高吸水性树脂市场和技术发展近况

2020-10-23张西标路文学

山东化工 2020年17期

张西标，李涛，路文学,2

(1.兖矿水煤浆气化及煤化工国家工程研究中心有限公司，山东济南 250000；2.山东兖矿国拓科技工程股份有限公司，山东邹城 273500)

1 概述

高吸水性树脂(以下称SAP)是一种既不溶于水，也难溶于有机溶剂的低交联度水溶胀型高分子聚合物，它含有亲水基团和松散网络结构，具有超强吸附能力。能够吸收自身重量几百至上千倍的水，且具有吸水速率快、保水性能好等优点[1]。商品化SAP的主要有丙烯酸共聚物、聚丙烯酸钠盐共聚物、聚丙烯酰胺共聚物等。不同型态的SAP，其用途也略有不同，粉末状SAP主要用于尿裤和卫生用品，颗粒状和球状SAP主要用于除臭剂制品，纤维状SAP主要用于防静电纤维等领域[2]。

2 高吸水性树脂的市场状况

2.1 国际市场

经过多年的快速发展，国际上SAP生产规模不断扩大，相关生产企业主要分布在日本、欧盟、中国和美国。日本触媒、德国BASF和德国赢创是全球SAP生产企业三大巨头，其产能均超过50万t/a。日本触媒是世界最大的SAP生产企业，生产基地遍布日本、中国、印尼、美国和欧洲。另外，日本的三大雅和住友化学的产能分别为18.5和15.5万t/a。

目前，SAP市场蓬勃发展的主要推动力为卫生用品。在发达国家，91.5%的SAP用于卫生用品领域(其中婴儿尿布约占77.5%，成人失禁垫约占10%，妇女卫生巾约占4%)，8.5%的SAP用于其它领域(其中农业约占3.8%，建筑业约占1%，其它领域约3.7%)。

近年来，随着日本、美国和西欧等发达国家人口老龄化进程加剧，尿布和卫生用品领域对SAP的需求年均增长约为5%。据日本卫生用品行业协会发布的数据显示，2006年、2007年和2008年日本成人尿布产量同比增长12%，7%和4%，同期婴儿尿布产量分别为，2006年趋于平稳，2007年同比增长6%，2008年同比增长4%[3]。

在发展中国家卫生用品需求增长的带动下，全球对SAP的需求量将呈现快速增长的态势，预计2020年全球对SAP的需求量将达到290万吨，届时全球SAP市场仍处于供需基本平衡的状态。2020年全球SAP供需平衡预测见表1。

表1 2020年世界高吸水性树脂供需平衡预测

2.2 国内市场

图1 2009-2018年我国SAP产能走势图[4]

市场供应方面，近年来，随着日本、美国和欧洲等地区人力和资源成本的不断上涨，大多数跨国厂商将新增SAP产能的工厂建设在中国和东南亚等政策相对宽松、资源和人力成本较低的地区。在国内，跨国企业产能的不断增加再加上本土SAP企业的发展，使中国SAP产能不断增加。2011年国内SAP生产企业在关键生产工艺上取得突破，SAP投资进入高峰期，国内产能已由2009年的17.2万吨/年增加至2018年的130.3万t/a，八年内产能年平均增速为82.2%，图1显示了2009-2018年我国SAP产能走势[4]。

未来国内SAP产能还将会有一定程度的增长，其主要集中在几套丙烯酸下游配套装置上，预计2020年国内SAP产能将达到133.8万t/a。

市场需求方面，近几年我国SAP的消费呈逐年递增趋势，其中卫生用品领域以婴儿纸尿布所占比例最大，占总消费量的60%以上，工业领域和农林领域各消耗量约占总消费量的7.3%。

随着二胎政策的放开、人民消费观念的转变以及人口老龄化进程加快，婴儿尿裤、卫生巾和成人失禁用品的消费量将出现迅猛增长的局面，未来卫生用品仍是我国SAP的最大消费领域。从卫生用品消耗结构来看，成人失禁用品和婴儿纸尿布成为拉动SAP需求增长的强劲动力，女性卫生巾随着市场渗透率趋于饱和，其对SAP的消耗相对平稳。另外，工业、农林业、医疗及其它领域对SAP的消费需求也将呈快速增长的态势。

图2 2011-2018年我国SAP供销统计表[4]

据统计，2018年底我国SAP总产量为80.2万吨，国内SAP市场总需求量为70.4万吨。虽然目前国内SAP的产能已超过需求量，但是随着我国SAP合成技术的不断完善、产品质量和人们生活水平的提高，以及农村市场的开发，我国SAP市场仍有巨大的潜在需求，前景广阔。预计2020年，我国对SAP的总需求量将达到104万吨。

3 高吸水性树脂的生产技术

3.1 主要生产工艺

目前，SAP工业生产方法主要有淀粉接枝法、纤维素接枝法、紫外线照射法、辐射法和合成聚合物法[1,5-7]。紫外线照射法和辐射法目前已实现工业化，但由于设备投资大，并且产能有限，难以实现大批量的工业化生产。随着市场需求的不断变化，吸收速度快、返渗性能好的SAP逐渐成为市场主流，其中合成聚合物法生产的SAP具有吸收速度快、返渗性能好，生产工艺简单，因此，合成聚合物法成为当前SAP工业生产的主要方法。

合成聚合物工艺又分为反相悬浮聚合、反相乳液聚合和水溶液聚合，工业上以反相悬浮聚合和水溶液聚合为主。反相悬浮聚合工艺是最早工业化生产SAP工艺之一[8]。反相悬浮聚合法是以溶剂(油相)为分散介质，水溶性的单体或高分子物为水相液滴或粒子，引发剂溶解在水相中进行聚合反应的方法，合成产物为形状规则的颗粒状或柱状SAP。该方法不仅克服了聚合体系粘度高、散热困难的缺点，而且有聚合物分子量高、聚合速率快、反应条件温和、副反应少等优点，但是该方法存在溶剂回收困难等问题。

水溶液聚合法生产工艺是通过单体烯烃双键的游离加成反应完成的。该生产工艺由中和反应、聚合反应和交联反应三部分组成[9]。水溶液聚合法生产工艺流程简单，单程转化率高，产品吸水和保水能力强，生产设备投资适中，产品质量稳定，以及制备工艺物耗低，能耗低，污染小的特点，是一种符合绿色环保节能的生产工艺。目前，世界SAP主导生产工艺公司有日本触媒、三洋化成、住友精化、法国阿托菲纳、德国BASF、迪高沙、韩国LG、韩国科隆等。日本触媒、三洋化成、德国BASF都已在国内建厂，并且在国内的产能不断增加，他们在国内转让技术的可能性不大。

3.2 水溶液聚合法工艺

3.2.1 工艺流程

水溶液聚合法生产SAP的工艺流程主要包括中和反应、聚合反应、表面交联反应三个步骤[9]，可细分为中和反应、除氧、聚合反应、切条造粒、干燥、粉碎筛分、表面处理、混合包装等阶段。

图3 水溶液法合成SAP工艺流程

中和反应：高纯丙烯酸、氢氧化钠溶液、水按一定比例进行配料后在常压、20～30℃下进行中和反应，在反应过程中用冷凝水移除中和反应产生的热量。配料及中和反应过程中会产生的含有少量丙烯酸废气，收集后送往废气吸收塔处理。

除氧：中和后的物料采用氮气压入通氮罐内，并用氮气去除物料中的氧气，以保证后续聚合反应顺利进行。此过程产生的废气夹带有水汽和微量物料，收集后送往废气吸收塔处理。

聚合反应：除氧工艺结束后，将丙烯酸钠溶液用氮气压入配料槽，并添加一定量的聚合添加剂进行混合，混合物在50～100℃的聚合反应器中进行20～30 min聚合反应。聚合反应产生的含有丙烯酸的水蒸气经冷却后送往废气吸收塔处理。

切条造粒：聚合反应得到的聚合物用切条机切条，条状聚合物送往绞碎机中绞碎成所需形状，然后将绞碎的聚合物颗粒送往干燥器中干燥处理。本过程是在密闭的系统中进行，不会发生无组织排放，也基本无废气产生。干燥：将绞碎后的聚合物在150～180℃的干燥机中干燥。在此过程中，未反应的丙烯酸将会全部挥发出来，同时会有SAP的细小颗粒进入废气。该过程产生的废气进行除尘操作后进入洗涤塔进行处理。

粉碎筛分：干燥后的SAP颗粒在粉碎机粉碎成所需的粒径后送往筛分装置进行筛分处理，获得规定的粒径。

表面处理和混合包装：将粒径符合的颗粒与表面处理剂、无机盐水在表面处理机中进行处理，以提高颗粒的表面强度，表面处理结束后将聚合物进行冷却，即为成品。检验分析合格即可对成品进行包装。

3.2.2 生产原料消耗

水溶液聚合法合成SAP的原料是高纯丙烯酸、氢氧化钠溶液，N,N-亚甲基双丙烯酰胺、过硫酸铵、亚硫酸钠等材料，而且这些都是工业品。