Cet article concerne le processus de fabrication d’un polymère super absorbant.
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Sujets que nous abordons dans cet article:
Les polymères superabsorbants sont maintenant couramment fabriqués à partir de la polymérisation de l'acide acrylique mélangé à de l'hydroxyde de sodium en présence d'un initiateur pour former un sel de sodium acide poly-acrylique (parfois appelé polyacrylate de sodium). Ce polymère est le type le plus commun de SAP fabriqué dans le monde aujourd'hui.
Le polyacrylate de sodium est une particule cristalline blanc clair dans des conditions normales. Il est inodore, non toxique et de texture légère. C’est le matériau le plus léger par unité de masse parmi les matériaux de résine à usage général, et il possède d’excellentes propriétés d’absorption et de rétention d’eau.
D'autres matériaux sont également utilisés pour fabriquer un polymère superabsorbant, comme le polymère polyacrylamide, le copolymère d'anhydride maléfique d'éthylène, le carboxyméthylcellulose interconnecté, les copolymères d'alcool de polyvinyle, l'oxyde de polyéthylène croisé, et l'amidon greffé copolymère de polyacrylonitrile pour n'en nommer que quelques-uns. Ce dernier est l'une des plus anciennes formes SAP créées.
Le principe d’absorption d’eau de la résine polyacrylique est très différent de celui des autres dessiccants. Il absorbe l’eau des centaines de fois plus lourde que lui-même pour former un gel. La structure du gel est déterminée par les propriétés de réticulation de la résine polyacrylique. Pour y parvenir, l’eau ne peut pas être pressée et s’écouler dans une certaine plage de limite de pression.
Par conséquent, les polymères d’acide polyacrylique peuvent être utilisés comme matériaux pour synthétiser des polymères superabsorbants. Leurs propriétés d’absorption d’eau ne sont pas seulement liées aux matériaux, mais ont également beaucoup à voir avec le processus de synthèse des polymères superabsorbants.
La préparation industrielle de la résine superabsorbante adopte la méthode de polymérisation chimique. Les matières premières sont de l’acide acrylique de qualité industrielle, de l’hydroxyde de sodium de qualité industrielle, l’initiateur est le persulfate de sodium et l’agent de réticulation est le divinylbenzène.
Le polypropylène de qualité industrielle est fabriqué pour empêcher le stockage et le transport de se détériorer en raison de la polymérisation, et un inhibiteur de polymérisation est ajouté pour affecter son effet de polymérisation. Par conséquent, avant de préparer la résine d’acide polyacrylique, le polypropylène doit être distillé et séparé.
Cependant, la structure et les propriétés chimiques du polypropylène n’ont pas de résistance à haute température, de sorte que l’air dans le dispositif de distillation doit être évacué afin que l’étape de purification de la distillation puisse être effectuée sans atteindre le point d’ébullition du polypropylène.
Cette étape consiste à éliminer les impuretés contenues dans l’hydroxyde de sodium de qualité industrielle, afin de ne pas affecter l’effet de polymérisation du polypropylène.
Après dissolution de l’hydroxyde de sodium dans de l’eau distillée, la solution restante après filtration des impuretés est la lessive nécessaire à la polymérisation en vrac.
Ajouter lentement le polypropylène distillé dans la lessive d’hydroxyde de sodium, remuer et neutraliser pour utilisation.
La température de neutralisation ne doit pas être trop élevée et les données d’essai montrent que la résine polymère d’acide polyacrylique obtenue lorsque la température de neutralisation est comprise entre 10 et 50 °C présente les meilleures performances d’absorption et de rétention d’eau. À cette époque, le polypropylène échange des ions avec l’hydroxyde de sodium dans la lessive pour générer du sel de polypropylène et de l’eau.
Pendant la réaction de neutralisation, les réactifs doivent être dosés pour s’assurer que le polypropylène et la lessive sont complètement réagis, consommés.
Après la réaction de neutralisation, une quantité appropriée de persulfate de sodium et de divinylbenzène est ajoutée pour compléter la réaction de polymérisation du sel de polypropylène sous l’action conjointe de l’initiateur et de l’agent de réticulation.
Il convient de noter que la réaction de polymérisation doit être effectuée dans des conditions ambiantes avec une température inférieure à 60 ° C et que le temps de polymérisation est d’environ 2 h. Ensuite, augmentez la température à 70 °C et maintenez-la à une température constante pendant plus de 3 h pour obtenir la substance gel polymérisée du sel de polypropylène.
Recueillir le gel et le mettre dans un four, sécher l’eau à 70 ~ 80 ° C pour obtenir la résine solide d’acide polyacrylique, puis écraser le solide d’acide polyacrylique et le broyer en particules de poudre, qui est le matériau de résine d’acide polyacrylique couramment utilisé dans l’industrie.
L’image ci-dessous explique brièvement le processus général de production du polyacrylate de sodium.
Aujourd’hui, les polymères superabsorbants sont fabriqués en utilisant l’une des 4 méthodes principales: polymérisation directe, polymérisation sur gel, polymérisation en suspension et polymérisation en solution. Chacun des procédés a ses avantages respectifs et donne différentes qualités du produit.
La polymérisation directe repose uniquement sur l’échange d’ions de polypropylène monomère et de lessive, sous l’action conjointe de l’initiateur et de l’agent de réticulation, la réaction de polymérisation est réalisée dans l’environnement de la lumière et de la chaleur.
C’est le processus de préparation le plus proche du flux de base.
Les polymères de solution offrent l'absorption d'un polymère granulaire fourni sous forme de solution. Les solutions peuvent être diluées avec de l’eau avant l’application et peuvent recouvrir la plupart des substrats ou être utilisées pour les saturer. Après séchage à une température spécifique pendant un moment précis, le résultat est un substrat enduit avec une super absorption. Par exemple, cette chimie peut être appliquée directement sur les fils et les câbles, bien qu’elle soit spécialement optimisée pour une utilisation sur des composants tels que les produits laminés ou les substrats en feuilles.
La polymérisation basée sur les solutions est couramment utilisée aujourd’hui pour la fabrication SAP de copolymères, en particulier ceux contenant le monomère acrylamide toxique. Ce processus est efficace et a généralement une base de coûts en capital plus faible. Le procédé de solution utilise une solution monomère à base d'eau pour produire une masse de gel polymérisé réactif. L’énergie de réaction exothermique propre à la polymérisation est utilisée pour piloter une grande partie du processus, ce qui contribue à réduire les coûts de fabrication. Le gel polymère réagissant est ensuite haché, séché et broyé à sa taille finale de granule. Tous les traitements visant à améliorer les caractéristiques de performance du SAP sont généralement effectués après la création de la taille finale des granules.
La méthode de polymérisation en émulsion inverse consiste à préparer la matière première polypropylène sous forme de solvant, à utiliser un solvant non polaire comme agent dissolvant pour le polypropylène et à le dissoudre dans un agent actif huileux pour fabriquer un solvant huileux lors de l’ajout d’un initiateur et d’un agent de réticulation.
Dans la préparation des matières premières, la méthode du « monomère de polypropylène + solvant huileux de l’initiateur et agent de réticulation + lessive » est utilisée et la solution de polyacrylate insoluble est utilisée comme milieu.
Un mélange d’acide acrylique congelé, d’eau, d’agents de liaison croisée et de produits chimiques d’initiateur UV sont mélangés et placés soit sur une ceinture mobile, soit dans de grandes baignoires. Le mélange liquide va ensuite dans un « réacteur » qui est une longue chambre avec une série de fortes lumières UV. Le rayonnement UV entraîne la polymérisation et les réactions de réticulation. Les « bûches » résultantes sont des gels collants contenant 60-70% d’eau.
Les billots sont déchiquetés ou broyés et placés dans diverses sortes de séchoirs. L’agent de réticulation supplémentaire peut être pulvérisé à la surface des particules; cette « réticulation de surface » augmente la capacité du produit à gonfler sous pression, une propriété mesurée par la capacité d’absorption sous charge (AUL) ou la capacité d’absorption contre la pression (AAP). Les particules de polymère séchée sont ensuite examinées pour la distribution et l'emballage appropriés de la taille des particules.
La méthode de polymérisation du gel (GP) est actuellement la méthode la plus populaire pour fabriquer les polymères superabsorbants polyacrylate de sodium maintenant utilisés dans les couches pour bébés et autres articles hygiéniques jetables.
Dans l’étape de polymérisation, le solvant non polaire dans lequel le polypropylène est dissous est mélangé avec le solvant huileux dans lequel l’initiateur et l’agent de réticulation sont dissous pour former une émulsion, de sorte que le polyacrylate a les conditions pour que la polymérisation se forme sur la couche externe du solvant polypropylène de l’émulsion. La structure « huile dans eau » complète le processus de polymérisation du polyacrylate.
Parce que la structure « huile dans l’eau » ferme et isole la performance libre du polyacrylate, de sorte qu’il n’effectue qu’une seule fonction de polymérisation, ce qui accélère la vitesse de réaction du polyacrylate, et le taux de préparation de la polymérisation en émulsion inverse est 5 fois plus rapide que celui de la polymérisation en solution.
En raison de l’apparence du milieu de dispersion, non seulement la fonction de transfert de chaleur et de contrôle de la température est réalisée, mais la polymérisation du matériau de résine superabsorbant peut également être réalisée dans des conditions de basse température. La méthode de polymérisation en émulsion inverse brise la limitation des matériaux de résine polyacrylique en raison des conditions de température.
De plus, la phase huileuse de la méthode de polymérisation en émulsion inverse peut être réutilisée plusieurs fois. Bien que l’effet d’économie de la méthode de polymérisation en vrac ne soit pas atteint, il résout toujours le problème du gaspillage de coûts de l’initiateur excessif et de l’agent de réticulation excessif.
La polymérisation en suspension est similaire en principe à la polymérisation sur gel mentionnée ci-dessus.
Ce que ces deux méthodes ont en commun, c’est que le dispersant est utilisé pour réaliser le transfert de chaleur, le contrôle variable de la température et l’accélération de la vitesse de réaction de polymérisation.
Cependant, la différence avec la polymérisation sur gel est que la polymérisation en suspension utilise la phase aqueuse comme phase séparée et la phase huileuse comme phase continue. Il suspend le dispersant dissous dans le polypropylène à la surface de la phase huileuse sous forme de gouttelettes, et la réaction de polymérisation se produit dans les gouttelettes en suspension.
La polymérisation en suspension, comme la polymérisation sur gel, est facile à transférer la chaleur du site de réaction en raison de la conductivité thermique du dispersant, de sorte que la réaction de polymérisation n’est pas limitée par les conditions de température. Lors de la polymérisation, la viscosité des substances alcalines et du polypropylène est faible et il n’est pas facile de retenir les impuretés qui n’ont pas réagi.
Par rapport à la polymérisation sur gel, l’avantage de la polymérisation en suspension est que son solvant peut être facilement récupéré après distillation et que la phase huileuse peut être recyclée plusieurs fois avec peu de dommages à l’environnement.
Ce processus suspend le réactif à base d'eau dans un solvant à base d'hydrocarbures. Le résultat net est que la polymérisation en suspension crée la particule de polymère primaire dans le réacteur plutôt que mécaniquement dans les étapes post-réaction. Des améliorations de performance peuvent également être apportées pendant, ou juste après, l'étape de réaction.
Remarque: Le processus de suspension n’est pratiqué que par quelques entreprises car il nécessite un degré plus élevé de contrôle de la production et d’ingénierie du produit pendant l’étape de polymérisation.
En résumé, le polymère superabsorbant est un matériau polymère fiable ayant pour fonction d’absorption et de rétention d’eau.
Son principe de processus de préparation est de générer du sel de polypropylène en faisant réagir du polypropylène avec un alcali, puis de compléter la réaction de polymérisation sous la catalyse conjointe de l’initiateur et de l’agent de réticulation, et de le combiner en substances polymères.
Dans la préparation industrielle, il est divisé en quatre types en fonction de la différence de processus. Les quatre types de procédés de préparation ont leurs propres avantages et inconvénients en termes de coût de préparation, de qualité de préparation, de processus et de traitement des déchets. Cela dépend de l’application spécifique de la résine absorbant l’eau à l’acide polyacrylique pour examiner de manière exhaustive le processus de préparation le plus approprié.
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