不同性能高吸水性樹脂在應(yīng)用領(lǐng)域的研究

朱富軍 王翔

（江蘇省連云港市江蘇斯?fàn)柊钍邢薰?江蘇連云港 222000）

不同性能高吸水性樹脂在應(yīng)用領(lǐng)域的研究

朱富軍 王翔

（江蘇省連云港市江蘇斯?fàn)柊钍邢薰?江蘇連云港 222000）

主要介紹了高吸水樹脂目前的發(fā)展現(xiàn)狀，闡述了高吸水性樹脂的制備工藝及吸水原理，概述了國內(nèi)高吸水性樹脂的常用性能評價方法。結(jié)合國內(nèi)高吸水性樹脂的應(yīng)用現(xiàn)狀分析了不同應(yīng)用領(lǐng)域?qū)Ω呶詷渲阅艿男枨螅⒅赋隽宋磥砀呶詷渲陌l(fā)展趨勢。

高吸水性樹脂；性能評價指標(biāo)；應(yīng)用領(lǐng)域

1 引言

高吸水性樹脂（Super Absorbent Polymer：SAP）是繼棉花、海綿等傳統(tǒng)吸水性材料之后的新一代吸水性功能高分子材料。相對于傳統(tǒng)吸水材料，SAP的吸收量能夠達(dá)到自身重量成百上千倍，并且在吸水后具有較好的保水性能，加壓條件下也能實現(xiàn)較高的吸收量，這均得益于其含有大量親水性基團(tuán)的三維網(wǎng)狀彈性結(jié)構(gòu)特性。近年來SAP得到了高速發(fā)展，國內(nèi)SAP生產(chǎn)裝置的數(shù)量及產(chǎn)能均在逐步擴(kuò)大。但是能否生產(chǎn)出滿足實際應(yīng)用需要的SAP將決定著一個企業(yè)未來的發(fā)展，因此，對SAP在應(yīng)用領(lǐng)域的研究具有十分重要的現(xiàn)實意義。

2 SAP概述

2.1 SAP的制備工藝

SAP的制備工藝主要包括水溶液聚合工藝、反相懸浮聚合工藝、反相乳液聚合工藝以及輻射聚合工藝，目前水溶液聚合工藝和反相懸浮聚合工藝已在工業(yè)化方面得到了較為成熟的應(yīng)用。對于水溶液聚合工藝，其具有工藝相對簡單、成本較低、聚合體系中各反應(yīng)助劑分散均勻，有利于反應(yīng)的控制等特點(diǎn)，多采用帶式反應(yīng)器和釜式反應(yīng)器，但是該工藝反應(yīng)過程中熱量不易傳導(dǎo)、反應(yīng)產(chǎn)物為塊狀凝膠，后期需凝膠粉碎工序；對于反相懸浮聚合工藝，其具有體系粘度低、反應(yīng)熱易于傳導(dǎo)、聚合相對穩(wěn)定、分子量分布較為集中、反應(yīng)產(chǎn)物顆粒均勻易控等特點(diǎn)，但是由于工藝中涉及大量有機(jī)溶劑、危險程度高，因此對生產(chǎn)設(shè)備的技術(shù)要求較高，投資成本較大。

2.2 SAP的吸水原理

SAP的吸水過程建立在其交聯(lián)形成的空間三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，通過物理吸附和化學(xué)吸附的共同作用實現(xiàn)吸水能力，并最終達(dá)到溶脹平衡。Flory公式可以對SAP溶脹平衡時的最大吸水能力進(jìn)行定量表示：

式中：Q 為吸水倍率；Ve/Vo為交聯(lián)密度；（0.5-X1）/V1為對水的親和力；i/Vu為固定在樹脂上的電荷密度；S為外部溶液電解質(zhì)的離子強(qiáng)度。其中分子第一部分代表滲透壓，即物理吸附；第二部分代表對水的親和力，即化學(xué)吸附；分母為交聯(lián)密度。因此，SAP的吸水能力是受電解質(zhì)濃度、樹脂親水性強(qiáng)弱以及交聯(lián)密度等共同作用的影響。

根據(jù)Flory理論，SAP顆粒的交聯(lián)密度增大會凝膠強(qiáng)度增加，提高加壓吸收率以及通液性，但是同時SAP吸保水量會降低，SAP的保水性能與通液性的關(guān)系如圖1所示。這是典型的“魚（保水）”與“熊掌（加壓吸收、通液性）”不可兼得。因此如何平衡這兩者的關(guān)系就取決于SAP供應(yīng)商的產(chǎn)品研發(fā)能力。

圖1 SAP的保水性能與通液性的關(guān)系圖

3 SAP的性能評價指標(biāo)

3.1 吸收速度

測試方法通常采用漩渦消失法，即迅速地加入SAP樣品到一個正在攪拌的已知體積的0.9%NaCl溶液中，SAP樣品吸收鹽溶液后開始形成凝膠。記錄從加SAP開始到形成液體凝膠、攪拌產(chǎn)生的漩渦消失，最終凝膠表面變得平滑的時間。吸收速度的快慢直接影響著尿褲等最終產(chǎn)品的吸收速度，在保證整體性能不變的情況下，吸收速度越快越好。

3.2 飽和吸收倍率

測試方法通常采用茶袋法，即稱量一定量試樣，放于茶袋中。將茶袋放入液體中吸液30min后，懸掛10min瀝去多余液體后稱量計算，確定吸水倍率。其中用于測試的液體可為生理鹽水、去離子水、純凈水以及自來水等。飽和吸收倍率反映著SAP的最大吸液能力，也間接影響著尿褲等最終產(chǎn)品的最大吸液能力。

3.3 離心保水量

通常采用茶袋法測定：即稱量一定量試樣，放于茶袋中。茶袋放入生理鹽水中吸液30min后，取出放入離心脫水機(jī)，在250g離心力下離心3min瀝去多余液體后稱量計算，確定離心保水量。離心保水量反映了SAP在吸液飽和后受力情況下所能保存的最大液體量，間接影響著尿褲等最終產(chǎn)品保水能力。

3.4 加壓吸收量

測試方法為：稱重試樣并將其分布在指定圓筒底部的過濾篩網(wǎng)上。對試樣施加均勻的壓力。接著將筒體置于充滿生理鹽水的培養(yǎng)皿中的濾板上。吸收1h后，取走濾板上的筒體并稱重，計算加壓吸收量。施加的壓力多為0.3psi、0.7psi及0.9psi等。加壓吸收量反映著SAP在受壓情況下所能吸收的最大液體量，其大小決定著尿褲等最終產(chǎn)品在實際使用情況下的吸液能力。

3.5 短時間吸收倍率

測試方法與飽和吸收倍率一致，只是吸收時間縮短，通常多采用1min，主要用于測試SAP短時間的吸液能力。通常SAP的吸收速度越快，其短時間吸收倍率越高。短時間吸收倍率的大小直接決定著尿褲等最終產(chǎn)品的瞬間吸收能力。

3.6 通液速率

測試方法主要是將SAP吸收一定量生理鹽水后膨脹形成凝膠層，在凝膠層施加一定壓力，然后測試在受壓情況下生理鹽水透過此凝膠層的體積流速。通液速率反映了SAP對液體的導(dǎo)流作用，通液速率越小，SAP越易發(fā)生結(jié)團(tuán)堵塞情況，決定著液體在尿褲等最終成品中的擴(kuò)散快慢，擴(kuò)散不好易導(dǎo)致發(fā)生側(cè)漏現(xiàn)象，影響用戶使用感受。

3.7 殘存單體

測試方法為：用生理鹽水將SAP內(nèi)部的殘存單體提取出來，然后通過高效液相色譜法進(jìn)行測定，用外標(biāo)法定量。SAP的殘存單體含量通常要求小于500ppm。如果殘存單體過高，會影響SAP在應(yīng)用過程中用戶的使用感受。殘存單體過多會導(dǎo)致尿褲等最終成品吸液后的酸堿性強(qiáng)弱，影響用戶使用感受，易導(dǎo)致紅疹現(xiàn)象的發(fā)生。

3.8 粒度分布

測試方法為：利用一系列標(biāo)準(zhǔn)篩，將粒度大小不同的SAP分開，進(jìn)行分別稱重，然后計算出各級粒度SAP所占的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，即可得出SAP的粒度分布情況。通常不同應(yīng)用領(lǐng)域?qū)AP粒度分布要求也不盡相同。

4 SAP的應(yīng)用領(lǐng)域

4.1 嬰兒紙尿褲

SAP消費(fèi)總量的近3/4應(yīng)用在了嬰兒紙尿褲領(lǐng)域，并且這一用量在未來數(shù)年仍將會以超過年5%以上的速度持續(xù)平穩(wěn)增長。隨著嬰兒紙尿褲不斷發(fā)展，其吸水層結(jié)構(gòu)已經(jīng)從最初的SAP與絨毛漿混合制成的混棉結(jié)構(gòu)發(fā)展成為由無紡布層、膨化紙層、SAP層等多層疊加搭配制成的“三明治”型芯體結(jié)構(gòu)以及半混棉半芯體結(jié)構(gòu)等。芯體結(jié)構(gòu)一方面可以改善混棉型結(jié)構(gòu)易斷層等缺點(diǎn)，實現(xiàn)嬰兒紙尿褲的超薄結(jié)構(gòu)，另一方面又可以減少包裝材料從而實現(xiàn)節(jié)約運(yùn)輸成本的目的，同時也降低了對設(shè)備投資的要求。未來嬰兒紙尿褲的發(fā)展趨勢還會繼續(xù)向著更輕更薄方向發(fā)展。

對于混棉型嬰兒紙尿褲，其對SAP的離心保水量、生理鹽水飽和吸收量具有較高要求；而對于芯體型嬰兒紙尿褲，其對SAP的吸收速度、短時間吸收倍率以及干爽性等有較高要求。

4.2 衛(wèi)生巾

在我國，衛(wèi)生巾的生產(chǎn)始于20世紀(jì)80年代初期，隨后，衛(wèi)生巾生產(chǎn)設(shè)備國產(chǎn)化程度逐漸提高，技術(shù)改造和設(shè)備更新的步伐加快，企業(yè)之間的競爭加劇。這種競爭不僅迎來了我國衛(wèi)生巾產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展期，也使國產(chǎn)的衛(wèi)生巾生產(chǎn)設(shè)備開始逐步完成了引進(jìn)-吸收-追趕的發(fā)展，目前基本上已經(jīng)達(dá)到了國際水平。

未來隨著我國國民經(jīng)濟(jì)繼續(xù)保持平穩(wěn)較快增長，女性衛(wèi)生用品將繼續(xù)以高于世界平均水平的速度穩(wěn)定增長，進(jìn)而帶到衛(wèi)生巾用SAP產(chǎn)品需求量的增加。

對于衛(wèi)生巾領(lǐng)域，通常高吸水樹脂具有吸收速度快、短時間生理鹽水和血液飽和吸收倍率高等特點(diǎn)，同時對SAP顆粒的粒度分布有一定要求，平均粒子徑一般在200μm左右，較大顆粒會影響衛(wèi)生巾表面的柔軟度和舒適度。

4.3 成人失禁用品

我國已進(jìn)入人口老齡化快速發(fā)展期，是世界上老年人口最多的國家。而在多年獨(dú)生子女的政策影響下，老年人口的劇增讓老年人的生活照料問題日益凸顯。我國成人失禁用品市場處于發(fā)展初期，由于基數(shù)低，所以增長率很高，隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、社會進(jìn)入老齡化以及老年消費(fèi)者可支配收入的提高、觀念的轉(zhuǎn)變，這一市場將持續(xù)高速增長，具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

對于成人失禁用品領(lǐng)域，通常要求SAP具有高離心保水量、高飽和吸收倍率、價格低廉等特點(diǎn)，而對吸收速度沒有較高要求。

4.4 寵物墊

目前國內(nèi)寵物用品市場是一個正在起步階段的成長型市場。多年前，部分歐美等發(fā)達(dá)國家或地區(qū)在產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移的過程中，將一些寵物用品的生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)移到了中國大陸，但他們的設(shè)計和市場基本上還是留在了本國或本地區(qū)，所以形成了今天中國制造的寵物用品大多用于出口的市場現(xiàn)狀。

隨著寵物墊出口的暢銷，國內(nèi)很多生產(chǎn)衛(wèi)生護(hù)理用品的企業(yè)紛紛上了寵物尿墊生產(chǎn)線，這必將導(dǎo)致國內(nèi)寵物墊用SAP需求量的不斷增長。

對于寵物墊領(lǐng)域，通常要求SAP具有較高的吸收速度、短時間飽和吸收倍率高、價格低廉等特點(diǎn)。

5 結(jié)語

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷快速發(fā)展，人民的生活水平也在不斷提高，進(jìn)而帶動了人們對高生活品質(zhì)的追求。在衛(wèi)生用品等涉及到SAP的領(lǐng)域?qū)Ω咝阅?、高品質(zhì)、特色化產(chǎn)品的呼聲也越來越高，為了迎合大眾的追求，勢必會對SAP提出更高的要求，因此對于SAP行業(yè)，只有生產(chǎn)出性能優(yōu)異、特色明顯、功能多樣化的針對性產(chǎn)品才能在未來滿足大眾的需求，實現(xiàn)長遠(yuǎn)發(fā)展。

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S12

A

1004-7344（2016）12-0321-02

2016-4-10

朱富軍（1982-），男，SAP工藝工程師，本科，主要從事SAP的工藝技術(shù)管理、生產(chǎn)、研發(fā)及應(yīng)用相關(guān)工作。

王翔（1990-），男，SAP研發(fā)技術(shù)員，碩士，主要從事SAP的研發(fā)及應(yīng)用相關(guān)工作。