高吸水性树脂的工艺优化

黄宏磊

中海石油炼化有限责任公司惠州炼化分公司（广东惠州　516086）

工作研究

高吸水性树脂的工艺优化

黄宏磊

中海石油炼化有限责任公司惠州炼化分公司（广东惠州516086）

通过对高吸水性树脂吸水机理的研究，对工艺条件进行了优化，并对经验进行了总结，为提高高吸水性树脂的使用性能提供参考。

高吸水性树脂吸水机理工艺优化

0　前言

随着我国二胎政策的放开以及人口老龄化的到来，高吸水性树脂（SAP）在国内的市场潜力越发巨大[1]。据统计，婴儿纸尿裤市场销售额由2000年的18亿元提高到2015年的300亿元，消费量增加到260亿片，仍处于高速发展阶段[2]。目前我国婴幼儿纸尿裤的渗透率约为50%，远低于欧美国家和日本等发达国家的96%[3]。因此，研究并开发高性能、可工业化、具有国际竞争力的SAP生产工艺尤为重要。本文通过实验室对比实验，优选出相对最佳的SAP制备工艺方案，所制备的SAP产品与国际主流SAP产品性能相当。

1　SAP的吸水原理

聚丙烯酸钠高吸水性树脂是一种适度交联的聚电解质，当溶于介电常数很高的水中时，会电离成羧酸根阴离子（—COO-)和无机离子（Na+）。Na+在水中为可移动离子，而聚合物分子链上的羧基因带负电荷不能向水中扩散，所以主链网络骨架均为带负电荷的羧酸根离子，它们之间的排斥作用产生使网络扩张的动力。Na+虽具备一定的活动性，但由于受网络骨架异性电荷的吸引、束缚，其只能存在于网络中，导致网络内部Na+浓度大于网络外部Na+浓度，网络内外产生渗透压，加上聚电解质本身的水合能力较强，使得水可以在短时间内大量进入网络。随着水的进一步渗透，部分正负离子对离解，Na+脱离聚合物分子链向溶剂中扩散，导致聚合物分子链带有多余的负电荷，由于静电斥力作用，聚合物分子链得到扩张，如此一来，水就更容易进入聚合物中。随着吸水量的增加，网络内外的渗透压差趋于零，网络扩张的同时，其弹性收缩力也不断增加，逐步抵消网络结构中负离子之间的静电排斥作用，最终达到吸水平衡。

2　SAP吸水性能的优化

2.1丙烯酸溶液中和度对SAP吸水性能的影响

在丙烯酸溶液中和度（用氢氧化钠进行中和）为55%～85%的范围内，及所选取助剂和其他工艺条件不变的情况下，进行了一系列中和度对比实验，分析结果如图1所示。

图1　不同丙烯酸溶液中和度对SAP吸水倍率的影响

图1显示，实验范围内，丙烯酸溶液的中和度为70%时，所得SAP的吸水倍率最高。结合吸水机理进行分析，当中和度较低时，丙烯酸单体的质量分数较高，其聚合速率较快、聚合度较高，容易生成交联程度较高的聚合物，使吸水倍率急剧下降。同时，聚合物网络结构中Na+的浓度较低，网络内外渗透压较小，因而吸水倍率相应下降。中和度偏高时，丙烯酸单体的质量分数较低，聚合反应速率较慢，树脂中可溶部分增多。当中和度大于90%时，得不到吸水性树脂。

2.2伽马辐照剂量对SAP吸水性能的影响

利用实验室伽马辐照装置的钴源作为聚合引发源，对聚丙烯酸溶液中和度为70%的中和液进行辐照，在其他工艺条件不变的情况下，进行不同辐照剂量下吸水倍率的对比试验，结果如图2所示。

图2　不同辐照剂量对SAP吸水倍率的影响

图2表明，在平均辐照剂量为10 kGy时，所制备SAP的吸水倍率最高。究其原因，当辐照剂量偏高时，产生的自由基较多，反应速率较快，容易发生爆聚，使丙烯酸钠盐过度聚合，形成高致密度的聚合物，造成空间网络过小，从而使吸水倍率降低；当辐照剂量偏低时，产生的自由基偏少，反应速率较慢，聚合交联度偏低，聚合物部分溶解，导致吸水倍率也偏低。

2.3表面交联反应温度对SAP吸水性能的影响

表面未交联的颗粒状SAP接触水溶液后，其表面快速吸水形成凝胶，阻碍水分子的进一步渗入，这不利于树脂充分发挥吸水性能，从而影响吸水倍率和吸水速率。采用表面交联处理工艺对颗粒状树脂进行表面交联处理，即通过将表面交联剂溶液喷洒在SAP颗粒的表面，并在高温下进行处理，使得颗粒状SAP具有类似核-壳的结构。由于具有核-壳结构，水迅速渗透到颗粒内部并被快速吸收，从而使该产品具有更高的通液性与吸水性。在表面交联处理过程中，反应温度至关重要，其对SAP吸水倍率的影响如图3所示。

图3　不同表面交联温度对SAP吸水倍率的影响

由图3可知，表面交联温度为120℃时，SAP的吸水倍率较高。这是因为：当表面交联温度过高时，所采用的助剂挥发比较严重，在表面交联反应未完全进行时助剂就挥发殆尽了；当表面交联温度过低时，所采用的助剂与SAP颗粒不发生反应，同样达不到交联的效果。

2.4粒度对SAP吸水性能的影响

一般SAP产品的粒径范围为0.15～0.5 mm，本文对SAP粒度对其吸水性能的影响进行了研究，结果如图4所示。

图4　不同粒径对SAP吸水倍率的影响

由图4可以看出，SAP粒径过大，颗粒比表面积小，吸水性能下降；粒径过小，粉末状颗粒吸水后形成糊状物，造成凝胶堵塞，导致吸水性能下降。实验范围内，SAP粒径在0.2～0.3 mm之间时，吸水性能最佳，但是，不同粒径SAP吸水倍率之间的差别并不大。通常情况下，根据市场需求对SAP进行分级加工。

3　结论

（1）丙烯酸溶液的中和度为70%时，所得SAP的吸水倍率最佳；

（2）伽马辐照剂量为10 kGy时，SAP吸水倍率最佳；

（3）表面交联温度为120℃时，SAP吸水倍率最佳；

（4）SAP胶粒粒径为0.2～0.3 mm时，SAP吸水倍率最佳。

影响SAP吸水性能的因素比较多，除了核心配方之外，工艺条件也至关重要。中和度，吸收剂量，表面交联反应温度、反应时间，以及造粒过程对SAP胶粒分子结构的影响程度等，均会影响吸水树脂的吸水性能。本文考察了部分工艺条件对SAP吸水性能的影响，希望可以抛砖引玉，为今后SAP的技术研发提供参考。

[1]伯.高吸水性树脂市场看好[J].精细化工原料及中间体,2010(3)：44-45.

[2]焦勇.中国纸尿裤的过去、现在和将来[J].生活用纸, 2012(19)：16-18.

[3]MCLNTYPRE K B.成熟市场注重纸尿裤设计的时尚性[J].陈海昌译.生活用纸,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

黄宏磊男1983年生本科工程师目前主要从事丙烯酸及丙烯酸盐类高吸水性树脂的生产及研究工作

2016年2月