Super absorpční materiál z éteru celulózy

Byl studován proces a výkonnost produktu karboxymethylcelulózy zesíťované N,N-methylenbisakrylamidem pro přípravu superabsorpční pryskyřice a byla diskutována koncentrace alkálie, množství síťovacího činidla, alkalická etherifikace a rozpouštědlo. Vliv dávkování na schopnost produktu absorbovat vodu. Je vysvětlen mechanismus adsorpce pryskyřice absorbující vodu do vody. Studie ukázaly, že hodnota retence vody (WRV) tohoto produktu dosahuje 114 ml/g.

klíčová slova:ether celulózy; methylenbisakrylamid; příprava

1、Zavedení

Superabsorpční pryskyřice je polymerní materiál se silnými hydrofilními skupinami a určitým stupněm zesítění. Běžné materiály absorbující vodu, jako je papír, bavlna a konopí, mají nízkou míru absorpce vody a špatnou schopnost zadržovat vodu, zatímco superabsorpční pryskyřice mohou absorbovat vodu desítkykrát větší, než je jejich vlastní hmotnost, a gel vytvořený po absorpci vody nebude dehydratovat ani s mírným tlakem. Vynikající schopnost zadržovat vodu. Není rozpustný ve vodě ani v organických rozpouštědlech.

Na molekulárním řetězci superabsorpčního materiálu vyrobeného z celulózy je velké množství hydroxylových skupin, karboxylových skupin a iontů hydrátu sodného. Po absorpci vody je voda obklopena hydrofilní makromolekulární sítí a může být zadržena pod vnějším tlakem. Když voda zvlhčí adsorpční pryskyřici, vytvoří se mezi pryskyřicí a vodou vrstva polopropustné membrány. Kvůli vysoké koncentraci mobilních iontů (Na+) v pryskyřici absorbující vodu, podle Donnana'Na principu rovnováhy může tento rozdíl v koncentraci iontů způsobit osmotický tlak. Špatná, tvoří zvlhčující a bobtnající slabou sílu, voda prochází touto vrstvou semipermeabilní membrány a spojuje se s hydrofilními skupinami a ionty na makromolekulách superabsorpční pryskyřice, snižuje koncentraci mobilních iontů, čímž vykazuje vysokou absorpci vody a bobtnání. Tento adsorpční proces pokračuje, dokud se rozdíl osmotického tlaku způsobený rozdílem v koncentraci mobilních iontů nerovná odporu vůči další expanzi způsobené kohezní silou molekulární sítě polymerní pryskyřice. Výhody superabsorpční pryskyřice připravené z celulózy jsou: mírná rychlost absorpce vody, rychlá rychlost absorpce vody, dobrá odolnost proti slané vodě, netoxická, snadno nastavitelná hodnota pH, může být degradována v přírodě a nízká cena, takže má širokou rozsah použití. Může být použit jako prostředek blokující vodu, půdní kondicionér a prostředek zadržující vodu v průmyslu a zemědělství. Kromě toho má dobré vyhlídky na vývoj a uplatnění ve zdravotnictví, potravinářství, mikrobiologii a medicíně.

2. Experimentální část

2.1 Experimentální princip

Příprava superabsorpční pryskyřice z bavlněných vláken spočívá především ve vytvoření zesíťované struktury s nízkým stupněm substituce na pokožce vlákna. Síťování na sloučeniny, které obecně mají dvě nebo více reaktivních funkčních skupin. Funkční skupiny schopné síťování zahrnují vinyl, hydroxyl, karboxyl, amid, chlorid kyseliny, oxiran, nitril atd. Poměr absorpce vody u superabsorpčních pryskyřic připravených s různými síťovacími činidly je různý. V tomto experimentu se jako síťovací činidlo používá N,N-methylenbisakrylamid, včetně následujících kroků:

(1) Celulóza (Rcell) reaguje s alkalickým roztokem za vzniku alkalické celulózy a alkalizační reakce celulózy je rychlá exotermická reakce. Snížení teploty vede k tvorbě alkalických vláken a může inhibovat jejich hydrolýzu. Přídavek alkoholů může zvýšit poruchu celulózy, což je výhodné pro alkalizaci a následnou etherifikaci.

RcellOH + NaOH→RcellONa+H2O

(2) Alkalická celulóza a kyselina monochloroctová vytvářejí sodnou sůl karboxymethylcelulózy a etherifikační reakce patří k nukleofilní substituční reakci:

RcellONa+ClCH2COONa→RcellOCH2COONa+NaCl

(3) N,N-methylenbisakrylamid zesíťovaný za získání superabsorpční pryskyřice. Vzhledem k tomu, že na molekulárním řetězci karboxymethylových vláken je stále velký počet hydroxylových skupin, může být při působení spuštěna ionizace hydroxylové skupiny celulózy a ionizace akryloylové dvojné vazby na molekulárním řetězci N,N-methylenbisakrylamidu. alkalickou katalýzou a poté zesíťování mezi molekulárními řetězci celulózy nastává Michaelovou kondenzací a okamžitě podléhá výměně protonů s vodou za vzniku ve vodě nerozpustné celulózové superabsorpční pryskyřice.

2.2 Suroviny a nástroje

Suroviny: savá bavlna (nařezaná na lintry), hydroxid sodný, kyselina monochloroctová, N,N-methylenbisakrylamid, absolutní etanol, aceton.

Přístroje: tříhrdlá baňka, elektrické míchadlo, zpětný chladič, sací filtrační baňka, Buchnerova nálevka, vakuová sušárna, oběhová vodní vývěva.

2.3 Způsob přípravy

2.3.1 Alkalinizace

Do tříhrdlé láhve přidejte 1 g savé bavlny, poté přidejte určité množství roztoku hydroxidu sodného a absolutního etanolu, udržujte teplotu pod pokojovou teplotou a chvíli míchejte.

2.3.2 Etherifikace

Přidá se určité množství kyseliny chloroctové a míchá se po dobu 1 hodiny.

2.3.2 Síťování

V pozdější fázi etherifikace byl přidán N,N-methylenbisakrylamid v poměru k provedení zesítění a směs byla míchána při teplotě místnosti po dobu 2 hodin.

2.3.4 Následné zpracování

Pomocí ledové kyseliny octové upravte hodnotu pH na 7, sůl smyjte ethanolem, smyjte vodu acetonem, přefiltrujte odsáváním a sušte ve vakuu po dobu 4 hodin (přibližně 60°C, stupeň vakua 8,8 kPa), aby se získal produkt z bílého bavlněného vlákna.

2.4 Analytické testování

Rychlost absorpce vody (WRV) se stanoví proséváním, to znamená, že 1 g produktu (G) se přidá do kádinky obsahující 100 ml destilované vody (V1), namočí se po dobu 24 hodin, zfiltruje se přes síto z nerezové oceli 200 mesh. a voda ve spodní části síta se shromažďuje (V2). Výpočtový vzorec je následující: WRV=(V1-V2)/G.

3. Výsledky a diskuse

3.1 Výběr podmínek alkalizační reakce

V procesu výroby alkalické celulózy působením bavlněného vlákna a alkalického roztoku mají podmínky procesu významný vliv na výkonnost produktu. V alkalizační reakci je mnoho faktorů. Pro pohodlí pozorování byla přijata metoda ortogonálního návrhu experimentu.

Další podmínky: Rozpouštědlem je 20 ml absolutního ethanolu, poměr alkálie k etherifikačnímu činidlu (mol/md) je 3:1 a síťovací činidlo je 0,05 g.

Experimentální výsledky ukazují, že: primární a sekundární vztah: C>A>B, nejlepší poměr: A3B3C3. Koncentrace louhu je nejdůležitějším faktorem při alkalizační reakci. Vysoká koncentrace louhu přispívá k tvorbě alkalické celulózy. Je však třeba poznamenat, že čím vyšší je koncentrace louhu, tím větší je obsah soli v připravené superabsorpční pryskyřici. Při promývání soli etanolem ji proto několikrát promyjte, abyste zajistili odstranění soli z produktu, aby nedošlo k ovlivnění schopnosti produktu absorbovat vodu.

3.2 Vliv dávkování síťovacího činidla na produkt WRV

Experimentální podmínky jsou: 20 ml absolutního ethanolu, poměr alkálie k etherifikačnímu činidlu 2,3:1, 20 ml louhu a 90 minut alkalizace.

Výsledky ukázaly, že množství síťovacího činidla ovlivnilo stupeň zesítění CMC-Na. Nadměrné zesíťování vede k těsné síťové struktuře v prostoru produktu, která se vyznačuje nízkou mírou absorpce vody a špatnou elasticitou po absorpci vody; když je množství síťovacího činidla malé, síťování je neúplné a existují ve vodě rozpustné produkty, které také ovlivňují rychlost absorpce vody. Když je množství síťovacího činidla menší než 0,06 g, rychlost absorpce vody se zvyšuje se zvyšujícím se množstvím síťovacího činidla, když je množství síťovacího činidla větší než 0,06 g, rychlost absorpce vody klesá. s množstvím síťovacího činidla. Proto je dávka síťovacího činidla asi 6 % hmotnosti bavlněných vláken.

3.3 Vliv podmínek etherifikace na produkt WRV

Experimentální podmínky jsou: koncentrace alkálie 40 %; objem alkálie 20 ml; absolutní ethanol 20 ml; dávka síťovacího činidla 0,06 g; alkalizace 90min.

Podle vzorce chemické reakce by poměr alkalického etheru (NaOH:CICH2-COOH) měl být 2:1, ale skutečné množství použité alkálie je větší než tento poměr, protože v reakčním systému musí být zaručena určitá koncentrace volné alkálie. , protože: jisté Vyšší koncentrace volné báze vede k dokončení alkalizační reakce; síťovací reakce musí být provedena za alkalických podmínek; některé vedlejší reakce spotřebovávají alkálie. Pokud se však množství alkálie přidá příliš mnoho, alkalické vlákno bude vážně degradováno a současně se sníží účinnost etherifikačního činidla. Pokusy ukazují, že poměr alkálie k etheru je asi 2,5:1.

3.4 Vliv množství rozpouštědla

Experimentální podmínky jsou: koncentrace alkálie 40 %; dávka alkálie 20ml; poměr alkalického etheru 2,5:1; dávka síťovadla 0,06g, alkalizace 90min.

Rozpouštědlo bezvodý ethanol hraje roli při dispergování, homogenizaci a udržování suspenzního stavu systému, což je výhodné pro rozptýlení a přenos tepla uvolněného během tvorby alkalické celulózy a může snížit hydrolytickou reakci alkalické celulózy, čímž se získá jednotná celulóza . Pokud je však přidané množství alkoholu příliš velké, dojde v něm k rozpuštění alkálie a monochloracetátu sodného, ​​snížení koncentrace reaktantů, snížení reakční rychlosti a nepříznivě se projeví i na následném zesítění. Když je množství absolutního etanolu 20 ml, hodnota WRV je velká.

V souhrnu jsou nejvhodnější podmínky pro přípravu superabsorpční pryskyřice ze savé bavlněné alkalizované a etherifikované karboxymethylcelulózy zesíťované N,N-methylenbisakrylamidem: koncentrace alkálie 40 %, bez rozpouštědla 20 ml vody a ethanolu, poměr alkálie k etheru je 2,5:1 a dávka zesíťovacího činidla je 0,06 g (6 % množství bavlněných linters).