CN102372892B - 淀粉接枝丙烯酸复合保水剂及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种淀粉接枝丙烯酸硅藻土复合保水剂及其制造方法。工艺采用丙烯酸中和与淀粉糊化一次完成,简化了制造工艺。提高了单体浓度,使聚合物适合于造粒机加工,同时节省了干燥能耗。首次采用添加防粘剂/表面活性剂,提高了产品吸水速率,造粒更顺利。该产品的吸水速率270克/1小时,290克/2小时,重复吸水率≥95%。色泽白,强度好。
Description
技术领域
本发明涉及材料领域,更具体地,本发明涉及一种淀粉接枝丙烯酸复合保水剂及其制造方法。
背景技术
近年来,由于气候异常等原因,受干旱和缺水困扰的地方日益增多。为了种草植树、防止沙漠化等多种目的,需要有效地保持水分,以便于植物的生长。吸水性材料(如吸水剂)是目前在农业以及其他一些领域中广泛使用的材料。对于主要用于土壤中以吸收并保持水分的吸水树脂而言,对于吸水剂的吸水速率、树脂强度及可降解性均有一定要求。
目前,高性能吸水剂主要分为两类。一类是化学合成高分子吸水性树脂,如聚丙烯酸、聚丙烯酰胺等;化学类吸水剂存在成本高、耗能高、产生三废以及难以降解等问题。另一类是是淀粉、纤维素类吸水剂。淀粉类吸水剂的原料成本低、环保、易降解,然而存在诸如耐盐碱性差、强度低、吸水速率低,重复吸水率低等缺点。
CN 1631970A公开了一种淀粉基有机-无机复合保水剂及其制备方法。用淀粉与丙烯酰胺和凹凸棒土经接枝共聚而制成的保水剂。
一种新趋势是采用添加无机矿物材料的所谓三元共聚工艺,该工艺制备的吸水剂具有成本低、强度高、吸水速率快、加工方便、使用环保等优点。然而目前尚无工业化生产的报道。
综上所述,本领域迫切需要开发低成本、吸水速度快且对环境友好的吸收材料及其制备工艺。
发明内容
本发明的目的就是提供一种低成本、吸水速率快且对环境友好的吸收材料及其制备工艺。
在本发明的第一方面,提供了一种淀粉接枝丙烯酸复合保水剂,所述保水剂的组成为:丙烯酸80-110重量份,丙烯酰胺8-12重量份,淀粉6-18重量份,糊精6-18重量份,机械强度改良剂5-10重量份,防粘剂2-5重量份,表面活性剂2-5重量份,引发剂0.2-0.6重量份,交联剂0.01-0.1重量份,其中引发剂选自过硫酸钾或过硫酸铵,交联剂选自:N,N’-亚甲基双丙烯酰胺,所述的机械强度改良剂选自:硅藻土、高岭土、云母、凹凸棒土、或其组合。
在另一优选例中,一种或多种组分的优选含量如下:丙烯酸90-105重量份,丙烯酰胺9-11重量份,淀粉8-15重量份,糊精8-15重量份,机械强度改良剂6-10重量份,防粘剂3-5重量份,表面活性剂3-5重量份,引发剂0.2-0.5重量份,交联剂0.02-0.1重量份。
在另一优选例中,所述的保水剂为颗粒状,其平均粒径为1-15mm,较佳地3-10mm。
在另一优选例中,丙烯酸为90-100重量份,丙烯酰胺9-11重量份。
在另一优选例中,所述的淀粉为玉米淀粉或马铃薯淀粉;和/或所述的糊精为小麦糊精。
在另一优选例中,所述的机械强度改良剂为硅藻土生粉或熟粉。更佳地,所述的机械强度改良剂粒径为150-500目。
在另一优选例中,所述的防粘剂为煤油、液体石蜡、石油醚或其组合。
在另一优选例中,所述的表面活性剂选自:失水山梨醇脂肪酸酯(包括Span-20、span-40、Span-60、Span-80等)、聚山梨醇酯(如Tween 60、Tween80等)、壬基酚聚氧乙烯醚(如OP-3、OP-7、OP-10、OP-15等)或其组合。
在另一优选例中,所述的复合保水剂是用本发明第二方面中所述的方法制备的。
在本发明的第二方面,提供了一种制备本发明第一方面中所述的复合保水剂的方法,包括步骤:
(a)将丙烯酸与未糊化淀粉的混合物,用氢氧化钾溶液进行中和,获得中和度为60-85mol%的中和混合物;
(b)向步骤(a)的中和混合物中加入糊精、硅藻土、丙烯酰胺、防粘剂、引发剂、交联剂,并加水至单体浓度为40-50wt%,从而获得共混物,其中所述的单体包括丙烯酸和丙烯酰胺;
(c)将步骤(b)获得的共混物进行聚合,从而获得所述的保水剂。
在另一优选例中,在步骤(a)中,用浓度为30-55%的氢氧化钾溶液进行中和。
在另一优选例中,在步骤(a)中,控制物料温度为75-90℃,并保温0.2-2小时,然后冷却至低于50℃。
在另一优选例中,在步骤(a)中,中和度为65-80mol%。
应理解,在本发明范围内中,本发明的上述各技术特征和在下文(如实施例)中具体描述的各技术特征可以互相组合,从而构成新的或优选的技术方案。限于篇幅,在此不再一一累述。
具体实施方式
本发明人经过广泛而深入的研究,以淀粉、丙烯酸和丙烯酰胺为原料,首次开发了一种基于淀粉糊化与丙烯酸中和一步完成工艺(一步法)溶液聚合而形成的吸水剂,该吸水剂具有低成本、吸水速率快且对环境友好等优点。
定义
如本文所用,“主要由...(成分)构成”指,本发明的吸水树脂的基本上是由淀粉(尤其是高支链淀粉)、丙烯酸、丙烯酰胺接枝聚合而成的吸水成分构成。当然,这也不排除本发明吸水树脂可含有其他次要成分(如钾离子、铵离子)和杂质。
如本文所用,术语“吸水剂”、“保水剂”和“吸水树脂”可互换使用。
本发明吸水剂的主要组分包括丙烯酸、淀粉、丙烯酰胺、糊精、机械强度改良剂、防粘剂、表面活性剂、引发剂、交联剂。
可用于本发明的淀粉没有特别限制,包括普通淀粉和高支链淀粉,代表性的例子包括(但并不限于):玉米淀粉、小麦淀粉、马铃薯淀粉、魔芋淀粉、或其组合。优选高支链淀粉如玉米淀粉。
丙烯酰胺的聚合物含有非离子的吸水基团,受所吸水分中离子浓度影响较小。而且,共聚物中有丙烯酰胺存在时,吸水树脂吸水后的凝胶强度也比不含丙烯酰胺的共聚物高,对于其反复使用有着较为重要的意义。
可用于本发明的机械强度改良剂没有特别限制,可使用本领域中常规的机械强度改良剂,代表性的例子包括(但并不限于):硅藻土、高岭土、云母、凹凸棒土、或其组合。
可用于本发明的防粘剂没有特别限制,可使用本领域中常规的防粘剂,代表性的例子包括(但并不限于):煤油、液体石蜡、石油醚、或其组合。
鉴于本发明的产品用途主要是在农业上,故在一个优选实施例中,用KOH和/或氨水来中和丙烯酸。这样,在吸水树脂中的钾离子和铵离子还可起到缓释肥料的作用。中和度通常为60-90mol%,较佳地为70-85mol%,更佳地约为80mol%(即有80mol%的丙烯酸被中和)。根据所施用的农作物的实际需要,可以分别单独使用KOH或氨水,也可两者混合使用。
本发明还提供了一种淀粉接枝丙烯酸硅藻土复合保水剂的生产方法,主要包括以下步骤:
首先将丙烯酸和未糊化的淀粉构成的混合物,用氢氧化钾溶液机械中和,形成中和混合物;
接着,向中和混合物中加入糊精、硅藻土、丙烯酰胺、防粘剂、引发剂、交联剂,并加水至单体浓度为40-50wt%,从而获得共混物;
然后,对所述共混物进行加热聚合,使淀粉、丙烯酸、丙烯酰胺发生接枝共聚反应,从而获得所述的保水剂。
在聚合反应进行了一段预定的时间后,将反应混合物转移至烘干设备中,在空气中或在惰性气体保护下,去除水分。最后,对烘干处理后的干燥产物进行粉碎处理或造粒,从而制得本发明的高吸水性的吸水剂。
在一优选例中,所述的方法包括:将称量的丙烯酸投入中和缸中,加淀粉(未经糊化处理),边搅拌边滴加预先配制的氢氧化钾溶液(浓度通常为30-55wt%,较佳地为38-50wt%)中和,利用中和热控制物料温度(通常为80-85℃),并保持一段时间(如0.2-2小时,较佳地0.5-1.0小时),形成糊状物料,然后降温,加入糊精、硅藻土、丙烯酰胺、防粘剂、表面活性剂、引发剂、交联剂,并补充适量的水,使单体浓度为40-50%,搅拌均匀后,注入盘式反应器,进行加热聚合反应(通常为70-85℃,较佳地为75-80℃)。反应完成后冷却至室温,进行造粒。80-90℃干燥0.5-1小时。
用于本发明的引发剂包括本领域常用于聚合丙烯酸和/或丙烯酰胺的各种引发剂。一种较佳的引发剂是由过硫酸铵-亚硫酸氢钠组成氧化还原引发体系,该引发体系可以降低引发温度。通常,过硫酸铵与亚硫酸氢钠的重量比控制在1∶2-3∶1之间。引发剂含量一般为丙烯酸重量的0.5-1%,较佳地为0.5-0.8%。
为提高接枝共聚物的吸水后凝胶强度,反应体系中还需加入交联剂。可用于本发明的交联剂包括本领域常用的各种交联剂。一种特别优选的交联剂是N,N-亚甲基双丙烯酰胺。交联剂用量太少,仍会有少量共聚物溶于水中;交联剂用量太多,则会大大降低吸水量。因此,交联剂的用量通常为丙烯酸重量的0.03-0.07%,较佳地为0.04-0.06%。
本发明中的聚合反应属于自由基聚合反应,空气中的氧气可与单体生成低聚物,降低吸水性能,故本反应最好在惰性气氛(如氮气、氦气等)中进行。
本发明的主要优点包括:
(a)简化了生产工艺,中和与淀粉糊化一次完成;
(b)提高了单体浓度,使产物既适应于造粒机操作,又节省干燥时的能耗和时间;
(c)添加了防粘剂和表面活性剂,既显著提高了产品的吸收速率,又改善了造粒过程。
下面结合具体实施例,进一步阐述本发明。应理解,这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法,通常按照常规条件,或按照制造厂商所建议的条件。
除非另外说明,否则百分比和份数为重量百分比和重量份数。
通用方法
吸水速率的测定方法:
称重吸水剂,然后将吸水剂置于盛有蒸馏水(或自来水)的烧杯中,按不同时间取出吸水剂沥干水份,称重,计算吸水速率。
重复吸水率的测定方法:
吸水剂在吸足水后,在105℃烘干,然后重复吸水-烘干程序,再测定其吸水性。计算重复吸水率≥95%。
实施例1
称取丙烯酸270克,丙烯酰胺27克,木薯淀粉13.4克,加入中和缸。向250克水中搅拌加入氢氧化钾168克,配制成中和液(预先配制)。缓缓地向中和缸中滴加中和液,使物料温度控制在80-85℃,完成后保温半小时,降温至50℃以下。加糊精40.1克,200目硅藻土熟粉20.8克,液体石蜡15克,表面活性剂(OP10)15克,过硫酸铵1.19克,N,N’-亚甲基双丙烯酰胺0.21克,搅拌均匀,注入盘式反应器,加热至78℃,发生聚合反应。反应完成后,降温至室温进行造粒,80℃干燥半小时。
经测定,每克产品吸蒸馏水270克/1小时,290克/2小时,340克/24小时,重复吸水率≥95%。吸水后的样品强度好(手感较硬),色泽为白色。造粒过程中造粒机运转很顺畅。
实施例2
称取丙烯酸270克,丙烯酰胺27克,木薯淀粉17.8克,投入中和缸。搅拌氢氧化钾168克,水250克配制成中和液(预先配制)。缓缓地向中和缸中滴加中和液,使物料温度控制在80-85℃,保温半小时,降温至50℃以下。加糊精40.1克,200目硅藻土熟粉20.8克,液体石蜡15克,表面活性剂(Span-80)15克,过硫酸铵1.19克,N,N’-亚甲基双丙烯酰胺0.21克,搅拌均匀,注入盘式反应器,加热至78℃,发生聚合反应。反应完成后,降温至室温后进行造粒,90℃干燥半小时。
经测定,每克产品吸蒸馏水240克/1小时,280克/2小时,320克/24小时,重复吸水率≥95%。吸水后样品强度较好,色泽为白色。造粒过程中造粒机运转很顺畅。
实施例3
称取丙烯酸270克,丙烯酰胺27克,木薯淀粉17.8克,投入中和缸。搅拌氢氧化钾168克,水250克配制成中和液(预先配制)。缓缓地向中和缸中滴加中和液,使物料温度控制在80-85℃,保温半小时,降温至50℃以下。加糊精40.1克,200目硅藻土熟粉20.8克,煤油12克,表面活性剂(Span-80)15克,过硫酸铵1.19克,N,N’-亚甲基双丙烯酰胺0.21克,搅拌均匀,注入盘式反应器,加热至78℃,发生聚合反应。反应完成后,降温至室温后进行造粒,90℃干燥半小时。
经测定,每克产品吸蒸馏水238克/1小时,270克/2小时,315克/24小时,重复吸水率≥95%。吸水后样品强度较好,色泽为白色。造粒过程中造粒机运转很顺畅。
对比例1
称取氢氧化钾19.0克,配制成55%的水溶液(碱液)。取丙烯酸27克,加淀粉2.66克,边搅拌边将丙烯酸和淀粉加入到碱液中。添加过程中,物料颜色由浅黄到深黄,最后呈微黄色。中和完成后,加入糊精2.06克,200目硅藻土熟粉2.06克,丙烯酰胺8.8克(30%水溶液),N,N’-亚甲基双丙烯酰胺2.07ml(1%水溶液),过硫酸铵3.0ml(4%水溶液,合0.12克),防粘剂3克。加热聚合,冷却后剪成细粒,80℃干燥半小时。
经测定,每克产品吸蒸馏水247克/2小时,重复吸水率88%。强度较差,产品色泽较黄。
对比例2
物料配方和方法同对比例1,不同点在于:仅将丙烯酸滴加到碱液中。中和完成后,加入淀粉、硅藻土、糊精、丙烯酰胺、N,N’-亚甲基双丙烯酰胺、过硫酸铵、和防粘剂。加热聚合,冷却后剪成细粒,80℃干燥半小时。
经测定,每克产品吸蒸馏水190克/2小时,重复吸水率61%。强度较差,产品色泽略黄。此外,在添加淀粉过程中发现淀粉未完全糊化,有结块现象。
对比例3
方法同实施例1,不同点在于:不添加防粘剂液体石蜡。
结果在造粒过程中造粒机运转不顺畅。
对比例4
方法同实施例3,不同点在于:不添加防粘剂煤油。
结果在造粒过程中造粒机运转不顺畅。
在本发明提及的所有文献都在本申请中引用作为参考,就如同每一篇文献被单独引用作为参考那样。此外应理解,在阅读了本发明的上述讲授内容之后,本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改,这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
Claims (10)
1.一种淀粉接枝丙烯酸复合保水剂,其特征在于,所述保水剂的组成为:丙烯酸80-110重量份,丙烯酰胺8-12重量份,淀粉6-18重量份,糊精6-18重量份,机械强度改良剂5-10重量份,防粘剂2-5重量份,表面活性剂2-5重量份,引发剂0.2-0.6重量份,交联剂0.01-0.1重量份,其中引发剂选自过硫酸钾或过硫酸铵,交联剂选自:N,N'-亚甲基双丙烯酰胺,所述的机械强度改良剂选自:硅藻土、高岭土、云母、凹凸棒土、或其组合。
2.如权利要求1所述的保水剂,其特征在于,丙烯酸为90-100重量份,丙烯酰胺9-11重量份。
3.如权利要求1所述的保水剂,其特征在于,所述的淀粉为玉米淀粉或马铃薯淀粉;所述的糊精为小麦糊精。
4.如权利要求1所述的保水剂,其特征在于,所述的机械强度改良剂为硅藻土生粉或熟粉。
5.如权利要求1所述的保水剂,其特征在于,所述的防粘剂为煤油、液体石蜡、石油醚或其组合。
6.如权利要求1所述的保水剂,其特征在于,所述的表面活性剂选自:失水山梨醇脂肪酸酯、聚山梨醇酯、壬基酚聚氧乙烯醚或其组合。
7.一种制备权利要求1所述的复合保水剂的方法,其特征在于,包括步骤:
(a)将丙烯酸与未糊化淀粉的混合物,用氢氧化钾溶液进行中和,获得中和度为60-85mol%的中和混合物;
(b)向步骤(a)的中和混合物中加入糊精、硅藻土、丙烯酰胺、防粘剂、引发剂、交联剂和表面活性剂,并加水至单体浓度为40-50wt%,从而获得共混物,其中所述的单体包括丙烯酸和丙烯酰胺;
(c)将步骤(b)获得的共混物进行聚合,从而获得所述的保水剂。
8.如权利要求7所述的方法,其特征在于,在步骤(a)中,用浓度为30-55%的氢氧化钾溶液进行中和。
9.如权利要求7所述的方法,其特征在于,在步骤(a)中,控制物料温度为75-90℃,并保温0.2-2小时,然后冷却至低于50℃。
10.如权利要求7所述的方法,其特征在于,在步骤(a)中,中和度为65-80mol%。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
C14 | Grant of patent or utility model | ||
GR01 | Patent grant | ||
EE01 | Entry into force of recordation of patent licensing contract |
Application publication date: 20120314 Assignee: Jiangsu Wei Wei Biomass Technology Co., Ltd. Assignor: Zhongwei Bio-Chemical Co., Ltd., Shanghai Contract record no.: 2016990000191 Denomination of invention: Starch grafting acrylic acid compound water-retaining agent and production method thereof Granted publication date: 20130410 License type: Exclusive License Record date: 20160509 |
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LICC | Enforcement, change and cancellation of record of contracts on the licence for exploitation of a patent or utility model |