一种反相悬浮聚合制备吸水性树脂的方法
技术领域
本发明涉及树脂制备技术领域,具体涉及一种反相悬浮聚合制备吸水性树脂的方法。
背景技术
高吸水性树脂是一种轻度交联的高分子化合物,由于其强大的吸水与保水能力,被广泛用于纸尿裤、卫生巾等的卫生材料领域,电缆用阻水材料以及农林、园艺专用的保水剂等。作为卫生材料中使用的吸水性树脂,已知有聚丙烯酸部分中和物、淀粉-丙烯酸接枝聚合物的中和物、淀粉-丙烯腈接枝聚合物的水解物、乙酸乙烯酯-丙烯酸酯共聚物的皂化物等。其中最重要的是聚丙烯酸的部分中和物。
作为这种吸水性树脂的制造方法,已知有水溶液聚合法、反相悬浮聚合法等。其中反相悬浮聚合制备的吸水性树脂由于其独特的产品形貌与极快的吸液速率,在轻薄化尿片市场的趋势下,在国内复合芯体市场上形成了独一无二的竞争优势,占据了很大部分的市场份额。虽然反相悬浮聚合不需要经过粉碎造粒工序且其聚合热容易移除,但是其聚合过程复杂且工序较多,对工艺与设备的要求较高,目前只有日本住友精化株式会社具有工业化生产能力。
反相悬浮聚合本身是一种热力学不稳定体系,体系需要在大量的分散剂和强烈搅拌下才能维持亚稳态。而传统意义上的反相悬浮聚合制备的吸水性树脂产品的粒径通常比较小(小于150微米),满足不了生理卫生领域对吸水性树脂的粒径要求(150-850微米),因而住友精化(CN 1053796A)将次加料引入其中,可以获得满足粒径要求的产品。但是需要将一段聚合结束后的温度降低至室温以下,使得常规的表面活性剂析出(溶解性下降),进而丧失绝大部分分散与保护能力。如此一来,新加入的单体液滴由于缺少分散剂的保护作用,便会溶胀粘连在一段聚合得到的吸水性树脂颗粒上,使得粒径变大,产品由单个的球型颗粒变为团聚态的葡萄串状颗粒。但是,这一种方法(参见专利CN 104507565B、CN101466740B)需要将体系温度由聚合温度降低至室温,否则不能获得所需粒径的产品(参见专利CN 100439425C),因此除了浪费大量的能源外,对于生产效率和生产稳定性都有巨大的损失;并且吸水性树脂表面吸附的小分子分散剂在存储和应用过程中会发生部分迁移,造成流动性下降以及应用性能降低。
发明内容
有鉴于此,本发明的主要目的在于提供一种反相悬浮聚合制备吸水性树脂的方法,在多次聚合中能够避免剧烈降温而引起的稳定性下降、能耗损失以及效率降低,并且借助后续的操作工艺实现了不同产品形貌和粒径的转变。
为实现上述发明目的,本发明采用以下技术方案:一种反相悬浮聚合制备吸水性树脂的方法,包括如下步骤:
(1)将水相混合液和油相溶液混合后进行第一阶段的反相悬浮聚合反应,得到第一悬浮液,所述油相溶液中含有石油烃类溶剂及溶解的可聚合表面活性剂;
(2)向所述第一悬浮液中继续加入水相混合液进行第二阶段的反相悬浮聚合反应,得到第二悬浮液;
(3)将第二悬浮液脱除残余的油相和水,然后干燥即可得到吸水性树脂。
其中,步骤(1)和步骤(2)中所述的水相混合液中含有水溶性烯属不饱和单体、引发剂和内交联剂。
在本发明中,步骤(1)中所述的油相溶液中的石油烃类溶剂为脂肪烃、脂环烃或芳香烃中的一种或多种;优选地,所述脂肪烃为正戊烷、正己烷、正庚烷或石油醚中的一种或多种,所述脂环烃为环戊烷、甲基环戊烷、环己烷或甲基环己烷中的一种或多种,所述芳香烃为苯、甲苯或二甲苯中的一种或多种。
在本发明中,步骤(1)中所述的可聚合表面活性剂为丙烯酰化的常规分散剂,例如,丙烯酰化的山梨醇酐脂肪酸酯(Span 20、Span 60、Span80等),丙烯酰化的蔗糖脂肪酸酯(S-370、S-570、S-970等),丙烯酰化的聚甘油脂肪酸酯等中的一种或多种。优选地,所述可聚合表面活性剂的用量为步骤(1)中所述水溶性烯属不饱和单体质量的0.01-5%,进一步优选为0.5-3%,比如,1.25%,1.5%。
本发明采用的可聚合表面活性剂为油溶性的可聚合表面活性剂,当其应用于水溶性单体在油相中的反相悬浮聚合体系中,起到分散剂的作用;当可聚合表面活性剂聚合到产品结构中后,直接失去了分散剂的作用而不必靠降温引起的溶解度的下降(例如使用常规分散剂的工艺),有助于后续多次加料对粒径的控制,使得单个球型粒子被溶胀得到团聚态的颗粒形貌,这样既降低了能耗又提升了生产效率,重复性好,产品性能稳定。
在本发明中,所述水相混合液中含有的所述水溶性烯属不饱和单体为丙烯酸或其盐、丙烯酰胺或N,N-二甲基丙烯酰胺中的一种或多种,所述水相混合液中水溶性烯属不饱和单体的质量浓度为20-50%,进一步优选为30-40%,比如,34%,36%。
在本发明中,步骤(1)中,所述油相溶液的石油烃类溶剂与所述水相混合液的质量比为0.1-10,优选为1-5,比如,1.5,2.5。
在本发明中,步骤(1)和步骤(2)中分别加入的水相混合液的质量比可以控制在0.5-5之间,从提升生产效率以及有效粒径控制角度,进一步优选为1-2,比如,1.5。
在本发明中,所述水相混合液中含有的所述引发剂为过硫酸钠、过硫酸钾、过硫酸铵、2,2'-偶氮二异丁基脒二盐酸盐中的一种或多种,所述引发剂的用量为所述水溶性烯属不饱和单体质量的0.005-5%,进一步优选为0.01-0.5%,比如,0.15%,0.2%。
在本发明中,所述水相混合液中含有的所述内交联剂为含羟基化合物、含环氧基团化合物或含双键化合物中的一种或多种,所述内交联剂的用量为所述水溶性烯属不饱和单体质量的0.005-1%,进一步优选为0.01-0.5%,比如,0.04%,0.06%。
优选地,所述的含羟基化合物为乙二醇、丙二醇、丙三醇、季戊四醇、聚甘油、聚乙烯醇或三羟甲基氨基甲烷中的一种或多种,所述的含环氧基团化合物为乙二醇二缩水甘油醚、1,4-丁二醇二缩水甘油醚、1,6-己二醇二缩水甘油醚、烯丙基缩水甘油醚中的一种或多种,所述的含双键化合物为乙二醇双丙烯酸酯、丙二醇双丙烯酸酯、N,N'-亚甲基双丙烯酰胺、聚乙二醇双丙烯酸酯、聚丙二醇双丙烯酸酯、季戊四醇三烯丙基醚、乙氧基化甘油三丙烯酸酯、三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、季戊四醇三丙烯酸酯、三烯丙基胺、季戊四醇四丙烯酸酯、二季戊四醇六丙烯酸酯中的一种或多种。
在本发明中,优选的,所述水相混合液通过将水溶性烯属不饱和单体溶于水并用碱性溶液例如氢氧化钠溶液进行中和反应,冷却至室温后向其中加入引发剂、内交联剂而得到。优选还加入木质纤维素,搅拌后得到水相混合液;在一些优选的实施方式中,采用的碱性溶液例如氢氧化钠溶液的质量浓度为10-50%,进一步优选为20-40%,更优选为21%,32%。
在具体的实施方式中,本发明的制备步骤(2)中通过调整第一阶段聚合后的温度与搅拌速率来达到粒径控制的目的。在一些优选的实施方式中,第一悬浮液降温时冷却温度为0-100℃,从能耗、效率以及防止分散过程聚合粘连的角度,进一步优选为30-60℃,比如,50℃;搅拌速率的调整与多次加料的质量以及最终产品期待的粒径有关,一般来说,整个聚合过程体系处于搅拌状态,且要将搅拌速率明显的增加,比如一次加料转速为400rpm,二次加料600rpm,三次加料800rpm等。优选地,第一阶段聚合搅拌速率为200-600rpm,第二阶段聚合搅拌速率为400-1200rpm。
在本发明的制备过程中,步骤(3)中将第二悬浊液脱除残余的油相溶剂和水可采用常规固液分离方式,通常为过滤和离心,再将得到的吸水性树脂颗粒进行干燥处理,所述干燥可在减压或者常压下进行,温度为80-180℃,进一步优选为100-150℃,比如,110℃,130℃。
本发明提到的第一阶段和第二阶段的反相悬浮聚合反应均采用本领域中公知的方法,比如,步骤(1)中将水相混合液加入至油相溶液中,搅拌下升温至50-100℃,比如60℃,80℃,进行第一阶段油包水反相悬浮聚合,聚合反应1-3h,比如1.5h,2.0h,其中,反应开始前可以采用氮气置换;然后冷却至30-60℃,比如50℃,步骤(2)中向第一悬浮液中继续加入水相混合液,重复上述步骤进行第二阶段油包水反相悬浮聚合反应,得到发生团聚作用的含有第二阶段聚合的胶粒悬浮液。
本发明的另一个目的是,提供上述方法制备的吸水性树脂,得到的产品形貌为团聚态的“葡萄串”状。
在本发明中,本发明制备方法所得吸水性树脂产品的粒径分布在150-850um的颗粒占比约为总产品的70-90%。
本发明的制备方法采用可聚合表面活性剂为分散剂,将之在聚合末期整合到吸水性树脂的主链结构上,这样,可聚合表面活性剂自身也就失去了迁移性,而如果采用常规的表面活性剂,则需要将一段聚合结束后冷却至室温(如25℃),使得分散剂部分析出而丧失分散与保护作用,再采用多次加料的方式进行多次聚合,才能获得需要的产品粒径。如若这样,不可避免的造成能耗浪费和效率降低,而且操作的可重复性也难以保证
本发明与现有技术相比,具有以下优点:
(1)本发明采用油溶性的可聚合表面活性剂,其作为分散剂加入到水溶性单体在油相中的反相悬浮聚合体系中时,能够避免二次加料需要剧烈降温而造成的生产效率下降、能耗损失以及重复稳定性降低;并且本发明通过冷却温度,搅拌速率以及两次投料比等后续的操作工艺设置来得到最终产品粒径(微米尺度的团聚态),实现不同产品形貌和粒径的转变,获得了团聚态堆积状的产品形貌。
(2)本发明可聚合表面活性剂与吸水性树脂结构整合到一起,可以防止产品在储存与运输过程中由于小分子分散剂的迁移析出导致的流动性变差和实际应用过程中初期浸润性能的损失。
因此,本发明的制备工艺更加高效与低耗,重复性好;并且改善了产品流动性,产品性能稳定。
附图说明
图1所示为本发明实施例1所得吸水性树脂产品的SEM图片;
图2所示为本发明实施例4所得吸水性树脂产品的SEM图片;
图3所示为本发明对比例1所得吸水性树脂产品的SEM图片;
图4所示为本发明对比例3所得吸水性树脂产品的SEM图片。
具体实施方式
下面结合实施例,对本发明予以进一步的说明,但本发明不限于所列出的实施例,还应包括在本发明申请所附权利要求书定义的技术方案的等效改进和变形。
其中本发明实施例涉及到的可聚合表面活性剂的合成方法参考以下文献:
1.陈正国等,丙烯酰化Span 60合成及性能的研究,日用化学工业,1998。
2.王景慧等,Span 80与丙烯酸酯化反应制备聚合型乳化剂,精细化工,2007。
3.彭顺金等,油溶性非离子型可聚合表面活性剂ASMO的制备,精细石油化工,2000。
4.王荟慧等,可聚合性Span 80的合成研究,南京理工大学硕士毕业论文,2008。
丙烯酰化的蔗糖脂肪酸酯(S-370,HLB=3)制备方法参考如下步骤:
将称量好的250g蔗糖脂肪酸酯、14.4g丙烯酸、1.3g对甲苯磺酸(催化剂)、1.3g对苯二酚(阻聚剂)加入到装有300mL正庚烷(溶剂)的四口烧瓶中,搅拌并在108℃下进行回流反应20h。此时分水器中出水量约为2.8g,经计算酯化率约为80%。然后,趁热过滤,用0.1%NaOH洗涤滤液至水相pH≈6,接着用纯水洗至pH约为7,分出水相,油相经减压蒸馏去溶剂得到粗品,粗品用乙酸乙酯纯化,真空干燥即可获得精品。
丙烯酰化的三聚甘油单硬脂酸酯(HLB=6)制备方法参考如下步骤:
将称量好的100g三聚甘油单硬脂酸酯、14.4g丙烯酸、1.3g对甲苯磺酸(催化剂)、1.3g对苯二酚(阻聚剂)加入到装有150mL甲苯(溶剂)的四口烧瓶中,搅拌并在118℃下进行回流反应15h。此时分水器中出水量约为3.0g,经计算酯化率约为83%。然后,趁热过滤,用0.1%NaOH洗涤滤液至水相pH≈6,接着用纯水洗至pH约为7,分出水相,油相经减压蒸馏去溶剂得到粗品,粗品用乙酸乙酯纯化,真空干燥即可获得精品。
如未特别说明,以下所用化学品为分析纯,本发明所涉及到含量均为质量含量。
实施例1
将500g正庚烷加入到装有搅拌器、回流冷凝器、温度计和氮气入口管的2L四口可拆式烧瓶中。向其中加入0.92g丙烯酰化的Span 60(可聚合表面活性剂,根据文献1自制),升温至80℃并以400rpm的搅拌速度使其均匀溶解分散,然后降温至50℃,此为油相溶液。
将184g丙烯酸加入到1L锥形烧瓶中,将239.6g质量浓度为32%的氢氧化钠水溶液边冷却边滴加到该锥形烧瓶中。然后向其中加入0.368g过硫酸钾、0.184g聚乙二醇400双丙烯酸酯和172g去离子水,搅拌混合均匀,此为水相混合液。
将上述水相混合液的一半加入到四口烧瓶中,一边以400rpm的搅拌速度搅拌一边通入氮气30min。然后升温至80℃进行1h的第一阶段(简称一段,其中油相与水相质量比为1.67)聚合反应,得到一段聚合悬浮液。一段聚合结束后,将体系温度冷却至50℃,并将搅拌速度调整为800rpm,然后再将水相混合液的另一半加入到降温后的悬浮液中,边搅拌边通入氮气30min。之后,重复一段聚合的操作进行第二阶段(简称二段)聚合,得到二段聚合的悬浮液。将体系过滤和离心,脱去残余的正庚烷与水,最后将其在150℃下干燥40min,此时可以得到团聚态葡萄串状的吸水性树脂颗粒。产品经过筛分可得粒径分布在150-850um之间的约占85%,平均粒径为360um,含水量为2.8%,产品的微观形貌如图1所示。
实施例2
在实施例1基础上,除了将可聚合表面活性剂换成丙烯酰化的Span80(根据文献2自制),且将聚合条件改为70℃下各进行2h的一段与二段聚合反应外,重复上述实施例1的操作。经过筛分可得粒径分布在150-850um之间的约占85%,平均粒径为345um,含水量为2.6%,产品的宏观状态表现为团聚的葡萄串状。
实施例3
在实施例1基础上,除了将可聚合表面活性剂换成丙烯酰化的S-370外(自制,方法如上所述),且将一段聚合结束后的温度变为30℃外,重复上述实施例1的操作。经过筛分可得粒径分布在150-850um之间的约占90%,平均粒径为375um,含水量为2.1%,产品的宏观状态表现为团聚的葡萄串状。
实施例4
在实施例1基础上,除了将聚合前的油相正庚烷的加入量改为600g(油相与一段聚合水相质量比为2),将二段水相混合液的加入量变为一段聚合水相混合液量的1.2倍,且将一段聚合和二段聚合转速分别调整为500rpm和1000rpm以外,重复上述实施例1的操作。经过筛分可得粒径分布在150-850um之间的约占90%,平均粒径为380um,含水量为3.1%,产品的宏观状态表现为团聚的葡萄串状。产品的微观形貌如图2所示。
实施例5
在实施例1基础上,除了将可聚合表面活性剂换成0.92g的丙烯酰化的三聚甘油单硬脂酸酯(自制,方法如上所述)且将一段聚合结束后的温度调整为60℃外,重复上述实施例1的操作。经过筛分可得粒径分布在150-850um之间的约占75%,平均粒径为345um,含水量为2.4%,产品的宏观状态表现为团聚的葡萄串状。
实施例6
在实施例1基础上,除了将丙烯酰化的Span 60(可聚合表面活性剂,根据文献1自制)的加入量改为1.38g、正庚烷的加入量改为750g(油相与一段聚合水相质量比为2.5),重复上述实施例1的操作。经过筛分可得粒径分布在150-850um之间的约占87%,平均粒径为330um,含水量为2.9%,产品的宏观状态表现为团聚的葡萄串状。
实施例7
在实施例1基础上,除了将丙烯酰化的Span 60(可聚合表面活性剂,根据文献1自制)的加入量改为1.84g、将二段水相溶液的加入量变为一段聚合水相混合液量的1.6倍,且将一段聚合和二段聚合转速分别调整为600rpm和1200rpm以外,重复上述实施例1的操作。经过筛分可得粒径分布在150-850um之间的约占85%,平均粒径为400um,含水量为3.4%,产品的宏观状态表现为团聚的葡萄串状。
对比例1
在实施例1基础上,除了用常规表面活性剂Span 60代替可聚合的丙烯酰化Span60外,重复上述实施例1的操作。此时可以得到单个孤立球状的吸水性树脂颗粒。经过筛分可得粒径分布在150-850um之间的约占5%,平均粒径为60um,含水量为1.8%,产品的宏观状态表现为单个孤立的球形粒子,微观形貌如图3所示。
对比例2
除了用常规表面活性剂Span 80代替可聚合的丙烯酰化Span80外,重复上述实施例2的后续操作。经过筛分可得粒径分布在150-850um之间的约占8%,平均粒径为80um,含水量为1.6%,产品的宏观状态表现为单个孤立的球形粒子。
对比例3
除了用常规表面活性剂S-370代替可聚合的丙烯酰化S-370外,重复上述实施例3的后续操作。经过筛分可得粒径分布在150-850um之间的约占5%,平均粒径为60um,含水量为1.3%,产品的宏观状态表现为单个孤立的球形粒子。产品的微观形貌如图4所示。
对比例4
除了用常规表面活性剂Span 60代替可聚合的丙烯酰化Span 60,且将一段聚合结束后的温度降至20℃外,重复上述实施例1的后续操作。经过筛分可得粒径分布在150-850um之间的约占80%,平均粒径为350um,含水量为2.4%,产品的宏观状态表现为团聚的葡萄串状。
对比例5
除了只进行一段聚合外(只进行一次加料,即一段聚合降至50℃后,不再进行二段聚合),重复实施例1的操作。经过筛分可得粒径分布在150-850um之间的约占10%,平均粒径为100um,含水量为1.7%,产品的宏观状态表现为单个孤立的球形粒子。
作为应用在生理卫生领域的吸水性树脂产品的粒径要求为150-850um,平均粒径优选为分布在300-500um之间。从实施例1-7来看,采用各种不同种类丙烯酰化的表面活性剂作为体系的分散剂,一段聚合结束后温度无需降至室温(因为,此时分散剂已经整合到吸水性树脂结构中,不能移动覆盖到后续水相液滴表面,进而失去了保护和分散作用),只需维持在聚合温度以下,比如30-60℃,即可以获得适宜粒径和分布的吸水性树脂粒子。并且可以防止产品在储存于运输过程中由于小分子分散剂的迁移析出导致的流动性变差和实际应用过程中初期浸润性能的损失,表现为样品的流动性良好,不结块、不粘袋。
而从对比例1、2、3可以看出,采用常规的非聚合性表面活性剂为分散剂,并且一段聚合结束后,体系温度维持在30℃以上,此时获得吸水性树脂的平均粒径小于100um,且粒径分布在150-850um之间的占比小于10%,完全满足不了生理卫生领域对产品的粒径需求。采用常规分散剂,除非将一段聚合结束后的温度降低至20℃以下,才能获得合适粒径大小和形貌的吸水性树脂颗粒,如对比例4那样;并且即使再用可聚合表面活性剂并使得一段聚合后降温至50℃,但是不进行二次投料的二段聚合,亦不能获得合适粒径和形貌的产品,如对比例5。
综上所述,本发明实施例提供了一种高效、低耗的反相悬浮聚合合适粒径及其分布的吸水性树脂产品的方法,并且稳定性高、重复性好;所得产品的流动性好、应用性能损失小。
显然,本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例,而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说,在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动均在本发明涵盖的保护范围之内。