聚丙烯酸鈉的合成方法及其研究進展

聚丙烯酸鈉(polyacrylate sodium)是一種重要的精細化工產(chǎn)品，具有良好的離解性、潤濕性、保水性、成膜性(浸漬或涂布時)、凍融穩(wěn)定性、機械穩(wěn)定性，經(jīng)長期貯存后黏度無明顯變化，被廣泛地應用于涂料、冶金、醫(yī)藥、化妝品、造紙、紡織、石油開采、水處理、食品保鮮等各個領(lǐng)域，越來越受到各方面的重視。制備它的單體主要有丙烯酸、甲基丙烯酸、丙烯酰胺等。

一、用途

聚丙烯酸鈉因其相對分子質(zhì)量的不同而具有不同的用途。高相對分子質(zhì)量的聚丙烯酸鈉（106～107）用作絮凝劑及高吸水性樹脂。聚丙烯酸鈉用作絮凝劑有以下幾個方面的用途：天然水澄清，去除污水中的磷酸鹽，從氧化鋁中分離赤泥及用做土壤改良劑等。聚丙烯酸鈉類吸水性樹脂是近年來國內(nèi)外廣泛開發(fā)研究的一種新型功能高分子材料，它是一種具有松散網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的低交聯(lián)度的強親水性高分子化合物，具有超高的吸水和保水性能，無毒無臭，在醫(yī)療衛(wèi)生、石油化工、土壤保水等方面得到廣泛應用。中相對分子質(zhì)量聚丙烯酸鈉（104～106）可用作增稠劑和保水劑，低相對分子質(zhì)量聚丙烯酸鈉（103～104）可用作分散劑、阻垢劑，超相對低分子質(zhì)量（700以下）聚丙烯酸鈉的用途還未被完全開發(fā)。

二、工藝路線及其合成方法

聚丙烯酸鈉的生產(chǎn)工藝路線如下。

1.聚合法

先用丙烯酸和燒堿反應生成丙烯酸鈉單體，再將單體在過硫酸鹽、還原劑引發(fā)下聚合成聚丙烯酸鈉。

2.中和法

首先將丙烯酸在氧化還原劑作用下聚合成聚丙烯酸，然后將聚丙烯酸與燒堿中和生成聚丙烯酸鈉。

3.皂化法

先由丙烯酸與甲醇反應生成丙烯酸甲酯，將丙烯酸甲酯聚合后的懸浮液或乳膠在氫氧化鈉水溶液中加熱，制得聚丙烯酸鈉。

4.水解法

先有丙烯酰胺聚合生成聚丙烯酰胺，然后在堿性條件下將聚丙烯酰胺水解生成聚丙烯酸鈉。

目前一般使用聚合工藝路線，中和后的丙烯酸鈉聚合速率平穩(wěn)，工業(yè)反應容易控制。

聚丙烯酸鈉主要合成方法有本體聚合、水溶液聚合、反相懸浮聚合、反相乳液聚合、輻射聚合等。本體聚合、水溶液聚合是高分子化學中常用的聚合方法。反相懸浮聚合法是將反應物分散在油溶性介質(zhì)中，單體水溶液作為水相液滴或粒子，水溶性引發(fā)劑溶解于水相中引發(fā)聚合的方法。從20世紀90年代開始，研究者將反相懸浮聚合工藝應用于丙烯酸鈉聚合，不僅解決了黏度高及攪拌傳熱困難等難題，并兼有聚合速度大和產(chǎn)物相對分子質(zhì)量高等優(yōu)點，且反應條件溫和，可直接制成粉狀或粒狀產(chǎn)物。對于反相懸浮聚合而言，有效的懸浮分散劑包括親水性高嶺土、硅烷化的硅酸或者礦物填料等，其他的懸浮分散劑有山梨糖醇油酸酯和帶有-COOH、-SO3H和-NH2等親水性取代基的可溶性聚合物，也可以采用一些含有親油親水基的嵌段共聚物。反相懸浮聚合法還存在受攪拌速率影響大、易聚結(jié)、共沸時體系不穩(wěn)定、易產(chǎn)生凝膠、出水時間長等問題。反相乳液聚合法是將反應物分散在油性介質(zhì)中，通過乳化劑的作用，在攪拌或劇烈震蕩下分散成乳液狀進行聚合的方法。該方法與一般的乳液聚合的不同之處在于：單體是親水性或水溶性的，水相中的單體分散在油性介質(zhì)中，為“油包水”型聚合系統(tǒng)。采用乳化劑的親水親油平衡值（HLB）為3～8。反相乳液聚合法具有廣闊的發(fā)展前景，引起了國內(nèi)外高分子學者的高度重視。輻射聚合可歸結(jié)為本體聚合，該方法在生產(chǎn)過程中不添加任何助劑，產(chǎn)品純度高。近年來雖然有對高吸水性樹脂的輻射聚合研究，但工業(yè)化尚有困難。

三、研究方向及展望

隨著國民經(jīng)濟的飛速發(fā)展，水處理的必要性日益突出，絮凝技術(shù)是提高水處理效率的最常用技術(shù)之一。特別是作為絮凝劑的高相對分子質(zhì)量聚丙烯酸鈉，已經(jīng)成為國內(nèi)外科研人員競相研究的課題。研究丙烯酸及其共聚單體的反相乳液聚合，首先應對乳化劑的選配、引發(fā)劑體系的選擇及其用量、聚合溫度及時間的確定等方面進行探討，研究體系的中和度、共聚單體的種類和配比、單體總濃度、非極性溶劑的種類和混配等。應繼續(xù)發(fā)展和完善現(xiàn)有的聚合方法和工藝條件，對各個聚合機理及聚合動力學進行深入研究，開發(fā)新的高效、合理的聚合引發(fā)體系，探討高性能的緩聚劑，探索更有效的聚合方法（比如半連續(xù)聚合方法、微乳液聚合方法、反相微乳業(yè)聚合方法），研究如何提高相對分子質(zhì)量以優(yōu)化其性能，研究高固含量聚合和新技術(shù)在各聚合方法中的應用，研制高分子型的乳化劑，探索反相微乳液聚合方法，從而使聚丙烯酸鈉從實驗室研究向產(chǎn)業(yè)化、工業(yè)化進軍。隨著經(jīng)濟建設的蓬勃發(fā)展，科學技術(shù)的不斷進步，對高分子水溶性的聚合物尤其聚丙烯酸類的產(chǎn)品性能要求會越來越高，其勢必會有更廣闊的發(fā)展前景。

(作者單位：鄭州煤炭工業(yè)技師學院，鄭州大學

化工與能源學院工程碩士在讀)