Material súper absorbent d'èter de cel·lulosa

Es va estudiar el procés i el rendiment del producte de carboximetil cel·lulosa reticulada per N, N-metilenbisacrilamida per preparar resina superabsorbent, i es va discutir la concentració d'àlcali, la quantitat d'agent de reticulació, l'eterificació alcalina i el dissolvent. L'efecte de la dosi sobre el rendiment d'absorció d'aigua del producte. S'explica el mecanisme d'adsorció de la resina absorbent d'aigua a l'aigua. Els estudis han demostrat que el valor de retenció d'aigua (WRV) d'aquest producte arriba als 114 ml/g.

Paraules clau:èter de cel·lulosa; metilenbisacrilamida; preparació

1、Introducció

La resina superabsorbent és un material polimèric amb grups hidròfils forts i un cert grau de reticulació. Els materials comuns que absorbeixen l'aigua com el paper, el cotó i el cànem tenen una baixa taxa d'absorció d'aigua i una poca capacitat de retenció d'aigua, mentre que les resines superabsorbents poden absorbir l'aigua dotzenes de vegades el seu propi pes, i el gel format després d'absorbir l'aigua no es deshidratarà ni tan sols. amb una lleugera pressió. Excel·lent capacitat de retenció d'aigua. No és soluble en aigua ni en dissolvents orgànics.

Hi ha un gran nombre de grups hidroxil, grups carboxil i ions d'hidrat de sodi a la cadena molecular del material superabsorbent fet de cel·lulosa. Després d'absorbir l'aigua, l'aigua està envoltada per una xarxa macromolecular hidròfila i es pot retenir sota pressió externa. Quan l'aigua humiteja la resina d'adsorció, es forma una capa de membrana semipermeable entre la resina i l'aigua. A causa de l'alta concentració d'ions mòbils (Na+) a la resina absorbent d'aigua, segons Donnan'Principi d'equilibri, aquesta diferència de concentració d'ions pot causar pressió osmòtica. Pobre, formant un poder feble d'humitat i inflor, l'aigua travessa aquesta capa de membrana semipermeable i es combina amb grups hidròfils i ions a les macromolècules de la resina superabsorbent, reduint la concentració d'ions mòbils, mostrant així una gran absorció d'aigua i inflor. Aquest procés d'adsorció continua fins que la diferència de pressió osmòtica causada per la diferència en la concentració d'ions mòbils és igual a la resistència a una major expansió causada per la força de cohesió de la xarxa molecular de la resina polimèrica. Els avantatges de la resina superabsorbent preparada a partir de cel·lulosa són: taxa d'absorció d'aigua moderada, velocitat d'absorció d'aigua ràpida, bona resistència a l'aigua salada, no tòxica, fàcil d'ajustar el valor del pH, es pot degradar a la natura i baix cost, de manera que té un ampli gamma d'usos. Es pot utilitzar com a agent de bloqueig d'aigua, condicionador de sòls i agent de retenció d'aigua a la indústria i l'agricultura. A més, té bones perspectives de desenvolupament i aplicació en salut, alimentació, microbiologia i medicina.

2. Part experimental

2.1 Principi experimental

La preparació de la resina superabsorbent de fibra de cotó consisteix principalment a formar una estructura reticulada amb un baix grau de substitució a la pell de la fibra. Reticulació a compostos que generalment tenen dos o més grups funcionals reactius. Els grups funcionals capaços de reticular inclouen vinil, hidroxil, carboxil, amida, clorur àcid, oxirà, nitril, etc. La relació d'absorció d'aigua de les resines superabsorbents preparades amb diferents agents de reticulació és diferent. En aquest experiment, la N, N-metilenbisacrilamida s'utilitza com a agent de reticulació, incloent els passos següents:

(1) La cel·lulosa (Rcell) reacciona amb una solució alcalina per generar cel·lulosa alcalina i la reacció d'alcalinització de la cel·lulosa és una reacció exotèrmica ràpida. La baixada de la temperatura afavoreix la formació de fibres alcalines i pot inhibir la seva hidròlisi. L'addició d'alcohols pot augmentar el desordre de la cel·lulosa, que és beneficiós per a l'alcalinització i la posterior eterificació.

RcellOH+NaOH→RcellONa+H2O

(2) La cel·lulosa alcalina i l'àcid monocloroacètic generen carboximetil cel·lulosa sòdica i la reacció d'eterificació pertany a la reacció de substitució nucleòfila:

RcellONa+ClCH2COONa→RcellOCH2COONa+NaCl

(3) N, N-metilenbisacrilamida reticulada per obtenir una resina súper absorbent. Com que encara hi ha un gran nombre de grups hidroxil a la cadena molecular de la fibra carboximetil, la ionització del grup hidroxil de la cel·lulosa i la ionització del doble enllaç acriloil a la cadena molecular de N, N-metilenbisacrilamida es poden desencadenar sota l'acció. de catàlisi alcalina, i després la reticulació entre cadenes moleculars de cel·lulosa es produeix a través de la condensació de Michael, i immediatament experimenta un intercanvi de protons amb aigua per convertir-se en una resina superabsorbent de cel·lulosa insoluble en aigua.

2.2 Matèries primeres i instruments

Matèries primeres: cotó absorbent (tallat en linters), hidròxid de sodi, àcid monocloroacètic, N, N-metilenbisacrilamida, etanol absolut, acetona.

Instruments: matràs de tres colls, agitació elèctrica, condensador de reflux, matràs de filtre d'aspiració, embut Buchner, forn d'assecat al buit, bomba de buit d'aigua circulant.

2.3 Mètode de preparació

2.3.1 Alcalinització

Afegiu 1 g de cotó absorbent a l'ampolla de tres colls, a continuació, afegiu una certa quantitat de solució d'hidròxid de sodi i etanol absolut, manteniu la temperatura per sota de la temperatura ambient i remeneu una estona.

2.3.2 Eterificació

Afegiu una certa quantitat d'àcid cloroacètic i remeneu durant 1 h.

2.3.2 Reticulació

En l'etapa posterior d'eterificació, es va afegir N,N-metilenbisacrilamida en proporció per dur a terme la reticulació i es va agitar a temperatura ambient durant 2 hores.

2.3.4 Postprocessament

Utilitzeu àcid acètic glacial per ajustar el valor del pH a 7, rentar la sal amb etanol, rentar l'aigua amb acetona, filtrar amb succió i assecar al buit durant 4 hores (a uns 60°C, grau de buit 8,8 kPa) per obtenir un producte de filament de cotó blanc.

2.4 Assajos analítics

La taxa d'absorció d'aigua (WRV) es determina per tamisat, és a dir, s'afegeix 1 g del producte (G) a un vas de precipitats que conté 100 ml d'aigua destil·lada (V1), remulla durant 24 hores, es filtra a través d'una pantalla d'acer inoxidable de 200 malles. , i es recull l'aigua de la part inferior de la pantalla (V2). La fórmula de càlcul és la següent: WRV=(V1-V2)/G.

3. Resultats i discussió

3.1 Selecció de les condicions de la reacció d'alcalinització

En el procés de producció de cel·lulosa alcalina mitjançant l'acció de la fibra de cotó i la solució alcalina, les condicions del procés tenen un impacte significatiu en el rendiment del producte. Hi ha molts factors en la reacció d'alcalinització. Per a la comoditat de l'observació, s'adopta el mètode de disseny d'experiments ortogonals.

Altres condicions: el dissolvent és de 20 ml d'etanol absolut, la proporció d'àlcali a agent eterificant (mol/md) és de 3:1 i l'agent de reticulació és de 0,05 g.

Els resultats experimentals mostren que: relació primària i secundària: C>A>B, la millor relació: A3B3C3. La concentració de lixivia és el factor més important en la reacció d'alcalinització. L'elevada concentració de lixivia propicia la formació de cel·lulosa alcalina. No obstant això, cal tenir en compte que com més gran sigui la concentració de lixivia, més gran serà el contingut de sal de la resina superabsorbent preparada. Per tant, en rentar la sal amb etanol, renteu-la diverses vegades per assegurar-vos que s'elimini la sal del producte, per no afectar la capacitat d'absorció d'aigua del producte.

3.2 Efecte de la dosi de l'agent reticulant sobre el VRV del producte

Les condicions experimentals són: 20 ml d'etanol absolut, 2,3: 1 proporció d'àlcali a agent d'eterificació, 20 ml de lixivia i 90 min d'alcalinització.

Els resultats van mostrar que la quantitat d'agent de reticulació va afectar el grau de reticulació de CMC-Na. La reticulació excessiva condueix a una estructura de xarxa estreta a l'espai del producte, que es caracteritza per una baixa taxa d'absorció d'aigua i una poca elasticitat després de l'absorció d'aigua; quan la quantitat d'agent de reticulació és petita, la reticulació és incompleta i hi ha productes solubles en aigua, que també afecten la taxa d'absorció d'aigua. Quan la quantitat d'agent de reticulació és inferior a 0,06 g, la taxa d'absorció d'aigua augmenta amb l'augment de la quantitat d'agent de reticulació, quan la quantitat d'agent de reticulació és superior a 0,06 g, la taxa d'absorció d'aigua disminueix. amb la quantitat d'agent de reticulació. Per tant, la dosi d'agent de reticulació és d'aproximadament el 6% de la massa de fibra de cotó.

3.3 Efecte de les condicions d'eterificació sobre el producte WRV

Les condicions experimentals són: concentració alcalina 40%; volum àlcali 20 ml; etanol absolut 20 ml; dosi d'agent de reticulació 0,06 g; alcalinització 90min.

A partir de la fórmula de la reacció química, la relació àlcali-èter (NaOH:CICH2-COOH) hauria de ser 2:1, però la quantitat real d'àlcali utilitzat és superior a aquesta relació, perquè s'ha de garantir una certa concentració d'àlcali lliure al sistema de reacció. , perquè: certa Una concentració més alta de base lliure és favorable a la finalització de la reacció d'alcalinització; la reacció de reticulació s'ha de dur a terme en condicions alcalines; algunes reaccions secundaries consumeixen àlcali. Tanmateix, si s'afegeix massa la quantitat d'àlcali, la fibra alcalina es degradarà seriosament i, al mateix temps, es reduirà l'eficiència de l'agent d'eterificació. Els experiments mostren que la proporció d'àlcali a èter és d'aproximadament 2,5:1.

3.4 Influència de la quantitat de dissolvent

Les condicions experimentals són: concentració alcalina 40%; dosi d'àlcali 20 ml; relació alcalí-èter 2,5:1; dosi d'agent de reticulació 0,06 g, alcalinització 90 min.

El dissolvent etanol anhidre té el paper de dispersar, homogeneïtzar i mantenir l'estat de purín del sistema, que és beneficiós per dispersar i transferir la calor alliberada durant la formació de cel·lulosa alcalina i pot reduir la reacció d'hidròlisi de la cel·lulosa alcalina, obtenint així una uniformitat. cel·lulosa. Tanmateix, si la quantitat d'alcohol afegida és massa, l'àlcali i el monocloroacetat de sodi es dissoldran, la concentració de reactius disminuirà, la velocitat de reacció disminuirà i també tindrà un efecte advers en la reticulació posterior. Quan la quantitat d'etanol absolut és de 20 ml, el valor WRV és gran.

En resum, les condicions més adequades per preparar resina superabsorbent a partir de cotó absorbent alcalinitzat i eterificat carboximetil cel·lulosa reticulada per N, N-metilenbisacrilamida són: concentració d'àlcali 40%, 20 ml d'aigua i etanol sense dissolvents, la proporció d'àlcali a èter. és 2,5:1 i la dosi d'agent de reticulació és de 0,06 g (6% de la quantitat de linters de cotó).