässrigen Flüssigkeiten und Körperflüssigkeiten, wie z.B. Urin oder Blut auf. Ferner ist es notwendig, daß die aufge¬ nommene Flüssigkeitsmenge unter dem anwendungstypischen Druck zurückgehalten wird. Im Zuge der technischen Weiterentwicklung der superabsorbierenden Polymere hat sich das An¬ forderungsprofil an diese Produkte über die Jahre hinweg deutlich verändert. Während in der Entwicklung der Superabsorber zunächst allein das sehr hohe Quellvermögen bei Kontakt mit Flüssigkeit im Vordergrund stand, hat sich später gezeigt, daß es nicht nur auf die Menge der absorbierten Flüssigkeit ankommt, sondern auch auf die Festigkeit des gequolllenen Gels. Retention einerseits und Festigkeit des gequollenen Gels andererseits stellen jedoch gegen¬ läufige Eigenschaften dar, wie bereits aus der US 3 247 171 bekannt ist. Das bedeutet, daß Polymere mit besonders hoher Retention nur eine geringe Festigkeit des gequollenen Gels aufweisen mit der Folge, daß das Gel unter einem angewendeten Druck (z.B. Körperdruck) deformierbar ist und die weitere Flüssigkeitsaufnahme verhindert. Diese spezifische Absorp¬ tionseigenschaft, die im angelsächsichen Sprachgebrauch "absorption under pressure" (AUP) heißt, wird z.B. in der US 5 314 420 beschrieben.

Im Zuge der gestiegenen Anforderungen an Superabsorber im Hygienebereich hat es sich her¬ ausgestellt, daß die ursprüngliche Belastung von 21 g/cm.2 (0,3 psi) nicht mehr dem er¬ wünschten Eigenschaftsstandard entspricht, wie er für Inkontinenzprodukte bzw. für Windel-

konstruktionen mit niedrigem Fluffgehalten und hohen Mengen Superabsorber erforderlich ist. Demzufolge werden heute Druckbelastungen von 49 g/cm.2 (0,7 psi) gefordert.

Dem Fachmann sind zwar Methoden bekannt, wie z.B. Produkte mit einer hohen Retention oder einer hohen Absorption oder niedrigen löslichen Anteilen oder mit einer schnellen Was¬ seraufnahme hergestellt werden können aber die gleichzeitige Einstellung aller dieser vier positiven Eigenschaften war mit den bisher bekannten Rezepturen nicht möglich. So ist es dem Fachmann wohl bekannt, daß eine Erhöhung der Vernetzerkonzentration Produkte mit niedrigen löslichen Anteilen ergibt, gleichzeitig führt dies aber zu Produkten mit niedriger Retention. Umgekehrt führt die Absenkung der Vernetzerkonzentration zwar zu Produkten mit hohen Retentionen aber ebenso zu hohen löslichen Anteilen und bedingt durch das Gel- blocking zu einer langsamen Wasseraufnahme.

Der Versuch in der US-Re 32.649 Produkte mit hohem Gelvolumen, hoher Gelstärke und niedrigen löslichen Anteilen zu erhalten, führte nur bei Verwendung des das carcinogene Acrylamid abspaltenden Vernetzers Methylenbisacrylamid zu den erwünschten Produkteigen¬ schaften. Eine Verwendung von solchen Produkten in Hygieneartikeln ist deshalb nicht mög¬ lich.

Neben einem hohen Niveau der Retention und Flüssigkeitsaufnahme unter Druck müssen Su¬ perabsorber einen möglichst geringen Anteil an löslichen Polymerketten enthalten. Diese ent¬ stehen aufgrund unvollkommener Vernetzung während der Polymerisation. Im Anwendungs¬ fall werden diese löslichen Anteile im gequollenen Polymerkörper nicht vollständig zurück¬ gehalten. Dies fuhrt zu einer Leistungsverminderung des Superabsorbers, da die Flüssigkeit in der Windel nicht mehr gleichmäßig verteilt wird und kann darüber hinaus im Extremfall zu einem Austreten dieser löslichen Anteile aus der Windelkonstruktion, verbunden mit einem schleimigen Gefühl auf der Haut führen. Nach der Lehre der EP 312 952 ist es für eine gute Stabilität des gequollenen Gels, sowie für eine hohe Aufnahmegeschwindigkeit und eine hohe Wasseraufnahme unabdingbar, daß das Polymer niedrige lösliche Anteile aufweist. Als Grenzwert für niedrige lösliche Anteile wurden z.B. in der US Re 32,649 17% nach 16 Stun¬ den angegeben, was aufgrund der inzwischen vonstatten gegangenen Entwicklung zu dünne¬ ren Windeln mit höherem Superabsorberanteil pro Windel als zu hoch angesehen werden muß. Ein Wert von 12% oder besser noch 10% nach 16 Stunden sollte bei modernen Superab- sorbern realisiert werden.

Eine weitere Anforderung an Superabsorber in solchen Sanitärartikeln mit erniedrigtem Fluff- und erhöhtem Superabsorberanteil ist die Eigenschaft, Flüssigkeit bereits im Moment des Auftretens sehr schnell aufzunehmen, da die Pufferwirkung des Fluffanteils deutlich verrin¬ gert ist. Die US 5 314 420 lehrt eine Methode zur Herstellung eines schneller saugenden Su¬ perabsorbers durch die Zugabe von Natriumcarbonat. Hierbei tritt offenbar nur eine physikali¬ sche Strukturveränderung der Superabsorber ein, die eine schnellere Sauggeschwindigkeit bewirkt, die anderen Grundeigenschaften des Polymers jedoch nicht verbessert. Eine Behand¬ lung der Oberfläche mit einem tensidartigen Material zur Erhöhung der Wasseraufnahmege¬ schwindigkeit, wie in der WO 93/24153 beschrieben, scheitert an dem für die Praxis wichti¬ gen Rewetverhalten, d.h. der Eigenschaft des superabsorbierenden Polymers einmal aufge¬ nommene Flüssigkeit dauerhaft zu speichern. Dies wird durch das Vorhandensein von Tensi- den empfindlich gestört.

Der WO 94/09043 liegt die Aufgabenstellung zugrunde, neue superabsorbierende Polymere mit einem für wässrige Flüssigkeiten erhöhten Aufnahmevermögen, auch unter Druckbela¬ stung bereitzustellen. Sie beschreibt als Lösung dieser Aufgabe doppelt vernetzte Superabsor¬ ber, deren Herstellung in der ersten Stufe die Vorvernetzung während der Polymerisation mit Methylenbisacrylamid, Bis(acrylamido)essigsäure, Allylacrylat, Allylmethacrylat, Estern bzw. Amiden mit endständigen Vinyl- und Allylfunktionen oder hoch ethoxyliertem Trime¬ thylolpropantriacrylat vorsieht und in der zweiten Stufe die entstandenen Polymerpartikel an der Oberfläche mit einem Vernetzer beschichtet und dann vernetzt. Bei diesem, an sich bereits bekannten Verfahren, sind die bevorzugten Oberflächenvemetzer Polyhydroxyverbindungen, die zusammen mit Wasser oder Wasser/Lösungsmittelgemischen aufgebracht und bei erhöh¬ ten Temperaturen (175-230°C) zur Reaktion gebracht werden, nachdem zuvor die Feuchtig¬ keit des Polymergeis der ersten Stufe teilweise entfernt wurde.

Durch die Kombination eines der genannten primären Vernetzer mit den sekundären Oberflä- chenvernetzern sollen angeblich einzigartige Produkteigenschaften bezüglich der Retention und der Flüsssigkeitsaufnahme unter Druck erreicht werden, wodurch die vorteilhafte An¬ wendung in Hygieneartikeln, bei denen die absorbierenden Polymere beträchtliche Mengen an Flüssigkeit aufsaugen und auch unter Druckbelastung zurückhalten müssen, gegeben ist. Die für moderne Windelkonstruktionen wichtige Forderung nach einer schnellen Flüssigkeitsauf¬ nahme wird durch diese Produkte aber nicht erfüllt.

Die WO 93/21237 beschreibt superabsorbierende Polymere, die mit ungesättigten Estern von Polyalkylglykolen vernetzt sind und die in einem Nacherhitzungsprozeß eine Eigenschafts¬ verbesserung bezüglich Retention und Flüssigkeitsaufnahme unter niedrigem Druck 21 g/cm.2 ( 0.3 psi ) auf jeweils 25 g/g erlangen. Ethoxyliertes Trimethylolpropantriacrylat ist der bevor¬ zugte Vernetzer, wobei die Anzahl der EO-Einheiten pro Polyglykolkette zwischen 2 und 7 liegen kann. Gemäß den Ausfuhrungen in dieser Schrift führt die Verwendung von nicht oder nur gering ethoxyliertem Trimethylolpropantriacrylat zu wesentlich schlechteren Eigenschaf¬ ten der damit vernetzten Superabsorber. Die beschriebenen Produkte erfüllen nicht die heutzu¬ tage gestellten Anforderungen bezüglich der Absorption unter höherem Druck bei 49 g/crn^ (0.7 psi). In der Abbildung 13 auf Seite 8/8 der WO 93/21237, die den Verlauf der Flüssig¬ keitsaufnahme unter Druck für verschiedene Druckbelastungen darstellt, zeigt sich ganz klar die Schwäche der dort beschriebenen Polymere, deren Meßwerte von ca. 18 g/g im interessan¬ ten Druckbelastungsbereich von 63 g/cm^ (0.9 psi) völlig unbefriedigend sind. Dies gilt um so mehr, als die Meßwerte an einer völlig unüblichen Siebfraktion von 300 - 600 μm ermittelt wurden, die per se höhere Meßwerte ergibt, als die praxisübliche Siebfraktion von 150 - 800 μ-

Die US 5 314 420 hatte es sich zur Aufgabe gestellt, Produkte zur Verfügung zu stellen, die in der Lage sind, die Flüssigkeit sehr schnell aufzunehmen. Dies gelingt durch Zusatz eines car- bonathaltigen Blähmittels zur Monomerlösung und anschließender Nachvemetzung des gebil¬ deten Polymers. In dieser Schrift wird die Möglichkeit angedeutet, mehrere bevorzugte Ver¬ netzer zu kombinieren, eine Problemlösung zur gleichzeitigen Erhöhung von Retention, Ab¬ sorption unter Druck und Aufnahmegeschwindigkeit sowie Reduzierung von löslichen Antei¬ len wird nicht gegeben.

Mit den bislang hergestellten Produkten ließen sich die Eigenschaften hohe Retention, hohe Absorption unter Druck und schnelle Flüssigkeitsaufnahme bei gleichzeitig niedrigen lösli¬ chen Anteilen noch nicht kombinieren.

Ein weiteres Problem bei der Herstellung von superabsorbierenden Polymeren ist die relativ schlechte Löslichkeit vieler Standardvernetzer in der wäßrigen Monomerlösung bei den nied¬ rigen Temperaturen des Polymerisationsstarts von z.T. deutlich unter 20°C. Bei diesen Tem¬ peraturen wird die wässrige Monomerlösung bei Verwendung der üblichen Vernetzer, wie Trimethylolpropantriacrylat, Diethylenglykoldiacrylat, Tetraethylenglykoldimethacrylat oder Allylmethacrylat, um nur einige Beispiele zu nennen, trüb. Diese trübe Lösung weist darauf¬ hin, daß die Vernetzer nicht homogen gelöst vorliegen, was bei der nachfolgenden Polymeri-

sation zu einer unregelmäßigen Vernetzung und damit zu einem minderwertigen Produkt führt.

Um diese Problematik zu umgehen schlägt die DE-OS 41 38 408 vor, zu der Monomerlösung ein nicht einpolymerisierbares Tensid zuzusetzen, um den ansonsten schlecht löslichen Ver¬ netzer gleichmäßiger zu verteilen. Dieses Vorgehen hat aber zwei entscheidene Nachteile. Zum Einen schäumt die tensidhaltige Monomerlösung beim Ausblasen mit Stickstoff derart stark, daß der Ausblasevorgang zur Entfernung des störenden Sauerstoffs aus der Monomeren- lösung länger dauert, als ohne Tensidzusatz. Zum Anderen begünstigen die Tenside im Poly¬ mer den Wiederaustritt des aufgenommenen Wassers, was zu der ungewünschten Erscheinung des Rewets führt und das Produkt für einen Einsatz in Hygieneartikeln disqualifiziert, da es aufgenommene Flüssigkeit wieder zu leicht abgibt.

Eine andere Lösung des beschriebenen Problems lehrt die WO 93/21237, in der (Meth)acrylsäureester von hochethoxylierten Polyglykolen, wobei ethoxyliertes Trimethy¬ lolpropan bevorzugt ist, als Vernetzer gewählt werden. Diese Produkte sind je nach Oxethy- lierungsgrad in der Monomerlösung löslich und damit gleichmäßig verteilt, was demzufolge Produkte mit den erwünscht niedrigen löslichen Anteilen ergibt. Nachteilig an diesen Vernet¬ zern ist es jedoch, daß beim nachvernetzten Produkt keine Retentionen von über 30 g/g, sowie die Absorption unter Druck (21 g/cm ^z ) nicht über einen Wert von 28 g/g (Tabelle 1) hinaus¬ kommt. Die Verwendung von nicht oder nur gering ethoxylierten Vernetzern ist nicht mög¬ lich, da sie in diesem System schlechte Werte, speziell bei den löslichen Anteilen hervorrufen. Darüber hinaus gibt die Schrift keine Lösung bezüglich einer Verbesserung der Saugkraft des Absorbers an.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, für die Herstellung von superabsorbierenden Polymeren Vernetzer oder Vernetzerkombinationen bereitzustellen, die ohne weitere Hilfsstoffe in der Monomerenlösung löslich sind und die bei nachvernetzten Polymeren zu guten Retentionen und Absorptionen unter Druck fuhren und gleichzeitig niedrige lösliche Anteile von weniger als 12 % (16h- Wert) ergeben und damit Produkte mit schneller Wasseraufnahme bereitzustel¬ len. Gleichzeitig sollte auf Vernetzer verzichtet werden, die wie z.B. Methylenbisacrylamid das carcinogene Acrylamid abspalten oder die wie z.B. Ethylenglykoldimethacrylsäureester eine Sensibilisierung hervorrufen können.

Es wurde überraschenderweise gefunden, daß Superabsorber auf Basis säuregruppengruppen- haltiger Monomeren, die mittels einer Kombination aus zwei verschiedenen, an sich bekann¬ ten Vorvernetzern I und II

I. CH ₂ =CHR ⁵ -CO-(OCHR3-CHR3) _Z O-CH ₂ -CHR ⁵ =CH ₂

II. Rl-[O(CHR ³ -CHR ³ O) _u -CO-R ² ] _x

Rl mehrwertiges C2- 10- Alkyl,

R2 linear oder verzweigt C2- 10- Alkenyl,

R3 H, CH ₃ , C ₂ H ₅ ,

R5 H, CH ₃ , x: 2-6, u: 0-15, z: 3-20

und einer anschließenden Nachvernetzung hergestellt werden, zu Produkten führt, die eine Retention von über 30 g/g, einer Absorption unter Druck von über 20 g/g, löslichen Anteilen (16h) von unter 12 % und gleichzeitig noch eine schnelle Flüssigkeitsaufnahme, ausgedrückt durch eine Schwellgeschwindigkeit von unter 40 see aufweisen.

Der Vorvemetzer I, ein (Meth)acrylsäureester eines Polyglykolmono(meth)allylethers, enthält eine (Meth)allylfunktion, eine (Meth)acrylsäureesterfunktion und eine zwischen diesen beiden Funktionen eingeschobene hydrophile Kette, die aus aus mindestens drei , vorzugsweise 5 bis 20, besonders bevorzugt 8-12 Glykoleinheiten besteht. Als Glykoleinheiten kommen sowohl Ethylenglykol als auch Propylenglykoleinheiten, einzeln oder gemischt in Frage, wobei bei Mischungen sowohl Random- als auch Blockal koxy late in Frage kommen. Die Verwendung von gemischten Ethylenglykol/Propylenglykolketten, als auch reinen Propylenglykolketten ist möglich, wobei reine Polyethylenglykolketten bevorzugt werden.

Die beschriebenen Vorvemetzer vom Typ I lassen sich beispielsweise nach der in der US 4 618 703 beschriebenen Prozedur oder durch Direktveresterung mit einem Überschuß Acryl¬ säure bzw. Methacrylsäure (Beispiele 4 - 9) herstellen. Die so erhaltenen Ester können roh, d.h. in Gegenwart des eingesetzten Katalysators und der im Überschuß eingesetzten

(Meth)acrylsäure gelagert und weiterverarbeitet werden. Für höhere Reinheitsanforderungen oder zwecks längerer Lagerung ist es auch möglich, die Ester wie in der US 4618 703 be¬ schrieben, zu waschen und destillativ von leichtsiedenden Bestandteilen zu reinigen. Der Veresterungsgrad sollte über 90, besser über 95% liegen, da freie Hydroxylfunktionen zu¬ nächst nichts zur Verbesserung der anwendungstechnischen Eigenschaften beitragen und bei einer angeschlossenen Nachvernetzung zur Absenkung der Retention führen.

Beim Vorvemetzer II, einem (Meth)acrylεäureester von Pclyhydroxyverbindungeri, handelt es sich um mehrfachfunktionelie Alkohole, deren Alkoholfunktionen zu (Meth)acrylsäureestern umgesetzt wurden. Als solche Polyhydroxyverbindungen kommen z.B. Trimethylolpropan, Ethylenglykol, Propylenglykol, Glycerin, Pentaerythrit oder deren ethoxylierten Homologe wie z.B. Polyethylenglykol in Frage. Eingeschlossen sind auch solche Ester, bei denen ein Teil der Hydroxylgruppen unverestert geblieben ist, wie dies bei technischen Produkten der Fall sein kann. Insbesondere ist es auch möglich, als Vemetzer II sonst in der Monomerlösung schlecht lösliche (Meth)acrylsäureester, wie Trimethylolpropantriacrylat, Trimethylolpropan- 3EO-triacrylat, Ethylenglykoldiacrylat, Diethylenglykoldimethacrylat einzusetzen, da diese vom Vemetzer I in Lösung gehalten werden.

Die Vorvemetzer vom Typ II sind kommerziell erhältlich. Das in den Beispielen verwendete Craynor CN 435 ist der Triacrylsäureester des 15-EO-Trimethylolpropans, das verwendete Craynor SR 351 ist der Triacrylsäureester von Trimethylolpropan. Beides sind Produkte der Cray-Valley-Company.

Der Vorvemetzer I wird mit 40-90, bevorzugt 40-80, besonders bevorzugt 60-80 Molprozent bezogen auf die Mischung der Vemetzer und der Vorvemetzer II mit 10-60, bevorzugt 20-60, besonders bevorzugt 20-40 Molprozent bezogen auf das Vemetzergemisch eingesetzt. In Be¬ zug auf die ungesättigte saure Monomerkomponente wird diese Vorvernetzerkombinationen in Konzentrationen von 0,1-2%, vorzugsweise 0,3 - 1 ,0 Gew% eingesetzt.

Beide Vorvemetzertypen für sich alleine sind dem Durchschnittsfachmann für die Herstellung von vernetzten Polyacrylaten bekannt. Insbesondere die Möglichkeit der Verwendung von (Meth)acrylsäureestern von Polyglykolmonoally lethern ist in den US-Patenten 4 076 663, 4 654 039, 4 906 717, 5 154 713 und 5 314 420 erwähnt. Allerdings ist aus der US 4 654 039, US 5 154 713, US 5 314 420 und US 4 076 663 die Möglichkeit der vorteilhaften Kombinati¬ on des Vorvernetzertyps I mit dem Vorvernetzertyp II nicht zu entnehmen. Lediglich in der US 4 906 717 wird die Möglichkeit der Kombination mehrerer Vemetzertypen, unter denen in

einer umfangreichen Liste auch die erfindungsgemäßen sind, erwähnt, ohne die Vorteile einer solchen Kombination offenzulegen oder Ausführungsbeispiele zu geben. Insbesondere sind die Vorteile dieser Vernetzerkombination in der Kombination mit der erfindungsgemaßen Nachvernetzung nicht erwähnt und erkannt worden.

Die beschriebenen Vorvernetzerkombination zeigt den überraschenden Vorteil, daß auch schwer lösliche Vernetzerkomponenten II durch die Anwesenheit von I solubilisiert werden und dadurch ihre Wirksamkeit voll entfalten können, ohne daß das Rewet-Verhalten durch das Vorhandensein nicht einpolymerisierter Tenside wie bei der DE 41 38 408 negativ beeinflußt wird.

Die erfindungsgemäßen Superabsorber werden durch das Verfahren der nachträglichen Ober- flächenvemetzung in ihrem Eigenschaftsprofil verbessert, insbesondere auch in ihrer Flüssig¬ keitsaufnahme unter Druck, da das bekannte Phänomen des "gel blocking" unterdrückt wird, bei dem angequollenen Polymerteilchen miteinander verkleben und eine weitere Flüssigkeits¬ aufnahme und Flüssigkeitsverteilung in der Windel behindern. Während der Nachvernetzung werden die Carboxylgruppen der Polymermoleküle an der Oberfläche der Superabsorberteil¬ chen mit Vernetzungsmitteln unter erhöhter Temperatur vernetzt. Erfindungsgemäße Verfah¬ ren zur Nachvernetzung sind in mehreren Schriften, wie z.B. der DE 40 20 780 ,der EP 317 106 und der WO 94/9043 beschrieben. Die dem Fachmann z.B aus der US 5 314 420, Seite 8, Zeile 3-45 bekannten Nachvernetzungsmittel können erfindungsgemäß alle vorteilhaft in Kombination mit der Vorvernetzerkombination I und II eingesetzt werden. Diese Verbindun¬ gen enthalten in der Regel mindestens zwei funktionelle Gruppen. Dabei sind Alkohol-, Amin-, Aldehyd- Glycidyl- und Epichlorfunktionen bevorzugt, wobei auch Vernetzermolekü¬ le mit mehreren verschiedenen Funktionen denkbar sind. Bevorzugt wird eines der folgenden Nachvemetzungsmittel eingesetzt: Ethylenglykol, Diethylenglykol, Triethylenglykol, Polye¬ thylenglykol, Glycerin, Polyglycerin, Propylenglykol, Diethanolamin, Triethanolamin, Poly¬ propylenoxyd, Blockcopolymere aus Ethylenoxyd und Propylenoxyd, Sorbitanfettsäureester, ethoxylierte Sorbitanfettsäureester, Trimethylolpropan, ethoxyliertes Trimethylolpropan, Pentaerythrit, ethoxyliertes Pentaerythrit, Polyvinylalkohol, Sorbit, Ethylencarbonat, Proypy- lencarbonat und Polyepoxide wie etwa Ethylenglykoldiglycidylether. Besonders bevorzugt wird mit Ethylencarbonat als Nachvemetzungsmittel gearbeitet. Das Nachvemetzungsmittel wird in einer Menge von 0,01 bis 30 Gewichtsprozent, bevorzugt 0,1-10 Gewichtsprozent, besonders bevorzugt 0,1-1 Gewichtsprozent bezogen auf das nachzuvernetzende Polymer ein¬ gesetzt.

Das erfindungsgemäße Polymerisationsverfahren kann durch verschiedene Bedingungen initi¬ iert werden, wie z.B. durch Bestrahlung mit radioaktiven, elektromagnetischen oder ultravio¬ letten Strahlen oder durch Redoxreaktion zweier Verbindungen, wie z.B. Natriumhydrogen¬ sulfit mit Kaliumpersulfat oder Ascorbinsäure mit Wasserstoffperoxid. Auch der thermisch ausgelöste Zerfall eines sogenannten Radikalstarters wie beispielsweise Azobisisobutyronitril, Natriumpersulfat, t-Butylhydroperoxid oder Dibenzoylperoxid ist als Polymerisationsstart einsetzbar. Femer ist die Kombination von mehreren der vorgenannten Methoden denkbar. In der vorliegenden Erfindung wird vorzugsweise der Polymerisations¬ start durch die Redoxreaktion zwischen Wasserstoffperoxid und Ascorbinsäure ausgelöst und durch den thermisch initiierten Zerfall von Natriumpersulfat und/oder 2,2'-Azobis(2-methyl- propionamid) dihydrochlorid vollendet.

Für die Polymerisation der erfindungsgemäßen Superabsorber kommen mehrere Verfahren in Frage, z.B. Massepolymerisation, Lösungspolymerisation, Spraypolymerisation, inverse Emulsionspolymerisation und inverse Suspensionspolymerisation. Bevorzugt wird die Lö¬ sungspolymerisation in Wasser als Lösungsmittel durchgeführt. Die Lösungspolymerisation kann kontinuierlich oder diskontinuierlich erfolgen. Die Patentliteratur weist ein breites Spektrum an Variationsmöglichkeiten hinsichtlich der Konzentrationsverhältnisse, Tempera¬ turen, Art und Menge der Initiatoren als auch der Nachkatalysatoren auf. Typische Verfahren sind in den folgenden Patentschriften beschrieben die hiermit durch Verweis Bestandteil des erfindungsgemäßen Herstellverfahrens werden sollen: US 4 286 082, DE 27 06 135, US 4 076 663, DE 35 03 458, DE 40 20 780, DE 42 44 548, DE 43 23 001 , DE 43 33 056, DE 44 18 818.

Die erfindungsgemäß einzusetzenden, Säuregruppengruppen enthaltenden ungesättigten Mo¬ nomere sind beispielsweise Acrylsäure, Methacrylsäure, Crotonsäure, Isocrotonsäure, Malein¬ säure, Fumarsäure, Itaconsaure, Vinylsulfonsäure 2-Acrylamido-2-methyl-l-propansul- fonsäure sowie deren Alkali- und/oder Ammoniumsalze. Zur Modifizierung der Polymerei¬ genschaften können optional bis zu 40 Gew.% weitere Comonomere, bezogen auf die sauren Monomere, wie etwa Acrylamid, Methacrylamid, und oder deren Salze verwendet werden. Femer ist es auch möglich, daß Kombinationen der oben erwähnten Monomeren eingesetzt werden, sowie Kombinationen der oben erwähnten Monomeren mit nichtionischen, hydrophi¬ len Monomeren, wie z.B. (Meth)allylalkohol, und die Mono(Meth)acrylsäureester von mehr¬ wertigen Alkoholen oder Oxethylaten. Bevorzugt werden jedoch Acrylsäure, Methacrylsäure bzw. deren Alkali- oder Ammoniumsalze eingesetzt, besonders bevorzugt wird Acrylsäure und deren Natrium- und/oder Kaliumsalz eingesetzt.

Die Neutralisation der sauren Monomeren in dem erfindungsgemäßen Polymerisationsverfah¬ ren kann auf verschiedene Art und Weise durchgeführt werden. Zum einen kann die Polyme¬ risation entsprechend der Lehre der US 4 654 039 direkt mit den sauren Monomeren durchge¬ führt werden, wobei die Neutralisation dann anschließend im Polymergel erfolgt. Zum ande¬ ren und bevorzugt werden die sauren Monomerebestandteile vor der Polymerisation zu 25- 95%, bevorzugt 50-80% neutralisiert und liegen dann bereits bei Beginn der Polymerisation als Natrium-, und/oder Kalium und/oder Ammoniumsal/e vor Zur Neutralisation werden bevorzugt solche Basen verwendet, die keinen negativen Einfluß auf die spätere Polymerisati¬ on haben. Bevorzugt wird Natron- oder Kalilauge und oder Ammoniak, besonders bevorzugt Natronlauge, genommen, wobei ein Zusatz von Natriumcarbonat, Kaliumcarbonat oder Natri¬ umbicarbonat einen zusätzlichen positiven Effekt ausüben kann, wie die US 5 314 420 und die US 5 154 713 lehren. Diese teilneutralisierte Monomerlösung wird vor dem Start der Po¬ lymerisation bei der adiabatischen Lösungspolymerisation auf eine Temperatur von unter 30°C, bevorzugt unter 20°C heruntergekühlt. Bei den anderen erwähnten Verfahren sind nach dem Stand der Technik auch andere Temperaturen bekannt und üblich.

Die erfindungsgemäßen Polymerisate können wasserlösliche Polymere als Pfropfgrundlage in Mengen bis zu 30 Gew.%, bezogen auf die Summe der vorhandenen Monomere, enthalten. Dazu zählen unter anderem teil- oder vollverseifte Polyvinylalkohole, Stärke oder Stärkederi¬ vate, Cellulose oder Cellulosederivate, Polyacrylsäuren, Polyglykole oder deren Gemische. Die Molekulargewichte der als Pfropfgrundlage zugesetzten Polymere müssen an die Gege¬ benheiten der Polymerisationsbedingungen angepaßt sein. So kann es z.B. im Falle einer wäßrigen Lösungspolymerisation aus Gründen der Viskosität der Polymerisatlösung erforder¬ lich sein, nur niedrig- oder mittelmolekulare Polymere einzusetzen, wohingegen bei der Sus¬ pensionspolymerisation dieser Faktor eine untergeordnete Rolle spielt.

Neben Polymerisaten, die durch vernetzende Polymerisation teilneutralisierter Acrylsäure zu erhalten sind, werden bevorzugt solche verwendet, die zusätzliche Anteile von pfropfpolyme- risierter Stärke oder von Polyvinylalkohol enthalten.

Die sauren Monomeren sind im Endprodukt mindestens zu 25 Mol% und bevorzugt zu min¬ destens 50 Mol% und besonders bevorzugt zu 50 bis 80 Mol% neutralisiert. Die Neutralisati¬ on wird entweder durch die Zugabe der entsprechenden Alkali- bzw. Ammoniumhydroxyde oder mit den entsprechenden Carbonaten- oder Hydrogencarbonaten ausgeführt. Dabei kann die teilweise Neutralisation bereits schon bei der Herstellung der Monomerlösung, also vor

der Polymerisation oder wie in der US 4 654 039 beschrieben erst an dem fertigen Polymeri¬ sat ausgeführt werden. Vorzugsweise wird die teilweise Neutralisation bereits vor der Poly¬ merisation durchgeführt.

Das resultierende Polymer wird getrocknet, gemahlen und auf die für die Einarbeitung in Wegwerfwindeln, Kabelisolierungen oder anderen Produkten jeweils anwendungstechnisch günstige Komfraktion abgesiebt und dann der Nachvernetzungsreaktion zugeführt. In man¬ chen Fällen hat es sich jedoch auch bewährt, die Nachvemetzer bereits vor der Trocknung des Polymergeis bzw. vor der Zerkleinerung des teilweise oder überwiegend getrockneten Poly¬ mers zuzufügen. Eine erfindungsgemäß durchzuführende Nachvemetzung wird z.B. in der US 4 666 983 und der DE 40 20 780 beschrieben. Der Zusatz der Nachvemetzer erfolgt häufig vorteilhafterweise auch in Form einer Lösung in Wasser, organischen Lösemitteln oder deren Mischungen, insbesondere dann, wenn geringe Mengen an Nachvemetzungsmittel angewandt werden. Geeignete Mischaggregate zum Aufbringen des Nachvernetzungsmittels sind z.B. Patterson-Kelley-Mischer, DRAIS-Turbulenzmischer, Lödigemischer, Ruberg-Mischer, Schneckenmischer, Tellermischer und Wirbelschichtmischer, sowie kontinuierlich arbeitende senkrechte Mischer in denen das Pulver mittels rotierender Messer in schneller Frequenz gemischt wird (Schugi-Mischer). Nachdem der Nachvemetzer mit dem vorvernetzten Polymer vermischt worden ist, wird zur Durchfüh¬ rung der Nachvernetzungsreaktion auf Temperaturen von 120 bis 250 °C, bevorzugt auf 135 bis 200°C und besonders bevorzugt auf 150 bis 185°C erhitzt. Die Zeitdauer der Nacherhit¬ zung ist durch den Punkt begrenzt, bei dem das gewünschte Eigenschaftsprofil des Superab¬ sorbers infolge von Hitzschädigung wieder zerstört wird.

Für die Verarbeitung der Superabsorber werden je nach Anwendungsfall unterschiedliche Siebfraktionen eingesetzt, so z.B. für Windeln zwischen 100 und 1000 mm, bevorzugt zwi¬ schen 150 und 850 mm. Diese Komfraktion wird im allgemeinen durch Mahlung und Siebung vor der Nachvemetzung hergestellt.

Die erfindungsgemäßen hydrophilen Superabsorber finden überall dort ihre Verwendung, wo wäßrige Flüssigkeiten absorbiert werden müssen. Dazu gehören beispielsweise die bereits bekannten Anwendungen für diese Produkte in Hygieneartikeln in Form von Windeln für Kleinkinder und Inkontinenzprodukten für Erwachsene, in Damenbinden, in Wundpflastern, in Lebensmittelverpackungen, im Agrarbereich bei der Pflanzenaufzucht, in Kabelisolierun¬ gen, in absorbierenden Flächengebilden aus Papier, wasserlöslichen Polymeren und thermo-

plastischen Kunststoffen und Schäumen, sowie als Wirkstoffträger mit der Aufgabe der zeit¬ lich verzögerten Freisetzung an die Umgebung.

In den folgenden Beispielen wird die Herstellung erfmdungsgemaß zu verwendender Vemet¬ zer und die Herstellung und Eigenschaften der erfindungsgemäßen Polymerisate erläutert, in dem Kapitel Prüfmethoden werden die Vorschriften zur Bestimmung der Eigenschaften der Superabsorber beschrieben.

Prüfmethoden

1. Retention (TB)

Die Retention wird nach der in der EP 514 724 (Seite 4, Zeilen 6-22) beschriebenen Methode gemessen.

2. Flüssigkeitsaufnahme unter Druck (AUP)

Die Flüssigkeitsaufnahme unter Druck (AUP bei 0,3 und 0,7 Psi, entsprechend 21 g/cm.2 bzw. 49 g/cm^) wird nach der in der US 5 314 420 Seite 9, Zeile 28 ff beschriebenen Methode be¬ stimmt, wobei als Messflüssigkeit 0,9%ige Kochsalzlösung verwendet wird.

3. Lösliche Anteile (LA)

Die Löslichen Anteile (lh und 16h) werden wie in der US 4 654 039 beschrieben bestimmt, mit der Ausnahme, daß als Testflüssigkeit statt synthetischem Urin eine 0,9%-ige Kochsalzlö¬ sung genommen wird.

4. Schwellgeschwindigkeit (SG)

Die Schwellgeschwindigkeit(SG) des Polymers wird mittels der folgenden Methode be¬ stimmt: Zwanzig (20) Gramm einer synthetischen Urin-Lösung (hergestellt nach US 4 654 039) wird in ein schmales Becherglas eingewogen. Ein (1) Gramm des zu testenden Materials wird in eine breite (5 cm Durchmesser) zylindrische Schale zentral in der Mitte eingewogen. Das Pulver mit den superabsorbierenden Eigenschaften wird durch leichtes Schütteln gleich¬ mäßig über den Boden der Schale verteilt. Die synthetische Urin-Lösung wird mittels eines 1 cm über dem Boden der Schale endenden Trichters mit einem Guß zugegeben und damit die

Zeitmessung in Gang gesetzt. Die Zeitmessung wird beendet, sobald keine freie Flüssigkeit mehr zu erkennen ist.

Beispiele

Beispiel 1: (Umsetzung von Allylalkohol mit 5 mol Ethylenoxid)

464,8 g Allylalkohol (Merck) werden zusammen mit 4 g Natriummethylatlösung (25%-ig) in einem 51-Autoklaven mit Hubrührer vorgelegt und durch fünfmaliges Aufdrücken von Stick¬ stoff bis auf 5 bar und anschließendes Entspannen auf 1 bar sauerstoffrei gemacht. Unter weiterem Durchleiten von Stickstoff wird der Reaktorinhalt zunächst auf 70°C aufgeheizt, wobei das mit dem Katalysator eingesetzte Methanol entfernt wird. Anschließend wird der Reaktor verschlossen, auf 140°C aufgeheizt und bei einem Gesamtdruck von 3-6 bar 1760 g Ethylenoxid innerhalb 30 Minuten aufgedrückt. Als Produkt werden 2210 g hellgelbe Flüs¬ sigkeit erhalten. Kennzahlen siehe Tabelle 1.

Beispiel 2 (Umsetzung von Allylalkohol mit 10 mol Ethylenoxid)

290,5g Allylalkohol (5 mol) werden zusammen mit 2,5 g fester KOH (85%-ig) vorgelegt und wie im Beispiel 1 beschrieben inertisiert. 2200 g Ethylenoxid (50 mol) werden innerhalb einer Stunde bei 4-6 bar und einer Reaktionstemperatur von 140°C aufgedrückt. Als Produkt wer¬ den 2480 g hellgelbe Flüssigkeit erhlalten. Kenndaten siehe Tabelle 1.

Beispiel 3 ( Umsetzung von Allylalkohol mit 20 mol Ethylenoxid)

1495,8 g (3 mol) des Produktes aus Beispiel 2 werden im fünf-Liter-Autoklav vorgelegt, ent¬ sprechend der Prozedur aus Beispiel 1 inertisiert und innerhalb 1 Stunde bei 140°C mit 1320 g (30 mol) Ethylenoxid umgesetzt. Man erhält 2805 g eines gelb gefärbten Feststoffs. Kennda¬ ten siehe Tabelle 1.

Tabelle 1 : Kennzahlen der hergestellten Ethoxylate

Produkt Beispiel 1 Beispiel 2 Beispiel 3p

OH-Zahl 204 mg KOH/g 118 mg KOH/g 53 mg KOH/g

Jod-Zahl (Wijs) 91 mg KOH/g 53 mg KOH/g 27 mg KOH/g

Allylalkohol (GC) 2030 ppm 144 ppm 14 ppm

Festpunkt -15°C 3°C 29°C

Jodfarbzahl 3 7 -

Dichte 1,054 g/ml 1,085 g/ml -

Viskosität RV 2/10 18 mPas (20°C) 68 mPas (20°C) -

Beispiel 4: (Acrylsäureesters von 10-EO-Allylalkohol AAA-10):

245 g (0,726 mol) 10-EO- Allylalkohol aus Beispiel 2 werden zusammen mit 155,6 g (2,16 mol) Acrylsäure und 0,8 g p-Methoxyphenol bei 20°C gerührt, bis sich das p-Methoxyphenol vollständig gelöst hat. Anschließend werden 2,2g Schwefelsäure zugegeben und der Ansatz wird bei einem Druck von 800 mbar auf 90°C aufgeheizt. Dabei wird ein gleichmäßiger Luft¬ strom über eine Gasfritte in den Ansatz eingeleitet. Sobald 90°C erreicht sind, wird das Vaku¬ um auf 400 mbar verschärft, woraufhin der Ansatz anfängt zu destillieren. Nach ca 3-4 Stun¬ den versiegt der Destillatfluß und das Vakuum wird zur Vervollständigung der Reaktion auf 100 mbar verbessert. Nach weiteren 2 Stunden wird der Ansatz abgekühlt und ausgefüllt. Er¬ halten werden 451 g eines hellgelben Öls. Säurezahl: 69,1 mg KOH/g, Verseifungszahl: 175,6 mg KOH/g, Veresterungsgrad: 99%.

Beispiel 5 (Acrylsäureesters von 5-EO-Allylalkohol, AAA5):

275 g (1 mol) 5 EO Allylalkohol aus Beispiel 1, 0,8 g p-Methoxyphenol, 216,3 g (3 mol) Acrylsäure und 2,0 g Schwefelsäure werden wie im Beispiel 4 umgesetzt. Man erhält 385 g gelbes öl. Säurezahl: 76,5 mg KOH/g; Verseifungszahl: 237,4 mg KOH/g. Veresterungsgrad 94,5%

Beispiel 6 (Acrylsäureesters von 20 EO- Allylalkohol, AAA20):

445,3 g (0,42 mol) 20-EO-Allylalkohol aus Beispiel 3, 0,8 g p-Methoxyphenol, 216,4 g (3 mol) Acrylsäure und 2,0 g Schwefelsäure werden wie im Beispiel 4 umgesetzt. Man erhält 547 g eines gelbroten Wachses. Säurezahl 68,5 mg KOH/g; Verseifungszahl: 126,1 mg KOH/g. Veresterungsgrad 97%.

Beispiel 7 ( Methacrylsäureester von 20-EO- Allylalkohol, MAA20):

445,3 g (0,42 mol) 20-EO-Allylalkohol aus Beispiel 3, 0,8 g p-Methoxyphenol, 385 g (4,53 mol) Methacrylsäure und 4 g konz. Schwefelsäure werden analog dem Beispiel 4 umgesetzt, wobei die Reaktionszeit verdoppelt und das Vakuum am Ende der Reaktion auf 20 mbar ver¬ schärft wird. Man erhält 555 g festes Produkt. Säurezahl 103,5 mg KOH/g; Verseifungszahl 158,3 mg KOH/g; Veresterungsgrad 93,9%.

Beispiel 8 (Methacrylsäureester von 5 EO-Allylalkohol,MAA5):

275 g (1 mol) 5-EO-Allylalkohol aus Beispiel 1 werden zusammen mit 0,8 g p- Methoxy phenol, 516,6 g Methacrylsäure (6,08 mol) und 2 g konz. Schwefelsäure analog Bei¬ spiel 7 umgesetzt. Erhalten wird eine gelbe Flüssigkeit. Säurezahl: 98,1 mg KOH/g; Versei¬ fungszahl: 247,8 mg KOH/g; Veresterungsgrad 91 ,6%.

Beispiel 9 (Methacrylsäureester von 10-EO-Allylalkohol,MAA10):

479,5 g (1,01 mol) 10-EO-Allylalkohol aus Beispiel 2, 0,8 g p-Methoxyphenol, 258,3 g (3,04 mol) Methacrylsäure werden zusammen wie im Beispiel 7 umgesetzt. Erhalten werden 680 g eines gelben Öls. Säurezahl: 99,5 mg KOH/g; Verseifungszahl: 196,0 mg KOH/g; Vereste¬ rungsgrad 94%.

Die nachfolgend beschriebenen Polymerisationsansätze (Beispiele 10 - 17 und Vergleichsbei¬ spiele VI - V5 werden nach folgender allgemeinen Herstellungsweise durchgeführt: a) Vorprodukt

In einem zylindrischen Kunststoffgefäß wird eine Monomerlösung aus 265,2 g Acrylsäure und 372,4 g vollentsalztem Wasser sowie der verwendeten Vemetzer angesetzt. Unter Rühren und Kühlen wird mit 206,1 g 50%-iger Natronlauge (70% Neutralisationsgrad) teilneutrali¬ siert. Die Lösung wird auf 7-8°C abgekühlt und mit Stickstoff solange durchperlt, bis der Sauerstoffgehalt in der Monomerenlösung auf einen Wert von unter 0,2 ppm abgesunken ist. Anschließend gibt man 0,3 g Azo-bis ( 2-amodinopropan) dihydrochlorid gelöst in 10 g voll entnetztem-Wasser, 0,05 g Natriumpersulfat, gelöst in 6 g VE-Wasser, 0,005 g Wasserstoff¬ peroxid (35%-ig) gelöst in 1 g VE- Wasser und 2g Natriumcarbonat hinzu. Danach wird die Polymerisation durch Zugabe von 0,012 g Ascorbinsäure gelöst in 2g Wasser gestartet, wor¬ auf eine deutliche Temperaturerhöhung festgestellt wird. Das Polymere wird anschließend gewölft, bei 140°C im Umlufttrockenschrank getrocknet, gemahlen und auf die Kornfraktion 150-850 μm abgesiebt.

Das Beispiel 18 und die Vergleichsbeispiele V6 - V10 wurden nach der zuvor genannten allgemeinen Herstellungsvorschrift polymerisiert, jedoch ohne den Zusatz von Natriumcarbo¬ nat.

b) Nachvemetzung:

100 g des gemahlenen und auf 150 - 800 mm abgesiebten Polymeren werden unter kräftigem Durchmischen mit einer Lösung aus 0,5 g Ethylencarbonat und 1,5 g VE- Wasser in einem Mischer der Firma MTI benetzt und anschließend für 30 Minuten in einem Ofen auf eine Temperatur von 180°C erhitzt.

Die Tabelle im Anhang 1 zeigt die Zusammensetzung und die Eigenschaften der Polymerisate gemäß der Beispiele 10 - 18, sowie der Vergleichsbeispiele VI - V 10.

Man erkennt aus der Tabelle, daß die erfindungsgemäßen Beispiele 10 - 18 Polymerisate mit einer Kombination guter Eigenschaften liefern:

Retention >30 g/g und Absorption unter Druck (21 g/cm.2) >30 g/g und

Absorption unter Druck (49 g/cm^) >20 g/g und

Schwellgeschwindigkeit <40 s und

Lösliche Anteile (16 h) <12 %

Bei den Vergleichsbeispielen ist es zwar möglich, durch Variation der Vernetzermenge ein¬ zelne, aber nicht die Kombination dieser guten Eigenschaften zu erreichen.

So können mit dem Craynor 435-Vernetzer (entsprechend WO 93/21237 und WO 94/9043) je nach Einsatzmenge (V2 und V4) entweder Produkte mit einem guten AUP (49 g/cm.2) von 26,7 g/g und noch akzeptablen löslichen Anteilen, dafür aber mit schlechter Retention erhal¬ ten werden oder aber ein Produkt mit guter Retention und vertretbarem AUP, dafür aber schlechten löslichen Anteilen. Die Produkte mit nur einem Vemetzer weisen trotz Zusatz von Natriumcarbonat durchweg eine schlechte Schwellgeschwindigkeit auf.

Die Vemetzerkombination aus Trimethylolpropantriacrylat und Triallylamin des Vergleichs¬ beispiels V6 wird in der US 5 314 420 als eine zu bevorzugende Kombination angegeben. Aus den Ergebnissen erkennt man, daß weder die Retention, noch die Schwellgeschwindig-

WO 97/18890 r PuCTw/EtPrw96/u05w07 ^/ 4 ^«

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keit, noch die löslichen Anteile die Eigenschaften der erfindungsgemäßen Polymerisate errei¬ chen.

Aus den Versuchen ohne Zusatz von Natriumcarbonat (Bsp. 18, V8 - V10) erkennt man, daß die erfindungsgemäßen Polymerisate ihr hervorragendes Eigenschaftsprofil beibehalten, d.h. die Verbesserungen bei der Schwellgeschwindigkeit sind gegenüber dem Stand der Technik unabhängig von der Verwendung dieser Komponente. Die Vergleichsbeispiele zeigen ohne den Zusatz von Natriumcarbonat schlechtere Eigenschaften