一种连续化生产高吸水性树脂的带式聚合设备的制作方法

1.本发明涉及树脂高分子带式聚合设备技术领域，具体涉及一种连续化生产高吸水性树脂的带式聚合设备，该聚合设备能更充分的利用中和热和聚合反应过程中的反应热，适用于爆聚过程中高膨胀高吸水性树脂材料制备。


背景技术：

2.高吸收性树脂(sap)作为一种能吸收相当于自身重量成百上千倍水分的高分子材料，被广泛应用于生理卫生用品、农林保水剂、建筑止水材料、食品保鲜冰袋等领域。目前，随着人们健康、卫生意识的增强，婴儿纸尿裤(片)、女性卫生巾、成人纸尿裤(片)等卫生制品行业的兴起，极大的推动了高吸收性树脂行业的快速发展。
3.带式聚合工艺采用自由基聚合，反应速度非常快，可有效缩短聚合时间，具有较高的生产效率。而充分利用酸碱中和热和液碱的溶解热达到引发温度，能够降低能源的消耗。由于生产聚丙烯酸盐系sap的过程属于爆聚过程，为满足爆聚过程中聚合物膨胀的高度和体积，带式聚合装置往往空间大，高度高，这会造成热量的散失，不能更有效的利用聚合反应过程中的反应热。
4.近年来，随着能源危机不断席卷全球，为响应节能减排，充分利用聚合反应过程中产生的热量，亟需优化当前带式反应过程中反应装置顶棚与反应带之间的距离，一方面可有效减少热量的散失，另一方面可以更充分的利用中和热和反应热，从而减少反应装置中能源的消耗。
5.us2005/0215734a1中指出反应设备高度比过低时，在反应过程中膨胀的聚合物可能会粘在顶棚上，导致产品残留单体含量增加，甚至无法进行正常的生产。聚合反应过程中膨胀效果特别显著的产品往往需要更高的反应设备。
6.综上所述，
7.通过本发明能够实现低成本改造反应设备，生产一些反应过程中膨胀效果特别显著的产品，该连续化生产高吸水性树脂的带式聚合设备能更充分的利用中和热和聚合反应过程中的反应热。


技术实现要素：

8.本发明要解决的技术问题是：
9.提供一种连续化生产高吸水性树脂的带式聚合设备，该带式聚合设备通过将连续带式聚合反应带均等分成若干区域，减少反应带上单个反应区域中的溶液量，从而减少单个反应区域上聚合反应物的量，进而降低聚合物爆聚过程中的膨胀高度，这有利于生产在反应过程中膨胀效果特别显著的产品。由于划分若干区域后，聚合物膨胀高度会降低，因此可以降低聚合反应装置的截面积比，在保证聚合反应过程中聚合凝胶不接触反应床两侧和顶棚的情况下，这有利于减少聚合过程中热量的散失，更充分的利用中和热和聚合反应过程中的反应热，最终实现降低能源的消耗。
10.一种连续化生产高吸水性树脂的带式聚合设备，
11.该带式聚合设备的结构如下设置：
12.(a)将聚合反应带均等分成若干区域，其中区域数m≥2；
13.(b)将聚合反应带均等分成若干区域，聚合反应装置进料口数n≥2；
14.(c)带式聚合装置截面积比的取值范围为1～500，
15.其中，带式聚合装置截面积比＝a/b，a代表在宽度方向上，反应带与聚合反应装置顶棚之间的截面积；b代表聚合反应开始前，在宽度方向上，反应带上反应液的总截面积。
16.在本方案中，带式聚合装置截面积比的取值范围为1～500：截面积比过低，在反应过程中膨胀的聚合物可能会粘在顶棚上，影响正常生产，截面积比过高，不能充分利用反应热，设备成本高。
17.带式聚合设备的两侧和顶棚的内侧采用隔热保温材料，例如聚氨酯发泡材料、岩棉、聚苯板、热反射材料、多孔材料等。
18.作为本方案的进一步改进，聚合反应开始前，在宽度方向上，反应带上反应液的总截面积b，b＝s1+s2+s3+...+sn，n由等分的区域数决定。
19.作为本方案的进一步改进，聚合反应带均等分成m个区域，区域数m的取值范围为2～10。
20.进一步可优选2～5。
21.作为本方案的进一步改进，聚合反应带均等分成若干区域，聚合反应装置进料口数n的取值范围为2～10。
22.在本方案中，聚合反应装置进料口数n进一步优选2～5，聚合反应装置进料口数随反应带划分区域增多而增多。为避免中和液在进料通道中发生聚合，聚合所需的引发剂在进料口各分通道中分别加入(图3中未画出)。
23.作为本方案的进一步改进，聚合反应所需的引发剂在进料通道各分通道中分别引入。
24.作为本方案的进一步改进，所述带式聚合设备的两侧和顶棚的内侧采用隔热保温材料。
25.作为本方案的进一步改进，聚合反应带在移动方向上使用压条将反应带等分成m个区域，所述压条材料为硅胶，聚氨酯，橡胶中的任意一种。
26.作为本方案的进一步改进，所述压条的材料为高强度耐高温硅胶。
27.在本方案中，连续化生产高吸水性树脂的带式聚合设备中的反应组分如下：
28.所述聚丙烯酸盐系高吸水性树脂是通过含有至少45mol％，优选至少70mol％以上的丙烯酸盐的单体聚合而成的交联聚合物。
29.作为进一步的改进，起始温度在50～100℃之间。
30.如果温度低，聚合时间会延长，而使生产效率降低，温度低加压吸收倍率也会有损失，如果温度过高，易导致交联不充分使残留单体增多，聚合起始温度优选50-100℃，进一步优选70-90℃之间。
31.作为进一步的改进，聚合交联剂，没有特别限制，可以使用含双官能团甚至多官能团的物质，如n,n
’‑
亚甲基双丙烯酰胺、聚乙二醇二丙烯酸酯、季戊四醇三烯丙基醚、季戊四醇三丙烯酸酯、季戊四醇四丙烯酸酯、三烯丙基胺、磷酸三烯丙酯、聚乙烯亚胺中的任意一
种或多种。
32.作为进一步的改进，聚合引发剂优先选择热分解型引发剂，可以使用选自过硫酸钠、过硫酸钾、过硫酸铵、过氧乙酸钠、过碳酸钠、过氧化氢、过氧化叔丁基、偶氮脒化合物、偶氮酰胺化合物中的一种或多种。本发明中的引发剂的量优选为0.001-0.50wt％，更优选为0.01-0.20wt％。
33.引发剂用量低时，未反应的单体增多，残留单体增多，引发剂用量高时，水可溶出成分增加。
34.聚合工序得到的凝胶状聚合物，经凝胶粉碎工序，并在特定的温度条件下干燥，获得干燥物。本发明中吸水性树脂的粒度优选通过粉碎或分级而调整至特定范围。粒径超过850μm的吸水性树脂颗粒感增强，若应用于卫生用品，如纸尿裤，可能会导致肌肤舒适程度变差。粒径小于45μm的吸水性树脂，飘尘严重，还可能造成堵塞影响吸水性能。基于jis标准筛的300～600μm的粒子优选为60％或以上，平均粒径优选在350-500μm之间。
35.对干燥粉碎后的吸水性树脂进一步进行表面交联处理，可以提高加压下的吸水倍率。合适的表面交联剂可以使用含有双官能团甚至多官能团的物质，考虑到材料的安全性，优选多元醇化合物例如二甘醇、三甘醇、四甘醇、乙二醇、聚乙二醇、1,3-丙二醇、1,3-丁二醇、1,4-丁二醇、1,5-戊二醇、1,6-己二醇等一种或多种。
36.为了使吸水性树脂与表面交联剂混合地更均匀，可以增加易挥发的亲水性溶剂的添加量，优选为50-90wt％，更优选70-90wt％，还更优选80-85wt％，且优选沸点低于150℃的溶剂，如水、甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇、异丁醇以及叔丁醇。
37.与现有技术相比，本发明具备下述有益效果：
38.1)本专利通过将连续带式聚合反应带均等分成若干区域，减少反应带上单个反应区域中的溶液量，降低聚合物爆聚过程中的膨胀高度，这有利于生产在反应过程中膨胀效果特别显著的产品；
39.2)在保证聚合反应过程中聚合凝胶不接触反应床两侧和顶棚的情况下，降低聚合反应装置的截面积比，有利于减少聚合过程中热量的散失，更充分的利用中和热和聚合反应过程中的反应热，进而有效减少能源的消耗；
40.3)在聚合过程中热量散失的减少，对吸水性树脂强度的提高有帮助，有利于高吸水性树脂颗粒的加压吸收性能，通过本配方和设备以及工艺条件的相互配合最终使得充分利用中和热和聚合反应过程中的反应热，而且制得的树脂综合性能更佳。
附图说明
41.图1是连续带式反应器中被划分两个区域的反应带在宽度方向上的截面示意图；
42.阴影部分a是反应带与聚合反应装置顶棚之间的截面；
43.图2是连续带式反应器中装有反应液的被划分两个区域的反应带在宽度方向上的截面示意图；
44.阴影部分s1和s2分别是被划分两个区域的反应带上反应液的截面，且b＝s1+s2。
45.图3从左往右分别是反应液进料口两通道、三通道、四通道和n通道示意图。
46.附图标记说明
47.1-反应带；
48.2-聚合反应设备的侧壁；
49.3-聚合反应设备的顶棚；
50.4-反应带上用于划分区域的压条。
具体实施方式
51.为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合实施例对本发明作进一步说明：
52.实施例中wt％为质量百分比。实施例和对比实例中性能测试方法如下：
53.(a)吸盐水倍率
54.吸盐水倍率(free swelling capacity，简称“fsc”)是指在一定时间内单位质量的高吸收性树脂在盐水中的自由溶胀吸水倍率。
55.具体是指，用茶叶袋称取0.2000g高吸收性树脂，浸入0.9wt％氯化钠水溶液30min使其自由膨胀，之后悬挂10min去除水分后的吸水倍率(单位；g/g)。吸盐水倍率＝(m
吸水后-m
样-m
空白
)/m
样
。
56.(b)离心保水率
57.离心保水率(centrifuge retention capacity，简称“crc”)是指在一定时间内单位质量的高吸收性树脂在盐水中自由溶胀后，用离心机去除水分后的吸水倍率。
58.具体是指，用茶叶袋称取0.2000g高吸收性树脂，浸入0.9wt％氯化钠水溶液30min使其自由膨胀，之后用离心机(离心力为250g)去除水分后的吸水倍率(单位；g/g)。离心保水率＝(m
离心后-m
样-m
空白
)/m
样
。
59.(c)加压吸收率
60.加压吸收率(absorption underpressure，简称“aup”)是指单位质量的高吸收性树脂在一定时间、一定压力作用下的吸水倍率。
61.实际上，尿液成分根据人体的生长程度、饮食习惯以及所处环境的不同，而有差异。若单以生理盐水作为测试溶液不足以反应吸水性树脂材料对尿液的实际吸收情况，甚至由于人体的姿态不同，如静态的坐、立和动态的运动，单从无加压下的吸水性树脂的吸收倍率不足以反应实际人体运动状态下吸水性树脂的吸收倍率，因此，本专利从吸水性树脂在加压状态下不同溶液的吸水倍率出发，更真实的反应吸水性树脂在卫生领域的实际应用情况。以下是具体的测试方法：
62.0.9％氯化钠溶液的加压吸收倍率
63.在4.83kpa的负重下，使吸水性树脂0.9000g在0.9wt％氯化钠水溶液中溶胀1小时后的吸水倍率(单位:g/g)。加压吸收率＝(m
吸水后-m
吸水前
)/m
样
。
64.人工尿的加压吸收倍率
65.在4.83kpa的负重下，使吸水性树脂0.9000g在人工尿溶液中溶胀1小时后的吸水倍率(单位:g/g)。加压吸收率＝(m
吸水后-m
吸水前
)/m
样
。
66.人工尿：硫酸钠0.2wt％，氯化钾0.2wt％，氯化镁六水合物0.05wt％，氯化钙二水合物0.025wt％，磷酸二氢铵0.085wt％，磷酸氢二铵0.015wt％，去离子水99.425wt％。
67.实施例1
68.聚合反应装置中反应带反应区域总带宽为32cm，反应带与装置顶棚之间距离
35cm，将反应带在移动方向上用硅胶压条划分为两个区域，每个区域宽16cm。将混合有4.0份10wt％聚乙二醇二丙烯酸酯的295份丙烯酸钠中和液，通过y型进料通道均等分为两份溶液，并在两个通道中分别和1.0份5wt％过硫酸钠混合后加入到反应带上，液层厚度5mm中和液温度为85℃，反应带速5m/min。反应结束后获得水凝胶。通过造粒机进行造粒，得到不定型破碎状凝胶。将造粒好的凝胶放入鼓风干燥箱中干燥1h，温度190℃。
69.再将干燥好的凝胶用粉碎机进行粉碎处理，筛分取150-600微米样品。取一定量上述样品与3-丙二醇：碳酸乙烯酯：去离子水＝0.5:0.7:5.0表面交联剂，进行表面热处理，即得表面一次处理样品。然后用乳酸钠、硫酸铝和水所混合的溶液进行表面二次处理，用量0.6wt％，在60℃下处理20min，筛分取平均粒径在400μm的样品，即得到一种高吸水性树脂材料。
70.实施例2
71.在实施例2中，将反应带与装置顶棚之间距离变为15cm，中和液温度变为78℃，将反应带在移动方向上用硅胶压条划分成四个区域，每个区域宽8cm，采用四通道进料口，在每个通道中分别和0.5份5wt％过硫酸钠混合。除此之外，与实施例1进行相同操作。
72.对比例1
73.聚合反应装置中反应带反应区域带宽为32cm，反应带与装置顶棚之间距离60cm。将混合有4.0份10wt％聚乙二醇二丙烯酸酯和2.8份5wt％过硫酸钠的295份丙烯酸钠中和液加入到反应带上，液层厚度5mm中和液温度为85℃，反应带速5m/min。反应结束后获得水凝胶。通过造粒机进行造粒，得到不定型破碎状凝胶。将造粒好的凝胶放入鼓风干燥箱中干燥1h，温度190℃。
74.再将干燥好的凝胶用粉碎机进行粉碎处理，筛分取150-600微米样品。取一定量上述样品与3-丙二醇：碳酸乙烯酯：去离子水＝0.5:0.7:5.0表面交联剂，进行表面热处理，即得表面一次处理样品。然后用乳酸钠、硫酸铝和水所混合的溶液进行表面二次处理，用量0.6wt％，在60℃下处理20min，筛分取平均粒径在400μm的样品，即得到一种高吸水性树脂材料。
75.表一：本发明高吸收性树脂性能测试表
[0076][0077]
从表一中实施例和对比例实验数据可以看出，降低截面积比有利于提高加压性能，推测是因为截面积比降低，反应装置中热量散失减少，有利于提高吸水性树脂的强度。反应带区域个数增加，聚合物膨胀的高度降低，相同生产负荷的情况下，低截面积比的反应装置也能满足生产需要。
[0078]
以上所述仅为本发明的优选实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明所作的等效变换，均在本发明的专利保护范围内。

技术特征：
1.一种连续化生产高吸水性树脂的带式聚合设备，其特征在于，该带式聚合设备的结构如下设置：(a)将聚合反应带均等分成若干区域，其中区域数m≥2；(b)将聚合反应带均等分成若干区域，聚合反应装置进料口数n≥2；(c)带式聚合装置截面积比的取值范围为1～500，其中，带式聚合装置截面积比＝a/b，a代表在宽度方向上，反应带与聚合反应装置顶棚之间的截面积；b代表聚合反应开始前，在宽度方向上，反应带上反应液的总截面积。2.根据权利要求1所述的连续化生产高吸水性树脂的带式聚合设备，其特征在于，聚合反应开始前，在宽度方向上，反应带上反应液的总截面积b，b＝s1+s2+s3+...+sn，n由等分的区域数决定。3.根据权利要求1所述的连续化生产高吸水性树脂的带式聚合设备，其特征在于，聚合反应带均等分成m个区域，区域数m的取值范围为2～10。4.根据权利要求1所述的连续化生产高吸水性树脂的带式聚合设备，其特征在于，聚合反应带均等分成m个区域，区域数m的取值范围进一步优选2～5。5.根据权利要求1所述的连续化生产高吸水性树脂的带式聚合设备，其特征在于，聚合反应带均等分成若干区域，聚合反应装置进料口数n的取值范围为2～10。6.根据权利要求1所述的连续化生产高吸水性树脂的带式聚合设备，其特征在于，聚合反应装置进料口数n进一步优选2～5。7.根据权利要求1所述的连续化生产高吸水性树脂的带式聚合设备，其特征在于，聚合反应所需的引发剂在进料通道各分通道中分别引入。8.根据权利要求1所述的连续化生产高吸水性树脂的带式聚合设备，其特征在于，所述带式聚合设备的两侧和顶棚的内侧采用隔热保温材料。9.根据权利要求1所述的连续化生产高吸水性树脂的带式聚合设备，其特征在于，聚合反应带在移动方向上使用压条将反应带等分成m个区域，所述压条材料为硅胶，聚氨酯，橡胶中的任意一种。10.根据权利要求1所述的连续化生产高吸水性树脂的带式聚合设备，其特征在于，所述压条的材料为高强度耐高温硅胶。

技术总结
本发明公开了一种连续化生产高吸水性树脂的带式聚合设备，该带式聚合设备的结构如下设置：(a)将聚合反应带均等分成若干区域，其中区域数M≥2；(b)将聚合反应带均等分成若干区域，聚合反应装置进料口数N≥2；(c)带式聚合装置截面积比的取值范围为1～500，其中，带式聚合装置截面积比＝A/B，A代表在宽度方向上，反应带与聚合反应装置顶棚之间的截面积；B代表聚合反应开始前，在宽度方向上，反应带上反应液的总截面积。具有下述有益效果：带式聚合设备中，通过降低截面积比有利于提高加压性能，截面积比降低，反应装置中热量散失减少，有利于提高吸水性树脂的强度。于提高吸水性树脂的强度。于提高吸水性树脂的强度。


技术研发人员：杨卫东 胡霞红 阮玉林 朱雅亮 刘新 王亚停
受保护的技术使用者：浙江卫星新材料科技有限公司
技术研发日：2023.03.08
技术公布日：2023/7/26