Fremstillingsprocessen for superabsorberende polymer

Denne artikel dykker ned i fremstillingsprocessen af superabsorberende polymer (SAP).

Bemærk: Den avancerede tekniske indsigt, der præsenteres i denne artikel, leveres af vores værdsatte partnere, producenterne af superabsorberende polymer, som vi samarbejder tæt med. For yderligere forespørgsler, detaljerede diskussioner eller spørgsmål vedrørende dette emne, bedes du udfylde formularen for at komme i kontakt med vores dedikerede tekniske team.

Hvad er den superabsorberende polymer?

En superabsorberende polymer (SAP) fremstilles typisk gennem en polymeriseringsproces af akrylsyre kombineret med natriumhydroxid og en initiator. Denne proces resulterer i dannelsen af polyakrylsyrenatriumsalt, almindeligvis kendt som natriumpolyakrylat, som er den mest producerede type SAP på verdensplan.

Natriumpolyakrylat fremtræder som lyshvide krystallinske partikler under normale forhold. Det har flere vigtige egenskaber, såsom at det er lugtfrit, ugiftigt og har en let tekstur. Sammenlignet med andre almindelige harpiksmaterialer er det det letteste pr. masseenhed og udviser enestående vandabsorptions- og fastholdelsesegenskaber.

Ud over natriumpolyacrylat anvendes forskellige andre materialer i produktionen af superabsorberende polymerer. Disse omfatter blandt andet polyakrylamidcopolymer, ethylenmaleinsyreanhydridcopolymer, tværbundet carboxymethylcellulose, polyvinylalkoholcopolymerer, tværbundet polyethylenoxid og stivelsespodet copolymer af polyacrylonitril. Sidstnævnte, stivelsespodet copolymer af polyacrylonitril, skiller sig ud som en af de tidligste former for SAP, der blev udviklet.

Princip

Vandabsorptionsprincippet for polyakrylharpiks adskiller sig markant fra andre tørremidler. Det har evnen til at absorbere vand hundredvis af gange sin egen vægt, hvilket resulterer i dannelsen af en gel. Gelens struktur bestemmes af polyakrylharpiksens tværbindingsegenskaber, der sikrer, at vand ikke kan presses ud eller flyde ud over en bestemt tryktærskel.

Derfor er polyacrylsyrepolymerer velegnede materialer til at syntetisere superabsorberende polymerer. Disse polymerers vandabsorptionsevne er ikke kun afhængig af de anvendte materialer, men påvirkes også af synteseprocessen for superabsorberende polymerer.

Produktionsprocessen for superabsorberende harpiks følger flere vigtige trin

Tilberedning af ingredienser:

Akrylsyre af industriel kvalitet, natriumhydroxid, natriumpersulfat som initiator og divinylbenzen som tværbindingsmiddel fremstilles til kemisk polymerisering.

Destillation af polypropylen:

Polypropylen af industriel kvalitet destilleres under reduceret tryk for at forhindre nedbrydning under opbevaring og transport. Der tilsættes en polymerisationsinhibitor for at bevare polymerisationsegenskaberne. Destillation kræver evakuering af luft fra systemet for at undgå at nå polypropylens kogepunkt på grund af dets modstandsdygtighed over for lave temperaturer.

Forberedelse af alkalisk opløsning:

Natriumhydroxid af industriel kvalitet opløses i destilleret vand for at fjerne urenheder, der kan påvirke polypropylens polymerisationsproces. Den resulterende filtrerede opløsning fungerer som alkaliopløsning til bulkpolymerisation.

Neutralisering:

Destilleret polypropylen tilsættes langsomt til natriumhydroxidopløsningen og neutraliserer den. Optimal neutralisering sker ved temperaturer mellem 10-50 °C, hvor der udveksles ioner for at producere polypropylensalt og vand. Reagenser doseres omhyggeligt for at sikre fuldstændig reaktion og forbrug.

Polymerisering:

Efter neutralisering tilsættes natriumpersulfat og divinylbenzen for at starte polymeriseringen af polypropylensaltet. Polymerisationen sker ved omgivelsestemperaturer under 60 °C i ca. 2 timer, efterfulgt af en temperaturstigning til 70 °C i over 3 timer for at danne en gel af polypropylensalt. Gelen tørres ved 70-80 °C for at opnå fast polyacrylsyreharpiks, som derefter knuses og formales til pulverpartikler til industriel brug.

Denne procesoversigt giver et kortfattet overblik over den generelle produktionsproces for natriumpolyakrylaten almindeligt anvendt superabsorberende harpiks.

I øjeblikket fremstilles superabsorberende polymerer ved hjælp af en af fire hovedmetoder: direkte polymerisation, gelpolymerisation, suspensionspolymerisation og opløsningspolymerisation. Hver metode giver forskellige fordele og resulterer i varierende produktkvaliteter.

Gel-polymerisation

Gelpolymerisation ved hjælp af den omvendte emulsionsmetode indebærer, at rå polypropylen omdannes til en opløsningsmiddelform. Dette opnås ved at opløse polypropylen i et upolært opløsningsmiddel, der fungerer som et opløsende middel, sammen med et olieagtigt aktivt middel for at skabe et olieagtigt opløsningsmiddel. En initiator og et tværbindingsmiddel tilsættes derefter til denne opløsning under processen.

Fremstillingen af råmaterialer følger fremgangsmåden med at kombinere "polypropylenmonomer + olieholdigt opløsningsmiddel, der indeholder initiator og tværbindingsmiddel + lud". Den resulterende opløsning, der består af uopløseligt polyacrylat, fungerer som medium for gelpolymerisationsprocessen.

Beskrivelse af metoden：.
Metoden går ud på at blande frossen akrylsyre, vand, tværbindingsmidler og UV-initieringskemikalier, som derefter hældes ud på et transportbånd eller i store kar. Denne flydende blanding overføres til en "reaktor", et langt kammer udstyret med kraftige UV-lys, der driver polymerisations- og tværbindingsreaktionerne. De resulterende klæbrige gel-"træstammer" indeholder 60-70% vand.

Disse træstammer bliver efterfølgende strimlet eller malet og overført til forskellige typer tørretumblere. Yderligere tværbindingsmidler kan påføres partikeloverfladerne gennem "overflade-tværbinding", hvilket forbedrer produktets evne til at svulme op under tryk - en egenskab, der måles som Absorbering under belastning (AUL) eller Absorbering mod tryk (AAP). Efter tørring screenes polymerpartiklerne for at sikre den rette partikelstørrelsesfordeling, inden de pakkes.

Gelpolymerisationsmetoden (GP) er i øjeblikket den mest udbredte teknik til fremstilling af superabsorberende polymerer af natriumpolyacrylat, som findes i babybleer og andre engangshygiejneprodukter.

Fordel

En fordel ved den omvendte emulsionspolymerisationsmetode er, at den skaber en emulsion ved at blande det upolære opløsningsmiddel, der indeholder opløst polypropylen, med det olieholdige opløsningsmiddel, der indeholder initiatoren og tværbindingsmidlet. Denne emulsion gør det muligt for polyacrylat at polymerisere på det ydre lag af polypropylenopløsningsmidlet og danne en "olie-i-vand"-struktur, der letter polymeriseringsprocessen af polyacrylat.

"Olie-i-vand"-strukturen isolerer effektivt polyacrylats frie ydeevne og gør det muligt for det at gennemgå en enkelt polymerisationsfunktion. Dette fremskynder reaktionshastigheden for polyacrylat, hvilket gør forberedelseshastigheden for invers emulsionspolymerisation fem gange hurtigere end for opløsningspolymerisation.

Desuden hjælper tilstedeværelsen af dispersionsmediet ikke kun med varmeoverførsel og temperaturkontrol, men gør det også muligt at polymerisere superabsorberende resinmateriale under lave temperaturer. Denne metode overvinder de temperaturbegrænsninger, der typisk er forbundet med polyakrylharpiksmaterialer.

Derudover kan den oliefase, der bruges i invers emulsionspolymerisation, genbruges flere gange. Selvom det måske ikke giver de samme besparelser som bulkpolymerisation, løser det problemet med for stort spild af initiatorer og tværbindingsmidler og reducerer dermed omkostningsineffektiviteten.

Suspensionspolymerisation

Suspensionspolymerisation deler et lignende princip med gelpolymerisation, især ved at bruge et dispergeringsmiddel til at lette varmeoverførsel, temperaturkontrolvariation og fremskynde polymerisationsreaktionshastigheden.

Den vigtigste forskel ligger dog i brugen af faser: Ved suspensionspolymerisation anvendes vandfasen som den separate fase og oliefasen som den kontinuerlige fase. Den suspenderer dispergeringsmidlet, der er opløst i polypropylen, som dråber på overfladen af oliefasen, hvor polymerisationsreaktionen finder sted i disse suspenderede dråber.

Ligesom gelpolymerisation overfører suspensionspolymerisation effektivt varme fra reaktionsstedet på grund af dispergeringsmidlets varmeledningsevne. Dette sikrer, at polymerisationsreaktionen ikke begrænses af temperaturforholdene. Under polymerisationen minimerer den lave viskositet af alkaliske stoffer og polypropylen tilbageholdelsen af ureagerede urenheder.

Fordel

En fordel ved suspensionspolymerisation i forhold til gelpolymerisation er, at det er nemt at genvinde opløsningsmidlet gennem destillation, så oliefasen kan genbruges flere gange med minimal miljøpåvirkning.

Ved suspensionspolymerisation suspenderes den vandbaserede reaktant i et kulbrintebaseret opløsningsmiddel. Denne metode resulterer i, at den primære polymerpartikel dannes direkte i reaktoren i stedet for gennem mekaniske processer i efterreaktionstrin. Derudover kan der indarbejdes præstationsforbedringer under eller umiddelbart efter reaktionstrinnet.

Det er værd at bemærke, at suspensionspolymerisation kun praktiseres af nogle få udvalgte virksomheder på grund af kravet om avanceret produktionskontrol og produktudvikling under polymerisationsprocessen.

Afsluttende tanker

I bund og grund er superabsorberende polymerer et pålideligt materiale, der er kendt for sin evne til at absorbere og fastholde vand.

Det underliggende princip for deres fremstilling involverer omdannelse af polypropylen til en saltform gennem alkalireaktion, efterfulgt af en polymeriseringsproces katalyseret af en initiator og et tværbindingsmiddel, hvilket resulterer i dannelsen af polymere stoffer.

I industrielle sammenhænge kategoriseres tilberedningsprocessen i fire typer baseret på procesvariationer. Hver af disse metoder har sine egne fordele og ulemper med hensyn til fremstillingsomkostninger, kvalitet, processer og affaldshåndtering. Valget af fremstillingsproces bør bestemmes ud fra de specifikke anvendelseskrav til polyakrylsyre vandabsorberende resin, under hensyntagen til faktorer som effektivitet og egnethed.

For yderligere indsigt eller forespørgsler om dette emne er du velkommen til at kontakte os ved hjælp af nedenstående formular.