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Sodiumpolyacrylate，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1000mL的烧杯中称取200g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0.3g的过硫酸钾和0.24gN，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2h，然后升温到120℃干燥5h，破碎，取40～145目的样品进行性能测试。(2)取上述产品100g，分别加入A液(5mL甲醇+适量环氧氯烷)、B液(5mL甲醇+适量甘油)、C液(5mL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1h，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30min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1．5h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1g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1．5h。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[2]丙烯酸(钠)—丙烯酰胺的反相悬浮聚合研究樊世科1,秦振平1,郭红霞2,曹庆生1,付锋1[3]高岭土聚丙烯酸钠高吸水性复合树脂的合成及性能研究朱秀林顾梅赵峰[4]聚丙烯酸钠高吸水性树脂的性能改善周斌