CN111363284B - 一种壳核结构高吸水树脂/高岭土复合球吸湿材料及其制备方法 - Google Patents

一种壳核结构高吸水树脂/高岭土复合球吸湿材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种壳核结构高吸水树脂/高岭土复合球吸湿材料及其制备方法，该复合球吸湿材料为多孔球体，其包括有作为核部的高吸水树脂基体、以及包覆在所述核部的壳层，该壳层为高岭土和高吸水树脂复合构成的复合多孔传输层，该复合球吸湿材料中高岭土的含量为25‑40wt％。此外，其制备方法以高吸水树脂为基体，通过活化、溶胀、包覆、干燥及筛分等步骤在其表面构造一层高岭土‑高分子复合多孔传输壳层，复合多孔传输壳层吸收气相中的水蒸气形成液态水，然后传递给核部高分子树脂，改变了原高吸水树脂吸湿的机理，提升了其吸湿性能。本发明制得的复合颗粒球，其10小时吸湿量和吸湿率最高达到原树脂的1.95倍，吸湿速率较原树脂提升了30％，且其尺寸可以调控。

Description

一种壳核结构高吸水树脂/高岭土复合球吸湿材料及其制备 方法
技术领域
本发明属于复合吸湿材料技术领域，具体是指一种壳核结构高吸水树脂/高岭土复合球吸湿材料及其制备方法.
背景技术
空气中的湿度大小对人类的生产、生活影响很大，过高的湿度会对我们的健康、农作物的生长、物品的存放等产生不利的影响。吸湿材料能够通过吸收环境中的水分以降低空气湿度。吸湿材料大体分为有机高分子材料、无机盐、矿物材料等。无机盐吸湿材料和矿物材料虽然吸湿速度快，但吸湿容量不高，且无机盐容易潮解不稳定。高分子吸湿材料一般是经过物理和化学方法改性的高吸水树脂，具有较好的综合吸湿性能。其中聚丙烯酸钠高分子(PAAS)是一种新型的高吸水树脂，吸水性非常强，在水中的吸水率可以达到1000％以上。
然而聚丙烯酸钠高分子(PAAS)的吸湿过程是在空气中进行，依靠高分子中的亲水性基团来吸收水分。其吸湿的过程主要分为两个阶段：第一阶段为物理吸附，是通过气体流通，空气中的水分通过聚合物颗粒表面接触，称为外部传递过程或外扩散；第二阶段为化学吸附，是水分子从聚合物颗粒表面传向颗粒空隙内部，为内部传递过程或内扩散。
由于高分子的比表面积小，而空气中的水为气态水，含量很低，因此虽然其理论吸水率很高，但其吸湿速率慢、效率低、吸湿容量小，吸湿性能并不好，无法满足人们对高性能吸湿材料的需要，如何提高其吸湿性能是目前需要解决的问题。
现有技术中，多用共混或接枝共聚等化学方法对高分子进行改性，以达到提高其吸湿性能的目的。其中共混方法如中国专利公开号为CN101108902A的高效调湿材料所示；接枝共聚方法如《高分子学报》，2013(7)：915-921的报道所示。但这些方法并未改变其吸湿机理，且工艺复杂、效率低、费用高。
发明内容
为解决现有技术存在的问题和不足，本发明的目的是提供一种壳核结构高吸水树脂/高岭土复合球吸湿材料及其制备方法。该技术方案通过在高吸水树脂表面构造一层复合多孔传输层，以解决现有高吸水树脂吸湿速率较慢、效率低、容量小的问题。
为实现上述目的，本发明的第一个方面是提供一种壳核结构聚丙烯酸钠/高岭土复合球吸湿材料及其制备方法。该复合球吸湿材料为多孔球体，其包括有作为核部的高吸水树脂基体、以及包覆在所述核部的壳层，该壳层为高岭土和高吸水树脂复合构成的复合多孔传输层，该复合球吸湿材料中高岭土的含量为25-40wt％。
进一步设置是所述高吸水树脂为聚丙烯酸钠树脂球。
进一步设置是所述高岭土粒径小于80μm。
进一步设置是所述复合球吸湿材料的平均粒径为0.25cm～0.65cm。通过本设置，复合球吸湿材料的粒径可以调控，使其能满足不同吸湿性能(如吸湿率)条件的要求，同时复合球吸湿材料大小的可控可以满足材料在使用时的各种尺寸要求。
本发明的第二个方面是提供一种如所述的复合球吸湿材料的制备方法，其包括以下步骤：
S1活化:将高岭土悬浮于盐溶液活化，然后干燥、磨粉，得到活化高岭土；
S2溶胀:将球状高吸水树脂浸入去离子水中进行吸水溶胀；
S3包覆:将溶胀后的高吸水树脂滤水取出，然后与活化高岭土混合，使活化高岭土均匀包覆，得到包覆颗粒；
S4干燥与筛分：将所述包覆颗粒干燥至表面***，同时会有少量活化高岭土粉末从干燥颗粒表面脱落，进行筛分将脱落的多余高岭土去除，得到壳核结构高吸水树脂/高岭土复合球吸湿材料。
进一步设置是所述步骤1中，所述盐溶液为氯化钠、食盐、工业盐的饱和水溶液，活化时间控制在2小时以上。
进一步设置是所述S2中，所述高吸水树脂浸入去离子水中1～6小时。
本发明将高吸水树脂浸入到去离子水中1～6小时，能够控制高吸水树脂的溶胀体积，且在后续包覆阶段，可以更好的控制树脂和粘土的配比。本发明控制高吸水树脂吸水至原体积的2～6倍，确保高吸水树脂的性能，因为高吸水树脂的吸水溶胀体积过高或过低，会降低复合球吸湿材料的吸湿性能或导致破损率较大。
进一步设置是所述步骤3中，溶胀后的高吸水树脂与活化高岭土以质量比范围为1：(10～30)条件下进行包覆，时间控制在10分钟之内。通过本设置，时间控制在10分钟之内，保证包覆效果；若共混时间过长，树脂会放水过量，影响包覆效果。
进一步设置是所述S4中，所述复合球在110℃～130℃条件下干燥1h～4h。通过本设置，本发明在上述温度条件及干燥时间下，可以使得活化粘土颗粒与溶胀树脂表面充分作用，保证所制备的复合球吸湿材料在干燥后表层形成多孔结构，同时保证成品率高，破损率小。
进一步设置是所述S2中，所述高吸水树脂为球状。
上述技术方案具有以下有益效果如下：本发明通过壳层高岭土-高分子复合多孔传输层吸收气相中的水蒸气形成液态水，然后传递给核部高分子树脂，改变了原高吸水树脂吸湿的机理，提升了其吸湿性能；同时，本发明选择上述质量配比，能够保证所制得的复合球吸湿材料的空隙结构稳定，比表面积大，具有良好的吸湿性能；若配比过低，复合球吸湿材料的吸湿性能不好；若配比过高，所制得的复合球吸湿材料破损率较高。
另外，PAAS树脂具有储水容量大的特点，高岭土矿物比表面较大、稳定，氯化钠、食盐或工业盐具有无毒、无害、成本低的特点，且制备方法简单，成本低。
综上，本发明的优点在于：
(1)在制备工艺中以活化高岭土与高分子复合在其表面构造出孔隙结构，形成多孔传输层，增大了复合球的比表面积；同时传输层可以迅速将水蒸气液化形成液态水，传输至内部高吸水树脂(如PAAS)，改变了原高吸水树脂(如PAAS)树脂吸湿的机理，显著提高了材料的吸湿性能；
(2)本发明制得的复合颗粒球，其10小时吸湿量和吸湿率最高为原树脂的1.95倍，吸湿速率达到7.12％h-1，较纯PAAS提升了30％，且其尺寸可以调控；
(3)本发明所提供的制备工艺简单、快速、成本低，容易实现，易于操作，具有良好的应用前景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，根据这些附图获得其他的附图仍属于本发明的范畴。
图1为壳-核结构聚丙烯酸钠树脂/高岭土复合球吸湿材料结构示意图及SEM图
图2为PK8-25-1与纯树脂吸湿率曲线对比图；
图3为PK5-30-2与纯树脂吸湿率曲线对比图；
图4为PK4-30-3与纯树脂吸湿率曲线对比图；
图5为PK1-35-4与纯树脂吸湿率曲线对比图；
图6为PK2-40-6与纯树脂吸湿率曲线对比图；
图7本发明的制备工艺流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。
如图7所示的本发明的制备工艺流程图。其包括以下步骤
S1活化:将高岭土悬浮于盐溶液活化，然后干燥、磨粉，得到活化高岭土；
S2溶胀:将球状高吸水树脂浸入去离子水中进行吸水溶胀；
S3包覆:将溶胀后的高吸水树脂滤水取出，然后与活化高岭土混合，使活化高岭土均匀包覆，得到包覆颗粒；
S4干燥与筛分：将所述包覆颗粒干燥至表面***，同时会有少量活化高岭土粉末从干燥颗粒表面脱落，进行筛分将脱落的多余高岭土去除，得到壳核结构高吸水树脂/高岭土复合球吸湿材料。
现针对具体实施例进一步对本发明细节进行阐述：
实施例1
取粒径为80um高岭土悬浮于饱和氯化钠盐溶液2.5小时，然后干燥、磨粉得到活化高岭土。取高吸水树脂球浸入去离子水中溶胀1小时，然后将溶胀后小球滤水取出并拭干，按质量比为1：30与活化高岭***混，使活化高岭土均匀包覆于小球表面，包覆时间控制在10分钟之内；然后在110℃下干燥4h，将干燥产物进行筛分去除多余的高岭土粉末得到壳-核结构PAAS/高岭土复合球吸湿材料PK8-25-1。复合球平均粒径为0.657cm，本实施例复合颗粒球中高岭土含量为26.08％。
图2为PK8-25-1与纯树脂球在恒温30℃、湿度100％环境以及相同吸湿时间条件下测得的吸湿曲线。从结果可以看到，复合颗粒球的吸湿量和吸湿率为纯树脂球的1.25倍。
实施例2
取粒径为50um高岭土悬浮于饱和食盐溶液2.5小时，然后干燥、磨粉得到活化高岭土。取高吸水树脂球浸入去离子水中溶胀2小时，然后将溶胀后小球滤水取出并拭干，按质量比为1：20与活化高岭***混，使活化高岭土均匀包覆于小球表面，包覆时间控制在10分钟之内；然后在120℃下干燥2h，将干燥产物进行筛分去除多余的高岭土粉末得到壳-核结构PAAS/高岭土复合球吸湿材料PK5-30-2。复合球平均粒径为0.457cm，本实施例复合颗粒球中高岭土含量为29.16％。
PK5-30-2的吸湿量和吸湿率为纯树脂球的1.36倍，如图3所示。
实施例3
取粒径为30um高岭土悬浮于饱和食盐溶液2.5小时，然后干燥、磨粉得到活化高岭土。取高吸水树脂球浸入去离子水中溶胀3小时，然后将溶胀后小球滤水取出并拭干，按质量比为1：10与活化高岭***混，使活化高岭土均匀包覆于小球表面，包覆时间控制在10分钟之内；然后在130℃下干燥1h，将干燥产物进行筛分去除多余的高岭土粉末得到壳-核结构PAAS/高岭土复合球吸湿材料PK3-30-3。复合球平均粒径为0.257cm，本实施例复合颗粒球中高岭土含量为30.22％。
PK3-30-3的吸湿量和吸湿率为纯树脂球的1.57倍，如图4所示。
实施例4
取粒径为20um高岭土悬浮于饱和食盐溶液2.5小时，然后干燥、磨粉得到活化高岭土。取高吸水树脂球浸入去离子水中溶胀4小时，然后将溶胀后小球滤水取出并拭干，按质量比为1：20与活化高岭***混，使活化高岭土均匀包覆于小球表面，包覆时间控制在10分钟之内；然后在120℃下干燥2h，将干燥产物进行筛分去除多余的高岭土粉末得到壳-核结构PAAS/高岭土复合球吸湿材料PK2-35-4。复合球平均粒径为0.285cm，本实施例复合颗粒球中高岭土含量为34.82％。
PK2-35-4的吸湿量和吸湿率为纯树脂球的1.95倍，如图5所示。
实施例5
取粒径为20um高岭土悬浮于饱和食盐溶液2.5小时，然后干燥、磨粉得到活化高岭土。取高吸水树脂球浸入去离子水中溶胀6小时，然后将溶胀后小球滤水取出并拭干，按质量比为1：10与活化高岭***混，使活化高岭土均匀包覆于小球表面，包覆时间控制在10分钟之内；然后在110℃下干燥3h，将干燥产物进行筛分去除多余的高岭土粉末得到壳-核结构PAAS/高岭土复合球吸湿材料PK2-40-6。复合球平均粒径为0.385cm，本实施例复合颗粒球中高岭土含量为38.41％。PK2-40-6的吸湿量和吸湿率为纯树脂球的1.47倍，如图6所示。
以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (5)

1.一种壳核结构高吸水树脂/高岭土复合球吸湿材料的制备方法，其特征在于：该壳核结构高吸水树脂/高岭土复合球吸湿材料为多孔球体，其包括有作为核部的高吸水树脂基体、以及包覆在所述核部的壳层，该壳层为高岭土和高吸水树脂复合构成的复合多孔传输层，该复合球吸湿材料中高岭土的含量为25 -40 wt%，所述高吸水树脂为聚丙烯酸钠树脂球；所述高岭土粒径小于80 μm；
该方法包括以下步骤：
S1活化:将高岭土悬浮于盐溶液活化，然后干燥、磨粉，得到活化高岭土；
S2溶胀: 将高吸水树脂浸入去离子水中进行吸水溶胀；
S3包覆: 将溶胀后的高吸水树脂滤水取出，然后与活化高岭土混合，使活化高岭土均匀包覆，得到包覆颗粒；
S4干燥与筛分：将所述包覆颗粒干燥至表面***，同时会有少量活化高岭土粉末从干燥颗粒表面脱落，进行筛分将脱落的多余高岭土去除，得到壳核结构高吸水树脂/高岭土复合球吸湿材料；
所述盐溶液为氯化钠、食盐、工业盐的饱和水溶液，活化时间控制在2 小时以上。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述S2中，所述高吸水树脂浸入去离子水中1~6小时。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤3中，溶胀后的高吸水树脂与活化高岭土以质量比范围为1：（10~30）条件下进行包覆，时间控制在10分钟之内。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述S4中，所述复合球在110 ℃~130℃条件下干燥1 h~4 h。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述复合球吸湿材料的平均粒径为0.25 cm ~0.65 cm。
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