聚丙烯酸鈉的合成方法及其研究進展

聚丙烯酸鈉(polyacrylate sodium)是一種重要的精細化工產品，具有良好的離解性、潤濕性、保水性、成膜性(浸漬或涂布時)、凍融穩定性、機械穩定性，經長期貯存后黏度無明顯變化，被廣泛地應用于涂料、冶金、醫藥、化妝品、造紙、紡織、石油開采、水處理、食品保鮮等各個領域，越來越受到各方面的重視。制備它的單體主要有丙烯酸、甲基丙烯酸、丙烯酰胺等。

一、用途

聚丙烯酸鈉因其相對分子質量的不同而具有不同的用途。高相對分子質量的聚丙烯酸鈉（106～107）用作絮凝劑及高吸水性樹脂。聚丙烯酸鈉用作絮凝劑有以下幾個方面的用途：天然水澄清，去除污水中的磷酸鹽，從氧化鋁中分離赤泥及用做土壤改良劑等。聚丙烯酸鈉類吸水性樹脂是近年來國內外廣泛開發研究的一種新型功能高分子材料，它是一種具有松散網絡結構的低交聯度的強親水性高分子化合物，具有超高的吸水和保水性能，無毒無臭，在醫療衛生、石油化工、土壤保水等方面得到廣泛應用。中相對分子質量聚丙烯酸鈉（104～106）可用作增稠劑和保水劑，低相對分子質量聚丙烯酸鈉（103～104）可用作分散劑、阻垢劑，超相對低分子質量（700以下）聚丙烯酸鈉的用途還未被完全開發。

二、工藝路線及其合成方法

聚丙烯酸鈉的生產工藝路線如下。

1.聚合法

先用丙烯酸和燒堿反應生成丙烯酸鈉單體，再將單體在過硫酸鹽、還原劑引發下聚合成聚丙烯酸鈉。

2.中和法

首先將丙烯酸在氧化還原劑作用下聚合成聚丙烯酸，然后將聚丙烯酸與燒堿中和生成聚丙烯酸鈉。

3.皂化法

先由丙烯酸與甲醇反應生成丙烯酸甲酯，將丙烯酸甲酯聚合后的懸浮液或乳膠在氫氧化鈉水溶液中加熱，制得聚丙烯酸鈉。

4.水解法

先有丙烯酰胺聚合生成聚丙烯酰胺，然后在堿性條件下將聚丙烯酰胺水解生成聚丙烯酸鈉。

目前一般使用聚合工藝路線，中和后的丙烯酸鈉聚合速率平穩，工業反應容易控制。

聚丙烯酸鈉主要合成方法有本體聚合、水溶液聚合、反相懸浮聚合、反相乳液聚合、輻射聚合等。本體聚合、水溶液聚合是高分子化學中常用的聚合方法。反相懸浮聚合法是將反應物分散在油溶性介質中，單體水溶液作為水相液滴或粒子，水溶性引發劑溶解于水相中引發聚合的方法。從20世紀90年代開始，研究者將反相懸浮聚合工藝應用于丙烯酸鈉聚合，不僅解決了黏度高及攪拌傳熱困難等難題，并兼有聚合速度大和產物相對分子質量高等優點，且反應條件溫和，可直接制成粉狀或粒狀產物。對于反相懸浮聚合而言，有效的懸浮分散劑包括親水性高嶺土、硅烷化的硅酸或者礦物填料等，其他的懸浮分散劑有山梨糖醇油酸酯和帶有-COOH、-SO3H和-NH2等親水性取代基的可溶性聚合物，也可以采用一些含有親油親水基的嵌段共聚物。反相懸浮聚合法還存在受攪拌速率影響大、易聚結、共沸時體系不穩定、易產生凝膠、出水時間長等問題。反相乳液聚合法是將反應物分散在油性介質中，通過乳化劑的作用，在攪拌或劇烈震蕩下分散成乳液狀進行聚合的方法。該方法與一般的乳液聚合的不同之處在于：單體是親水性或水溶性的，水相中的單體分散在油性介質中，為“油包水”型聚合系統。采用乳化劑的親水親油平衡值（HLB）為3～8。反相乳液聚合法具有廣闊的發展前景，引起了國內外高分子學者的高度重視。輻射聚合可歸結為本體聚合，該方法在生產過程中不添加任何助劑，產品純度高。近年來雖然有對高吸水性樹脂的輻射聚合研究，但工業化尚有困難。

三、研究方向及展望

隨著國民經濟的飛速發展，水處理的必要性日益突出，絮凝技術是提高水處理效率的最常用技術之一。特別是作為絮凝劑的高相對分子質量聚丙烯酸鈉，已經成為國內外科研人員競相研究的課題。研究丙烯酸及其共聚單體的反相乳液聚合，首先應對乳化劑的選配、引發劑體系的選擇及其用量、聚合溫度及時間的確定等方面進行探討，研究體系的中和度、共聚單體的種類和配比、單體總濃度、非極性溶劑的種類和混配等。應繼續發展和完善現有的聚合方法和工藝條件，對各個聚合機理及聚合動力學進行深入研究，開發新的高效、合理的聚合引發體系，探討高性能的緩聚劑，探索更有效的聚合方法（比如半連續聚合方法、微乳液聚合方法、反相微乳業聚合方法），研究如何提高相對分子質量以優化其性能，研究高固含量聚合和新技術在各聚合方法中的應用，研制高分子型的乳化劑，探索反相微乳液聚合方法，從而使聚丙烯酸鈉從實驗室研究向產業化、工業化進軍。隨著經濟建設的蓬勃發展，科學技術的不斷進步，對高分子水溶性的聚合物尤其聚丙烯酸類的產品性能要求會越來越高，其勢必會有更廣闊的發展前景。

(作者單位：鄭州煤炭工業技師學院，鄭州大學

化工與能源學院工程碩士在讀)