制备高吸水性聚合物的方法

专利名称：制备高吸水性聚合物的方法
技术领域：
本发明涉及一种涂覆在纤维表面的防水材料(Water blockingmaterial)的应用，这种底材可用于光缆阻止水浸入光缆中。
背景技术：
现已知用防水材料来处理底材的许多种方法。在特殊的纤维中，纤维状的材料或纱在一些不希望有水的应用场合中用防水材料来浸渍。
比如，防水材料应用到纤维光缆上来阻止水浸入和蔓延到光缆中，纤维光缆通常是以防止光缆伸长的增强纤维缠绕波导的方式制成，而且在随后那些增强纤维也被包入塑料中。一旦有水渗入纤维光缆中，水在光缆内扩散，一般通过毛细管作用纵向扩散，直到水跟灵敏的波导接触，最终是接触到光网络连接盒。波导是用玻璃制成的，当接触到水后就会变得迟钝。通过波导的信号的传输效率下降，直到波导无法再传输信号。当这类情况发生后，就必须找到并更换光缆受损部分。自从纤维光缆可以被敷设地下或铺设在深水底部后，已使得光缆受损部位的位置确定和更换既费时间又很昂贵。
为解决这些问题，已经开发了许多的方法来防止水浸渍纤维光缆。一种办法是用一种防水材料涂覆在周围增强纤维上，这样如果水漏过塑料套，水会被增强纤维上的防水材料吸收来防止其损坏波导。
有多种方法比如欧洲专利EP-A-0351100中是用防水材料作为一种水分散体来处理纤维。这种方法的一个缺点就是这些水分散体的粘度非常高。
在欧洲专利EP-A-0666243中，公开了一种方法，即玻璃纤维束用一种吸水材料在油中的分散体来处理，其中聚(丙烯酸钠)是吸水介质。聚丙烯酸衍生物以同样方式作为高吸水材料公开于WO93/18223中。在两种情况中防水材料均以油包水乳液来处理底材、高吸水材料包含在水相中。然而乳液生产复杂以及要求使用乳化剂。
通常地，习惯上用的防水材料是基于交联聚丙烯酸和/或交联聚丙烯酸酯类，诸如油包水乳液。这类防水材料均含有水和油，而且当这些材料被施用于纤维或纱时，一些水和油必须除去。除去水和油是一项额外的工艺步骤，需大量能量，限制了生率率，且又造成环境负担。
所以，所需的是一种能既有效又方便地用在纤维上的防水材料。
没有一种已知的防水材料，在用于底材时，能完全符合如下四项指标，这些指标被定为理想的工业标准及相关的制造要求首先，涂覆高吸水性高分子的底材当用于制造如光缆时必须易于加工。这意味着涂有高吸水材料的增强底材必须具有良好的摩擦特性，且在围绕光纤芯缠绕或编织时不易产生沉积物。常用于涂覆底材的高吸水性高分子已知易于沉积，最大原因在于其形成的膜的高劲度或它们的相对较大的粒子尺寸(即大约40微米)。
其次，以常规高吸水高分子涂覆的底材中存在的残留水会导致起泡，例如在光缆的外套挤压成型过程中出现。所以，这类涂敷底材必须尽可能干燥以防止发生起泡问题。例如，高吸水性高分子的油包水乳液含有大量的水(最高达1/3)，当具有高负载的高吸水性高分子的底材在一定温度之上被挤压出来时这些水份会导致起泡，这样就有损光缆的总体质量。
第三，涂有高吸水性聚合物的底材必须经受得住诸如上述挤压成型工艺的热加工过程中遇到的温度。据现有技术所知大多数高吸水聚合物忍受不住交替的温度从而失去了吸水能力。这种不利的化学机理一般与链与链间酐的形成有关，该酐构成不了一种良好的捕获“侵入”的水的网络。
第四，大多数空中或联络光缆(有时称为架空光缆)，即把空中/地下光缆连接到所建通讯网上的光缆，它们所使用的大多数区域暴露于严寒条件下。因而一般地，光缆和特殊情况下的涂覆底材抵抗严寒条件是至关重要的。光缆内部结冰不仅影响体系的尺寸稳定性而且可能导致内部损伤。这种损伤与柔韧性下降有关，该柔韧性则与微挠曲破碎效应相关。所以，光缆中涂覆底材的强度是极为必要的，且它的干燥也绝对必要。可惜的是大量的已知高吸水聚合物不仅含水而且抵抗不了严寒条件。
综上所述，本发明所提供的物质是一种涂覆有符合上述四项指标的防水材料的底材。这种底材具高度可加工性、基本无水、耐温即抗严寒及交替温度。
发明概述本发明涉及一种涂覆防水材料的纤维，该防水材料包括一种由高吸水聚合物和分散介质组成的基本不含水的分散体。根据本发明制得的纤维可用于诸如光缆制造中的纤维增强材料，及特别地用于光缆的纱中，该光缆使用光波导作光通信传输。
发明详述本发明涉及一种涂覆防水材料的纤维，该防水材料包括一种含有高吸水聚合物和分散介质的基本不含水的分散体。本发明的防水材料易于施用在纤维表面，具有良好的阻水作用，且不损害纤维的机械特性。此类纤维常以复丝纱或诸如无纺的或其它纺织结构的纤维材料的方式使用。
在此处，术语“基本不含水”意指除了在高吸水性聚合物或分散介质中以成键方式自然产生的水外，分散体中无游离水存在。实际地讲，此类水在整个分散体的重量中所存在的量通常小于百分之二(重量)。
本发明中使用的高吸水聚合物可以是一种交联的、部分中和的聚丙烯酸(见美国专利第4,654,039号)，一种交联的、部分中和的淀粉丙烯酸接枝聚合物(见美国专利第4,076,663号)，一种交联的、部分中和的异丁烯-顺丁烯二酸酐共聚物(美国专利第4,389,513号)，一种醋酸乙烯酯-丙烯酸共聚物的高吸水聚合物皂化产物(美国专利第4,324,748号)，一种丙烯酰胺聚合物或丙烯酰胺共聚物的水解产物(美国专利第3,959,569号)，一种丙烯腈共聚物的水解产物(美国专利第3,935,099号)，它们的混合物或它们的共聚物。上述专利的内容通过参考并入本文。
更特殊地，适用于本发明分散体的高吸水性聚合物的实例包括一种部分或完全中和、部分或全部交联的聚丙烯酸衍生物(PACA)；一种部分或全部交联的聚丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸钠或钾衍生物(PAMPS)；一种部分或全部交联的聚氯化三甲胺基乙基丙烯酸酯生物(PCTA)；一种部分或全部交联的聚丙烯酰胺衍生物(PAAD)；它们的混合物或共聚物。
PACA的实例包括Hoechst AG提供的SanwetIM3900，Atochem提供的Aqua Keep和Dow Chemical提供的Dry Tech。
涂覆在纤维上的高吸水性高分子所占到的重量百分比应当基于未涂覆纤维重量的0.05％-10％(重量)，更好的范围是0.1％至5％(重量)，因为在实际使用时低于0.1％(重量)防水效果不明显，而高于5％(重量)则纱的加工性变得困难，因为有诸如沉淀的形成。尽管可能使用更高数量的高吸水性高分子，但在实际中是不可行的。如果纤维中包括一种浆料，该浆料是在用高吸水性高分子分散体处理纤维之前加入，则重量百分比是参照无浆料的未处理纤维的干重。
高吸水性高分子具有的粒子大小小于100微米，优选的为小于20微米，更优选的为小于5微米。
可使用具有100微米或更大的粒子大小的高吸水性高分子，但会存在结块或形成聚集的问题。这些问题可以采用减小高吸水性高分子粒子大小和将它们分散到一种分散介质中来克服。
商业上用的PACA如Aqua KeepSHP10的典型粒子大小提供如下
此表显示出商业用PACA包含有比本发明中优选的粒度大得多的聚合物颗粒。通常，这类高吸水性高分子被用来涂覆那些要求聚合物有一个相对大的粒度的卫生产品。
因此，本发明的另一方面就是要修饰高吸水性高分子使它们具有小于100微米的粒度，优选低于20微米，更优选低于5微米。
有四种办法可以获得粒度小于100微米的高吸水性高分子。
第一种方法，取高吸水性高分子，如上述的商业用聚合物，用筛子筛出不想要的大颗粒。使用此技术的主要缺点就是产量低而且不定。
因此，另外三种优选来制备或获得具有低于100微米，优选小于20微米，更优选小于5微米的最适合粒度的高吸水性高分子。最好是此高分子的粒度等于或者小于所涂覆的纤维的直径。
一种方法就是在将高吸水高分子分散在分散介质中之前先将此高分子干磨。利用ConduxMaschinenbau GmbH & Co.公司生产的ConduxCGS气流研磨机(air jet grinder)可生产出低至5微米的粒度的产品。
另一种方法是湿磨法，此法是在高强度研磨下完成，也就是说可以采用如Kinematica AG出产的MegatronMT 5000粉碎机在大于12000 RPM转速下来进行，此研磨是在高吸水性高分子被分散在分散介质中以后进行的。
还有另一种办法就是在高吸水性高分子的单体成分在聚合的过程中就使此高分子具有低于100微米的粒度。在此方法中，提供一种上述的高吸水性高分子的单体，部分或全部中和单体，加入一种催化剂和一种交联剂，将单体温度升高以引发单体的聚合，在聚合过程中保持温度，蒸去水分而得到高分子粉末，在整个工艺中始终提供至少10000转/分钟的剪切速率以生产出粒度低于100微米的聚合物。
在另一实施方案中，在聚合反应步骤之前，先将全部或部分中和的单体、交联剂及催化剂的混合物加入到含有烃溶剂的反应釜中来制备逆悬浮聚合反应(inverse suspension polymerization)。烃类溶剂的量应当是单体、交联剂和催化剂重量的2到3倍。烃类溶剂可以是C6、C7或C8烷烃或芳香族化合物。优选的芳香族溶剂是甲苯。在蒸发步骤中，象水一类的溶剂应除去。
在一优选的实施方案中，可在聚合步骤中添加一种高湿润剂(SWA super wetting agent)，将仅相当于溶剂和高湿润剂重量的0.05％-10％、优选的为0.5％的高湿润剂混合到溶剂中。该SWA和溶剂加到单体溶液中，SWA和溶剂与水相单体溶液的重量比最好为1∶1至3∶1。在聚合反应结束时通过蒸馏除去溶剂和水。蒸馏温度根据所用的溶剂、是否采用真空以及是否共沸蒸馏来调整。典型地，水-环己烷混合物可在真空下在80-90℃时除去。也可将无溶剂的SWA直接加至单体溶液中，因为在水相介质中也观察到SWA的表面活性剂效应。
此处用到的术语“SWA”是指一种具有低于30毫牛/米(mN/m)表面张力的高湿润剂。优选的SWA具有低于25mN/m的表面张力。此类SWA已公开于诸如高分子材料百科全书第10卷，硅氧烷高分子，CRC出版社，1996。该表面张力低于常用的基于有机油类的表面活性剂的表面张力范围30-35mN/m。SWA的实例包括
1.三甲基硅烷2.一种聚环氧乙烷(PEO)-修饰三甲基硅烷，即三甲硅烷用含有环氧乙烷环氧丙烷(EO/PO)序列的聚醚接枝，诸如由Th.Goldschmidt AG提供的Tegopren5840。
3.三硅氧烷4.一种聚环氧乙烷(PEO)-修饰三硅氧烷，即三硅氧烷用含环氧乙烷环氧丙烷(EO/PO)序列的聚醚接枝，诸如由Th.Goldschmidt AG提供的Tegopren5878。
5.聚二甲基硅氧烷(PDMS)6.一种聚环氧乙烷(PEO)-修饰二甲基硅氧烷，即聚二甲基硅氧烷用含环氧乙烷环氧丙烷(EO/PO)序列的聚醚接枝，诸如由Th.Goldschmidt AG提供的Tegopren7008。
7.聚醚修饰的硅氧烷如由Th.Goldschmidt AG提供的Tegopren5845。
在聚合反应中使用SWA的优点就是得到具有相对较小的粒度的高吸水性高分子，即低于5微米，且低于1微米的粒子百分比高的高吸水性高分子。高吸水性高分子的粒度越小，聚合物吸水越快，且纤维所需的该高分子的量越低，因为它提高了较小的粒子在纤维内部的分布。
分散介质可以是油、高湿润剂、油与高湿润剂的掺合物、油剂组合物、甘醇、或它们的混合物。
可用于一种高吸水性高分子-油分散体系的油包括矿物油、植物油及全合成油。这些油具有较低的粘度，即运动粘度在20℃时为50-350mm2/s，优选的为20℃时80-200mm2/s。再者，这些油应当耐热，亦即此油敞开着在150℃下加热2小时失重少于5％，或者在230℃下敞开加热2小时失重少于15％。
可用的油的实例已在美国专利第5,139,873及第5,270,113中公开。例如，美国专利第5,270,113公开一种成品油组合物，它包括30-70％(重量)的由醇和羧酸组成的酯油基润滑油，20-50％(重量)的由不饱和乙氧基化的脂肪酸或醇类，或乙氧基化烷基胺组成的乳化体系，5-15％(重量)的抗静电剂，0.2-2％(重量)的缓蚀剂，以及任选的其它添加剂。为了使油具有上述的耐热性，酯油最好是一种芳香族衍生物，抗静电剂最好包括一种磺酸酯和/或一种磷酸酯的衍生物。这些油也可包括疏水活性成分如美国专利第5,275,625号公开的双乙烯酮二聚体。
对于包括乳化体系的油类而言，其乳化体系可用上述的SWA替代。在此情况下，不含任何溶剂与水的SWA在油组合物中的重量百分比为0.05％至50％。
此类油有助于高吸水性高分子和防水作用，它们使水在高吸水性高分子颗粒之间的扩散更容易。这类油的其它优点是使涂覆纤维的可加工性增强，而且为纤维提供了抗静电保护。
如果分散介质是一种尚未包括SWA的油，那么该油分散介质可以包括一种SWA。该SWA可以是上述哪些中的任何一种，典型的用量是SWA和油的总重量的0.05％至95％，优选的为10％-50％，最优选的是30％(重量)。
在含SWA的分散介质中的SWA给本发明的防水材料带来一定的优点。SWA增进了高吸水性高分子、分散介质和纤维的亲水-亲脂平衡来获得复丝纤维表面的更均匀和更快的动态湿润，使此表面生成均匀的涂层，从而达到用更少量的高吸水性高分子就可获得理想的防水效果。而且，此均匀性和较快的动态湿润允许防水材料在线应用到纤维上。
除此之外，分散介质也可为单独的一种无水SWA。
如果分散介质中包括甘醇，甘醇可以是乙二醇或丙二醇或其它任何甘醇衍生物。而且，此甘醇也可包括一种乙烯丙烯氧化物乳化剂。甘醇可以赋予光缆优良的抗冻性。
分散介质还可以包括其它的防冻组分，如二甲基亚砜、钾盐或钠盐、或它们的混合物。防冻组分的含量可以通过所知的1.5克甘醇要求能将1克水的冰点降至-40℃来简单地估算出来。
在高吸水性高分子分散体用于纤维上之后，分散介质保留在纤维上。如上所述，本发明的防水材料基本不含水，使此材料更便于应用，而且它比使用油包水型的防水材料使用起来更简单，因为此油包水型防水材料要求在纤维上应用丙烯酸防水材料时需有除去水和油这一步骤。
本处所用的术语“纤维”包括由有机和无机材料组成的纤维。作为有机纤维可以用天然的和合成的纤维，有机天然纤维的例子有纤维素纤维，羊毛纤维，丝纤维。有机合成纤维的例子有人造纤维，再生纤维素纤维、脂肪族和芳香族聚酰胺，聚酯类、聚烯烃类、聚丙烯腈类、聚氯乙烯类、聚乙烯醇类以及同类的有机合成纤维。无机纤维的例子有玻璃纤维、碳纤维、金属纤维、陶瓷纤维、矿物纤维、硼纤维以及同类的无机纤维。优选的纤维包括玻璃纤维、芳族聚酰胺纤维、尼龙纤维、聚酯纤维如聚对苯二甲酸乙二酯及聚甲基丙烯酯的纤维，以及包括再生纤维素之一的纤维素纤维。
在用分散体涂覆之前最好先将纤维干燥，直到其干透到在光缆外套挤出成型过程中抗起泡，以及当光缆露在低温下时抗冻裂。以同样的原因，在高吸水性高分子被分散入分散介质中之前最好是十分干燥的。
为了用于纤维光缆中，此类纤维应有2.65至33.5cN/dtex(即3-38g/den)的比断裂强度(specific breaking strength)和8.83至2297cN/dtex(即10-2500g/den)的比模量。
芳族聚酰胺纤维是一类部分地或绝大部分地或唯一由芳环构成的聚合物的纤维，这些环通过脲桥或任意一种其它桥结构连接起来。此类芳族聚酰胺可以阐述为具有下列重复单元的通用分子式(-NH-A1-NH-CO-A2-CO)n其中，A1和A2是相同的或不同的且指明为芳香族的和/或聚芳香族的和/或杂环芳香族的环，这些环也可被取代。典型地A1和A2可以各自独立地从下列环中选择1，4-亚苯基、1，3-亚苯基、1，2-亚苯基、4，4’-亚联苯基、2，6-亚萘基、1，5-亚萘基、1，4-亚萘基、苯氧基苯基-4，4’-二基、苯氧基苯-3，4’-二烯基、2，5-亚吡啶基和2，6-亚喹啉基，它们可以或不可被一个或更多的取代基所取代，这些取代基包括卤素、C1-C4烷基、苯基、烷氧碳酰基、C1-C4烷氧基、酰氧基、硝基、二烷基氨基、硫代烷基、羧基及磺酰基。-CONH-基团也可被碳酰肼(-CONHNH-)基、偶氮基或氧化偶氮基所取代。
此外美国专利第4,670,343号中公开了可用的聚酰胺类，其中芳族聚酰胺为共聚酰胺，最好是整个A1和A2的摩尔数中至少有80％是可能取代或未被取代的1，4-亚苯基和苯氧基苯基-3，4’-二基并且苯氧基苯基-3，4’-二基的成分占到摩尔数10％至40％。
纤维最好是全部出自芳族聚酰胺。
芳族聚酰胺的实例有聚间苯二甲酰间苯二胺和聚对苯二甲酰对苯二胺。
其它适用的芳族聚酰胺具有下列结构(-NH-Ar1-X-Ar2-NH-CO-Ar1-X-Ar2-CO-)n其中X代表O、S、SO2、NR、N2、CR2、CO。
R代表H、C1-C4烷基，Ar1和Ar2可以相同或不同，均选自1，2-亚苯基、1，3-亚苯基及1，4-亚苯基、且其中至少有一个氢原子可以用卤素和/或C1-C4烷基取代。
添加剂可以同芳族聚酰胺一起使用，事实上已经发现数量达10％(重量)之多的其它高分子材料可以与芳族聚酰胺一起掺和使用，或具有多达10％的以其它二胺来取代芳族聚酰胺中的二胺的共聚物或具有多达10％的以其它二酰氯来替代芳族聚酰胺中的二酰氯的共聚物也可使用。
同样也可以使用由包括杂化纤维(hybrid fibers)在内的上述材料组成的纤维。更进一步而言，根据本发明，双组分纤维也可使用，其芯由不同于皮层的一种材料构成。
本发明的纤维可以是圆的，扁平的或具有其它的截面形状，或可以是中空纤维。再者术语“纤维”包括环形纤维(endlessfibers)(丝类)和短纤维结构、微纤维和复丝。此外，纤维也可制成短纤维结构的纱类(这类纱是纺成的)以及环形纤维的纱。这些纤维通常以纺织、编结或无纺形式制成纤维状材料如包括毛绒、衬料、毡。
涂覆本发明的防水材料的纤维具有优异的防水效果，因为施用到纤维上的高吸水性高分子一旦接触到水，就会膨胀从而阻止水沿着纤维渗透。纤维的机械性能并不会受到沉积其上的高吸水性高分子的损害。即然在纤维表面上用到少量的高吸水性高分子就可达到好的防水效果，纤维的重量和体积并没有显著增加，故而此涂覆的纤维可以同具有相似的加工性能特征的未涂覆纤维一样的应用方式使用。
根据本发明制造的纤维可作为如纤维增强材料用于光缆的制造，尤其是用光学光波导(optical light wave guides)作光通信传输的纤维光缆的制造上。在纤维光缆中，玻璃、芳族聚酰胺或其它强度成分的复丝可用作张力释放(tensile load relief)纤维或增强纤维。然而，本发明的纤维并不局限于这些用途，可以被用于那些希望吸水以阻止水扩散的任何用途上。
分散介质中高吸水性高分子的分散体含有从0.1％至70％(重量)的高吸水性高分子，优选20％至40％(重量)(基于分散介质和高吸水性高分子二者的总重量而言)。假如分散介质中包括SWA，那么需要相对较低数量的高吸水性高分子即可得到理想的防水效果。较高用量的高吸水性高分子也可以用，但会变得不实际，因为分散体的稳定性下降。用于分散体中涂覆纤维的高吸水性高分子的量可选择自上面根据分散介质的粘度而指定的范围以便在纤维表面上提供一个均匀的分散体涂层。当纤维是以纱、复丝或纤维状材料的形式时这是特别重要的，因为当防水材料施用在这些材料上时，希望在纱或纱束中获得最佳渗透效果以便涂覆尽可能多的纤维。
此分散体可以通过将粉末状的高吸水性高分子加入到在以一定速率搅拌下的分散介质中来简单地制得，搅拌速度应能确保高吸水性高分子均匀地分布在分散介质中。如果用一个浸渍池，将纤维通过此池来涂覆纤维，那么此分散体应连续地保持运动状态，例如通过搅拌方式。
作许多用途的纤维，比如用于纤维光缆中的纤维其大小是在从10至15μm的范围内，所以高吸水性高分子颗粒其粒子大小应低于100μm，优选的为低于20μm，更优选的为低于5μm。
分散体可通过任何常规的涂覆工艺施用到纤维上，例如采用有或无刮刀的辊涂、喷涂、浸涂、一种蛇管系统，或用一种涂装施用法(finishapplication)(如计量系统)(metering system)，或用其它任何已知的涂覆设备。如果希望的话，分散体也可应用到一个用分散体多次涂覆纤维的多步骤工艺中。超声系统也可用来增强分散体的均匀性或渗透性。对纤维而言，最好用一种浸涂法，该法中浸渍池内存在油分散体，欲处理的纤维通过此池。但可以优选一种更高涂布速度的计量涂布器。除了浸涂外，对二维形态的纤维状材料而言，可以采用其它工艺如喷涂。
根据选择的工艺，涂覆速度可以在0.1及1200米/分钟之间调整。一种未除去分散介质如油的工艺，具有明显地提高涂覆速度以及生产效率的额外优点，因为可以在没有限定蒸发掉分散介质所需停留时间的情况下以较高速度涂覆纤维。除纺丝工艺过程外纤维处理的典型速度是60米/分钟，且纤维制造过程中涂覆速度是800米/分钟。
高分子纤维已知会吸湿。所以最好是将纤维预处理以便将干透的纤维用到涂覆工艺中。这可以用常规的纤维干燥技术很容易地达到，或者在纤维纺丝过程中方便地完成。
可以选择分散体的温度来增强纤维渗透性和覆盖均匀性，而且仅根据分散体成分的耐温性来限定。不过，优选的温度范围为10-100℃，更优选的范围是35-75℃。
本发明将用下述实施例来更详细地解释。
实施例实施例1本实施例阐述一种从单体中生产粒度低于100μm的高吸水性高分子的方法。
一台MegatronMT 5000反应釜上安装一台装置以如同导入液体一样导入固体，该反应釜有一个转速达16000RPM的高强度微粒机槽(Micronizer cell)，一个吹入惰性气体的系统，系列温度探头，和一个由夹套组成的加热和冷却装置，此装置中一种热交换流体以特定精确温度循环。这种反应釜用来聚合单体生产具有粒度低于100微米的高吸水性高分子。
微粒机设置转速为16000RPM，一定量的用氢醌稳定的含80％(重量)丙烯酸的水溶液用20％(重量)的氢氧化钠或氢氧化钾溶液定量中和。此过程中微粒机内温度不超过35℃。
待温度稳定后，将相当于丙烯酸量2.8％(重量)的2％浓度的过硫酸钠水溶液加入到反应釜中。过硫酸钠在聚合过程中作为催化剂。此溶液可以被已知文献中用于相关反应的任何同类催化剂替代。当温度小心地维持在30℃时，将相当于丙烯酸量0.5％(重量)的乙二醇二缩水甘油醚加到反应釜中。乙二醇二缩水甘油醚在丙烯酸聚合反应中作为交联剂，但可以用文献中已知的同类交联剂替代，这类交联剂至少是一个具双官能团的共价交联剂，或离子型交联剂如硫酸钠铝。温度升至40℃，并在氮气吹入反应釜中时保持恒温15分钟。
在15分钟后，将釜内液体温度升至70℃使聚合反应开始。反应釜内容物小心地保持在此温度下30分钟，这样充分使中和的丙烯酸定量聚合。聚合过程中微粒机的转速始终保持在16000RPM。然后升温至125℃通过蒸发除去水相。此分离过程也可用机械方法比如超滤或离心方法。在水分完全蒸发后，就得到粒度非常细的、低于20微米的分布非常好的高吸水性高分子。
在适当的纯化后，此高吸水性高分子就可用来制备本发明的分散体。此处描述的方法易于适合聚合本发明中粒度低于100μm的其它高吸水性高分子的颗粒。典型的粒度分布如下50％的粒子低于8μm；10％的粒子低于3μm；90％的粒子低于12μm。
粒子大小用英国Malvern Instruments公司出产的MastersizerMicron测定，此仪器适合无论是在干的还是湿的介质中粒子大小在0.3-300μm范围的粒度分析。
实施例2一种不含涂饰剂的对芳族聚酰胺纤维的纱(Kevlar49型，1580dtex)，含有聚对苯二甲酰对苯二胺(poly-p-phenylene diamineterephthalamide)，此纱用一种由美国专利第5,270,113号公开的油剂中根据实施例1制备的含35％(重量)高吸水性高分子的分散体处理，此油剂包括含30-70％(重量)的一种醇和一种羧酸组成的酯润滑油，20-50％(重量)由乙氧基化的不饱和脂肪酸或脂肪醇或乙氧基化烷基胺构成的乳化体系，5-15％(重量)的抗静电剂，以及0.2-2％(重量)的缓蚀剂。油剂的主要成分是由一种醇和一种羧酸合成的酯润滑油，它具有合适的亲水性质使得水可以在高吸水性高分子颗粒中快速扩散，从而增加了高吸水性高分子的防水效果。此纱用分散体涂覆，在纱上产生一涂层，此涂层的高吸水性高分子量相当于未涂覆纱的干重的2.5％，油则相当于4.5％。
由此得到用上述分散体涂覆的对芳族聚酰胺纱，可用下述柱试验方法测定其防水性能。
柱测试步骤本实例中的纱的防水作用是用通流试验来确定。试验中两端开口的玻璃管的部分内在圆筒形空间用纱束填充，这样纱束的纵向轴基本上与置有纱束的圆筒形空间的纵向轴是平行的。将充纱管沿一个与其纵向轴垂直的方向切成两段，这就形成一个50mm长度的圆筒状试管，此试管末端与管内纱束末端几乎恰好一致。接着，试管一端接通盛水容器的内容物且受到一个特定高度的水头的压力。使试管中整个纱束湿润所需要的时间定为通流时间。该时间用于测定纱的防水作用。通流时间采用在启用试管一端水压之后到另一(空余)端出现第一滴水之前的这一段时间。
通流试验是在下边的条件下进行的
选择试管内纱的数目，使由它们形成的纱束全部充满试管的内圆筒空间。对于线性密度为1580dtex的纱，该值为100，得到的整个纱束的线性密度为158000dtex。根据本实施例涂覆的纱通过了柱试验。在试验结束三周以后仍保持了有效的防水活性。
实施例3-5Aqua KeepSHP10聚合物在一台由ConduxMaschinenbauGmbH&Co生产的ConduxCGS气流粉碎机中干磨二次，此聚合物具有如下的粒子大小50％颗粒低于9μm；
10％颗粒低于4μm；90％颗粒低于15μm。
研磨过的聚合物用于制备实施例2中的分散体，这些分散体由不同数量的高吸水性高分子和实施例2中的油剂制得。线性密度1580dtex的纱根据实施例2涂覆，其涂覆量阐述如下油量％(重量) SAP*％(重量) 柱试验时间实施例3 2.3 1.2 ＞3周实施例4 2.6 1.4 ＞3周实施例5 4.5 2.5 ＞3周*＝即为高吸水性高分子上述表明，实施例3、4和5中的纱均通过了柱试验，且在试验结束时各自还保持了3周有效的防水活性。
实施例6-8依照实施例2用Aqua KeepSHP10聚合物(未研磨)和油剂制得一种分散体。该分散体用Kinematica AG生产的MegatronMT5000微粒机在12000RPM下湿磨30分钟。微粒机内的温度保持在15℃。
分散体中的高分子具有如下的粒子大小50％颗粒 低于12μm；10％颗粒 低于5μm；90％颗粒 低于19.5μm。
纱用由不同数量的高吸水性高分子和油剂制得的分散体按照实施例2涂覆，阐述如下油量％(重量)SAP*％(重量) 柱试验时间实施例6 2.3 1.2 ＞3周实施例7 2.6 1.4 ＞3周实施例8 4.5 2.5 ＞3周*＝高吸水性高分子上述表明，实施例6、7、8中的纱均通过了柱试验，且在试验结束时三周后各自还保持了有效的防水活性。
对比实施例9一种1580dtex的Kevlar49未涂布纱，用其重约1％的不含高吸水性高分子的油剂按实施例2进行处理。此油剂与用于实施例2中的相同。纱的防水作用以实例2中的水柱试验装置测定，纱的用量相同，2分钟后纱并不能阻挡水而让其流过柱子。
对比实施例10一种Kevlar49未涂布纱用实施例9中的方法处理，不用之处在于此处采用5％(重量)的油剂进行涂覆。纱的防水作用以实施例2的水柱试验装置测定，纱的用量相同，2分钟后纱并不阻挡水而是让其流过柱子。
实施例11一种高吸水性高分子按实施例1制得，不同之处是在引发聚合之前加入了高湿润剂(SWA)-溶剂的溶液至单体水溶液中，此时微粒机转速保持在16000RPM。
SWA-溶剂溶液是通过添加0.5％(重量)的Tegopren5845湿润剂聚硅氧烷到99.5％(重量)环己烷中来制备。在此之前环己烷中溶解的氧气要用吹入氮气的方法除去。
单体的聚合按实施例1的方法完成，通过80-90℃下真空蒸馏除去聚合物中的环己烷和水。聚合物的粒度分布如下10％颗粒 低于0.3μm；50％颗粒 低于0.8μm；90％颗粒 低于3μm。
粒子大小用英国Malvern Instruments Ltd.出产的MastersizerMicron测定，这种仪器适合在干的或湿的介质中粒子大小在0.3-300μm范围的粒度分析。
实施例12一种十分干燥的对芳族聚酰胺纤维的未涂布纱(Kevlar49型，1580dtex)用实施例2的方法处理，此方法还用到了根据实施例11制备的高吸水性高分子。根据本实施例方法涂覆的纱通过了柱试验，此纱在试验结束三周后仍然保持有效的防水活性。
实施例13-14纱用如下的一种高吸水性高分子来处理。高吸水性高分子根据实施例3-5的方法制备。将研磨的高吸水性高分子加入到实施例2中的无水的油剂和不同量的Tegopren5845型高湿润剂的分散介质中。在实施例13和14中，组分的比例为30％(重量)高吸水性高分子，50％(重量)无水油剂，20％(重量)的Tegopren5845。
纱用实施例2的方法涂覆，涂覆量阐述如下油和SWA％(重量)SAP％(重量)柱试验时间实施例131.20.6＞3周实施例142.41.2＞3周上述表明，实例13和14的纱通过了柱试验，此纱在试验结束三周后仍保持有效的防水活性。
权利要求
1.一种制备高吸水性聚合物的方法，包括提供一种单体水溶液，升高单体温度引发单体聚合，在聚合过程中保持温度，蒸发掉水分而得到高分子；其中改进包括在整个工艺中提供至少10000转/分钟的剪切速率以生产出粒度低于100微米的聚合物。
2.权利要求1的方法，进一步包括部分地或全部中和单体的步骤。
3.权利要求1的方法，进一步包括部分地或全部交联聚合物的步骤。
4.权利要求1的方法，进一步包括在聚合之前加入一种烃溶剂至单体中。
5.权利要求1的方法，其中一种交联剂过量地加至单体中。
6.权利要求4的方法，其中交联剂为一种乙二醇衍生物。
7.权利要求1的方法，其进一步包括在聚合前往单体中加入表面张力低于30mN/m的高湿润剂的步骤。
8.权利要求7的方法，其中高湿润剂分散在一种烃类或芳香族溶剂中。
9.权利要求8的方法，其中分散体包括0.05-10％重量的高湿润剂和80-99.95％重量的溶剂。
10.权利要求8的方法，其中高湿润剂和溶剂与单体水溶液的比率为1∶1至3∶1。
11.权利要求7的方法，其中高湿润剂选自一组由三甲基硅烷、一种聚环氧乙烷(PEO)修饰的三甲基硅烷、三硅氧烷、一种聚环氧乙烷修饰的三硅氧烷、聚二甲基硅氧烷、一种聚环氧乙烷修饰的聚二甲基硅氧烷、以及聚醚修饰的硅氧烷组成的物质。
全文摘要
本发明公开了一种制备高吸水性高分子的方法，包括提供一种单体水溶液，升高单体温度引发单体聚合，在聚合过程中保持温度，蒸发掉水分而得到高分子；其中改进包括在整个工艺中提供至少10000转/分钟的剪切速率以生产出粒度低于100微米的聚合物。
文档编号G02B6/44GK1554679SQ20041004747
公开日2004年12月15日 申请日期1999年11月22日 优先权日1998年11月24日
发明者S·雷布伊拉特, S 雷布伊拉特, F·V·普菲斯特, 普菲斯特 申请人:纳幕尔杜邦公司