DE19849499A1

DE19849499A1 - Verfahren zur vollständigen Trocknung von Hydrogelen

Info

Publication number: DE19849499A1
Application number: DE19849499A
Authority: DE
Inventors: Joachim Dentler; Norbert Herfert; Helmut Klotzsche; Ronald Schliwa; Uwe Stueven
Original assignee: BASF SE
Current assignee: BASF SE
Priority date: 1998-10-27
Filing date: 1998-10-27
Publication date: 2000-05-04
Also published as: WO2000024810A1; EP1135430A1; US6641064B1; CA2346492A1; JP2002528582A

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur vollständigen Trocknung von Hydrogelen, gekennzeichnet durch die Merkmale DOLLAR A a) Trocknung von Hydrogelen durch Kontakt- oder Konvektivtrocknung DOLLAR A b) Vorzerkleinerung des Hydrogels DOLLAR A c) Mahlung des vorzerkleinerten Hydrogels mit einem Grob- oder Brechwalzenstuhl DOLLAR A d) Abtrennung der feuchten elastischen Hydrogelteilchen DOLLAR A e) Nachtrocknung der feuchten elastischen Hydrogelteilchen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur vollständigen Trocknung von Hydrogelen mit einer zum Stand der Technik deutlich verbesserten Trocknungseffizienz.

Gele sind Stoffe, deren Zustand zwischen dem eines Festkörpers und einer Flüssigkeit liegt. Gele bestehen aus polymeren, d. h., langen, kettenförmigen Molekülen, die zu einem dreidimensionalen Netzwerk miteinander verknüpft und in ein flüssiges Medium eingebettet sind. Im Falle von Hydrogelen stellt das flüssige Medium Wasser dar. Das Polymerrückgrat von Hydrogelen wird von hydrophilen Monomereinheiten gebildet und kann sowohl neutral als auch ionisch sein. Beispiele für neutrale hydrophile Monomereinheiten sind Ethylenoxid, Vinylalkohol, Meth(acrylamid), N-alkylierte (Meth)acrylamide, N-Methylol(meth)acrylamid, N-Vinylamide, N-Vinylformamid, N-Vinylacetamid, N-Vinyl-N-Methylacetamid, N-Vinyl-N-Methylformamid, Hydroxyalkyl(meth)acrylate wie Hydroxyethylmethacrylat, Vinyl-pyrrolidon, (Meth)acrylsäureester von Polyethylenglykolmonoallylether, Allylether von Polyethylenglykolen, Zuckereinheiten wie Glucose oder Galaktose usw., Beispiele für kationische hydrophile Monomereinheiten sind Ethylenimin (in der protonierten Form), Diallyldimethylammoniumchlorid, Trimethylammoniumpropylmethacrylamidchlorid, usw. und Beispiele für anionische Monomereinheiten sind Meth(acrylsäure), Crotonsäure, Maleinsäure, Fumarsäure, Itaconsäure, 2-Acrylamido-2- methylpropansulfonsäure, Vinyl-sulfonsäure, Vinylphosphonsäure, 2-Methacryloyloxiethansulfonsäure, 4-Vinylbenzolsulfon-säure, Allylsulfonsäure, Vinyltoluolsulfonsäure, Vinylbenzolphosphonsäure, usw. (alle aufgeführten Verbindungen jeweils in der deprotonierten Form).

Hydrogele, die durch Polymerisation ungesättigter Säuren, wie beispielsweise Acrylsäure, Methacrylsäure, Acrylamidopropansulfonsäure usw., in Gegenwart geringer Mengen mehrfach olefinisch ungesättigter Verbindungen erhalten werden können, sind bereits als superabsorbierende Polymere bekannt und beispielsweise beschrieben in US-4 057 521, US-4 062 817, US-4 525 527, US-4 286 082, US-4 340 706 und US-4 295 987.

Weiterhin sind auch Hydrogele bekannt, die durch Pfropfcopolymerisation olefinisch ungesättigter Säuren auf unterschiedliche Matrices, wie beispielsweise Polysaccharide, Polyalkylenoxide sowie deren Derivate, zugänglich sind (z. B. US-5 011 892, US-4 076 663 und US-4 931 497).

Die genannten Hydrogele zeichnen sich durch ein hohes Aufnahmevermögen für Wasser und wäßrige Lösungen aus und finden daher in getrockneter, gemahlener und abgesiebter Form bevorzugt Anwendung als Absorptionsmittel in Hygieneartikeln. Die Korngrößenverteilung der Hydrogele liegt hierbei zwischen 0 und 2000 µm, bevorzugt zwischen 100 und 1000 µm.

Die Trocknung von Hydrogelen erfolgt in der Regel nach deren Zerkleinerung nach bekannten Kontakt- oder Konvektiv-Trocknungsverfahren. Beispiele für Kontakttrockner sind Heizteller-, Dünnschicht-, Walzen-, Kontakt-Band-, Siebtrommel-, Schnecken-, Taumel- oder Kontakt-Scheibentrockner, Beispiele für Konvektionstrockner sind Horden-, Kammer-, Kanal-, Flachbahn-, Teller-, Drehtrommel-, Rieselschacht-, Siebband-, Strom-, Zerstäubungs-, Wirbelschicht-, Fließbett-, Schaufel- oder Kugelbett-Trockner (Kirk-Othmer 7, 326-398; (3.) 1, 598-624; 8, 75-130, 311-339; 5, 104-112; Ullmann 1, 529-609; 11, 462 ff.; (4.) 2, 698-721; vt Industrielle Praxis: "Fortschritte auf dem Gebiet der Einbandtrockner", Teil 1: Auslegungsverfahren, E. Tittmann; Research Disclosure 96-38363: "Drying of Pasty Materials Using a Continuous Through-Circulation Belt Dryer").

Allen diesen Trocknungsverfahren ist gemein, daß eine vollständige Trocknung aller Hydrogel-Partikel nur unter solchen Bedingungen erfolgt, unter denen der Großteil der Hydrogelpartikel bereits übertrocknet ist. Diese Trocknungsbedingungen stellen aber eine unwirtschaftliche Ausnutzung der Trocknerkapazität dar. Bei einer wirtschaftlich optimierten Ausnutzung der Trocknerkapazität sind die Trocknungsbedingungen jedoch derart, daß der Großteil der Hydrogelpartikel bereits trocken ist, während ein kleinerer Teil der Hydrogelpartikel noch feucht ist, daß heißt diese Hydrogelpartikel weisen einen Restfeuchtegehalt von < 10 Gew.-% auf. Im folgenden werden Hydrogel-Partikel mit einem Wassergehalt von größer als 10 Gew.-% als feuchte Hydrogel-Partikel bezeichnet. Feuchte Hydrogelpartikel sind gummiartig-elastisch und neigen zu Verklebungen, so daß sie zu erheblichen Störungen bei dem sich anschließenden Mahl- und Siebprozeß des Trocknungsgutes führen, welche unerwünscht sind. In der Praxis werden daher Trocknungsbedingungen gewählt, die einen Kompromiß zwischen Ausnutzung der Trocknerkapazität und Verarbeitbarkeit des Trocknungsgutes darstellen.

Es bestand daher die Aufgabe, ein Verfahren zur Trocknung von Hydrogelen zu finden, daß unter Ausnutzung der Trocknerkapazität ein gut verarbeitbares Trocknungsgut erzeugt. Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Trocknung von Hydrogelen, gekennzeichnet durch

a) Trocknung von Hydrogelen durch Kontakt- oder Konvektivtrocknung
b) Vorzerkleinerung des Hydrogels
c) Mahlung des vorzerkleinerten Hydrogels mit einem Grob- oder Brechwalzenstuhl
d) Abtrennung der feuchten elastischen Hydrogelteilchen
e) Nachtrocknung der feuchten elastischen Hydrogelteilchen.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird im folgenden erläutert.

Die Trocknung des Hydrogels erfolgt gemäß einem Kontakt- oder Konvektiv- Trocknungsverfahren. Die Art des Trocknungsverfahrens ist unkritisch, bevorzugt ist jedoch die Walzentrocknung und die Siebbandtrocknung, bei der mit Löcher versehene Horden eines Kreisförderers in einem Tunnel mit Trocknungsgut beladen und das Trocknungsgut während der Förderung durch Durchblasen von Heißluft durch die Hordenlöcher getrocknet wird. Die Trocknungsbedingungen werden hierbei so gewählt, daß der Anteil an Trocknungsgut mit einer Restfeuchte größer 10 Gew.-% zwischen 5 und 40%, und bevorzugt zwischen 10 und 30% liegt. Unter diesen Trocknungsbedingungen wird eine wirtschaftlich vorteilhafte Ausnutzung der Trocknungskapazität erzielt, das Trocknungsgut kann jedoch aufgrund des Anteils an feuchten, gummiartig-elastischen Hydrogelteilchen nicht direkt der weiteren Aufarbeitung, d. h. Siebung und Mahlung zugeführt werden. Es besteht daher die Notwendigkeit, die feuchten, elastischen Hydrogelteilchen von den spröden, trockenen Hydrogelteilchen vor der Mahlung abzutrennen. Überraschenderweise wurde gefunden, daß eine solche Abtrennung gelingt durch eine Kombination der Verfahrensschritte Vorzerkleinerung, Mahlung mit einem Grob- oder Brechwalzenstuhl und Siebung. Hierbei wird das Trocknungsgut zunächst auf eine mittlere Teilchengröße von 5 bis 50 mm vorzerkleinert. Geeignete Apparate für diese Vorzerkleinerung sind Fingerbrecher, Schneidmühlen oder Schredder, besonders bevorzugt ist der Einsatz eines Fingerbrechers. Das so vorzerkleinerte Hydrogel wird einem Grob- oder Brechwalzenstuhl zugeführt. Die Spaltjustierung erfolgt dabei so, daß die trockenen, spröden Hydrogelteilchen auf eine mittlere Teilchengröße von 0,1-10 mm, bevorzugt 0,3-10 mm gebrochen werden, während die feuchten, gummiartig elastischen Hydrogelpartikel unter diesen Bedingungen lediglich deformiert, aber nicht gebrochen werden. Die Abtrennung der größeren, feuchten Hydrogelpartikel von den trockenen, zerkleinerten Hydrogelpartikel erfolgt durch eine Siebung, wobei bevorzugt ein schwingendes Lochsieb mit einem Lochdurchmesser von 8 bis 12 mm eingesetzt wird. Die Schwingfrequenz beträgt 10 bis 50 Hz, bevorzugt 20 bis 30 Hz. Die Schwingweite liegt zwischen 1 und 10 mm, bevorzugt bei 2 bis 5 mm, die Neigung gegen die Horizontale liegt zwischen 5 und 45°, bevorzugt zwischen 5 und 25°.

Die trockenen, zerkleinerten Hydrogelpartikel gehen hierbei durch das Lochsieb durch und können direkt der weiteren Aufarbeitung wie Mahlung und Siebung zur Einstellung der Korngrößenverteilung zugeführt werden. Die abgetrennten feuchten, größeren Hydrogelpartikel werden entweder in den Strom an zu trocknendem Hydrogel zurückgeführt oder einer separaten Nachtrocknung zugeführt. Besonders bevorzugt ist hierbei die separate Nachtrocknung in geeigneten Trocknungsapparaten wie z. B. Scheiben- oder Schaufeltrocknern. Die nachgetrockneten Hydrogelpartikel können dann in den Trocknungsgutstrom zur Vorzerkleinerung zurückgeführt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt die vollständige Trocknung von Hydrogelen bei einer im Vergleich zum Stand der Technik deutlich verbesserten Ausnutzung der Trocknerkapazität. Dadurch wird eine höhere Produktivität des gesamten Herstellungsverfahrens erreicht, die wiederum zu einer Absenkung der Produktionskosten führt.

Beispiele Beispiel 1

Ein Hydrogel, bestehend aus 65 Gew.-% Wasser und 35 Gew.-% einer vernetzten Polyacrylsäure mit einem Neutralisationsgrad von 74 mol-% wurde in einem Extruder zerkleinert und einer Siebbandtrocknung unterworfen. Die Trocknung erfolgte bei einer Lufttemperatur von 180°C, die Luftgeschwindigkeit betrug 2 m/s. In der letzten Kammer des Siebbandtrockners wurde das Trocknungsgut auf eine Temperatur kleiner 60°C abgekühlt. Die Verweilzeit des Hydrogels in der Siebbandtrocknung betrug 30 Minuten, die Trocknerkapazität betrug unter diesen Bedingungen 2200 kg Hydrogel/h. Das abgekühlte Trocknungsgut wurde mittels einem Fingerbrecher auf eine mittlere Teilchengröße von 5 mm vorzerkleinert. Das vorzerkleinerte Hydrogel wurde dann einem Grobwalzenstuhl zugeführt, die Spalteinstellung betrug 1,5 mm. Anschließend erfolgte eine Siebung über ein schwingendes Lochsieb mit einer Lochgröße von 10 mm. Hierbei wurden 25% des Produktes als feuchte, größere Hydrogelpartikel zurückgehalten, während die restlichen 75% als trockene, kleinere Hydrogelpartikel das Lochsieb passierten. Die trockenen Hydrogelpartikel wurden mittels eines zweistufigen Walzenstuhls gemahlen und auf eine Korngröße von 120-850 µm abgesiebt. Die feuchten, größeren Hydrogelpartikel wurden in einem Schaufeltrockner vollständig getrocknet und dann zur Vorzerkleinerung in den Fingerbrecher zurückgeführt.

Vergleichsbeispiel 1

Es wurde wie in Beispiel 1 verfahren, die feuchten Hydrogelpartikel wurden jedoch nicht abgetrennt, sondern der gesamte Produktstrom wurde nach Vorzerkleinerung direkt der zweistufigen Mahlung unterworfen. Der Versuch mußte nach 5 Minuten abgebrochen werden, da die Walzen des zweistufigen Walzenstuhls durch die feuchten Hydrogelpartikel verklebten.

Beispiel 2

Es wurde analog zu Beispiel 1 unter Variation der Verweilzeit des Hydrogels bei der Siebbandtrocknung verfahren. Der Anteil an feuchten Hydrogelpartikeln wurde bestimmt und es wurde versucht, das Hydrogel ohne Abtrennung dieser feuchten Hydrogelpartikel zu mahlen.

Ohne Abtrennung der feuchten Hydrogelpartikel ist eine erfolgreiche Mahlung des Trocknungsgutes also nur bei einer deutlich geringeren Trocknerkapazität möglich.

Claims

1. Verfahren zur Trocknung von Hydrogelen, gekennzeichnet durch

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Trocknung der Hydrogele mit Hilfe von Walzentrocknern oder Bandtrocknern erfolgt.

3. Verfahren gemäß Anspruch 1 und/oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Vorzerkleinerung des Trockengutes mit Hilfe eines Fingerbrechers erfolgt.

4. Verfahren gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß die Spalteinstellung bei der Mahlung des vorzerkleinerten Trockengutes mit einem Grob- oder Brechwalzenstuhl derart justiert wird, daß die trockenen Teilchen nach Mahlung einen durchschnittlichen Durchmesser von 0,1-10 mm aufweisen.

5. Verfahren gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, daß zur Abtrennung der feuchten elastischen Teilchen ein schwingendes Lochsieb eingesetzt wird, wobei die Schwingungsfrequenz 10 bis 50 Hz, die Schwingweite 1-10 mm und die Neigung gegen die Horizontale 5 bis 45° beträgt.

6. Verfahren gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet dadurch, daß die abgetrennten feuchten Teilchen dem zu trocknenden Hydrogel zurückgeführt werden.

7. Verfahren gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet dadurch, daß die abgetrennten feuchten Teilchen einem separaten Trockner zur Nachtrocknung zugeführt werden.