《聚丙烯酸钠的合成与应用研究》7800字（论文）

聚丙烯酸钠的合成与应用摘要聚丙烯酸钠具有良好的吸水性能，广泛应用于保健品、农业、林业、园艺、土木工程等领域。聚丙烯酸高吸水性树脂是近年来广泛应用于各个领域的功能高分子材料。而且其操作的工艺流程不复杂、成本花费相较更低、吸水量充溢、产品耐腐败性能优异，所以更受制造商的欢迎，本文就对其合成与应用进行深入研究，对比国内外聚丙烯酸钠的合成工艺，拟采用水溶液聚合法制备聚丙烯酸钠，对聚合工艺中中和反应阶段中单体浓度、单体中和度、中和温度等条件进行确定，同时对聚合反应阶段中的引发体系、引发剂用量等相关工艺条件进行考察，得到合成性状优良聚丙烯酸钠的最佳工艺条件，以期为\o"260860:本科食品科学与工程毕业论文：聚丙烯酸钠的合成与应用（论文+开题报告）"\t"46:81/Crm/Task/_blank"聚丙烯酸钠的合成生产提供参考。关键词：聚丙烯酸钠；合成工艺；应用引言聚丙烯酸钠（PAAS）是一种新型的水溶性无机高分子材料。随着聚丙烯酸钠分子量的不同，PAAS的性能也不同，这使得聚丙烯酸钠得到了广泛的应用。它可以调节聚丙烯酸钠的浓度，赋予聚丙烯酸钠不同的用途。当分子量较低时，聚丙烯酸钠处于液态。当分子量逐渐增加时，聚丙烯酸钠的状态逐渐变厚，甚至呈现固态。聚丙烯酸钠因其无毒、无害、绿色、用途广泛而备受关注。新型聚丙烯酸钠功能材料的开发也日益深入。其中，聚丙烯酸类的高吸收性树脂的操作工艺流程不复杂、成本花费相较更低、吸水量充溢、产品耐腐败性能优异，所以更受制造商的欢迎。如今，聚合物吸水树脂也已用于农业和园艺，它们用于节水灌溉，降低植物死亡率，改善土壤水和肥料的保留率，提高农作物的发芽率并为花卉保留水分。另外，超吸收性树脂也已应用于工程建筑、日化用品、工业材料等领域，可见其发展前景十分广阔，本文就对聚丙烯酸钠的合成工艺进行探究。一、聚丙烯酸钠的合成方法与应用（一）聚丙烯酸钠简介聚丙烯酸钠是一种低交联的水溶胀性高分子聚合物，其包含亲水基团和松散的网络结构，并具有超强的吸附能力和良好的保水性能。其中，聚丙烯酸类的高吸收性树脂因其成本低、工艺简单、吸水率高和产品耐腐败性而受到青睐。不同型态的高吸收性树脂的用途略有不同，粉末状主要用于卫生产品，颗粒状和球状主要用于除臭产品，而纤维状主要用于抗静电纤维等领域。如今，聚合物吸水树脂也已用于农业和园艺，它们用于节水灌溉，降低植物死亡率，改善土壤水和肥料的保留率，提高农作物的发芽率并为花卉保留水分。另外，超吸收性树脂也已应用于工程建筑、日化用品、工业材料等领域，可见其发展前景十分广阔。聚丙烯酸钠是一种适度交联的聚电解质。当溶于具有高介电常数的水中时，—COONa基团电离成羧酸根阴离子和钠离子。Na+成为可移动离子，聚丙稀酸钠分子链上的—COO—因带负电荷不能扩散到水中，所以它就固定在主链的网络骨架上，而—COO—之间逐渐产生的静电排斥力成为三维网络结构扩张的动力。尽管Na+具有一定程度的活动性，但由于对网络骨架相反电荷的吸引和约束，它只能存在于网络中，使得网络内部的Na+浓度大于网络外部的Na+浓度，这就造成网络内外部形成渗透压，加上聚电解质具有很强的水合作用能力，因此外部的水可以在短时间内向内部扩散。随着SAP内部水的进一步渗透，Na+从聚合物分子链分离并扩散到溶剂中，网络内部的Na+浓度逐渐降低，内外部之间的渗透压差逐渐趋于为零。随着SAP网络的扩张，其弹性收缩力也在增加，逐渐抵消了网络结构中负离子之间的静电排斥力，最终达到吸水平衡。（二）合成方法1.本体聚合法本体聚合是在一定物理条件下进行的聚合反应，不添加任何反应物质。大多数聚合过程简单，可以获得高纯度聚合物，但在聚合过程中，产生的热量大，不易扩散，容易导致聚合爆炸，聚合产物粘度高，难以排出，因此，目前大多数聚合方法都没有使用。2.溶液聚合法溶液聚合法比本体聚合法易散热控温，局部过热的现象不常出现，引发效率高且体系更加稳定，经处理后的产物分子量均匀。溶液聚合法能制得形状多样、吸释水性好的产物，而且过程中消耗较少的能量，对环境不会造成大污染，所以此法常在实际生产中应用。由于过强的亲水性导致产品干燥难度大，较低的单体浓度导致聚合速度慢和转化率低，是该法存在的最大的缺点。3.反相悬浮聚合法反相悬浮聚合法的载体是油相物质，在体系中加入悬浮稳定剂后，水溶性单体在强搅拌下分散形成悬浮水滴，然后加入水溶性引发剂，在水相中产生自由基链聚合，形成高吸水性树脂。反相悬浮聚合的体系粘度低且稳定，温度好控制，热量好发散，并且可直接获得颗粒状的树脂，免去繁琐的后处理工艺。但作为载体的油相物质一般是有机溶剂，需回收处理，经济效益较低。另外，反相悬浮聚合的产物容易粘结成块，产品纯度低。4.反相乳液聚合法反相乳液聚合是在油相中加入水溶性单体和乳化剂，形成油包水型乳状液，然后，反应物在油包水体系中聚合，聚合反应在液滴中发生和终止。反相乳液聚合法操作简单、温度好控制、热量好发散、产物颗粒尺寸较小、分子量较大，这是其优点。吸水率由于粒度太小而下降、杂质含量较多、有机溶剂难于回收、成本过高，这是反相乳液聚合法存在的一些缺陷。5.辐射聚合法辐射聚合主要指微波辐射和紫外线聚合，属于物理引发聚合。微波辐射化学反应是一种新型的聚合物聚合技术。在生产过程中，体系中的自由基只有通过高能电子束辐射才能稳定聚合。反应速率和产物的分子量可以在室温或低温下调节辐射温度，这种方法的生产效率高，产品的质量纯净。综上所述，以上五种聚合方法各有其优缺点。在实际生产中，溶液聚合的体系粘度第，制得的产物不但可以制成各种形状，还具有优异的吸释水性，同时能耗较低、对环境污染小，也是世界上生产SAP最主要的工艺，生产能力约占全球的80%~90%。因此在本设计中，我们选择选用溶液聚合法制备聚丙烯酸钠胶体。（三）聚丙烯酸钠的应用聚丙烯酸钠的吸水和保水性非常出色，在我们生活中的方方面面都有着广泛的应用。本设计从以下几个方面介绍聚丙烯酸钠的应用：1.农林业方面的应用在地域辽阔的我国，土壤环境恶劣的地区占了绝大部分，这样的环境会影响农林业的发展。面对沙漠干旱等严酷的气候环境，吸水率高、保水力强又可重复使用的聚丙烯酸钠便可应用于农林业。聚丙烯酸钠高吸水性树脂可以长时间保留吸收的水，像许多“小水库”一样，这些凝胶吸附剂颗粒环绕着植物根部周围的土壤。这些土壤首先可以储存雨水或灌溉水，以减少水分流失和蒸发，而在干旱期间，储存的水会缓慢释放和吸收。从而提高了植物和农作物的成活率，节省了劳动力。聚丙烯酸钠高吸水树脂无毒、无害、无污染、使用寿命长。土壤的结构被聚丙烯酸钠高吸水性树脂形成粒状，这样不仅增加了土壤的渗透性，还减少了土壤的昼夜温差。将聚丙烯酸钠高吸水性树脂混合在农药和肥料中能有效提高它们的作用效果。目前，在我国干旱荒漠化地区，聚丙烯酸钠高吸水性树脂的应用在增加农业收入、提高绿化率、节水灌溉等方面发挥了重要作用，具有良好的市场前景。2.生物医疗方面的应用聚丙烯酸钠高吸水性树脂吸水后让人体能产生适应性，所以聚丙烯酸钠高吸水性树脂在生物医药方面也能发挥广泛的用途。①用作增稠剂，增强药物释放的效果，让药物更好地吸水和保水；②制造医用绷带，帮助创口体液和伤口出血被迅速吸收，并防止伤口被感染；③外用软膏；④人工器官；⑤隐形眼镜；⑥人工肾脏过滤材料。目前，聚丙烯酸钠高吸水性树脂技术在生物医疗方面的研究应用相对更成熟的。3.工业方面的应用在土建工程中，聚丙烯酸钠高吸水性树脂主要用于：①控制湿度和祛除湿气；②工业防潮剂，高吸水性树脂在高温环境下吸水，在低温环境下释水；③止水堵漏，聚丙烯酸钠高吸水性树脂吸收水膨胀成凝胶后能有效地防止油气和废水的泄漏；④建筑水溶性涂料；⑤水泥添加剂。4.日常用品方面的应用聚丙烯酸钠高吸水性树脂吸水缓释快而稳定的特性在日用品中有所应用：①化妆品的添加剂，不仅能保护皮肤免受刺激还能滋润皮肤；②头发定型剂，使头发柔顺且无粘滞感；③食品的包装，能保鲜且防止食品受潮；④人工造雪，使加有聚丙烯酸钠高吸水性树脂的人造雪摸起来的手感与天然雪极其相似；⑤电子工业品和消防制品；⑥纸尿裤、妇女卫生巾、止汗毛巾、手术棉等生理卫生用品。聚合物固态电解质具有良好的塑性和韧性，它的密度低于无机固态电解质这使得其具有实现更高能量密度并在可穿戴设备应用上具有优势。塑性使它能够与电极保持良好的界面润湿，界面阻抗与无机固态电解质相比更低。聚合物固态电解质普遍具有结晶性，这是聚合物固态电解质离子电导率无法与液态聚合物电解质相比的原因之一。二、聚丙烯酸钠的合成工艺（一）工艺流程水溶液聚合法生产高吸水性树脂的工艺流程由中和反应、聚合反应、表面交联反应三部分组成，可细分为丙烯酸钠溶液的制取、脱除阻聚剂、溶液聚合反应、切条造粒、干燥粉碎、表面交联、、干燥筛分、混合包装等阶段。1.丙烯酸钠溶液的制备：取一定量的丙烯酸，用一定比例的去离子水稀释丙烯酸溶液，然后用25%的氢氧化钠溶液中和丙烯酸钠溶液中的丙酸溶液。2.阻聚剂二次去除：在中和度为75%的丙烯酸钠溶液中加入1%的丙烯酸粉末活性炭，得到去除阻聚剂的纯化液。3.分散交联剂：加入交联剂n，n'-亚甲基双丙烯酰胺（MBA），搅拌至在中和溶液中完全溶解。4.丙烯酸钠的聚合反应:加过交联剂的丙稀酸钠精制液中加入计量好的引发剂，放入反应器中进行聚合反应。5.切条造粒:聚合反应得到的聚合物先经切条机切成条状，条状聚合物再送到造粒机中造粒，最后将造粒过的聚合物送往干燥器中进行干燥处理。6.干燥:将绞碎后的聚合物在150°C的干燥器中干燥。7.粉碎筛分:在破碎机中将干燥后的聚丙烯酸钠颗粒粉碎成所需的粒径，再送往筛分装置进行筛分处理，获得目标粒径。8.表面处理和包装：将颗粒与粒度、表面处理剂和无机盐水混合进行表面处理，以提高颗粒的表面强度。表面处理后的聚合物成品这是成品。成品经检验分析合格后方可包装。（二）生产工艺流程图中和反应中和反应NaOH溶液去离子水碱液配制去离子水溶液聚合脱阻聚剂破碎造粒干燥筛分干燥粉碎表面交联最终产品配液丙烯酸单体（液体）交联剂引发剂

（三）聚合工艺条件的确定1.生产原料表SEQ表\*ARABIC1生产聚丙烯酸钠的工艺原料2.工艺条件表SEQ表\*ARABIC2生产聚丙烯酸钠的工艺条件项目用量试剂浓度氢氧化钠溶液25%(质量分数)丙烯酸溶液30%（质量分数）活性炭助剂0.69%（中和液）中和工艺条件中和度75%中和温度13.5～35℃中和压力0.1Mpa交联剂N，N’-亚甲基双丙烯酰胺0.04wt%引发剂过硫酸铵-亚硫酸氢钠0.2wt%聚合工艺聚合时间2h聚合温度60～70℃聚合压力0.1Mpa破碎、造粒工艺条件破碎胶块的大小85mm造粒后颗粒的大小5mm破碎、造粒的温度25℃破碎造粒的压力0.1Mpa干燥工艺条件造粒后的干燥温度120℃造粒后的干燥时间3h造粒、干燥后产品含水量≤5%改性后的干燥温度150℃改性后的干燥时间6h改性、干燥后产品含水量≤5%干燥压力（两次）0MPa（真空）粉碎工艺条件粉碎温度25℃粉碎粒度80目粉碎压力0.1Mpa筛分工艺条件筛分温度25℃筛分粒度80目筛分压力0.1Mpa改性工艺条件季戊四醇饱和溶液的用量3：1改性温度25℃改性压力0.1Mpa三、工艺条件确定的论证（一）中和反应阶段的相关工艺1.单体浓度的选择单体浓度是指溶解在去离子水中的丙烯酸的浓度。当单体浓度接近30%时，树脂在负载和大气压下具有较高的吸水和保盐能力，其浓度高于或低于该浓度。在此范围内，吸水率降低。单体浓度的变化会改变树脂的网络结构，影响树脂的吸水率。会增大单体与纤维素表面接触的几率，同时接枝链的分子量也会随之发生改变，另外纤维素在吸水树脂的网络有很大的作用，它能使树脂网络空间增大，与此同时也会使交联度增大用来提升吸水的性能。伴随着吸收剂量的不断增大，树脂吸蒸馏水和0.9%氯化钠溶液的能力先增大，然后再降低。随着丙烯酸钠单体浓度的增加，丙烯酸钠在水溶液中容易分离，导致聚合不足，树脂与树脂的三维网络结构不稳定。因此，单体浓度优选为30%。2.单体中和度的选择在单体、交联剂中的加入量是定值的情况下，来考察纤维素的用量的改变对树脂吸水的性能的影响，中和度在60%~75%范围内时与吸保水量成正比，但如果超出75%时，吸保水性能则明显不足。因为低中和度的溶液呈酸性，有利于聚合速率，自身发生交联提高了交联度，降低了吸水率。在60%~75%范围内的中和度与分子链上的—COO—基团数目成正比，如若都增加电解质的电荷度也随之增加，三维网络结构就因此被打开，水逐渐被困在网络结构中，也就提高了SAP的吸液性。因此，本设计将中和度选择为75%。3.中和温度的确定当反应温度低于13℃时，丙烯酸和丙烯酸钠结晶沉淀，当反应温度高于35℃时，丙烯酸容易在中和溶液中自聚合形成低聚物，影响后续产品的制备和性能。中和反应温度在13℃以下，单体丙烯酸会结晶析出，导致反应不均匀，降低了产品的品质。中和反应温度在35℃以上，单体在体系中易发生自聚形成低聚物，影响聚合反应的继续发生及产品的性能。因此，本设计将中和温度选择在13.5℃～35℃之间。（二）聚合反应阶段的相关工艺1.引发体系的确定如果使用单一的氧化引发体系，则制得的SAP产品在负压下的保水能力比氧化还原体系差，因为将氧化还原引发体系下的聚合反应相对稳定，反应引发温度相对较低（不超过100℃），而单一氧化引发体系下的聚合反应温度能达到110°C，反应剧烈，容易产生可溶性物质，从而降低了产品的吸保水能力。因此，本设计综合考虑选择了(NH4)2S2O8-NaHSO3氧化还原体系。如果采用单一氧化系统，SAP产品比氧化系统在负压下保持水分，也比吸收液中的氧化系统更好。这主要是因为聚合反应相对稳定，引发温度较低。当使用氧化还原系统进行聚合时，聚合温度不超过100℃。单引发体系聚合温度可达110℃，氧化反应剧烈，易产生可溶性物质，降低盐水吸收能力，承压保水。由于产品中可溶性物质的增加，产品可以快速吸收液体。结果表明，(NH4)2S2O8-NaHSO3氧化体系具有较好的SAP产品综合性能。2.引发剂用量的选择当引发剂用量为丙烯酸的0.05-0.35wt%时，由于其三维网络结构和分子结构，引发剂用量的变化对常压下SAP的盐水吸收几乎没有影响。当其达到一定水平时，分子量继续增加，这不会影响树脂在大气压下对液体的吸收速率。在负压下，引发剂用量的变化对树脂的吸水率和保水性有很大影响。在合成过程中，引发剂的用量直接影响分子量和交联度。当引发剂用量较小时，树脂在负压下的吸水率和保水率与引发剂用量成正比。反应慢。树脂分子量大，但交联度低，水溶性增加，导致盐在负压下的吸水率和保水性降低。当引发剂用量过大时，聚合反应迅速，树脂的分子量较小。同时，单体转化率高，交联度高，形成的三维网络更紧密，降低了盐水在负压下的吸附和保水性。当引发剂用量较低时，sap的交联度较小，树脂的自由溶胀速率较快。当引发剂用量较大时，聚合速度加快，树脂网络形成更紧密，材料更易溶解。因此，树脂的自由膨胀加快。考虑到整体性能，引发剂的用量为0.2wt%。（三）表面处理方案的选择1.表面交联剂的选择粉碎后的粒状聚丙烯酸钠与水溶液接触时，粒状SAP的表面容易粘结，导致粒状聚合物形成结块，造成凝胶堵塞并阻碍水分子的进一步渗透，这不利于树脂的吸收性能，并影响吸水速率和吸水倍率。根据文献资料报道，二次交联核心设计用于在粒状树脂上进行表面交联处理，即通过在颗粒表面喷涂含有水的表面交联剂溶液，并在高温时，粒状树脂具有“核-壳”结构，核是指高吸水性树脂的内部，我们需要在其三维网状结构中增加网孔，使高吸水性树脂具有较强的水分吸收性能。壳是指高吸收性树脂的表面。通过与表面的交联反应，大大提高了高吸收性树脂表面的交联度，也提高了高吸收性树脂的胶凝强度。因此解决了凝胶阻塞的问题，使得聚丙烯酸钠产品具有更高的稳定性和吸附性。因为想要有更高的吸水率，所以我们必须增加高吸水性树脂的网状结构，但是当网状结构增加时，交联点将减少，凝胶强度将降低，因此我们必须解决此矛盾，就有必要将高吸收性树脂设计成特殊的结构，即“核-壳”结构。由于季戊四醇基本上是无毒的，在空气中相对稳定，并且在水中具有良好的溶解性，因此本文使用的表面交联剂是季戊四醇。2.表面交联剂的用量在聚丙烯酸钠的改性过程中，如果季戊四醇的饱和溶液使用得太少，它将无法完全接触产品表面。如果季戊四醇的饱和溶液使用过多，部分产品将被带走，原料的投入将增加。因此，有必要选择适当量的季戊四醇饱和溶液。本文确定季戊四醇饱和溶液的量是产品量的3倍，以便可以在不降低产品损失的情况下对产品进行充分的改性。四、总结水溶性聚合物是目前最重要的聚合物之一。它的生产和应用在各个方面都得到了迅速发展。因其良好的吸液性和保水能力而被广泛用于卫生产品、农林园艺和土木工程等领域。我国作为快速发展的国家，生产高吸水性树脂的能力在不断提高，未来做到不再依赖进口产品已是必然趋势。聚丙烯酸钠是近年来在各个领域广泛使用的一种功能高分子材料，但是在我国其研究还不够深入，生产规模小，性能也不令人满意。研究其生产工艺以提高产品的应用性能是我们拓展产品应用领域的重要任务。该设计的特征在于，基于大量国内外文献，我们选择通过溶液聚合来合成高吸水性树脂，然后衡算了生产过程中的物料和热量，并详细阐述了生产过程和流程控制。本文对聚丙烯酸钠的合成与应用进行了探究，对当前聚丙烯酸钠的应用进行了阐述，主要应用在农林业、生物医疗、工业以及日常用品方面，并且对其合成工艺进行了实验，得出在单体浓度优30%、中和度选择为75%、中和温度选择在13.5℃～35℃之间可合成性状优良的聚丙烯酸钠。参考文献[1]马正先,李国豪,王敏,等.聚丙烯酸钠的常温合成与工程应用[J].新型建筑材料,2020,47(3):4.[2]熊雨晴,周青青,卜然,等.低聚丙烯酸钠的合成及其在防沾色中的应