Quy trình sản xuất polymer siêu thấm

Bài viết này đi sâu vào quy trình sản xuất polymer siêu thấm (SAP).

Lưu ý: Những thông tin kỹ thuật chuyên sâu được trình bày trong bài viết này do các đối tác uy tín của chúng tôi – các nhà sản xuất polymer siêu thấm – cung cấp, những đơn vị mà chúng tôi đang hợp tác chặt chẽ. Để biết thêm thông tin, thảo luận chi tiết hoặc có thắc mắc về chủ đề này, vui lòng điền vào biểu mẫu để liên hệ với đội ngũ kỹ thuật chuyên trách của chúng tôi.

Polyme siêu thấm là gì?

Polyme siêu thấm (SAP) thường được sản xuất thông qua quá trình trùng hợp axit acrylic kết hợp với natri hydroxit và chất khởi động. Quá trình này tạo ra muối natri của axit polyacrylic, thường được gọi là natri polyacrylat, đây là loại SAP được sản xuất rộng rãi nhất trên toàn cầu.

Trong điều kiện bình thường, natri polyacrylate có dạng các hạt tinh thể màu trắng nhạt. Chất này sở hữu một số đặc tính quan trọng như không mùi, không độc hại và có kết cấu nhẹ. So với các loại nhựa đa dụng khác, nó có trọng lượng riêng thấp nhất và thể hiện khả năng hấp thụ và giữ nước vượt trội.

Ngoài natri polyacrylat, còn có nhiều loại vật liệu khác được sử dụng trong sản xuất các loại polymer siêu thấm. Chúng bao gồm copolymer polyacrylamide, copolymer ethylene maleic anhydride, carboxymethylcellulose liên kết chéo, copolymer polyvinyl alcohol, polyethylene oxide liên kết chéo và copolymer polyacrylonitrile ghép tinh bột, v.v. Trong số đó, copolymer polyacrylonitrile ghép với tinh bột nổi bật là một trong những dạng SAP đầu tiên được phát triển.

Nguyên tắc

Nguyên lý hấp thụ nước của nhựa polyacrylic khác biệt đáng kể so với các chất hút ẩm khác. Chất này có khả năng hấp thụ lượng nước gấp hàng trăm lần trọng lượng của chính nó, dẫn đến sự hình thành một chất gel. Cấu trúc của chất gel này được quyết định bởi các đặc tính liên kết chéo của nhựa polyacrylic, đảm bảo rằng nước không thể bị ép ra ngoài hoặc chảy ra ngoài khi vượt quá ngưỡng áp suất nhất định.

Do đó, các polyme axit polyacrylic là những vật liệu phù hợp để tổng hợp các polyme siêu thấm. Khả năng hấp thụ nước của các polyme này không chỉ phụ thuộc vào vật liệu được sử dụng mà còn bị ảnh hưởng bởi quy trình tổng hợp các polyme siêu thấm.

Quy trình sản xuất nhựa siêu thấm bao gồm một số công đoạn chính

Chuẩn bị nguyên liệu:

Axit acrylic công nghiệp, natri hydroxit, natri persulfat làm chất khởi động và divinylbenzen làm chất liên kết chéo được chuẩn bị để tiến hành phản ứng trùng hợp hóa học.

Quá trình chưng cất polypropylene:

Polypropylene loại công nghiệp được chưng cất dưới áp suất giảm để ngăn ngừa sự phân hủy trong quá trình bảo quản và vận chuyển. Chất ức chế trùng hợp được bổ sung để duy trì các tính chất trùng hợp của nó. Quá trình chưng cất đòi hỏi phải hút hết không khí ra khỏi hệ thống để tránh đạt đến điểm sôi của polypropylene do vật liệu này có khả năng chịu nhiệt độ thấp.

Cách pha chế dung dịch kiềm:

Natri hydroxit loại công nghiệp được hòa tan trong nước cất để loại bỏ các tạp chất có thể ảnh hưởng đến quá trình trùng hợp polypropylene. Dung dịch đã lọc thu được được sử dụng làm dung dịch kiềm cho quá trình trùng hợp khối.

Trung hòa:

Polypropylene chưng cất được cho từ từ vào dung dịch natri hydroxit để trung hòa dung dịch này. Quá trình trung hòa diễn ra tối ưu ở nhiệt độ từ 10–50°C, thông qua quá trình trao đổi ion để tạo thành muối polypropylene và nước. Các chất phản ứng được định lượng cẩn thận để đảm bảo phản ứng diễn ra hoàn toàn và các chất phản ứng được tiêu thụ hết.

Quá trình trùng hợp:

Sau khi trung hòa, natri persulfat và divinylbenzen được thêm vào để khởi động quá trình trùng hợp muối polypropylene. Quá trình trùng hợp diễn ra ở nhiệt độ môi trường dưới 60°C trong khoảng 2 giờ, sau đó nhiệt độ được tăng lên 70°C trong hơn 3 giờ để tạo thành gel muối polypropylene. Gel được sấy khô ở nhiệt độ 70–80°C để thu được nhựa axit polyacrylic dạng rắn, sau đó được nghiền nát và xay mịn thành các hạt bột để sử dụng trong công nghiệp.

Sơ đồ quy trình này cung cấp một cái nhìn tổng quan ngắn gọn về quy trình sản xuất chung cho Polyacrylate natri, một loại nhựa siêu thấm được sử dụng phổ biến.

Hiện nay, các polyme siêu thấm được sản xuất bằng một trong bốn phương pháp chính: trùng hợp trực tiếp, trùng hợp dạng gel, trùng hợp huyền phù và trùng hợp dung dịch. Mỗi phương pháp đều có những ưu điểm riêng và mang lại chất lượng sản phẩm khác nhau.

Quá trình trùng hợp gel

Quá trình trùng hợp gel theo phương pháp nhũ tương nghịch bao gồm việc chuyển đổi polypropylene thô thành dạng dung môi. Quá trình này được thực hiện bằng cách hòa tan polypropylene trong một dung môi không phân cực – đóng vai trò là chất hòa tan – cùng với một chất hoạt tính dạng dầu để tạo thành dung môi dạng dầu. Sau đó, chất khởi động và chất tạo liên kết chéo được thêm vào dung dịch này trong quá trình phản ứng.

Quá trình chuẩn bị nguyên liệu thô tuân theo phương pháp kết hợp “monomer polypropylene + dung môi dầu chứa chất khởi động và chất liên kết chéo + dung dịch kiềm”. Dung dịch thu được, bao gồm polyacrylate không tan, đóng vai trò là môi trường cho quá trình trùng hợp dạng gel.

Mô tả phương pháp:
Phương pháp này bao gồm việc trộn axit acrylic đông lạnh, nước, các chất tạo liên kết chéo và các hóa chất khởi động phản ứng tia UV, sau đó hỗn hợp này được đổ lên một băng tải đang chuyển động hoặc vào các bồn lớn. Hỗn hợp lỏng này được chuyển vào một “bể phản ứng” — một buồng dài được trang bị các đèn UV công suất cao để thúc đẩy các phản ứng trùng hợp và tạo liên kết chéo. Các “khối” gel dính thu được chứa 60-70% nước.

Sau đó, các khối gỗ này được băm nhỏ hoặc nghiền mịn rồi chuyển sang các loại máy sấy khác nhau. Các chất tạo liên kết chéo bổ sung có thể được áp dụng lên bề mặt các hạt thông qua quá trình “liên kết chéo bề mặt”, giúp tăng cường khả năng nở ra của sản phẩm dưới áp lực — một đặc tính được đo lường bằng chỉ số Khả năng Hấp thụ Dưới Tải (AUL) hoặc Khả năng Hấp thụ Chống Áp lực (AAP). Sau khi sấy khô, các hạt polymer được sàng lọc để đảm bảo phân bố kích thước hạt phù hợp trước khi đóng gói.

Phương pháp trùng hợp gel (GP) hiện là kỹ thuật được sử dụng rộng rãi nhất để sản xuất polyme siêu thấm natri polyacrylate, thường được tìm thấy trong tã lót trẻ em và các sản phẩm vệ sinh dùng một lần khác.

Ưu điểm

Một ưu điểm của phương pháp trùng hợp nhũ tương nghịch là phương pháp này tạo ra nhũ tương bằng cách trộn dung môi không phân cực chứa polypropylene đã hòa tan với dung môi dạng dầu chứa chất khởi trùng và chất liên kết chéo. Nhũ tương này cho phép polyacrylate trùng hợp trên lớp ngoài của dung môi polypropylene, tạo thành cấu trúc “dầu trong nước” giúp thúc đẩy quá trình trùng hợp của polyacrylate.

Cấu trúc “dầu trong nước” giúp cách ly hiệu quả hoạt tính tự do của polyacrylate, cho phép chất này thực hiện một quá trình trùng hợp duy nhất. Điều này làm tăng tốc độ phản ứng của polyacrylate, khiến tốc độ chuẩn bị của quá trình trùng hợp nhũ tương nghịch nhanh gấp năm lần so với quá trình trùng hợp trong dung dịch.

Hơn nữa, sự hiện diện của môi trường phân tán không chỉ hỗ trợ quá trình truyền nhiệt và kiểm soát nhiệt độ mà còn cho phép quá trình trùng hợp của vật liệu nhựa siêu thấm diễn ra trong điều kiện nhiệt độ thấp. Phương pháp này khắc phục được những hạn chế về nhiệt độ thường gặp ở các vật liệu nhựa polyacrylic.

Ngoài ra, pha dầu được sử dụng trong quá trình trùng hợp nhũ tương nghịch có thể được tái sử dụng nhiều lần. Mặc dù phương pháp này có thể không mang lại mức tiết kiệm tương đương như quá trình trùng hợp khối, nhưng nó giải quyết được vấn đề lãng phí quá mức chất khởi động và chất liên kết chéo, từ đó giảm thiểu sự lãng phí chi phí.

Phản ứng trùng hợp trong dung dịch lơ lửng

Phản ứng trùng hợp trong huyền phù có nguyên lý tương tự như phản ứng trùng hợp trong gel, đặc biệt là ở việc sử dụng chất phân tán để tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình truyền nhiệt, điều chỉnh nhiệt độ và đẩy nhanh tốc độ phản ứng trùng hợp.

Tuy nhiên, điểm khác biệt chính nằm ở cách sử dụng các pha: Quá trình trùng hợp huyền phù sử dụng pha nước làm pha riêng biệt và pha dầu làm pha liên tục. Quá trình này làm cho chất phân tán, được hòa tan trong polypropylene, tồn tại dưới dạng các giọt lơ lửng trên bề mặt của pha dầu, nơi phản ứng trùng hợp diễn ra bên trong các giọt lơ lửng này.

Giống như quá trình trùng hợp gel, quá trình trùng hợp huyền phù giúp truyền nhiệt hiệu quả khỏi vị trí phản ứng nhờ tính dẫn nhiệt của chất phân tán. Điều này đảm bảo rằng phản ứng trùng hợp không bị hạn chế bởi các điều kiện nhiệt độ. Trong quá trình trùng hợp, độ nhớt thấp của các chất kiềm và polypropylene giúp giảm thiểu sự tích tụ của các tạp chất chưa phản ứng.

Ưu điểm

Một ưu điểm của phương pháp trùng hợp trong huyền phù so với phương pháp trùng hợp trong gel là việc thu hồi dung môi dễ dàng thông qua quá trình chưng cất, đồng thời có thể tái sử dụng pha dầu nhiều lần với tác động tối thiểu đến môi trường.

Trong quá trình trùng hợp huyền phù, chất phản ứng gốc nước được huyền phù trong dung môi gốc hydrocacbon. Phương pháp này dẫn đến việc hình thành các hạt polymer sơ cấp trực tiếp trong bình phản ứng, thay vì thông qua các quá trình cơ học ở các giai đoạn sau phản ứng. Ngoài ra, có thể thực hiện các cải tiến về hiệu suất trong hoặc ngay sau giai đoạn phản ứng.

Cần lưu ý rằng phương pháp trùng hợp trong huyền phù chỉ được một số ít công ty áp dụng do yêu cầu phải có khả năng kiểm soát sản xuất và kỹ thuật sản phẩm tiên tiến trong suốt quá trình trùng hợp.

Câu hỏi 1: Polyme siêu thấm (SAP) là gì?

A1: Polyme siêu thấm (SAP) là một loại vật liệu có khả năng hấp thụ và giữ lại lượng chất lỏng cực lớn so với trọng lượng của chính nó. Chất này sẽ tạo thành dạng gel khi tiếp xúc với nước và được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực vệ sinh, nông nghiệp và công nghiệp.

---

Câu hỏi 2: Các ứng dụng chính của Polyme siêu thấm là gì?

A2: SAP thường được sử dụng trong tã lót cho trẻ sơ sinh, sản phẩm chống tiểu không tự chủ dành cho người lớn, băng vệ sinh, miếng lót huấn luyện thú cưng, chất giữ ẩm cho đất nông nghiệp, vật liệu chống thấm nước cho cáp và các sản phẩm thấm hút chất lỏng tràn.

---

Câu hỏi 3: SAP cải thiện hiệu suất trong lĩnh vực sản phẩm vệ sinh như thế nào?

A3: Trong các sản phẩm vệ sinh, SAP giữ chất lỏng bên trong cấu trúc dạng gel, ngăn ngừa rò rỉ và giữ cho bề mặt luôn khô ráo. Điều này giúp tăng sự thoải mái, giảm mùi hôi và cho phép các sản phẩm như tã lót và băng vệ sinh vẫn giữ được độ mỏng mà vẫn có khả năng thấm hút cao.

---

Câu hỏi 4: SAP được ứng dụng như thế nào trong lĩnh vực nông nghiệp?

A4: Trong nông nghiệp, SAP được trộn vào đất để cải thiện khả năng giữ nước. Chất này hấp thụ nước tưới hoặc nước mưa và từ từ giải phóng nước đến rễ cây, giúp giảm tần suất tưới nước và nâng cao khả năng sống sót của cây trồng trong điều kiện khô hạn.

---

Câu hỏi 5: Có các loại Polyme siêu thấm khác nhau không?

A5: Đúng vậy, các loại phổ biến bao gồm SAP gốc natri polyacrylat dùng cho các sản phẩm vệ sinh và SAP gốc kali polyacrylat dùng trong nông nghiệp. Chúng khác nhau về khả năng hấp thụ, độ bền của gel và mức độ phù hợp với các ứng dụng cụ thể.

Những suy nghĩ cuối cùng

Về cơ bản, polyme siêu thấm là một loại vật liệu đáng tin cậy, được biết đến nhờ khả năng hấp thụ và giữ nước.

Nguyên lý cơ bản của quá trình chế tạo các chất này là chuyển hóa polypropylene thành dạng muối thông qua phản ứng với kiềm, sau đó tiến hành quá trình trùng hợp được xúc tác bởi chất khởi động và chất tạo liên kết chéo, từ đó hình thành các chất polymer.

Trong môi trường công nghiệp, quy trình tiền xử lý được phân loại thành bốn loại dựa trên các biến thể của quy trình. Mỗi phương pháp này đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng liên quan đến chi phí tiền xử lý, chất lượng, quy trình và quản lý chất thải. Việc lựa chọn quy trình tiền xử lý cần được xác định dựa trên các yêu cầu ứng dụng cụ thể của axit polyacrylic. chất hấp thụ nướcn, sau khi xem xét các yếu tố như hiệu quả và tính phù hợp.

Để tìm hiểu thêm hoặc có thắc mắc về chủ đề này, xin vui lòng liên hệ với chúng tôi qua biểu mẫu được cung cấp dưới đây.