高吸水性樹脂の製造工程

この記事では、高吸水性ポリマー（SAP）の製造工程について掘り下げます。

注：この記事で紹介されている高度な技術的洞察は、当社が緊密に協力している尊敬するパートナーである高吸水性ポリマーメーカーから提供されたものです。このトピックに関するお問い合わせ、詳細なディスカッション、ご質問は、フォームにご記入の上、弊社の専門技術チームにご連絡ください。

高吸水性ポリマーとは何ですか？

高吸水性樹脂（SAP）は通常、アクリル酸に水酸化ナトリウムと重合開始剤を加えて重合させます。このプロセスにより、一般的にポリアクリル酸ナトリウムとして知られるポリアクリル酸ナトリウム塩が形成されます。

ポリアクリル酸ナトリウムは、通常の条件下では薄白色の結晶粒子として現れます。ポリアクリル酸ナトリウムは、無臭、無毒性、軽量などの特徴を有しています。他の汎用樹脂材料に比べ、単位質量あたりの重量が最も軽く、優れた吸水・保水性を示します。

ポリアクリル酸ナトリウムのほかにも、高吸水性ポリマーの製造にはさまざまな材料が利用されています。ポリアクリルアミド共重合体、エチレン無水マレイン酸共重合体、架橋カルボキシメチルセルロース、ポリビニルアルコール共重合体、架橋ポリエチレンオキシド、ポリアクリロニトリルのデンプングラフト共重合体などです。後者のポリアクリロニトリルのデンプングラフト共重合体は、最も早く開発されたSAPのひとつです。

原則

ポリアクリル樹脂の吸水原理は他の乾燥剤とは大きく異なります。ポリアクリル樹脂は自重の何百倍もの水を吸収し、ゲル化する性質を持っています。このゲルの構造は、ポリアクリル樹脂の架橋特性によって決定され、特定の圧力閾値を超えて水を絞り出したり、流したりすることができないようになっています。

その結果、ポリアクリル酸系ポリマーは高吸水性ポリマーの合成に適した材料です。これらのポリマーの吸水能力は、使用する材料だけに依存するのではなく、高吸水性ポリマーの合成プロセスにも影響されます。

高吸水性樹脂の製造工程は、いくつかの重要なステップを踏みます。

材料の準備

工業用アクリル酸、水酸化ナトリウム、開始剤として過硫酸ナトリウム、架橋剤としてジビニルベンゼンを用意し、化学重合。

ポリプロピレンの蒸留

工業用ポリプロピレンは、保管や輸送中の劣化を防ぐため、減圧下で蒸留を行います。重合性を維持するために重合禁止剤が添加されます。蒸留では、ポリプロピレンの耐熱性が低いため、沸点に達しないようにシステムから空気を抜く必要があります。

アルカリ溶液の調製：

工業グレードの水酸化ナトリウムを蒸留水に溶かし、ポリプロピレンの重合プロセスに影響を与える不純物を除去します。得られた濾過溶液は、バルク重合用のアルカリ溶液として使用されます。

中和：

蒸留したポリプロピレンを水酸化ナトリウム溶液にゆっくりと加え、中和します。最適な中和は10～50℃の温度で起こり、イオンを交換してポリプロピレン塩と水を生成します。試薬は、完全な反応と消費を確実にするために慎重に投与されます。

重合：

中和後、過硫酸ナトリウムとジビニルベンゼンを加え、ポリプロピレン塩の重合を開始します。重合は60℃以下の周囲温度で約2時間、続いて70℃まで3時間以上かけて昇温し、ポリプロピレン塩ゲルを形成します。このゲルを70～80℃で乾燥させ、固形のポリアクリル酸樹脂を得ます。

この工程概要は、以下の一般的な製造工程を簡潔にまとめたものです。 ポリアクリル酸ナトリウム一般的に使用されている高吸水性樹脂です。

現在、高吸水性樹脂は、直接重合法、ゲル重合法、懸濁重合法、溶液重合法の4つの主要な方法のいずれかを用いて製造されています。それぞれの方法には明確な利点があり、製品の品質もさまざまです。

ゲル重合

逆エマルジョン法によるゲル重合は、原料のポリプロピレンを溶媒の形に変換します。これは、ポリプロピレンを溶解剤として働く非極性溶媒に、油性活性剤とともに溶解させ、油性溶媒を作ることで達成されます。その後、この溶液に開始剤と架橋剤を添加します。

原料の調製は、"ポリプロピレンモノマー＋開始剤と架橋剤を含む油性溶剤＋灰汁 "の組み合わせというアプローチに従います。得られた溶液は不溶性のポリアクリレートからなり、ゲル重合プロセスの媒体として機能します。

メソッドの説明
この方法では、凍らせたアクリル酸、水、架橋剤、UV開始剤を混ぜ合わせ、移動するベルトの上や大きな桶に堆積させます。この液体混合物は、重合と架橋反応を促進する強力なUVライトを備えた長いチャンバーである「リアクター」に移されます。出来上がった粘着性のあるゲル「ログ」には60-70%の水が含まれています。

これらの原木はその後、細断または粉砕され、様々なタイプの乾燥機に移されます。さらに「表面架橋」によって粒子表面に架橋剤を塗布し、加圧下での製品の膨潤能力を高めることがあります。乾燥後、ポリマー粒子を選別し、適切な粒度分布を確認してから包装します。

ゲル重合法（GP法）は、ベビー用紙おむつやその他の使い捨て衛生用品に使用されているポリアクリル酸ナトリウム高吸水性ポリマーの製造に、現在最も広く使用されている技術です。

メリット

逆乳化重合法の利点のひとつは、溶解したポリプロピレンを含む非極性溶媒と、重合開始剤および架橋剤を含む油性溶媒を混合してエマルジョンを形成することです。このエマルションにより、ポリプロピレン溶媒の外層でポリアクリレートが重合し、ポリアクリレートの重合プロセスを促進する「水中油型」構造が形成されます。

水中油型」構造は、ポリアクリレートの自由な性能を効果的に分離し、単一の重合機能を発揮させます。これにより、ポリアクリレートの反応速度が加速され、逆乳化重合の調製速度は溶液重合の5倍になります。

さらに、分散媒体の存在は、熱伝達と温度制御を助けるだけでなく、低温条件下での高吸水性樹脂材料の重合を可能にします。この方法は、ポリアクリル樹脂材料に通常関連する温度制限を克服します。

さらに、逆乳化重合で使用する油相は何度も再利用することができます。バルク重合のような節約は達成できないかもしれませんが、重合開始剤や架橋剤の過剰な浪費という問題に対処し、コストの非効率性を低減します。

懸濁重合

懸濁重合はゲル重合と原理が似ており、特に熱伝達を促進し、温度変化を制御し、重合反応速度を加速するために分散剤を利用します。

しかし、重要な違いは相の使い方にあります：懸濁重合は、水相を分離相、油相を連続相として使用します。ポリプロピレンに溶解した分散剤を油相の表面に液滴として懸濁させ、この懸濁液滴の中で重合反応を行います。

懸濁重合は、ゲル重合と同様、分散媒の熱伝導性により反応部位から効率よく熱を移動させます。このため、重合反応が温度条件に制約されることがありません。重合中、アルカリ性物質やポリプロピレンの粘度が低いため、未反応の不純物の滞留を最小限に抑えることができます。

メリット

ゲル重合に対する懸濁重合の利点のひとつは、蒸留による溶媒の回収が容易で、環境への影響を最小限に抑えながら油相を何度もリサイクルできることです。

懸濁重合では、水性反応物を炭化水素系溶媒に懸濁させます。この方法では、反応後の段階での機械的処理ではなく、反応器内で直接一次ポリマー粒子が形成されます。さらに、反応段階中または反応直後に性能を向上させることができます。

懸濁重合は、重合プロセスにおける高度な生産管理と製品エンジニアリングが要求されるため、一部の企業によって実施されていることは注目に値します。

最終的な感想

要するに、高吸水性ポリマーは、その吸水・保水能力で知られる頼りになる素材なのです。

ポリプロピレンは、アルカリ反応によって塩の形に変換され、その後、重合開始剤と架橋剤が触媒となって重合し、ポリマー物質が形成されます。

工業的な環境では、調製プロセスはプロセスのバリエーションに基づいて4つのタイプに分類されます。これらの方法にはそれぞれ、調製コスト、品質、工程、廃棄物管理に関する利点と欠点があります。調製プロセスの選択は、ポリアクリル酸の特定の用途要件に基づいて決定されるべきです。 吸水レジ効果や適合性といった要素を考慮しながら。

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