Superabsorbentin polymeerin valmistusprosessi

Tässä artikkelissa perehdytään superabsorbentin polymeerin (SAP) valmistusprosessiin.

Huomautus: Tässä artikkelissa esitetyt kehittyneet tekniset näkemykset ovat peräisin arvostetuilta yhteistyökumppaneiltamme, superabsorbenttien polymeerien valmistajilta, joiden kanssa teemme tiivistä yhteistyötä. Jos haluat lisätietoja, yksityiskohtaisia keskusteluja tai kysymyksiä tästä aiheesta, täytä lomake ja ota yhteyttä tekniseen tiimiimme.

Mikä on erittäin imukykyinen polymeeri?

Erittäin imukykyinen polymeeri (SAP) valmistetaan tyypillisesti polymeroimalla akryylihappoa yhdessä natriumhydroksidin ja initiaattorin kanssa. Prosessin tuloksena muodostuu polyakryylihapon natriumsuola, joka tunnetaan yleisesti nimellä natriumpolyakrylaatti ja joka on maailmanlaajuisesti eniten tuotettu SAP-tyyppi.

Natriumpolyakrylaatti esiintyy vaaleanvalkoisina kiteisinä hiukkasina normaaliolosuhteissa. Sillä on useita keskeisiä ominaisuuksia, kuten hajuttomuus, myrkyttömyys ja kevyt rakenne. Muihin yleiskäyttöisiin hartsimateriaaleihin verrattuna se on kevyin massayksikköä kohti, ja sillä on poikkeukselliset veden imeytymis- ja pidätyskykyominaisuudet.

Natriumpolyakrylaatin lisäksi superabsorbenttien polymeerien valmistuksessa käytetään useita muita materiaaleja. Näitä ovat muun muassa polyakryyliamidikopolymeeri, eteenimaleiinihappoanhydridikopolymeeri, ristisilloitettu karboksimetyyliselluloosa, polyvinyylialkoholikopolymeerit, ristisilloitettu polyeteenioksidi ja tärkkelykseen vartettu polyakryylinitriilikopolymeeri. Jälkimmäinen, tärkkelykseen vartettu polyakryylinitriilikopolymeeri, on yksi varhaisimmista kehitetyistä SAP-muodoista.

Periaate

Polyakryylihartsin veden absorptioperiaate eroaa merkittävästi muiden kuivausaineiden periaatteesta. Sillä on kyky imeä vettä satoja kertoja omaan painoonsa nähden, mikä johtaa geelin muodostumiseen. Tämän geelin rakenne määräytyy polyakryylihartsin ristisilloitusominaisuuksien perusteella, mikä varmistaa, että vesi ei pääse puristumaan ulos tai virtaamaan tietyn painekynnyksen yli.

Tämän vuoksi polyakryylihappopolymeerit ovat sopivia materiaaleja superabsorbenttien polymeerien syntetisointiin. Näiden polymeerien vedenimeytymiskyky ei riipu pelkästään käytetyistä materiaaleista, vaan siihen vaikuttaa myös superabsorbenttien synteesiprosessi.

Superabsorbentin hartsin tuotantoprosessissa on useita keskeisiä vaiheita.

Ainesosien valmistelu:

Kemialliseen polymerisaatioon valmistetaan teollista akryylihappoa, natriumhydroksidia, natriumpersulfaattia initiaattorina ja divinyylibentseeniä silloitusaineena.

Polypropeenin tislaus:

Teollisuuskäyttöön tarkoitettu polypropeeni tislataan alennetussa paineessa, jotta se ei hajoa varastoinnin ja kuljetuksen aikana. Polymerisaation estäjää lisätään polymerisaatio-ominaisuuksien säilyttämiseksi. Tislaus edellyttää ilman tyhjentämistä järjestelmästä, jotta polypropeenin kiehumispiste ei saavuteta sen alhaisen lämpötilakestävyyden vuoksi.

Emäksisen liuoksen valmistaminen:

Teollisuuskäyttöön tarkoitettu natriumhydroksidi liuotetaan tislattuun veteen sellaisten epäpuhtauksien poistamiseksi, jotka voivat vaikuttaa polypropeenin polymerisaatioprosessiin. Näin saatu suodatettu liuos toimii alkaliliuoksena irtopolymeroinnissa.

Neutralointi:

Natriumhydroksidiliuokseen lisätään hitaasti tislattua polypropeenia, joka neutraloi sen. Optimaalinen neutraloituminen tapahtuu 10-50 °C:n lämpötiloissa, jolloin ionit vaihtuvat polypropyleenisuolaksi ja vedeksi. Reagenssit annostellaan huolellisesti täydellisen reaktion ja kulutuksen varmistamiseksi.

Polymerisaatio:

Neutraloinnin jälkeen lisätään natriumpersulfaattia ja divinyylibentseeniä polypropeenisuolan polymerisaation aloittamiseksi. Polymerisaatio tapahtuu ympäristön lämpötilassa alle 60 °C:ssa noin 2 tunnin ajan, minkä jälkeen lämpötilaa nostetaan 70 °C:seen yli 3 tunniksi polypropyleenisuolageelin muodostamiseksi. Geeli kuivataan 70-80 °C:ssa, jolloin saadaan kiinteää polyakryylihappohartsia, joka sitten murskataan ja jauhetaan jauheeksi teollisuuskäyttöön.

Tässä prosessikuvauksessa esitetään tiivis yleiskatsaus seuraaviin yleisiin tuotantoprosesseihin. natriumpolyakrylaatti, yleisesti käytetty superabsorbentti hartsi.

Tällä hetkellä superabsorbentteja polymeerejä valmistetaan käyttämällä yhtä neljästä päämenetelmästä: suoraa polymerisaatiota, geelipolymerisaatiota, suspensiopolymerisaatiota ja liuospolymerisaatiota. Kullakin menetelmällä on omat etunsa, ja ne johtavat erilaisiin tuoteominaisuuksiin.

Geelin polymerisaatio

Käänteisellä emulsiomenetelmällä tapahtuvassa geelipolymeroinnissa raakapolypropeeni muunnetaan liuottimen muotoon. Tämä saavutetaan liuottamalla polypropeeni ei-polaariseen liuottimeen, joka toimii liuotusaineena, yhdessä öljyisen aktiivisen aineen kanssa öljyisen liuottimen luomiseksi. Tämän jälkeen liuokseen lisätään prosessin aikana initiaattori ja silloitusaine.

Raaka-aineiden valmistuksessa yhdistetään "polypropeenimonomeeri + öljyinen liuotin, joka sisältää initiaattorin ja silloitusaineen + lipeän". Tuloksena syntyvä liukenematon polyakrylaattiliuos toimii väliaineena geelipolymerisaatioprosessissa.

Menetelmän kuvaus：
Menetelmässä sekoitetaan jäätynyttä akryylihappoa, vettä, ristisilloitusaineita ja UV-initiaattorikemikaaleja, jotka sitten annostellaan liikkuvalle hihnalle tai suuriin sammioihin. Tämä nestemäinen seos siirretään "reaktoriin", joka on pitkä kammio, jossa on voimakkaat UV-valot, jotka ohjaavat polymerisaatio- ja ristisilloitusreaktioita. Tuloksena syntyvät tahmeat geelipölkyt sisältävät 60-70% vettä.

Tämän jälkeen tukit murskataan tai jauhetaan ja siirretään erityyppisiin kuivaimiin. Hiukkasten pinnoille voidaan lisätä ristisilloitusaineita "pinnan ristisilloittamisen" avulla, mikä parantaa tuotteen kykyä turvota paineen alaisena - ominaisuutta mitataan nimellä Absorbency Under Load (AUL) tai Absorbency Against Pressure (AAP). Kuivauksen jälkeen polymeerihiukkaset seulotaan ennen pakkaamista oikean hiukkaskokojakauman varmistamiseksi.

Geelipolymerisaatiomenetelmä (GP) on tällä hetkellä yleisimmin käytetty tekniikka, jolla valmistetaan natriumpolyakrylaatin superabsorbentteja polymeerejä, joita käytetään vauvavaipoissa ja muissa kertakäyttöisissä hygieniatuotteissa.

Advantage

Käänteisen emulsiopolymerointimenetelmän etuna on, että siinä muodostuu emulsio sekoittamalla pooliton liuennutta polypropeenia sisältävä liuotin ja öljyinen liuotin, joka sisältää initiaattorin ja silloitusaineen. Tämä emulsio mahdollistaa polyakrylaatin polymeroitumisen polypropeeniliuottimen ulomman kerroksen päälle muodostaen "öljy vedessä" -rakenteen, joka helpottaa polyakrylaatin polymerisaatioprosessia.

"Öljy-vesi"-rakenne eristää tehokkaasti polyakrylaatin vapaan suorituskyvyn, jolloin se voi suorittaa yhden polymerisaatiotoiminnon. Tämä nopeuttaa polyakrylaatin reaktionopeutta, jolloin käänteisen emulsiopolymerisaation valmistusnopeus on viisi kertaa nopeampi kuin liuospolymerisaation.

Lisäksi dispersioaineen läsnäolo ei ainoastaan auta lämmönsiirtoa ja lämpötilan hallintaa, vaan mahdollistaa myös superabsorbentin hartsimateriaalin polymerisaation matalissa lämpötiloissa. Tällä menetelmällä ylitetään polyakryylihartsimateriaaleihin tyypillisesti liittyvät lämpötilarajoitukset.

Lisäksi käänteisessä emulsiopolymeroinnissa käytettyä öljyfaasia voidaan käyttää uudelleen useita kertoja. Vaikka sillä ei ehkä saavuteta samoja säästöjä kuin bulkkipolymeroinnilla, sillä ratkaistaan initiaattorin ja silloitusaineen liiallisen tuhlaamisen ongelma ja vähennetään siten kustannusten tehottomuutta.

Suspension polymerisaatio

Suspensiopolymerisaatiolla on samanlainen periaate kuin geelipolymerisaatiolla, erityisesti siinä, että siinä käytetään dispergointiainetta lämmönsiirron helpottamiseksi, lämpötilan hallinnan vaihteluksi ja polymerisaation reaktionopeuden nopeuttamiseksi.

Keskeinen ero on kuitenkin vaiheiden käytössä: Suspension polymeroinnissa vesifaasi on erillinen faasi ja öljyfaasi jatkuva faasi. Siinä polypropeeniin liuotettu dispergointiaine suspendoidaan pisaroiksi öljyfaasin pinnalle, jossa polymerisaatioreaktio tapahtuu näiden suspendoitujen pisaroiden sisällä.

Kuten geelipolymerisaatio, myös suspensiopolymerisaatio siirtää tehokkaasti lämpöä reaktiokohdasta dispergointiaineen lämmönjohtavuuden ansiosta. Näin varmistetaan, että lämpötilaolosuhteet eivät rajoita polymerisaatioreaktiota. Polymeroinnin aikana emäksisten aineiden ja polypropeenin alhainen viskositeetti minimoi reagoimattomien epäpuhtauksien pidättymisen.

Advantage

Yksi suspensiopolymerisaation etu geelipolymerisaatioon verrattuna on se, että sen liuotin on helppo ottaa talteen tislaamalla, jolloin öljyfaasi voidaan kierrättää useita kertoja mahdollisimman vähäisin ympäristövaikutuksin.

Suspensiopolymeroinnissa vesipohjainen reaktantti suspendoidaan hiilivetypohjaiseen liuottimeen. Tämän menetelmän tuloksena primaariset polymeerihiukkaset muodostuvat suoraan reaktorissa eikä mekaanisten prosessien kautta reaktion jälkeisissä vaiheissa. Lisäksi suorituskykyä voidaan parantaa reaktiovaiheen aikana tai välittömästi sen jälkeen.

On syytä huomata, että suspensiopolymerisaatiota harjoittavat vain harvat yritykset, koska se edellyttää kehittynyttä tuotannonohjausta ja tuotesuunnittelua polymerointiprosessin aikana.

Lopulliset ajatukset

Superabsorbentit polymeerit ovat pohjimmiltaan luotettava materiaali, joka tunnetaan veden imeytymis- ja pidätyskyvystään.

Niiden valmistuksen perusperiaatteena on polypropeenin muuntaminen suolamuotoon alkalireaktion avulla, jota seuraa initiaattorin ja silloitusaineen katalysoima polymerisaatioprosessi, jonka tuloksena muodostuu polymeerisiä aineita.

Teollisuudessa valmistusprosessi luokitellaan neljään eri tyyppiin prosessivaihteluiden perusteella. Jokaisella näistä menetelmistä on omat etunsa ja haittansa valmistuskustannusten, laadun, prosessien ja jätehuollon osalta. Valmistusprosessin valinta olisi määriteltävä polyakryylihapon erityisten sovellusvaatimusten perusteella. vettä imevää resin, ottaen huomioon sellaiset tekijät kuin tehokkuus ja soveltuvuus.

Jos haluat lisätietoja tai tiedusteluja tästä aiheesta, voit ottaa meihin yhteyttä alla olevalla lomakkeella.