聚丙烯酸-丙烯酸钠的合成工艺流程设计

作高吸水性树脂，土壤改良剂，以及在食品工业中作增黏剂、乳化分散剂等。

1.2 聚丙烯酸钠树脂的产品性能和用途

1食品级聚丙烯酸钠的用途

增稠剂；作为电解质与蛋白质相互作用，改变蛋白质结构，增强食品的粘弹性，改善组织；由于在水中溶解较慢，可预先与砂糖、粉末淀粉糖浆、乳化剂等混合，以提高溶解速度；作糖液、盐水、饮料等的澄清剂（高分子凝聚剂）；

2水处理剂 分散剂、絮凝剂

3造纸化学品

造纸涂料上作为分散剂。最合适的相对分子质量是2000-3000。商品形态一般是30%或42%固含量。粘度小于600mPa.s。外观无色透明至琥珀色液体。

pH在6-9之间 。

4其他领域

水性涂料，其分散作用；

纺织印染助剂，起浆料分散作用； 陶瓷加工助剂，起分散作用；

洗涤剂中作为洗涤助剂，起分散作用或防污垢再沉积作用； 油田上作为堵漏剂； 农业上作为土壤保湿剂； 医药上作为药物载体； 化肥工业作为化肥的控释剂；

作为高吸水树脂应用于尿布等。

1.3 在理论和/或实践方面的重大意义

高吸水性树脂主要用于卫生和日用品、农林园艺和水土保持、医疗、化妆品、建材、电器部件、光学显示元件、通讯光缆、力学化学材料等领域 。国产超强吸水剂产品尚未形成规模生产, 其原因有以下几个方面: ( 1) 产品成本较高; ( 2) 产品性能没有及时改进; ( 3) 产品的应用研究较少; ( 4) 生产装置规模一般较小, 工艺过程较复杂。对聚丙烯酸钠吸水树脂的生产, 国外主要采用反相悬浮聚合工艺, 该工艺存在油水相难分离、合成成本高、聚合工艺复杂等缺点。

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由于高吸水树脂在农林园艺和水土保持方面的应用对吸水倍数的要求并不是很高, 可以采用溶液聚合法合成聚丙烯酸钠,该方法所用设备少, 聚合流程相对简单, 且后处理不需要象悬浮聚合那样回收溶剂, 从而降低了成本, 易于实现工业化。

高分子量的聚丙烯酸钠其微观结构为聚阴离子型电解质，通过聚阴离子间的架桥使悬浮粒子相互凝聚成团，加速悬浮粒子的沉降，在食品添加剂、铝红泥的絮凝、动植物蛋白废水的处理等方面都有独特的应用。丙烯酸钠水溶液聚合具有实施方便、设备筒单、产品凝胶含量低、体系稳定等优点，但存在聚合后期黏度大、散热困难等问题，难以制得高分子量聚丙烯酸钠。本文以制备高分子量的聚丙烯酸钠为目标，探讨了单体浓度、引发剂用量、反应温度、反应时间等因素对聚丙烯酸钠分子量的影响，为高分子量聚丙烯酸钠的工业化生产提供基础。

2 聚合物合成的原理

2.1 聚合反应方程式

1、先聚合在中和

nH2CCHCOOHH2CHCn NaOHnH2CHCnCOOHCOONa

2、丙烯酸中和后再聚合

nH2CCHCOOHn NaOHnH2CCH引发剂H2CHCnCOONaCOONa

2.2 生产聚合方法

1、水溶液聚合方法 2、反向悬浮聚合 3、反向乳液聚合 4、微波法 5、辐射聚合

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2.3 设计思路

2.3.1 高吸水树脂的性能

高吸水树脂(Super Absorbent Polymer，SAP)是一种新型功能高分子材料。它具有吸收比自身重几百到几千倍水的高吸水功能，并且保水性能优良，一旦吸水膨胀成为水凝胶时，即使加压也很难把水分离出来。

高吸水树脂是一类含有亲水基团和交联结构的大分子，最早由Fanta等采用淀粉接枝聚丙烯腈再经皂化制得。按原料划分，有淀粉系(接枝物、羧甲基化等)、纤维素系(羧甲基化、接枝物等)、合成聚合物系(聚丙烯酸系、聚乙烯醇系、聚氧乙烯系等)几大类。其中聚丙烯酸系高吸水树脂较淀粉系及纤维素系相比，具有生产成本低、工艺简单、生产效率高、吸水能力强、产品保质期长等一系列优点，成为当前该领域的研究热点。目前世界高吸水树脂生产中，聚丙烯酸系占到80%。

高吸水树脂一般为含有亲水基团和交联结构的高分子电解质。吸水前，高分子链相互靠拢缠在一起，彼此交联成网状结构，从而达到整体上的紧固。与水接触时，水分子通过毛细作用及扩散作用渗透到树脂中，链上的电离基团在水中电离。由于链上同离子之间的静电斥力而使高分子链伸展溶胀。由于电中性要求，反离子不能迁移到树脂外部，树脂内外部溶液间的离子浓度差形成反渗透压。水在反渗透压的作用下进一步进入树脂中，形成水凝胶。同时，树脂本身的交联网状结构及氢键作用，又限制了凝胶的无限膨胀。当水中含有少量盐类时，反渗透压降低，同时由于反离子的屏蔽作用，使高分子链收缩，导致树脂的吸水能力大大下降。通常，高吸水树脂在0.9% NaCl溶液中的吸水能力只有在去离子水中的1/10左右。

吸水和保水是一个问题的两个方面，林润雄等对此进行了热力学探讨。在一定温度和压力下，高吸水树脂能自发地吸水，水进入树脂中，使整个体系的自由焓降低，直到平衡。若水从树脂中逸出，使自由焓升高，则不利于体系的稳定。差热分析表明，高吸水树脂吸收的水在150℃以上仍有50%封闭在凝胶网络中。因此，常温下即使施加压力，水也不会从高吸水树脂中逸出，这是由高吸水树脂的热力学性质决定的。高吸水聚合物是上世纪60年代末发展起来的。1961年美国农业部北方研究所首次将淀粉接枝于丙烯腈，制成一种超过传统吸水材料的

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HSPAN淀粉丙烯腈接枝共聚物。1978年日本三洋化成株式会社率先将高吸水聚合物用于一次性尿布，从此引起了世界各国科学工作者的高度重视。上世纪70年代末，美国UCC公司提出用放射线处理交联各种氧化烯烃聚合物，合成了非离子型高吸水聚合物，其吸水能力达到2000倍，从而打开了合成非离子型高吸水聚合物的大门。1983年，日本三洋化成又采用丙烯酸钾在甲基二丙烯酰胺等二烯化合物存在下，进行聚合制取高吸水聚合物。之后，该公司又连续制成了各种改性聚丙烯酸和聚丙烯酰胺组合的高吸水聚合物体系。上世纪末，各国科学家又相继进行开发，使高吸水聚合物在世界各国迅速发展。目前，已形成日本触媒、三洋化成和德Stockhausen公司三大生产集团三足鼎立态势，它们控制着当今世界70％的市场，彼此之间又以技术合作方式进行国际性联合经营，垄断世界所有国家的高吸水聚合物销售权。 2.3.2 反相悬浮聚合

迄今已开发出来的高吸水性树脂有淀粉类、纤维素类和合成树脂类。淀粉类制备工艺复杂、产品耐热性能差、易腐烂变质、不易贮存。纤维素类吸水性能相对较差，而合成树脂类(尤其是聚丙烯酸)则具有原料来源丰富、合成工艺简单、能够防霉防变、吸水率高等优点，是当前市场上占绝对优势的品种。聚丙烯酸盐类高吸水性树脂主要采用溶液聚合法和反相悬浮法合成。如果聚合物不溶于单体溶液里，液滴中就会形成沉淀，这样就会形成不透明且通常为非规则形状的颗粒。而如果形成的聚合物部分溶于单体溶液中，那最终产物的组成就很难预测了。聚合产生的颗粒可以应用于很多技术中，比如模塑。然而它们的最大应用还是在色谱分离领域中作为分离材料（比如离子交换树脂，酶固载支撑材料）得以应用。这种应用通常需要大的比表面积，即在珠状颗粒内部结构中产生所需要尺寸大小的孔洞。聚合物珠子怎样才可以做到内部有孔可以在单体相中引入一种惰性稀释剂，也可以叫它做致孔剂。聚合结束后将它提取出来。其它添加剂可以包括紫外稳定剂（芳香酮或芳香酯），热稳定剂（乙烯氧衍生物，无机金属盐），模润滑剂以及泡沫剂[5]。其中反相悬浮法具有反应热易排除、聚合过程稳定、能够直接得到粒状产品、无须粉碎工序、产品易干燥、产物的综合吸水性能好等优点，采用反相悬浮法能够合成医疗卫生用品所需的高品质吸水性树脂，在我国具有广阔的应用前景。

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