超吸収性ポリマーの製造工程

June 12, 2023

    この記事は、高吸水性樹脂の製造プロセスについてです。

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    高吸水性樹脂の製造工程 - 生産設備

    この記事で取り上げるトピック:

    高吸水性樹脂とは?
    生産の基本プロセス
    直接重合
    溶液重合
    ゲル重合
    懸濁重合
    最終的な思考

    高吸水性樹脂とは?

    超吸収性ポリマーは、ポリアクリル酸ナトリウム塩(ポリアクリル酸ナトリウムと呼ばれることもある)を形成するイニシエータの存在下で水酸化ナトリウムとブレンドされたアクリル酸の重合から一般的に作られています。 このポリマーは、今日の世界で最も一般的なタイプのSAPです。

    ポリアクリル酸ナトリウムは、通常の条件下では淡い白色の結晶粒子です。 無臭、無毒、軽い食感です。 汎用樹脂材料の中で最も単位質量当たりの材料であり、吸水性、保水性に優れています。

    その他の材料は、ポリアクリルアミド共重合体、エチレン性無水共重合体、架橋カルボキシメチルセルロース、ポリビニルアルコール共重合体、架橋ポリエチレンオキシド、デンプン移植などの超吸収性ポリマーを作るためにも使用されます。ポリアクリロニトリルの共重合体は、いくつかの名前を付けます。 後者は、作成された最も古い SAP フォームの 1 つです。

    原則として

    ポリアクリル樹脂の吸水原理は、他の乾燥剤の吸水原理とはかなり異なります。 それはそれ自身のより何百倍も重い水を吸収してゲルを形成します。 ゲル構造は、ポリアクリル樹脂の架橋特性によって決まります。 達成するために、水を絞ることができず、特定の圧力限界範囲内で流出する。

    そのため、ポリアクリル酸系ポリマーは、高吸水性樹脂を合成するための材料として用いることができる。 それらの吸水特性は材料に関連しているだけでなく、高吸水性樹脂を合成するプロセスにも大きく関係しています。


    生産の基本プロセス

    1.材料を準備する

    高吸水性樹脂の工業的調製は、化学重合の方法を採用する。 原料は工業用アクリル酸、工業用水酸化ナトリウム、開始剤は過硫酸ナトリウム、架橋剤はジビニルベンゼンです。


    2.ポリプロピレンを減圧蒸留した

    工業用ポリプロピレンは、重合による保管や輸送の劣化を防ぐために製造されており、重合効果に影響を与えるために重合禁止剤が添加されています。 したがって、ポリアクリル酸樹脂を調製する前に、ポリプロピレンを蒸留して分離する必要があります。

    ただし、ポリプロピレンの構造や化学的性質は高温耐性がないため、ポリプロピレンの沸点に達することなく蒸留精製工程を実行できるように、蒸留装置内の空気を排気する必要があります。


    3.アルカリ溶液を準備する

    この工程は、ポリプロピレンの重合効果に影響を与えないように、工業用水酸化ナトリウムに含まれる不純物を除去することである。

    水酸化ナトリウムを蒸留水に溶解した後、不純物をろ過した後の残りの溶液は、バルク重合に必要な灰汁です。


    4.中和する

    蒸留ポリプロピレンを水酸化ナトリウム灰汁にゆっくりと加え、かき混ぜて中和して使用します。

    中和温度は高すぎず、試験データは、中和温度が10〜50°Cの範囲にあるときに得られるポリアクリル酸ポリマー樹脂が最高の吸水性および保水性性能を有することを示している。 このとき、ポリプロピレンは灰汁中の水酸化ナトリウムとイオンを交換してポリプロピレン塩と水を生成します。

    中和反応中は、ポリプロピレンと灰汁が完全に反応して消費されるように試薬を投与する必要があります。


    5. 重合

    中和反応後、適量の過硫酸ナトリウムとジビニルベンゼンを加えて、開始剤と架橋剤の共同作用でポリプロピレン塩の重合反応を完了します。

    なお、重合反応は60°C未満の温度の周囲条件下で行う必要があり、重合時間は約2時間である。 その後、温度を70°Cに上げ、3時間以上一定温度に保ち、ポリプロピレン塩の重合ゲル状物質を得る。

    ゲルを集めてオーブンに入れ、70~80°Cで水を乾燥させて固体のポリアクリル酸樹脂を得てから、ポリアクリル酸の固体を粉砕し、業界で一般的に使用されているポリアクリル酸樹脂材料である粉末粒子に粉砕します。


    下の写真は、ポリアクリル酸ナトリウムの一般的な製造プロセスを簡単に説明しています。


    今日、高吸水性樹脂は、直接重合、ゲル重合、懸濁重合、溶液重合4つの主要な方法のいずれかを使用して製造されています。 各プロセスにはそれぞれの利点があり、製品の異なる品質を生み出します。

    直接重合

    直接重合はポリプロピレンモノマーと灰汁のイオン交換のみに依存し、開始剤と架橋剤の共同作用の下で、重合反応は光と熱の環境下で行われます。

    基本的な流れに最も近い準備工程です。

    利点

    • 直接重合法で得られたポリアクリル酸高分子材料は純度が高く、不純物をろ過して除去する後続の工程を必要とせず、ゲル物質を直接粉砕して処理して保管することができます。
    • 重合反応の生成物の純度が高いため、実験室での原料およびプロセスの研究開発としての使用に適しています。
    • プロセスはシンプルで、ステップが少なく、製造および準備中の制御が容易です。 また、反応を補助する他の試薬を使用しないため、取り扱いが困難な産業廃棄物を出さず、環境汚染も少ない。
    • 直接重合法で必要とされる製造設備の回収率は比較的高い。 基本的な原材料を除いて、他の材料や試薬のコストがかからないため、生産コストの管理に役立つため、プラグ材料の大規模生産として使用できます。

    溶液重合

    溶液ポリマーは、溶液形態で供給される粒状ポリマーの吸収性を提供する。 溶液は塗布前に水で希釈することができ、ほとんどの基質をコーティングしたり、それらを飽和させるために使用することができます。 特定の時間に対して特定の温度で乾燥した後、結果は超吸収性を有する被覆基質である。 例えば、この化学はワイヤやケーブルに直接適用できますが、ロールされた製品やシート基板などのコンポーネントでの使用に特に最適化されています。

    溶液ベースの重合は、今日、SAPのコポリマー、特に有毒なアクリルアミドモノマーを含むコポリマーの製造に一般的に使用されています。 このプロセスは効率的であり、一般的に低い資本コストベースを持っています。 この溶液プロセスは、水ベースのモノマー溶液を使用して、反応性重合ゲルの塊を生成します。 重合自体の発熱反応エネルギーは、プロセスの大部分を駆動するために使用され、製造コストの削減に役立ちます。 反応性ポリマーゲルは、次いで、その最終的な顆粒サイズに切り刻み、乾燥し、粉砕する。 SAPの性能特性を高めるための処理は、通常、最終的な顆粒サイズが作成された後に行われます。

    利点

    • 溶液重合法を用いてポリアクリル酸系樹脂を調製する場合、沈殿重合の方法が採用される。 この方法の目的は、重合反応におけるポリプロピレンと水酸化ナトリウムの反応をよりよく加速することである。
      流速。
    • 溶媒の存在により、ポリプロピレンと水酸化ナトリウムはある程度比較的分離され、中和反応におけるイオン交換のための2つの原料の付着性が低下する。 溶媒は熱伝導性もあり、温度制御が容易で、重合反応の質に影響を与える反応ゾーンから余分な熱を除去します。
    • 直接重合と比較して、溶液重合の利点は、反応ゾーンでの熱伝導をより助長し、温度制御の観点から完成品の品質基準を効果的に保証でき、過度の局所温度によって引き起こされる爆縮現象を回避できることです。

    ゲル重合

    逆乳化重合法は、原料ポリプロピレンを溶媒状に調製し、ポリプロピレンの溶解剤として非極性溶媒を使用し、それを油性活性剤に溶解して、開始剤および架橋剤を添加するときに油性溶媒を作ることである。

    原料の調製には、「ポリプロピレンモノマー+開始剤および架橋剤の油性溶媒+灰汁」の方法が使用され、不溶性ポリアクリレートの溶液が媒体として使用されます。

    方法 説明

    凍結したアクリル酸、水、架橋剤、UVイニシエーターの混合物をブレンドし、移動ベルトまたは大きな浴槽に配置します。 次に、液体混合物は、一連の強いUV光を備えた長いチャンバーである「リアクター」に入ります。 紫外線は重合反応と架橋反応を促進します。 得られた「丸太」は、60〜70%の水を含む粘着性のあるゲルです。

    ログは細断または粉砕され、様々な種類の乾燥機に置かれる。 追加の架橋剤は、粒子の表面に噴霧してもよい。この「表面架橋」は、圧力下で膨潤する製品の能力を高め、負荷下吸水倍率(AUL)または加圧下吸水倍率(AAP)として測定される特性です。 乾燥したポリマー粒子は、適切な粒度分布および包装のためにスクリーニングされます。

    ゲル重合(GP)法は、現在、赤ちゃんのおむつやその他の使い捨て衛生用品に使用されているポリアクリル酸超吸収性ポリマーを作るための最も一般的な方法です。

    利点

    重合工程では、ポリプロピレンが溶解した非極性溶媒と、開始剤及び架橋剤が溶解した油性溶媒とを混合してエマルジョンを形成することにより、ポリアクリレートがエマルションのポリプロピレン溶媒の外層に形成する重合条件を有する。 「水中油型」構造は、ポリアクリレートの重合プロセスを完成させます。

    「水中油型」構造は、ポリアクリレートの遊離性能を閉じて分離するため、単一の重合機能のみを実行し、ポリアクリレートの反応速度を高速化し、逆乳化重合の調製速度は溶液重合の5倍です。

    分散媒の出現により、伝熱および温度制御の機能が実現されるだけでなく、高吸水性樹脂材料の重合も低温条件下で行うことができる。 逆乳化重合法は、温度条件によるポリアクリル樹脂材料の限界を破ります。

    また、逆乳化重合法の油相は何度も再利用することができる。 塊状重合法の節約効果は達成されないが、それでも過剰な開始剤および過剰な架橋剤のコスト無駄の問題を解決する。


    懸濁重合

    懸濁重合は、上述したゲル重合と原理的に類似している。

    これら2つの方法に共通しているのは、分散剤を使用して熱の伝達、可変温度制御、および重合反応速度の加速を実現することです。

    ただし、ゲル重合との違いは、懸濁重合では分離相として水相を使用し、連続相として油相を使用することです。 ポリプロピレンに溶解した分散剤を油相の表面に液滴の形で懸濁させ、懸濁液滴中で重合反応が起こる。

    懸濁重合は、ゲル重合と同様に、分散剤の熱伝導率により反応部位の熱を伝達しやすく、温度条件によって重合反応が制限されません。 重合が起こると、アルカリ性物質やポリプロピレンの粘度が低くなり、未反応の不純物を保持することは容易ではありません。

    利点

    ゲル重合と比較して、懸濁重合の利点は、蒸留後に溶媒を簡単に回収でき、油相を環境にほとんど害を与えることなく複数回リサイクルできることです。

    このプロセスは、炭化水素系溶媒中の水系反応物を一時停止します。 最終的な結果は、懸濁重合が反応後の段階で機械的にではなく、反応器内で一次ポリマー粒子を生成することです。 パフォーマンスの向上は、反応段階中、またはその直後に行うこともできます。

    注:懸濁プロセスは、重合ステップ中に高度な生産管理と製品エンジニアリングを必要とするため、少数の企業でしか実施されていません。


    最終的な思考

    要約すると、高吸水性樹脂は、吸水性と保水性の機能を持つ信頼性の高いポリマー材料です。

    その調製プロセスの原理は、ポリプロピレンをアルカリと反応させてポリプロピレン塩を生成し、開始剤と架橋剤の共同触媒作用の下で重合反応を完了し、ポリマー物質に結合することです。

    工業的調製では、プロセスの違いに応じて4つのタイプに分けられます。 4種類の準備プロセスには、準備コスト、準備品質、プロセス、廃棄物処理の点で独自の長所と短所があります。 ポリアクリル酸吸水性樹脂の具体的な用途に応じて、最も適切な調製プロセスを包括的に検討します。

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