Material súper absorbente de éter de celulosa

Se estudiaron el proceso y el rendimiento del producto de carboximetilcelulosa reticulada con N,N-metilenbisacrilamida para preparar resina superabsorbente, y se discutieron la concentración de álcali, la cantidad de agente reticulante, la eterificación alcalina y el disolvente. El efecto de la dosis sobre el rendimiento de absorción de agua del producto. Se explica el mecanismo de adsorción de la resina absorbente de agua al agua. Los estudios han demostrado que el valor de retención de agua (WRV) de este producto alcanza los 114 ml/g.

Palabras clave:éter de celulosa; metilenbisacrilamida; preparación

1、Introducción

La resina superabsorbente es un material polimérico con fuertes grupos hidrófilos y un cierto grado de reticulación. Los materiales comunes que absorben agua, como el papel, el algodón y el cáñamo, tienen una baja tasa de absorción de agua y poca capacidad de retención de agua, mientras que las resinas superabsorbentes pueden absorber agua decenas de veces su propio peso, y el gel formado después de absorber agua no se deshidratará incluso con una ligera presión. Excelente capacidad de retención de agua. No es soluble en agua ni en disolventes orgánicos.

En la cadena molecular del material superabsorbente hecho de celulosa hay una gran cantidad de grupos hidroxilo, grupos carboxilo e iones de hidrato de sodio. Después de absorber agua, el agua queda rodeada por una red macromolecular hidrófila y puede retenerse bajo presión externa. Cuando el agua humedece la resina de adsorción, se forma una capa de membrana semipermeable entre la resina y el agua. Según Donnan, debido a la alta concentración de iones móviles (Na+) en la resina absorbente de agua'Según el principio de equilibrio, esta diferencia de concentración de iones puede causar presión osmótica. El agua, con un poder débil de humectación e hinchazón, pasa a través de esta capa de membrana semipermeable y se combina con grupos e iones hidrófilos en las macromoléculas de la resina superabsorbente, lo que reduce la concentración de iones móviles, mostrando así una alta absorción de agua e hinchazón. Este proceso de adsorción continúa hasta que la diferencia de presión osmótica causada por la diferencia en la concentración de iones móviles es igual a la resistencia a una mayor expansión causada por la fuerza cohesiva de la red molecular de la resina polimérica. Las ventajas de la resina superabsorbente preparada a partir de celulosa son: tasa de absorción de agua moderada, velocidad de absorción de agua rápida, buena resistencia al agua salada, valor de pH no tóxico, fácil de ajustar, se puede degradar en la naturaleza y bajo costo, por lo que tiene una amplia gama de usos. Puede usarse como agente bloqueador de agua, acondicionador de suelos y agente retenedor de agua en la industria y la agricultura. Además, tiene buenas perspectivas de desarrollo y aplicación en salud, alimentación, microbiología y medicina.

2. Parte experimental

2.1 Principio experimental

La preparación de resina superabsorbente de fibra de algodón tiene como objetivo principal formar una estructura reticulada con un bajo grado de sustitución en la piel de la fibra. Reticulación a compuestos que generalmente tienen dos o más grupos funcionales reactivos. Los grupos funcionales capaces de reticular incluyen vinilo, hidroxilo, carboxilo, amida, cloruro de ácido, oxirano, nitrilo, etc. La relación de absorción de agua de las resinas superabsorbentes preparadas con diferentes agentes reticulantes es diferente. En este experimento, se utiliza N,N-metilenbisacrilamida como agente reticulante, incluidos los siguientes pasos:

(1) La celulosa (Rcell) reacciona con una solución alcalina para generar celulosa alcalina, y la reacción de alcalinización de la celulosa es una reacción exotérmica rápida. Bajar la temperatura favorece la formación de fibras alcalinas y puede inhibir su hidrólisis. La adición de alcoholes puede aumentar el desorden de la celulosa, lo que favorece la alcalinización y la posterior eterificación.

RcelOH+NaOH→RcellONa+H2O

(2) La celulosa alcalina y el ácido monocloroacético generan carboximetilcelulosa de sodio, y la reacción de eterificación pertenece a la reacción de sustitución nucleofílica:

RcellONa+ClCH2COONa→RcellOCH2COONa+NaCl

(3) N,N-metilenbisacrilamida reticulada para obtener una resina superabsorbente. Debido a que todavía hay una gran cantidad de grupos hidroxilo en la cadena molecular de la fibra de carboximetilo, la ionización del grupo hidroxilo de la celulosa y la ionización del doble enlace acriloilo en la cadena molecular de N, N-metilenbisacrilamida pueden desencadenarse bajo la acción de catálisis alcalina, y luego se produce el entrecruzamiento entre las cadenas moleculares de celulosa a través de la condensación de Michael, e inmediatamente sufre un intercambio de protones con agua para convertirse en una resina superabsorbente de celulosa insoluble en agua.

2.2 Materias primas e instrumentos

Materias primas: algodón absorbente (cortado en borra), hidróxido de sodio, ácido monocloroacético, N, N-metilenbisacrilamida, etanol absoluto, acetona.

Instrumentos: matraz de tres bocas, agitador eléctrico, condensador de reflujo, matraz filtrante de succión, embudo Buchner, estufa de secado al vacío, bomba de vacío de agua circulante.

2.3 Método de preparación

2.3.1 Alcalinización

Agregue 1 g de algodón absorbente a la botella de tres bocas, luego agregue una cierta cantidad de solución de hidróxido de sodio y etanol absoluto, mantenga la temperatura por debajo de la temperatura ambiente y revuelva por un momento.

2.3.2 Eterificación

Añadir una cierta cantidad de ácido cloroacético y agitar durante 1 h.

2.3.2 Reticulación

En la última etapa de eterificación, se añadió N,N-metilenbisacrilamida en proporción para llevar a cabo la reticulación y se agitó a temperatura ambiente durante 2 horas.

2.3.4 Postprocesamiento

Use ácido acético glacial para ajustar el valor del pH a 7, lave la sal con etanol, lave el agua con acetona, filtre con succión y seque al vacío durante 4 horas (a aproximadamente 60°C, grado de vacío 8,8 kPa) para obtener un producto de filamento de algodón blanco.

2.4 Pruebas analíticas

La tasa de absorción de agua (WRV) se determina mediante tamizado, es decir, se añade 1g del producto (G) a un vaso que contiene 100ml de agua destilada (V1), se deja remojar durante 24 horas, se filtra a través de una malla de acero inoxidable de 200 mallas. , y se recoge el agua en la parte inferior de la pantalla (V2). La fórmula de cálculo es la siguiente: WRV=(V1-V2)/G.

3. Resultados y discusión

3.1 Selección de condiciones de reacción de alcalinización.

En el proceso de producción de celulosa alcalina mediante la acción de la fibra de algodón y una solución alcalina, las condiciones del proceso tienen un impacto significativo en el rendimiento del producto. Hay muchos factores en la reacción de alcalinización. Para facilitar la observación, se adopta el método de diseño de experimentos ortogonales.

Otras condiciones: el disolvente son 20 ml de etanol absoluto, la proporción de álcali a agente eterificante (mol/md) es 3:1 y el agente reticulante es 0,05 g.

Los resultados experimentales muestran que: relación primaria y secundaria: C>A>B, la mejor relación: A3B3C3. La concentración de lejía es el factor más importante en la reacción de alcalinización. La alta concentración de lejía favorece la formación de celulosa alcalina. Sin embargo, cabe señalar que cuanto mayor sea la concentración de lejía, mayor será el contenido de sal de la resina superabsorbente preparada. Por lo tanto, al lavar la sal con etanol, lávela varias veces para asegurarse de eliminar la sal del producto y no afectar la capacidad de absorción de agua del producto.

3.2 Efecto de la dosis del agente reticulante sobre el producto WRV

Las condiciones experimentales son: 20 ml de etanol absoluto, proporción 2,3:1 de álcali a agente de eterificación, 20 ml de lejía y 90 minutos de alcalinización.

Los resultados mostraron que la cantidad de agente de reticulación afectó el grado de reticulación de CMC-Na. Una reticulación excesiva conduce a una estructura de red estrecha en el espacio del producto, que se caracteriza por una baja tasa de absorción de agua y poca elasticidad después de la absorción de agua; cuando la cantidad de agente reticulante es pequeña, la reticulación es incompleta y hay productos solubles en agua, que también afectan la tasa de absorción de agua. Cuando la cantidad de agente reticulante es inferior a 0,06 g, la tasa de absorción de agua aumenta con el aumento de la cantidad de agente reticulante, cuando la cantidad de agente reticulante es superior a 0,06 g, la tasa de absorción de agua disminuye con la cantidad de agente reticulante. Por lo tanto, la dosis de agente reticulante es aproximadamente el 6% de la masa de fibra de algodón.

3.3 Efecto de las condiciones de eterificación sobre el producto WRV

Las condiciones experimentales son: concentración de álcali 40%; volumen de álcali 20 ml; etanol absoluto 20 ml; dosis de agente reticulante 0,06 g; alcalinización 90min.

Según la fórmula de la reacción química, la relación álcali-éter (NaOH:CICH2-COOH) debe ser 2:1, pero la cantidad real de álcali utilizada es mayor que esta relación, porque se debe garantizar una cierta concentración de álcali libre en el sistema de reacción. , porque: cierta Una mayor concentración de base libre favorece la finalización de la reacción de alcalinización; la reacción de reticulación debe realizarse en condiciones alcalinas; algunas reacciones secundarias consumen álcali. Sin embargo, si se añade demasiada cantidad de álcali, la fibra alcalina se degradará gravemente y, al mismo tiempo, se reducirá la eficacia del agente de eterificación. Los experimentos muestran que la proporción entre álcali y éter es de aproximadamente 2,5:1.

3.4 Influencia de la cantidad de disolvente

Las condiciones experimentales son: concentración de álcali 40%; dosis de álcali 20 ml; relación álcali-éter 2,5:1; Dosis de agente reticulante 0,06 g, alcalinización 90 min.

El disolvente etanol anhidro desempeña la función de dispersar, homogeneizar y mantener el estado de suspensión del sistema, lo que es beneficioso para dispersar y transferir el calor liberado durante la formación de celulosa alcalina y puede reducir la reacción de hidrólisis de la celulosa alcalina, obteniendo así uniforme. celulosa. Sin embargo, si se agrega demasiada cantidad de alcohol, el álcali y el monocloroacetato de sodio se disolverán en él, la concentración de reactivos disminuirá, la velocidad de reacción disminuirá y esto también tendrá un efecto adverso en la reticulación posterior. Cuando la cantidad de etanol absoluto es de 20 ml, el valor WRV es grande.

En resumen, las condiciones más adecuadas para preparar resina superabsorbente a partir de algodón absorbente carboximetilcelulosa alcalinizada y eterificada reticulada por N,N-metilenbisacrilamida son: concentración de álcali 40%, 20 ml de agua y etanol sin disolvente, relación de álcali a éter es 2,5:1 y la dosis de agente reticulante es 0,06 g (6 % de la cantidad de borra de algodón).