高吸水性聚合物的制造工艺

12 6 月, 2023

    本文是关于高吸水性聚合物的制造过程。

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    高吸水性聚合物的制造工艺 - 生产设备

    我们在本文中涵盖的主题:

    什么是高吸水性聚合物?
    生产的基本过程
    直接聚合
    溶液聚合
    凝胶聚合
    悬浮聚合
    最后的想法

    什么是高吸水性聚合物?

    高吸水性聚合物现在通常由丙烯酸与氢氧化钠在引发剂存在下混合聚合而成,形成聚丙烯酸钠盐(有时称为聚丙烯酸钠)。 这种聚合物是当今世界上最常见的SAP类型。

    聚丙烯酸钠在正常条件下是浅白色结晶颗粒。 无臭无毒,质地轻盈。 它是通用树脂材料中单位质量最轻的材料,具有优异的吸水性和保水性。

    其他材料也用于制造高吸水性聚合物,例如聚丙烯酰胺共聚物、乙烯马来酸酐共聚物、交联羧甲基纤维素、聚乙烯醇共聚物、交联聚环氧乙烷和聚丙烯腈的淀粉接枝共聚物等等。 后者是创建的最古老的 SAP 表单之一。

    原则

    聚丙烯酸树脂的吸水原理与其他干燥剂有很大不同。 它吸收比自身重数百倍的水以形成凝胶。 凝胶结构由聚丙烯酸树脂的交联性能决定。 要达到,水不能在一定的压力极限范围内被挤压和流出。

    因此,聚丙烯酸聚合物可用作合成高吸水性聚合物的材料。 它们的吸水性能不仅与材料有关,而且与合成高吸水性聚合物的过程有很大关系。


    生产的基本过程

    1. 准备食材

    高吸水性树脂的工业制备采用化学聚合的方法。 原料为工业级丙烯酸、工业级氢氧化钠,引发剂为过硫酸钠,交联剂为二乙烯基苯。


    2.聚丙烯减压蒸馏

    制造工业级聚丙烯,防止储存和运输因聚合而变质,并添加阻聚剂以影响其聚合效果。 因此,在制备聚丙烯酸树脂之前,聚丙烯需要进行蒸馏和分离。

    但是,聚丙烯的结构和化学性质不具有耐高温性,因此需要抽真空蒸馏装置中的空气,以便在不达到聚丙烯沸点的情况下进行蒸馏纯化步骤。


    3. 制备碱性溶液

    此步骤是去除工业级氢氧化钠中所含的杂质,以免影响聚丙烯的聚合效果。

    氢氧化钠溶解在蒸馏水中后,过滤掉杂质后剩余的溶液是本体聚合所需的碱液。


    4. 中和

    将蒸馏聚丙烯慢慢加入氢氧化钠碱液中,搅拌并中和备用。

    中和温度不宜过高,试验数据表明,中和温度在10-50°C范围内得到的聚丙烯酸聚合物树脂吸水保水性能最佳。 此时,聚丙烯与碱液中的氢氧化钠交换离子,生成聚丙烯盐和水。

    在中和反应过程中,应加药,以确保聚丙烯和碱液完全反应并消耗。


    5. 聚合

    中和反应后,在引发剂和交联剂的共同作用下,加入适量的过硫酸钠和二乙烯基苯,完成聚丙烯盐的聚合反应。

    需要注意的是,聚合反应需要在温度低于60°C的环境条件下进行,聚合时间约为2h。 然后将温度升至70°C并保持恒温3h以上,得到聚丙烯盐的聚合凝胶物质。

    收集凝胶放入烘箱,在70~80°C下晾干水,得固体聚丙烯酸树脂,然后将聚丙烯酸固体粉碎,研磨成粉末颗粒,这是工业上常用的聚丙烯酸树脂材料。


    下图简要说明了聚丙烯酸钠的一般生产工艺。


    如今,高吸水性聚合物使用4种主要方法之一制成:直接聚合,凝胶聚合,悬浮聚合和溶液聚合 每个过程都有其各自的优势,并产生不同的产品质量。

    直接聚合

    直接聚合仅依靠聚丙烯单体和碱液的离子交换,在引发剂和交联剂的共同作用下,在光和热的环境中进行聚合反应。

    这是最接近基本流程的准备过程。

    优势

    • 直接聚合法得到的聚丙烯酸高分子材料纯度高,无需后续的过滤去除杂质步骤,凝胶物质可直接研磨加工储存。
    • 由于聚合反应产物纯度高,适合在实验室作为原料和工艺研发使用。
    • 工艺简单,步骤少,在生产和制备过程中易于控制。 此外,由于没有使用其他试剂来辅助反应,因此直接聚合法不会产生难以处理的工业废物,并且对环境污染很小。
    • 直接聚合法所需的生产设备的回收率相对较高。 除基础原料外,没有其他材料和试剂的成本,有利于生产成本的控制,因此可作为封堵材料的大规模生产。

    溶液聚合

    溶液聚合物提供以溶液形式提供的颗粒聚合物的吸水性。 溶液可以在应用前用水稀释,并且可以涂覆大多数基材或用于使其饱和。 在特定温度下干燥特定时间后,结果是具有超吸水性的涂层基材。 例如,这种化学物质可以直接应用于电线和电缆,尽管它专门针对轧制货物或片状基材等组件进行了优化。

    如今,基于溶液的聚合通常用于SAP共聚物的制造,特别是那些含有有毒丙烯酰胺单体的共聚物。 这个过程是有效的,通常具有较低的资本成本基础。 溶液过程使用水基单体溶液产生一定质量的反应物聚合凝胶。 聚合本身的放热反应能用于驱动大部分过程,有助于降低制造成本。 然后将反应物聚合物凝胶切碎、干燥并研磨至其最终颗粒大小。 任何增强SAP性能特征的处理通常在创建最终颗粒大小后完成。

    优势

    • 当采用溶液聚合法制备聚丙烯酸树脂时,采用沉淀聚合法。 该方法的目的是为了更好地加速聚丙烯和氢氧化钠在聚合反应中的反应。
      流速。
    • 由于溶剂的存在,聚丙烯和氢氧化钠在一定程度上相对分离,降低了中和反应中离子交换两种原料的粘附性。 该溶剂还具有导热性,易于温度控制,从而从反应区去除影响聚合反应质量的多余热量。
    • 与直接聚合相比,溶液聚合的优点是更有利于反应区的热传导,从温度控制方面可以有效保证成品的质量标准,避免局部温度过高引起的内爆现象。

    凝胶聚合

    反乳液聚合法是将原料聚丙烯制备成溶剂形式,用非极性溶剂作为聚丙烯的溶解剂,在加入引发剂和交联剂时将其溶解在油性活性剂中制成油性溶剂。

    在原料的制备中,采用“聚丙烯单体+引发剂和交联剂的油性溶剂+碱液”的方法,以不溶性聚丙烯酸酯溶液为介质。

    方法说明

    将冷冻丙烯酸、水、交联剂和紫外线引发剂化学品的混合物混合并放置在移动皮带或大桶中。 然后液体混合物进入一个“反应器”,这是一个带有一系列强紫外线的长室。 紫外线辐射驱动聚合和交联反应。 由此产生的“原木”是含有60-70%水的粘性凝胶。

    将原木切碎或研磨,并放入各种干燥机中。 额外的交联剂可以喷洒在颗粒表面;这种“表面交联”增加了产品在压力下膨胀的能力——这种特性以负载吸收率(AUL)或耐压吸水性(AAP)来衡量。 然后筛选干燥的聚合物颗粒,以获得适当的粒度分布和包装。

    凝胶聚合(GP)法是目前最流行的制造聚丙烯酸钠高吸水性聚合物的方法,现在用于婴儿尿布和其他一次性卫生用品。

    优势

    在聚合步骤中,将聚丙烯溶解的非极性溶剂与溶解引发剂和交联剂的油性溶剂混合形成乳液,使聚丙烯酸酯具有在乳液的聚丙烯溶剂外层形成聚合的条件。 “水包油”结构完成了聚丙烯酸酯的聚合过程。

    由于“水包油”结构封闭并隔离了聚丙烯酸酯的自由性能,使其仅执行单一聚合功能,从而加快了聚丙烯酸酯的反应速率,并且反乳液聚合的制备速率比溶液聚合快5倍。

    由于分散介质的出现,不仅实现了传热和温度控制的功能,而且可以在低温条件下进行高吸水性树脂材料的聚合。 反乳液聚合法打破了聚丙烯酸树脂材料因温度条件的限制。

    此外,反乳液聚合法的油相可以多次重复使用。 虽然没有达到本体聚合法的节约效果,但仍解决了引发剂过量和交联剂过量的成本浪费问题。


    悬浮聚合

    悬浮聚合在原理上与上述凝胶聚合相似。

    这两种方法的共同点是分散剂用于实现传热、变温控制和聚合反应速率的加速。

    然而,与凝胶聚合的区别在于悬浮聚合使用水相作为分离相,油相作为连续相。 它将分散剂以液滴的形式悬浮在聚丙烯中的油相表面,并在悬浮液滴中发生聚合反应。

    悬浮聚合与凝胶聚合一样,由于分散剂的导热性,容易传递反应部位的热量,使聚合反应不受温度条件的限制。 发生聚合时,碱性物质和聚丙烯的粘度低,不易保留未反应的杂质。

    优势

    与凝胶聚合相比,悬浮聚合的优点是其溶剂在蒸馏后易于回收,油相可以多次循环利用,对环境危害很小。

    该过程将水基反应物悬浮在烃基溶剂中。 最终结果是悬浮聚合在反应器中产生初级聚合物颗粒,而不是在反应后阶段机械地产生。 性能增强也可以在反应阶段期间或之后进行。

    注意:只有少数公司采用悬浮工艺,因为它在聚合步骤中需要更高程度的生产控制和产品工程。


    最后的想法

    综上所述,高吸水性聚合物是一种可靠的高分子材料,具有吸水、保水功能。

    其制备工艺原理是聚丙烯与碱反应生成聚丙烯盐,然后在引发剂和交联剂的联合催化下完成聚合反应,结合成高分子物质。

    在工业制备中,根据工艺差异分为四种类型。 这四种制备工艺在制备成本、制备质量、工艺和废物处理方面各有优缺点。 要根据聚丙烯酸吸水树脂的具体应用,综合考虑最合适的制备工艺。

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