高吸水性樹脂的工藝優化

黃宏磊

中海石油煉化有限責任公司惠州煉化分公司（廣東惠州　516086）

工作研究

高吸水性樹脂的工藝優化

黃宏磊

中海石油煉化有限責任公司惠州煉化分公司（廣東惠州516086）

通過對高吸水性樹脂吸水機理的研究，對工藝條件進行了優化，并對經驗進行了總結，為提高高吸水性樹脂的使用性能提供參考。

高吸水性樹脂吸水機理工藝優化

0　前言

隨著我國二胎政策的放開以及人口老齡化的到來，高吸水性樹脂（SAP）在國內的市場潛力越發巨大[1]。據統計，嬰兒紙尿褲市場銷售額由2000年的18億元提高到2015年的300億元，消費量增加到260億片，仍處于高速發展階段[2]。目前我國嬰幼兒紙尿褲的滲透率約為50%，遠低于歐美國家和日本等發達國家的96%[3]。因此，研究并開發高性能、可工業化、具有國際競爭力的SAP生產工藝尤為重要。本文通過實驗室對比實驗，優選出相對最佳的SAP制備工藝方案，所制備的SAP產品與國際主流SAP產品性能相當。

1　SAP的吸水原理

聚丙烯酸鈉高吸水性樹脂是一種適度交聯的聚電解質，當溶于介電常數很高的水中時，會電離成羧酸根陰離子（—COO-)和無機離子（Na+）。Na+在水中為可移動離子，而聚合物分子鏈上的羧基因帶負電荷不能向水中擴散，所以主鏈網絡骨架均為帶負電荷的羧酸根離子，它們之間的排斥作用產生使網絡擴張的動力。Na+雖具備一定的活動性，但由于受網絡骨架異性電荷的吸引、束縛，其只能存在于網絡中，導致網絡內部Na+濃度大于網絡外部Na+濃度，網絡內外產生滲透壓，加上聚電解質本身的水合能力較強，使得水可以在短時間內大量進入網絡。隨著水的進一步滲透，部分正負離子對離解，Na+脫離聚合物分子鏈向溶劑中擴散，導致聚合物分子鏈帶有多余的負電荷，由于靜電斥力作用，聚合物分子鏈得到擴張，如此一來，水就更容易進入聚合物中。隨著吸水量的增加，網絡內外的滲透壓差趨于零，網絡擴張的同時，其彈性收縮力也不斷增加，逐步抵消網絡結構中負離子之間的靜電排斥作用，最終達到吸水平衡。

2　SAP吸水性能的優化

2.1丙烯酸溶液中和度對SAP吸水性能的影響

在丙烯酸溶液中和度（用氫氧化鈉進行中和）為55%～85%的范圍內，及所選取助劑和其他工藝條件不變的情況下，進行了一系列中和度對比實驗，分析結果如圖1所示。

圖1　不同丙烯酸溶液中和度對SAP吸水倍率的影響

圖1顯示，實驗范圍內，丙烯酸溶液的中和度為70%時，所得SAP的吸水倍率最高。結合吸水機理進行分析，當中和度較低時，丙烯酸單體的質量分數較高，其聚合速率較快、聚合度較高，容易生成交聯程度較高的聚合物，使吸水倍率急劇下降。同時，聚合物網絡結構中Na+的濃度較低，網絡內外滲透壓較小，因而吸水倍率相應下降。中和度偏高時，丙烯酸單體的質量分數較低，聚合反應速率較慢，樹脂中可溶部分增多。當中和度大于90%時，得不到吸水性樹脂。

2.2伽馬輻照劑量對SAP吸水性能的影響

利用實驗室伽馬輻照裝置的鈷源作為聚合引發源，對聚丙烯酸溶液中和度為70%的中和液進行輻照，在其他工藝條件不變的情況下，進行不同輻照劑量下吸水倍率的對比試驗，結果如圖2所示。

圖2　不同輻照劑量對SAP吸水倍率的影響

圖2表明，在平均輻照劑量為10 kGy時，所制備SAP的吸水倍率最高。究其原因，當輻照劑量偏高時，產生的自由基較多，反應速率較快，容易發生爆聚，使丙烯酸鈉鹽過度聚合，形成高致密度的聚合物，造成空間網絡過小，從而使吸水倍率降低；當輻照劑量偏低時，產生的自由基偏少，反應速率較慢，聚合交聯度偏低，聚合物部分溶解，導致吸水倍率也偏低。

2.3表面交聯反應溫度對SAP吸水性能的影響

表面未交聯的顆粒狀SAP接觸水溶液后，其表面快速吸水形成凝膠，阻礙水分子的進一步滲入，這不利于樹脂充分發揮吸水性能，從而影響吸水倍率和吸水速率。采用表面交聯處理工藝對顆粒狀樹脂進行表面交聯處理，即通過將表面交聯劑溶液噴灑在SAP顆粒的表面，并在高溫下進行處理，使得顆粒狀SAP具有類似核-殼的結構。由于具有核-殼結構，水迅速滲透到顆粒內部并被快速吸收，從而使該產品具有更高的通液性與吸水性。在表面交聯處理過程中，反應溫度至關重要，其對SAP吸水倍率的影響如圖3所示。

圖3　不同表面交聯溫度對SAP吸水倍率的影響

由圖3可知，表面交聯溫度為120℃時，SAP的吸水倍率較高。這是因為：當表面交聯溫度過高時，所采用的助劑揮發比較嚴重，在表面交聯反應未完全進行時助劑就揮發殆盡了；當表面交聯溫度過低時，所采用的助劑與SAP顆粒不發生反應，同樣達不到交聯的效果。

2.4粒度對SAP吸水性能的影響

一般SAP產品的粒徑范圍為0.15～0.5 mm，本文對SAP粒度對其吸水性能的影響進行了研究，結果如圖4所示。

圖4　不同粒徑對SAP吸水倍率的影響

由圖4可以看出，SAP粒徑過大，顆粒比表面積小，吸水性能下降；粒徑過小，粉末狀顆粒吸水后形成糊狀物，造成凝膠堵塞，導致吸水性能下降。實驗范圍內，SAP粒徑在0.2～0.3 mm之間時，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，根據市場需求對SAP進行分級加工。

3　結論

（1）丙烯酸溶液的中和度為70%時，所得SAP的吸水倍率最佳；

（2）伽馬輻照劑量為10 kGy時，SAP吸水倍率最佳；

（3）表面交聯溫度為120℃時，SAP吸水倍率最佳；

（4）SAP膠粒粒徑為0.2～0.3 mm時，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，工藝條件也至關重要。中和度，吸收劑量，表面交聯反應溫度、反應時間，以及造粒過程對SAP膠粒分子結構的影響程度等，均會影響吸水樹脂的吸水性能。本文考察了部分工藝條件對SAP吸水性能的影響，希望可以拋磚引玉，為今后SAP的技術研發提供參考。

[1]伯.高吸水性樹脂市場看好[J].精細化工原料及中間體,2010(3)：44-45.

[2]焦勇.中國紙尿褲的過去、現在和將來[J].生活用紙, 2012(19)：16-18.

[3]MCLNTYPRE K B.成熟市場注重紙尿褲設計的時尚性[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脂的生產及研究工作

2016年2月