【聚丙烯酸鈉的合成與應用6300字（論文）】

引言聚丙烯酸鈉（PAAS）是一種新型的水溶性無機高分子材料。隨著聚丙烯酸鈉分子量的不同，PAAS的性能也不同，這使得聚丙烯酸鈉得到了廣泛的應用。它可以調節(jié)聚丙烯酸鈉的濃度，賦予聚丙烯酸鈉不同的用途。當分子量較低時，聚丙烯酸鈉處于液態(tài)。當分子量逐漸增加時，聚丙烯酸鈉的狀態(tài)逐漸變厚，甚至呈現(xiàn)固態(tài)。聚丙烯酸鈉因其無毒、無害、綠色、用途廣泛而備受關注。新型聚丙烯酸鈉功能材料的開發(fā)也日益深入。其中，聚丙烯酸類的高吸收性樹脂的操作工藝流程不復雜、成本花費相較更低、吸水量充溢、產(chǎn)品耐腐敗性能優(yōu)異，所以更受制造商的歡迎。如今，聚合物吸水樹脂也已用于農(nóng)業(yè)和園藝，它們用于節(jié)水灌溉，降低植物死亡率，改善土壤水和肥料的保留率，提高農(nóng)作物的發(fā)芽率并為花卉保留水分。另外，超吸收性樹脂也已應用于工程建筑、日化用品、工業(yè)材料等領域，可見其發(fā)展前景十分廣闊，本文就對聚丙烯酸鈉的合成工藝進行探究。第1章聚丙烯酸鈉的合成方法與應用1.1合成方法1.1.1本體聚合法本體聚合是指不添加任何其他反應物質，只有單體本身在一定的物理條件進行的聚合反應。本體聚合操作簡單，并且能得到高純度的聚合物，但是在聚合過程中產(chǎn)生熱量大而難擴散，這就容易引起爆聚，聚合產(chǎn)物粘度大而難出料，因而目前不采用本體聚合法。1.1.2溶液聚合法溶液聚合法中水為載體，加入單體、引發(fā)劑以及其他助劑在物理條件下進行聚合。溶液聚合法比本體聚合法易散熱控溫，局部過熱的現(xiàn)象不常出現(xiàn)，引發(fā)效率高且體系更加穩(wěn)定，經(jīng)處理后的產(chǎn)物分子量均勻。溶液聚合法能制得形狀多樣、吸釋水性好的產(chǎn)物，而且過程中消耗較少的能量，對環(huán)境不會造成大污染，所以此法常在實際生產(chǎn)中應用。由于過強的親水性導致產(chǎn)品干燥難度大，較低的單體濃度導致聚合速度慢和轉化率低，是該法存在的最大的缺點。1.1.3反相懸浮聚合法反相懸浮聚合法的載體是油相物質，在體系中加入懸浮穩(wěn)定劑后，水溶性單體在強烈攪拌的作用下被分散而形成了懸浮的水相液滴，再添加水溶性引發(fā)劑后在水相中發(fā)生自由基連鎖聚合生成高吸水性樹脂。反相懸浮聚合的體系粘度低且穩(wěn)定，溫度好控制，熱量好發(fā)散，并且可直接獲得顆粒狀的樹脂，免去繁瑣的后處理工藝。但作為載體的油相物質一般是有機溶劑，需回收處理，經(jīng)濟效益較低。另外，反相懸浮聚合的產(chǎn)物容易粘結成塊，產(chǎn)品純度低。1.1.4反相乳液聚合法反相乳液聚合法是在油相介質中加入水溶性單體和乳化劑，油包水型乳狀液在強攪拌的作用下形成，然后使各反應物在油包水體系中聚合，在液滴內部進行著聚合反應的發(fā)生和終止。反相乳液聚合法操作簡單、溫度好控制、熱量好發(fā)散、產(chǎn)物顆粒尺寸較小、分子量較大，這是其優(yōu)點。吸水率由于粒度太小而下降、雜質含量較多、有機溶劑難于回收、成本過高，這是反相乳液聚合法存在的一些缺陷。1.1.5輻射聚合法輻射聚合法主要是指微波輻射法和紫外光聚合法兩種方法，屬于物理引發(fā)聚合。微波輻射化學反應是一種新型聚合物的聚合技術，在生產(chǎn)過程中，體系中的自由基只需通過高能電子束輻射產(chǎn)生，由此基礎上發(fā)生穩(wěn)定的聚合反應。輻射聚合中反應速率和產(chǎn)物分子量可以通過輻射程度調控，在常溫或低溫下都能進行，這種方法的生產(chǎn)效率高，產(chǎn)品的質量純凈。綜上所述，以上五種聚合方法各有其優(yōu)缺點。在實際生產(chǎn)中，溶液聚合的體系粘度第，制得的產(chǎn)物不但可以制成各種形狀，還具有優(yōu)異的吸釋水性，同時能耗較低、對環(huán)境污染小，也是世界上生產(chǎn)SAP最主要的工藝，生產(chǎn)能力約占全球的80%~90%。因此在本設計中，我們選擇選用溶液聚合法制備聚丙烯酸鈉膠體。1.2聚丙烯酸鈉的應用聚丙烯酸鈉的吸水和保水性非常出色，在我們生活中的方方面面都有著廣泛的應用。本設計從以下幾個方面介紹聚丙烯酸鈉的應用：1.2.1農(nóng)林業(yè)方面的應用在地域遼闊的我國，土壤環(huán)境惡劣的地區(qū)占了絕大部分，這樣的環(huán)境會影響農(nóng)林業(yè)的發(fā)展。面對沙漠干旱等嚴酷的氣候環(huán)境，吸水率高、保水力強又可重復使用的聚丙烯酸鈉便可應用于農(nóng)林業(yè)。聚丙烯酸鈉高吸水性樹脂可以長時間保留吸收的水，這些吸水凝膠顆粒就像無數(shù)的“小蓄水池”一樣，圍繞著植物根系土壤，它能夠首先儲存雨水或灌溉時的水，以減少水分流失和蒸發(fā)，而在干旱的時候，存儲的水又會緩慢釋放以供植物汲取，如此一來就能提高植物的成活率和農(nóng)作物的產(chǎn)量，還大大地節(jié)省了勞動力。聚丙烯酸鈉高吸水性樹脂無毒無害無污染、重復使用壽命長，土壤的結構被聚丙烯酸鈉高吸水性樹脂形成粒狀，這樣不僅增加了土壤的滲透性，還減少了土壤的晝夜溫差。將聚丙烯酸鈉高吸水性樹脂混合在農(nóng)藥和肥料中能有效提高它們的作用效果。目前，在我國干旱荒漠化地區(qū)，聚丙烯酸鈉高吸水性樹脂的應用在增加農(nóng)業(yè)收入、提高綠化率、節(jié)水灌溉等方面發(fā)揮了重要作用，具有良好的市場前景。1.2.2生物醫(yī)療方面的應用聚丙烯酸鈉高吸水性樹脂吸水后讓人體能產(chǎn)生適應性，所以聚丙烯酸鈉高吸水性樹脂在生物醫(yī)藥方面也能發(fā)揮廣泛的用途。①用作增稠劑，增強藥物釋放的效果，讓藥物更好地吸水和保水；②制造醫(yī)用繃帶，幫助創(chuàng)口體液和傷口出血被迅速吸收，并防止傷口被感染；③外用軟膏；④人工器官；⑤隱形眼鏡；⑥人工腎臟過濾材料。目前，聚丙烯酸鈉高吸水性樹脂技術在生物醫(yī)療方面的研究應用相對更成熟的。1.2.3工業(yè)方面的應用在土建工程中，聚丙烯酸鈉高吸水性樹脂主要用于：①控制濕度和祛除濕氣；②工業(yè)防潮劑，高吸水性樹脂在高溫環(huán)境下吸水，在低溫環(huán)境下釋水；③止水堵漏，聚丙烯酸鈉高吸水性樹脂吸收水膨脹成凝膠后能有效地防止油氣和廢水的泄漏；④建筑水溶性涂料；⑤水泥添加劑。1.2.4日常用品方面的應用聚丙烯酸鈉高吸水性樹脂吸水緩釋快而穩(wěn)定的特性在日用品中有所應用：①化妝品的添加劑，不僅能保護皮膚免受刺激還能滋潤皮膚；②頭發(fā)定型劑，使頭發(fā)柔順且無粘滯感；③食品的包裝，能保鮮且防止食品受潮；④人工造雪，使加有聚丙烯酸鈉高吸水性樹脂的人造雪摸起來的手感與天然雪極其相似；⑤電子工業(yè)品和消防制品；⑥紙尿褲、婦女衛(wèi)生巾、止汗毛巾、手術棉等生理衛(wèi)生用品第二章聚丙烯酸鈉的合成工藝2.1工藝流程水溶液聚合法生產(chǎn)高吸水性樹脂的工藝流程由中和反應、聚合反應、表面交聯(lián)反應三部分組成，可細分為丙烯酸鈉溶液的制取、脫除阻聚劑、溶液聚合反應、切條造粒、干燥粉碎、表面交聯(lián)、、干燥篩分、混合包裝等階段。1.丙烯酸鈉溶液的制取：稱取一定量的丙烯酸，用按比例計量過的去離子水稀釋成丙烯酸溶液，再將丙稀酸溶液與25%氫氧化鈉溶液中和成丙烯酸鈉溶液。2.脫除阻聚劑：在中和度為75%的丙烯酸鈉溶液中加入質量為丙烯酸1%的細粉狀活性炭，在減壓蒸餾吸附處理后抽濾即得到去除阻聚劑的丙稀酸鈉精制液。3.交聯(lián)劑分散：加入交聯(lián)劑N，N’-亞甲基雙丙烯酰胺（MBA），攪拌充分使之溶于中和液。4.丙烯酸鈉的聚合反應:加過交聯(lián)劑的丙稀酸鈉精制液中加入計量好的引發(fā)劑，放入反應器中進行聚合反應。5.切條造粒:聚合反應得到的聚合物先經(jīng)切條機切成條狀，條狀聚合物再送到造粒機中造粒，最后將造粒過的聚合物送往干燥器中進行干燥處理。6.干燥:將絞碎后的聚合物在150°C的干燥器中干燥。7.粉碎篩分:在破碎機中將干燥后的聚丙烯酸鈉顆粒粉碎成所需的粒徑，再送往篩分裝置進行篩分處理，獲得目標粒徑。8.表面處理和混合包裝:將粒徑符合的顆粒與表面處理劑、無機鹽水在表面處理機中進行處理，以提高顆粒的表面強度，表面處理結束后將聚合物進行冷卻，即為成品。檢驗分析合格即可對成品進行包裝。2.2生產(chǎn)工藝流程圖中和反應中和反應NaOH溶液去離子水堿液配制去離子水溶液聚合脫阻聚劑破碎造粒干燥篩分干燥粉碎表面交聯(lián)最終產(chǎn)品配液丙烯酸單體（液體）交聯(lián)劑引發(fā)劑

2.3聚合工藝條件的確定2.3.1生產(chǎn)原料表SEQ表\*ARABIC1生產(chǎn)聚丙烯酸鈉的工藝原料2.3.2工藝條件表SEQ表\*ARABIC2生產(chǎn)聚丙烯酸鈉的工藝條件項目用量試劑濃度氫氧化鈉溶液25%(質量分數(shù))丙烯酸溶液30%（質量分數(shù)）活性炭助劑0.69%（中和液）中和工藝條件中和度75%中和溫度13.5～35℃中和壓力0.1Mpa交聯(lián)劑N，N’-亞甲基雙丙烯酰胺0.04wt%引發(fā)劑過硫酸銨-亞硫酸氫鈉0.2wt%聚合工藝聚合時間2h聚合溫度60～70℃聚合壓力0.1Mpa破碎、造粒工藝條件破碎膠塊的大小85mm造粒后顆粒的大小5mm破碎、造粒的溫度25℃破碎造粒的壓力0.1Mpa干燥工藝條件造粒后的干燥溫度120℃造粒后的干燥時間3h造粒、干燥后產(chǎn)品含水量≤5%改性后的干燥溫度150℃改性后的干燥時間6h改性、干燥后產(chǎn)品含水量≤5%干燥壓力（兩次）0MPa（真空）粉碎工藝條件粉碎溫度25℃粉碎粒度80目粉碎壓力0.1Mpa篩分工藝條件篩分溫度25℃篩分粒度80目篩分壓力0.1Mpa改性工藝條件季戊四醇飽和溶液的用量3：1改性溫度25℃改性壓力0.1Mpa第3章工藝條件確定的論證3.1中和反應階段的相關工藝3.1.1單體濃度的選擇單體濃度是指丙烯酸溶解在去離子水中的濃度，單體濃度接近30%時，樹脂在負載和常壓下吸鹽水性能及保水性能最高，高于或低于此濃度范圍，吸水率均下降。改變單體濃度主要是使樹脂網(wǎng)狀結構發(fā)生變化，從而影響樹脂的吸水性。其主要原因是在聚合過程中，樹脂的三維網(wǎng)絡形成后，作為單體溶劑的水被樹脂所吸收，剩余單體的流動性降低，從而影響了聚合的順利進行，使樹脂的分子量降低。隨著丙稀酸鈉單體濃度單的增大，丙烯酸鈉在水溶液中易析出，導致聚合不充分，樹脂的三維網(wǎng)結構不穩(wěn)定，增加了可溶性，降低了樹脂的吸液性能。因此，單體濃度優(yōu)選為30%。3.1.2單體中和度的選擇中和度在50%~75%范圍內時，隨中和度的增加，樹脂的加壓吸0.9wt%生理鹽水量和吸0.9wt%生理鹽水量及保水量都有所增加，但中和度在75%以上時，上述性能有明顯的下降。其主要原因是中和度較低時，溶液呈酸性，丙烯酸聚合速度快，除交聯(lián)劑外，還發(fā)生了自身的交聯(lián)，因而提高了交聯(lián)度，降低了吸水率，一般認為中和度在50%以上較為理想。在此范圍內，當中和度增加時，分子鏈上—COO—基團的數(shù)目增加，電解質的電荷度增加；—COO—基團的排斥力使樹脂的分子鏈由卷曲變寬，三維網(wǎng)絡結構逐漸打開，更多的水分子被束縛在網(wǎng)狀結構中，樹脂的吸液性能也隨之提高。當中和度過高時，網(wǎng)絡結構上的離子濃度不斷增加，相鄰的—COO—基團相互排斥，水分子和離子間的氫鍵力增強，相鄰的氫鍵的互相排斥會限制分子鏈的自由運動，三維網(wǎng)絡物不能充分伸展以發(fā)揮其儲水能力，此外，由于丙烯酸鈉鹽含量增加，反應速度降低，自交聯(lián)度降低，會導致樹脂的水溶性增加，吸水率降低。由此可知，只有適宜的中和度才能使樹脂具有最佳的吸水性，最后本設計認為的最佳中和度為75%。3.1.3中和溫度的確定中和反應溫度過低，低于13℃，丙烯酸和丙烯酸鈉結晶析出，中和反應溫度過高，高于35℃，丙烯酸在中和液中易發(fā)生自聚形成低聚物，影響后續(xù)產(chǎn)品的制備及性能。當中和液的溫度低于丙烯酸的熔點13.5℃時，丙烯酸會發(fā)生結晶從體系中析出，其次，通過低溫中和生成的丙烯酸鈉溶解度降低，也容易從體系中析出，含有固體成分的中和液對隨后的聚合反應十分不利，會導致聚合反應極不均勻，產(chǎn)品質量下降。中和液溫度超過35℃時，由于丙烯酸是非?；顫姷幕衔铮姽?、遇熱都會打開不飽和烯鍵引發(fā)自聚，因此，在35℃以上的體系中，丙烯酸會緩慢打開雙鍵，生成丙烯酸二聚物等低聚物，如果存放時間過長，會導致體系粘度上升，而且由于低聚物的存在又會導致聚合反應形成的樹脂分子量不均，三維網(wǎng)狀結構不穩(wěn)定，聚合物體系中的可溶物增多，產(chǎn)品負載壓力下吸鹽水能、常壓下吸純水能和吸鹽水能、保水能下降。因此，中和溫度優(yōu)選維持在13.5℃～35℃之間。3.2聚合反應階段的相關工藝3.2.1引發(fā)體系的確定如果使用單一的氧化引發(fā)體系，則制得的SAP產(chǎn)品在負壓下的保水能力比氧化還原體系差，并且在液體吸收率方面也優(yōu)于氧化還原體系。這主要是因為當將氧化還原引發(fā)體系用于聚合反應時，反應相對穩(wěn)定，反應引發(fā)溫度相對較低，并且聚合反應溫度不超過100℃。使用單一的氧化引發(fā)體系，聚合反應溫度可達到110°C，反應劇烈，容易產(chǎn)生可溶性物質，從而降低了負載壓力下鹽水的吸收和保水能力。由于產(chǎn)品中可溶性物質的增加，產(chǎn)品會迅速吸收液體。因此，最終確定該聚合引發(fā)體系采用的是(NH4)2S2O8-NaHSO3氧化還原體系，具有更好的SAP產(chǎn)品綜合性能。3.2.2引發(fā)劑用量的選擇當引發(fā)劑用量為丙烯酸用量的0.05～0.35wt％時，由于三維網(wǎng)絡結構和分子結構，引發(fā)劑用量的變化對常壓下SAP產(chǎn)品的鹽水吸收能力影響很小。達到一定水平后，繼續(xù)增加其分子量，這對常壓下樹脂的液體吸收速率幾乎沒有影響。引發(fā)劑用量的變化對負壓下樹脂的鹽水吸收和保水性能具有更大的影響。因為引發(fā)劑的量直接影響樹脂合成過程中的分子量和交聯(lián)度，所以當引發(fā)劑的量小時，負壓下樹脂的鹽水吸收和保水性能與引發(fā)劑的量成正比。反應速度慢。樹脂的分子量較大，但交聯(lián)度較小，樹脂的可溶部分增加，導致負壓下鹽分的吸水率和保水性能降低。當引發(fā)劑劑量太大時，聚合反應速度快，并且所形成的樹脂具有小的分子量。在相同的反應時間下，單體轉化率高，交聯(lián)度大，形成的三維網(wǎng)絡更致密，因此負壓下的鹽水吸收性能和保水性能也較低。當引發(fā)劑的量低時，所制備的SAP的交聯(lián)度小，并且樹脂的自由溶脹速度相對較快。當引發(fā)劑的量大時，聚合反應加速，并且形成的樹脂具有更致密的網(wǎng)絡結構和更多的可溶物。結果，加速了樹脂的自由溶脹。考慮到整體性能，將引發(fā)劑的量選擇為0.2wt％。第4章總結目前，水溶性高分子可謂是最重要的聚合物之一，無論是生產(chǎn)還是應用，各方面都在快速地發(fā)展。聚丙烯酸鈉的應用極為廣泛，已深入到民用、工用等各個領域，但國內的工業(yè)生產(chǎn)仍需不斷改進與優(yōu)化，不斷拓展高分子材料的應用領域，在生產(chǎn)工藝上，由于我國生產(chǎn)技術尚不成熟以及生產(chǎn)設備受限，因此在大規(guī)模制造中依舊落后于國外，因此要不斷優(yōu)化我國的生產(chǎn)技術，不斷改進我國的生產(chǎn)設備，逐步擴大生產(chǎn)規(guī)模，同時也要不斷創(chuàng)新發(fā)展更多新型的優(yōu)良聚合方法，比如極具前景的輻射聚合和噴霧聚合等，針對不同的產(chǎn)品需求采用不同的聚合方式。參考文獻[1]馬正先,李國豪,王敏,等.聚丙烯酸鈉的常溫合成與工程應用[J].新型建筑材料,2020,47(3):4.[2]熊雨晴,周青青,卜然,等.低聚丙烯酸鈉的合成及其在防沾色中的應用[J].2022(6).[3]朱帥帥,肖芝,周曉東,等.多孔聚丙烯酸鈉高吸水性樹脂的合成及表面改性[J].工程塑料應用,2019,47(6):7.[4]施小寧,陳暉,張浩波,等.基于酵母發(fā)酵致孔的小麥麩質蛋白/聚丙烯酸鈉復合多孔水凝膠的合成及溶脹性能[J].復合材料學報,2018,35(6):9.[5]陳磊,玉珍拉姆,周婭楠,等.利用兩種鏈轉移劑合成低