Superabsorbierendes Material aus Zelluloseether

Das Verfahren und die Produktleistung von mit N,N-Methylenbisacrylamid vernetzter Carboxymethylcellulose zur Herstellung von superabsorbierendem Harz wurden untersucht und die Alkalikonzentration, die Menge des Vernetzungsmittels, die Alkaliveretherung und das Lösungsmittel diskutiert. Der Einfluss der Dosierung auf die Wasseraufnahmeleistung des Produkts. Der Adsorptionsmechanismus des wasserabsorbierenden Harzes an Wasser wird erklärt. Studien haben gezeigt, dass der Wasserretentionswert (WRV) dieses Produkts 114 ml/g erreicht.

Schlüsselwörter:Celluloseether; Methylenbisacrylamid; Vorbereitung

1、Einführung

Superabsorbierendes Harz ist ein Polymermaterial mit starken hydrophilen Gruppen und einem gewissen Vernetzungsgrad. Herkömmliche wasserabsorbierende Materialien wie Papier, Baumwolle und Hanf haben eine geringe Wasserabsorptionsrate und ein schlechtes Wasserrückhaltevermögen, während superabsorbierende Harze das Zehnfache ihres Eigengewichts an Wasser absorbieren können und das nach der Wasseraufnahme gebildete Gel nicht einmal austrocknet mit leichtem Druck. Ausgezeichnetes Wasserrückhaltevermögen. Es ist weder in Wasser noch in organischen Lösungsmitteln löslich.

In der Molekülkette des superabsorbierenden Materials aus Cellulose befinden sich eine Vielzahl von Hydroxylgruppen, Carboxylgruppen und Natriumhydrat-Ionen. Nach der Wasseraufnahme ist das Wasser von einem hydrophilen makromolekularen Netzwerk umgeben und kann unter äußerem Druck zurückgehalten werden. Wenn Wasser das Adsorptionsharz befeuchtet, bildet sich zwischen Harz und Wasser eine Schicht einer semipermeablen Membran. Aufgrund der hohen Konzentration an mobilen Ionen (Na+) im wasserabsorbierenden Harz, so Donnan'Aufgrund des Gleichgewichtsprinzips kann dieser Ionenkonzentrationsunterschied einen osmotischen Druck verursachen. Wasser, das eine schwache Befeuchtungs- und Quellkraft bildet, dringt durch diese Schicht der semipermeablen Membran und verbindet sich mit hydrophilen Gruppen und Ionen auf den Makromolekülen des superabsorbierenden Harzes, wodurch die Konzentration mobiler Ionen verringert wird, wodurch eine hohe Wasseraufnahme und Quellung erreicht wird. Dieser Adsorptionsprozess setzt sich fort, bis der osmotische Druckunterschied, der durch den Konzentrationsunterschied der mobilen Ionen verursacht wird, gleich dem Widerstand gegen weitere Expansion ist, der durch die Kohäsionskraft des molekularen Netzwerks des Polymerharzes verursacht wird. Die Vorteile von aus Zellulose hergestelltem superabsorbierendem Harz sind: mäßige Wasserabsorptionsrate, schnelle Wasserabsorptionsgeschwindigkeit, gute Salzwasserbeständigkeit, ungiftig, leicht einstellbarer pH-Wert, kann in der Natur abgebaut werden und ist kostengünstig, daher hat es eine breite Anwendung Einsatzmöglichkeiten. Es kann als Wasserblocker, Bodenverbesserer und Wasserrückhaltemittel in der Industrie und Landwirtschaft eingesetzt werden. Darüber hinaus bestehen gute Entwicklungs- und Anwendungsaussichten in den Bereichen Gesundheit, Lebensmittel, Mikrobiologie und Medizin.

2. Experimenteller Teil

2.1 Experimentelles Prinzip

Die Herstellung von superabsorbierendem Harz aus Baumwollfasern dient hauptsächlich der Bildung einer vernetzten Struktur mit einem geringen Substitutionsgrad auf der Faserhaut. Vernetzung zu Verbindungen, die im Allgemeinen zwei oder mehr reaktive funktionelle Gruppen aufweisen. Zu den zur Vernetzung befähigten funktionellen Gruppen gehören Vinyl, Hydroxyl, Carboxyl, Amid, Säurechlorid, Oxiran, Nitril usw. Das Wasserabsorptionsverhältnis superabsorbierender Harze, die mit verschiedenen Vernetzungsmitteln hergestellt werden, ist unterschiedlich. In diesem Experiment wird N,N-Methylenbisacrylamid als Vernetzungsmittel verwendet, einschließlich der folgenden Schritte:

(1) Cellulose (Rcell) reagiert mit alkalischer Lösung unter Bildung von Alkalicellulose, und die Alkalisierungsreaktion von Cellulose ist eine schnelle exotherme Reaktion. Eine Senkung der Temperatur begünstigt die Bildung von Alkalifasern und kann deren Hydrolyse hemmen. Durch die Zugabe von Alkoholen kann die Unordnung der Cellulose verstärkt werden, was sich positiv auf die Alkalisierung und anschließende Veretherung auswirkt.

RcellOH+NaOH→RcellONa+H2O

(2) Alkalicellulose und Monochloressigsäure erzeugen Natriumcarboxymethylcellulose, und die Veretherungsreaktion gehört zur nukleophilen Substitutionsreaktion:

RcellONa+ClCH2COONa→RcellOCH2COONa+NaCl

(3) N,N-Methylenbisacrylamid vernetzt, um ein superabsorbierendes Harz zu erhalten. Da in der Molekülkette der Carboxymethylfaser immer noch eine große Anzahl von Hydroxylgruppen vorhanden ist, kann unter der Wirkung die Ionisierung der Hydroxylgruppe der Cellulose und die Ionisierung der Acryloyl-Doppelbindung an der Molekülkette von N,N-Methylenbisacrylamid ausgelöst werden Durch Alkalikatalyse erfolgt dann die Vernetzung zwischen den Molekülketten der Cellulose durch Michael-Kondensation und es erfolgt sofort ein Protonenaustausch mit Wasser, um ein wasserunlösliches superabsorbierendes Celluloseharz zu werden.

2.2 Rohstoffe und Instrumente

Rohstoffe: Watte (in Linters geschnitten), Natriumhydroxid, Monochloressigsäure, N,N-Methylenbisacrylamid, absolutes Ethanol, Aceton.

Instrumente: Dreihalskolben, elektrisches Rührwerk, Rückflusskühler, Saugfilterkolben, Büchner-Trichter, Vakuumtrockenschrank, Umwälzwasser-Vakuumpumpe.

2.3 Vorbereitungsmethode

2.3.1 Alkalisierung

Geben Sie 1 g Watte in die Dreihalsflasche, fügen Sie dann eine bestimmte Menge Natriumhydroxidlösung und absolutes Ethanol hinzu, halten Sie die Temperatur unter Raumtemperatur und rühren Sie eine Weile um.

2.3.2 Veretherung

Geben Sie eine bestimmte Menge Chloressigsäure hinzu und rühren Sie 1 Stunde lang.

2.3.2 Vernetzung

Im späteren Stadium der Veretherung wurde N,N-Methylenbisacrylamid im Verhältnis zur Durchführung der Vernetzung zugegeben und 2 Stunden bei Raumtemperatur gerührt.

2.3.4 Nachbearbeitung

Mit Eisessig den pH-Wert auf 7 einstellen, das Salz mit Ethanol abwaschen, das Wasser mit Aceton abwaschen, absaugen und 4 Stunden lang vakuumtrocknen (bei ca. 60 °C).°C, Vakuumgrad 8,8 kPa), um ein weißes Baumwollfilamentprodukt zu erhalten.

2.4 Analytische Prüfung

Die Wasserabsorptionsrate (WRV) wird durch Sieben bestimmt, d. h. 1 g des Produkts (G) wird in ein Becherglas mit 100 ml destilliertem Wasser (V1) gegeben, 24 Stunden lang eingeweicht und durch ein 200-Mesh-Edelstahlsieb filtriert , und das Wasser am unteren Rand des Siebes wird gesammelt (V2). Die Berechnungsformel lautet wie folgt: WRV=(V1-V2)/G.

3. Ergebnisse und Diskussion

3.1 Auswahl der Bedingungen der Alkalisierungsreaktion

Bei der Herstellung von Alkalizellulose durch die Einwirkung von Baumwollfasern und alkalischer Lösung haben die Prozessbedingungen einen erheblichen Einfluss auf die Leistung des Produkts. Bei der Alkalisierungsreaktion spielen viele Faktoren eine Rolle. Zur Vereinfachung der Beobachtung wird die Methode des orthogonalen Experimentdesigns übernommen.

Sonstige Bedingungen: Das Lösungsmittel ist 20 ml absolutes Ethanol, das Verhältnis von Alkali zu Veretherungsmittel (mol/md) beträgt 3:1 und das Vernetzungsmittel beträgt 0,05 g.

Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass: primäre und sekundäre Beziehung: C>A>B, das beste Verhältnis: A3B3C3. Die Konzentration der Lauge ist der wichtigste Faktor bei der Alkalisierungsreaktion. Die hohe Konzentration der Lauge begünstigt die Bildung von Alkalicellulose. Es ist jedoch zu beachten, dass der Salzgehalt des hergestellten Superabsorberharzes umso höher ist, je höher die Laugenkonzentration ist. Wenn Sie das Salz daher mit Ethanol waschen, waschen Sie es mehrmals, um sicherzustellen, dass das Salz im Produkt entfernt wird und die Wasseraufnahmefähigkeit des Produkts nicht beeinträchtigt wird.

3.2 Auswirkung der Dosierung des Vernetzungsmittels auf den WRV des Produkts

Die Versuchsbedingungen sind: 20 ml absolutes Ethanol, 2,3:1-Verhältnis von Alkali zu Veretherungsmittel, 20 ml Lauge und 90 Minuten Alkalisierung.

Die Ergebnisse zeigten, dass die Menge des Vernetzungsmittels den Vernetzungsgrad von CMC-Na beeinflusste. Eine übermäßige Vernetzung führt zu einer dichten Netzwerkstruktur im Produktraum, die durch eine geringe Wasseraufnahmerate und eine schlechte Elastizität nach der Wasseraufnahme gekennzeichnet ist; Wenn die Menge an Vernetzungsmittel gering ist, ist die Vernetzung unvollständig und es entstehen wasserlösliche Produkte, die auch die Wasserabsorptionsrate beeinflussen. Wenn die Menge des Vernetzungsmittels weniger als 0,06 g beträgt, nimmt die Wasserabsorptionsrate mit zunehmender Menge des Vernetzungsmittels zu, wenn die Menge des Vernetzungsmittels mehr als 0,06 g beträgt, nimmt die Wasserabsorptionsrate ab mit der Menge an Vernetzungsmittel. Daher beträgt die Dosierung des Vernetzungsmittels etwa 6 % der Baumwollfasermasse.

3.3 Einfluss der Veretherungsbedingungen auf die Produkt-WRV

Die Versuchsbedingungen sind: Alkalikonzentration 40 %; Alkalivolumen 20 ml; absolutes Ethanol 20 ml; Dosierung des Vernetzungsmittels 0,06 g; Alkalisierung 90min.

Aus der chemischen Reaktionsformel sollte das Alkali-Ether-Verhältnis (NaOH:CICH2-COOH) 2:1 betragen, die tatsächlich eingesetzte Alkalimenge ist jedoch größer als dieses Verhältnis, da eine bestimmte freie Alkalikonzentration im Reaktionssystem gewährleistet sein muss , weil: Bestimmte höhere Konzentrationen an freier Base begünstigen den Abschluss der Alkalisierungsreaktion; die Vernetzungsreaktion muss unter alkalischen Bedingungen durchgeführt werden; Einige Nebenreaktionen verbrauchen Alkali. Wenn jedoch zu viel Alkali zugegeben wird, wird die Alkalifaser stark abgebaut und gleichzeitig wird die Effizienz des Veretherungsmittels verringert. Experimente zeigen, dass das Verhältnis von Alkali zu Ether etwa 2,5:1 beträgt.

3.4 Einfluss der Lösungsmittelmenge

Die Versuchsbedingungen sind: Alkalikonzentration 40 %; Alkali-Dosierung 20 ml; Alkali-Ether-Verhältnis 2,5:1; Vernetzungsmitteldosierung 0,06g, Alkalisierung 90min.

Das wasserfreie Lösungsmittel Ethanol spielt die Rolle des Dispergierens, Homogenisierens und Aufrechterhaltens des Schlammzustands des Systems, was sich positiv auf die Dispergierung und Übertragung der bei der Bildung von Alkalizellulose freigesetzten Wärme auswirkt und die Hydrolysereaktion von Alkalizellulose reduzieren kann, wodurch eine Gleichmäßigkeit erreicht wird Zellulose. Wenn jedoch zu viel Alkohol zugesetzt wird, lösen sich Alkali und Natriummonochloracetat darin, die Konzentration der Reaktanten nimmt ab, die Reaktionsgeschwindigkeit nimmt ab und es wirkt sich auch negativ auf die anschließende Vernetzung aus. Wenn die Menge an absolutem Ethanol 20 ml beträgt, ist der WRV-Wert groß.

Zusammenfassend sind die am besten geeigneten Bedingungen für die Herstellung von superabsorbierendem Harz aus absorbierender Baumwolle, alkalisiert und verethert, mit N, N-Methylenbisacrylamid vernetzter Carboxymethylcellulose: Alkalikonzentration 40 %, lösungsmittelfrei, 20 ml Wasser und Ethanol, das Verhältnis von Alkali zu Ether beträgt 2,5:1 und die Dosierung des Vernetzungsmittels beträgt 0,06 g (6 % der Menge an Baumwoll-Linters).