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(shù)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(guò)對(duì)高吸水性樹(shù)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(shù)脂的使用性能提供參考。

高吸水性樹(shù)脂吸水機(jī)理工藝優(yōu)化

0　前言

隨著我國(guó)二胎政策的放開(kāi)以及人口老齡化的到來(lái)，高吸水性樹(shù)脂（SAP）在國(guó)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(guó)嬰幼兒紙尿褲的滲透率約為50%，遠(yuǎn)低于歐美國(guó)家和日本等發(fā)達(dá)國(guó)家的96%[3]。因此，研究并開(kāi)發(fā)高性能、可工業(yè)化、具有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的SAP生產(chǎn)工藝尤為重要。本文通過(guò)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(guó)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(shù)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(wú)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(lái)，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(shù)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(shù)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(guò)度聚合，形成高致密度的聚合物，造成空間網(wǎng)絡(luò)過(guò)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(shù)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(shù)脂進(jìn)行表面交聯(lián)處理，即通過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)大，顆粒比表面積小，吸水性能下降；粒徑過(guò)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(guò)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(shù)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(shù)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(guó)紙尿褲的過(guò)去、現(xiàn)在和將來(lái)[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(shù)脂的生產(chǎn)及研究工作

2016年2月