最新聚丙烯酸钠树脂的合成工艺

常熟理工学院 ------材料科学与工程专业

聚合物合成工艺课程设计

题 目：生产聚合聚丙烯酸钠树脂的工艺 姓 名： 杨鑫 学 号： 150208112 专 业： 材料科学与工程专业 班 级： 08级材料（1）班 指导教师 左 晓 兵 起止日期 2010.12—2011.01 目 录 一、 设计背景 1、关于聚丙烯酸钠树脂 2、聚丙烯酸钠树脂的产品性能和用途 二、设计思路及拟要解决的问题 1、生产方法 2、设计思路 三、聚丙烯酸钠树脂的合成原理 1、合成原料以及原料的各种性质 2、反应方程式 四、聚丙烯酸钠树脂合成工艺过程介绍 1、水溶液聚合方法 2、反向悬浮聚合 五、生产流程图 六、生产中注意的问题 七、聚丙烯酸钠树脂工艺前景 八、参考文献 悬浮聚合生产聚丙烯酸钠树脂的合成工艺 一、 设计背景 1、 聚丙烯酸钠简介 聚丙烯酸钠，英文名Sodium polyacrylate，缩写PAAS或简称PAA-Na，结构式为[－CH2－CH(COONa)]n－。是—种水溶性高分子化合物。商品形态的聚丙烯酸钠，相对分子质量小到几百，大到几千万，外观为无色或淡黄色液体、粘稠液体、凝胶、树脂或固体粉末，易溶于水。因中和程度不同，水溶液的pH一般在6-9。能电离，有或无腐蚀性。易溶于氢氧化钠水溶液，但在氢氧化钙、氢氧化镁等水溶液中随碱土金属离子数量增加，先溶解后沉淀。无毒。 分子式：[C3H3O2Na]n 分子量：一般10↑3-10↑7数量级

水溶性直链高分子聚合物。小相对分子质量的为液体，大的可为固体。固体的商品为白色粉末或颗粒，无臭无味，遇水膨胀，易溶于苛性钠水溶液。吸湿性极强。具有亲水和疏水基团的高分子化合物。缓慢溶于水形成极粘稠的透明液体，其0.5%溶液的粘度约Pa•s，粘性并非吸水膨润（如CMC，海藻酸钠）产生，而是由于分子内许多阴离子基团的离子现象使分子链增长，表现粘度增大而形成高粘性溶液。其粘度约为CMC、海藻酸钠的15-20倍。加热处理、中性盐类、有机酸类对其粘性影响很小，碱性时则粘性增大。不溶于乙醇、丙酮等有机溶剂。强热至300度不分解。久存粘度变化极小，不易腐败。因系电解质，易受酸及金属离子的影响，粘度降低。遇足量二价以上金属离子（如铝、铅、铁、钙、镁、锌）形成其不溶性盐，引起分子交联而凝胶化沉淀。但是二价金属离子量少时仍为溶液，因此可作为洗涤助剂，起到防止污垢再沉积的作用。pH=4.0以下时可能产生沉淀。随着相对分子质量增大，聚丙烯酸钠自无色稀溶液至透明弹性胶体乃至固体。性质、用途也随相对分子质量不同而有明显区别。相对分子质量在1000-10000的，可作为分散剂，应用于水处理（分散剂或阻垢剂）、造纸、纺织印染、陶瓷等工业领域。用作造纸涂布分散剂时，相对分子质量在2000-4000，涂料浓度在65％～70％时，仍可有良好流变性和熟化稳定性。分子量在1000-3000之间的，用作水质稳定剂和黑液浓缩时结垢控制剂。分子量在10以上的，用作涂料增稠剂和保水剂，可使羧基化丁苯胶乳、丙烯酸酯乳液等合成胶乳黏度增长，避免水分析出，保持涂料体系稳定。分子量在10以上的，用作絮凝剂。还可用作高吸水性树脂，土壤改良剂，以及在食品工业中作增黏剂、乳化分散剂等。

2、 聚丙烯酸钠树脂的产品性能和用途 食品级聚丙烯酸钠的用途 1、增稠剂。2、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。3、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。4、作糖液、盐水、饮料等的澄清剂（高分子凝聚剂）。 水处理剂——分散剂 水处理剂——絮凝剂 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 。 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。 二、设计思路及拟要解决的问题 1、生产方法 （一）水溶液聚合方法 （二）反向悬浮聚合 （三）反向乳液聚合 （四）微波法 （五）辐射聚合

2、设计思路 未经交联的聚丙烯酸钠是一种水溶性的聚电解质类聚合物,通过交联可赋予聚丙烯酸钠高吸水性。聚丙烯酸钠的羧酸钠侧基遇水后,电离成羧酸根与Na+ ,Na+ 在水中可移动离子,主链网络骨架则均为带负电的阴离子,不能移动,其间的排斥作用产生网络扩张的动力。Na+具有一定的活动性,但由于受网络骨架相反电荷的吸引、束缚,使得Na+存在于网络中,这样网络内部Na+浓度大于外部水中Na+浓度,离子网络内外产生渗透压力,加上聚电解质本身的-COONa 基团亲水能力很强,水能在很短时间内大量进入网络。由于水的进一步渗透,部分Na+ 脱离高分子链向溶剂区扩散,导致渗透压下降,又导致高分子上带净电荷,由于静电排斥,引起高分子链扩展,高分子链扩展又导致高分子网络的弹性收缩,这几种作用达到平衡时,就决定了其吸水性能。高吸水性树脂三维空间网络孔径愈大,网络结构愈大,吸水倍率就愈高。反之,孔径愈小,吸水倍率愈低。

聚丙烯酸钠高吸水性树脂能吸收大量水,并且保水性能优秀。如果环境干燥,会放水,环境潮湿会吸水。添加少量的高吸水性聚丙烯酸钠的土壤,能提高某些豆类的发芽率和豆苗的抗旱能力,并且使土壤的透气性增加。高吸水性聚丙烯酸钠可作增稠剂用,少量的加入使粘度增加很大,用于化妆品乳液等的增稠剂

三、聚丙烯酸钠树脂的合成原理 1、合成原料以及原料的各种性质 主要原材料 丙烯酸：化学纯 氢氧化钠 ：化学纯 过硫酸钾 ：分析纯 N，N --亚甲基双丙烯酰胺 ：分析纯 Span一60：化学纯 ，成分为单硬脂酸脱水山梨醇 酯 吐温 40：化学纯 ，成分为聚氧乙烯山梨醇酐单棕榈酯 碳酸钙 环己烷 ：工业级 主要仪器 电动搅拌器; 温度计; 四口瓶; 恒压滴液漏斗; 球形冷凝管; 磁力搅拌器; 恒温水浴等。 2、 反应方程式 四、聚丙烯酸钠树脂合成工艺过程介绍 1、水溶液聚合法 (1 ) 于1 000 mL 的烧杯中称取200 g 丙烯酸，以24%的氢氧化钠中和，中和度为75%，中和过程不断冷却，当温度到室温时，加入0. 3 g 的过硫酸钾和0. 24 g N，N' - 亚甲基双丙烯酰胺，充分搅拌溶解后，加入适量的添加剂，搅匀，倒入托盘，于80℃的恒温烘箱中反应2 h，然后升温到120℃干燥5 h，破碎，取40 ～ 145 目的样品进行性能测试。 (2 ) 取上述产品100 g，分别加入A 液(5 mL 甲醇+ 适量环氧氯烷) 、B 液(5 mL 甲醇+ 适量甘油) 、C 液(5 mL 甲醇+ 适量乙二醇二缩水甘油醚)和D 液( 多元醇复配溶液) ，充分混合，然后放入120℃恒温烘箱中进行表面交联反应1 h，以备性能测试。吸水倍率( 吸蒸馏水和吸生理盐水) 采用茶袋法测定，吸水速度采用涡流法测定。 2、反向悬浮聚合 1、复合树脂的合成 在装有搅拌器、回流冷凝器、温度计的三口瓶中加入0．8g分散剂(Span一6O或吐温40或碳酸钙)和一定量的环己烷，加热45℃，搅拌30 min使分散剂充分溶解。称取一定量丙烯酸用浓度为7．5mol／L的氢氧化钠溶液中和至设定中和度，冷却后依次加一定量的引发剂过硫酸钾和交联剂N，N _亚甲基双丙烯酰胺，搅拌混合，充分溶解后加入三口瓶中升温至70℃搅拌反应1．5 h左右，将反应混合物冷却、抽滤、真空干燥后进行性能测定。

2、 性能测定 (1)吸水率 吸水率是指1 g树脂在一定温度、时间下所吸收去离子水的量，可按式(1)计算： (2)保水率 称取一定量充分吸水的树脂凝胶，放人恒温烘 箱中，测定不同时间时树脂凝胶的质量，保水率可按 式(2)计算：

合成聚丙烯酸钠的最佳工艺条件为： 单体／引发剂／交联剂=100／0．04／0．02，水油比1／2．2，中和度75％ ，反应温度70℃，反应时间1．5 h。在该条件下合成的树脂的吸水率达606％

五、生产流程图 六、生产中注意的问题 1、中和过程中，氢氧化钠水溶液应滴加到丙烯酸中，时期缓慢放热，中和度用摩尔比计算。 2、搅拌太激烈时，易生成砂粒状聚合体；搅拌太慢时，易生成结块，附着在反应器内壁或搅拌棒上，不宜随意改变搅拌速度 七、聚丙烯酸钠树脂工艺前景 高吸水性树脂是一类新型功能高分子材料，具有高吸水性和高保水性，干燥后还可重复使用，同时又具有良好的加工性能和使用性能，可广泛应用于工业、农业、建筑、园艺、卫生等领域。1980年美国 首先实现了高吸水性树脂的工业化生产，随后日本、法国、英国、意大利等国都有不同规模的工业化生产。但世界年产量很小，远不能满足市场需要。 我国对高吸水性树脂的研究起步晚，在粒度、吸水速率和吸水率等方面与国外有明显差距，且不能连续化生产，一直停留在实验室阶段。大庆华科股份有限公司引进率先通过部级鉴定的成果，投人大量人力、物力、财力进行生产性开发，顺利通过中试，研制成功“分项控制合成法”新工艺，解决了以上难题，进行了扩大生产，并申报了国家专利，现已达到年产1．5万t的能力。高吸水性树脂的制备方法主 要有水溶液聚合法和反相悬浮聚合法。 八、参考文献 [1]聚丙烯酸钠高吸水性树脂的研究 孙伯平 石红锦 赵伟 凌 霞