高吸水性樹脂的工藝優(yōu)化

黃宏磊

中海石油煉化有限責(zé)任公司惠州煉化分公司（廣東惠州　516086）

工作研究

高吸水性樹脂的工藝優(yōu)化

黃宏磊

中海石油煉化有限責(zé)任公司惠州煉化分公司（廣東惠州516086）

通過對(duì)高吸水性樹脂吸水機(jī)理的研究，對(duì)工藝條件進(jìn)行了優(yōu)化，并對(duì)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了總結(jié)，為提高高吸水性樹脂的使用性能提供參考。

高吸水性樹脂吸水機(jī)理工藝優(yōu)化

0　前言

隨著我國二胎政策的放開以及人口老齡化的到來，高吸水性樹脂（SAP）在國內(nèi)的市場(chǎng)潛力越發(fā)巨大[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，嬰兒紙尿褲市場(chǎng)銷售額由2000年的18億元提高到2015年的300億元，消費(fèi)量增加到260億片，仍處于高速發(fā)展階段[2]。目前我國嬰幼兒紙尿褲的滲透率約為50%，遠(yuǎn)低于歐美國家和日本等發(fā)達(dá)國家的96%[3]。因此，研究并開發(fā)高性能、可工業(yè)化、具有國際競(jìng)爭(zhēng)力的SAP生產(chǎn)工藝尤為重要。本文通過實(shí)驗(yàn)室對(duì)比實(shí)驗(yàn)，優(yōu)選出相對(duì)最佳的SAP制備工藝方案，所制備的SAP產(chǎn)品與國際主流SAP產(chǎn)品性能相當(dāng)。

1　SAP的吸水原理

聚丙烯酸鈉高吸水性樹脂是一種適度交聯(lián)的聚電解質(zhì)，當(dāng)溶于介電常數(shù)很高的水中時(shí)，會(huì)電離成羧酸根陰離子（—COO-)和無機(jī)離子（Na+）。Na+在水中為可移動(dòng)離子，而聚合物分子鏈上的羧基因帶負(fù)電荷不能向水中擴(kuò)散，所以主鏈網(wǎng)絡(luò)骨架均為帶負(fù)電荷的羧酸根離子，它們之間的排斥作用產(chǎn)生使網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)張的動(dòng)力。Na+雖具備一定的活動(dòng)性，但由于受網(wǎng)絡(luò)骨架異性電荷的吸引、束縛，其只能存在于網(wǎng)絡(luò)中，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部Na+濃度大于網(wǎng)絡(luò)外部Na+濃度，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)外產(chǎn)生滲透壓，加上聚電解質(zhì)本身的水合能力較強(qiáng)，使得水可以在短時(shí)間內(nèi)大量進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)。隨著水的進(jìn)一步滲透，部分正負(fù)離子對(duì)離解，Na+脫離聚合物分子鏈向溶劑中擴(kuò)散，導(dǎo)致聚合物分子鏈帶有多余的負(fù)電荷，由于靜電斥力作用，聚合物分子鏈得到擴(kuò)張，如此一來，水就更容易進(jìn)入聚合物中。隨著吸水量的增加，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)外的滲透壓差趨于零，網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)張的同時(shí)，其彈性收縮力也不斷增加，逐步抵消網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中負(fù)離子之間的靜電排斥作用，最終達(dá)到吸水平衡。

2　SAP吸水性能的優(yōu)化

2.1丙烯酸溶液中和度對(duì)SAP吸水性能的影響

在丙烯酸溶液中和度（用氫氧化鈉進(jìn)行中和）為55%～85%的范圍內(nèi)，及所選取助劑和其他工藝條件不變的情況下，進(jìn)行了一系列中和度對(duì)比實(shí)驗(yàn)，分析結(jié)果如圖1所示。

圖1　不同丙烯酸溶液中和度對(duì)SAP吸水倍率的影響

圖1顯示，實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，丙烯酸溶液的中和度為70%時(shí)，所得SAP的吸水倍率最高。結(jié)合吸水機(jī)理進(jìn)行分析，當(dāng)中和度較低時(shí)，丙烯酸單體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，其聚合速率較快、聚合度較高，容易生成交聯(lián)程度較高的聚合物，使吸水倍率急劇下降。同時(shí)，聚合物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中Na+的濃度較低，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)外滲透壓較小，因而吸水倍率相應(yīng)下降。中和度偏高時(shí)，丙烯酸單體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低，聚合反應(yīng)速率較慢，樹脂中可溶部分增多。當(dāng)中和度大于90%時(shí)，得不到吸水性樹脂。

2.2伽馬輻照劑量對(duì)SAP吸水性能的影響

利用實(shí)驗(yàn)室伽馬輻照裝置的鈷源作為聚合引發(fā)源，對(duì)聚丙烯酸溶液中和度為70%的中和液進(jìn)行輻照，在其他工藝條件不變的情況下，進(jìn)行不同輻照劑量下吸水倍率的對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果如圖2所示。

圖2　不同輻照劑量對(duì)SAP吸水倍率的影響

圖2表明，在平均輻照劑量為10 kGy時(shí)，所制備SAP的吸水倍率最高。究其原因，當(dāng)輻照劑量偏高時(shí)，產(chǎn)生的自由基較多，反應(yīng)速率較快，容易發(fā)生爆聚，使丙烯酸鈉鹽過度聚合，形成高致密度的聚合物，造成空間網(wǎng)絡(luò)過小，從而使吸水倍率降低；當(dāng)輻照劑量偏低時(shí)，產(chǎn)生的自由基偏少，反應(yīng)速率較慢，聚合交聯(lián)度偏低，聚合物部分溶解，導(dǎo)致吸水倍率也偏低。

2.3表面交聯(lián)反應(yīng)溫度對(duì)SAP吸水性能的影響

表面未交聯(lián)的顆粒狀SAP接觸水溶液后，其表面快速吸水形成凝膠，阻礙水分子的進(jìn)一步滲入，這不利于樹脂充分發(fā)揮吸水性能，從而影響吸水倍率和吸水速率。采用表面交聯(lián)處理工藝對(duì)顆粒狀樹脂進(jìn)行表面交聯(lián)處理，即通過將表面交聯(lián)劑溶液噴灑在SAP顆粒的表面，并在高溫下進(jìn)行處理，使得顆粒狀SAP具有類似核-殼的結(jié)構(gòu)。由于具有核-殼結(jié)構(gòu)，水迅速滲透到顆粒內(nèi)部并被快速吸收，從而使該產(chǎn)品具有更高的通液性與吸水性。在表面交聯(lián)處理過程中，反應(yīng)溫度至關(guān)重要，其對(duì)SAP吸水倍率的影響如圖3所示。

圖3　不同表面交聯(lián)溫度對(duì)SAP吸水倍率的影響

由圖3可知，表面交聯(lián)溫度為120℃時(shí)，SAP的吸水倍率較高。這是因?yàn)椋寒?dāng)表面交聯(lián)溫度過高時(shí)，所采用的助劑揮發(fā)比較嚴(yán)重，在表面交聯(lián)反應(yīng)未完全進(jìn)行時(shí)助劑就揮發(fā)殆盡了；當(dāng)表面交聯(lián)溫度過低時(shí)，所采用的助劑與SAP顆粒不發(fā)生反應(yīng)，同樣達(dá)不到交聯(lián)的效果。

2.4粒度對(duì)SAP吸水性能的影響

一般SAP產(chǎn)品的粒徑范圍為0.15～0.5 mm，本文對(duì)SAP粒度對(duì)其吸水性能的影響進(jìn)行了研究，結(jié)果如圖4所示。

圖4　不同粒徑對(duì)SAP吸水倍率的影響

由圖4可以看出，SAP粒徑過大，顆粒比表面積小，吸水性能下降；粒徑過小，粉末狀顆粒吸水后形成糊狀物，造成凝膠堵塞，導(dǎo)致吸水性能下降。實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，SAP粒徑在0.2～0.3 mm之間時(shí)，吸水性能最佳，但是，不同粒徑SAP吸水倍率之間的差別并不大。通常情況下，根據(jù)市場(chǎng)需求對(duì)SAP進(jìn)行分級(jí)加工。

3　結(jié)論

（1）丙烯酸溶液的中和度為70%時(shí)，所得SAP的吸水倍率最佳；

（2）伽馬輻照劑量為10 kGy時(shí)，SAP吸水倍率最佳；

（3）表面交聯(lián)溫度為120℃時(shí)，SAP吸水倍率最佳；

（4）SAP膠粒粒徑為0.2～0.3 mm時(shí)，SAP吸水倍率最佳。

影響SAP吸水性能的因素比較多，除了核心配方之外，工藝條件也至關(guān)重要。中和度，吸收劑量，表面交聯(lián)反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間，以及造粒過程對(duì)SAP膠粒分子結(jié)構(gòu)的影響程度等，均會(huì)影響吸水樹脂的吸水性能。本文考察了部分工藝條件對(duì)SAP吸水性能的影響，希望可以拋磚引玉，為今后SAP的技術(shù)研發(fā)提供參考。

[1]伯.高吸水性樹脂市場(chǎng)看好[J].精細(xì)化工原料及中間體,2010(3)：44-45.

[2]焦勇.中國紙尿褲的過去、現(xiàn)在和將來[J].生活用紙, 2012(19)：16-18.

[3]MCLNTYPRE K B.成熟市場(chǎng)注重紙尿褲設(shè)計(jì)的時(shí)尚性[J].陳海昌譯.生活用紙,2013(2)：17-20.

Process Optimization of Super Absorbent Polymer

Huang Honglei

Based on the research of water absorbing mechanism of super absorbent polymer,the process was optimized,and the experience were summarized to provide a reference for the performance improvement of super absorbent polymer.

Super absorbent polymer;Water absorbing mechanism;Process optimization

TQ322.4

黃宏磊男1983年生本科工程師目前主要從事丙烯酸及丙烯酸鹽類高吸水性樹脂的生產(chǎn)及研究工作

2016年2月