Matériau super absorbant à base d'éther de cellulose

Le processus et les performances du produit de carboxyméthylcellulose réticulée par le N, N-méthylènebisacrylamide pour préparer une résine superabsorbante ont été étudiés, et la concentration d'alcali, la quantité d'agent de réticulation, l'éthérification alcaline et le solvant ont été discutés. L'effet du dosage sur les performances d'absorption d'eau du produit. Le mécanisme d'adsorption de la résine absorbant l'eau sur l'eau est expliqué. Des études ont montré que la valeur de rétention d'eau (WRV) de ce produit atteint 114 ml/g.

Mots clés :éther de cellulose; le méthylènebisacrylamide; préparation

1、Introduction

La résine superabsorbante est un matériau polymère comportant de forts groupes hydrophiles et un certain degré de réticulation. Les matériaux absorbant l'eau courants tels que le papier, le coton et le chanvre ont un faible taux d'absorption d'eau et une faible capacité de rétention d'eau, tandis que les résines super absorbantes peuvent absorber l'eau des dizaines de fois leur propre poids, et le gel formé après absorption de l'eau ne se déshydratera même pas. avec une légère pression. Excellente capacité de rétention d'eau. Il n'est ni soluble dans l'eau ni dans les solvants organiques.

Il existe un grand nombre de groupes hydroxyle, de groupes carboxyle et d'ions hydrate de sodium sur la chaîne moléculaire du matériau super absorbant en cellulose. Après avoir absorbé l'eau, l'eau est entourée d'un réseau macromoléculaire hydrophile et peut être retenue sous pression externe. Lorsque l'eau humidifie la résine d'adsorption, une couche de membrane semi-perméable se forme entre la résine et l'eau. En raison de la forte concentration d'ions mobiles (Na+) dans la résine absorbant l'eau, selon Donnan'Conformément au principe d'équilibre, cette différence de concentration en ions peut provoquer une pression osmotique. Pauvre, formant un faible pouvoir d'humidification et de gonflement, l'eau traverse cette couche de membrane semi-perméable et se combine avec des groupes hydrophiles et des ions sur les macromolécules de la résine superabsorbante, réduisant la concentration d'ions mobiles, montrant ainsi une absorption d'eau et un gonflement élevés. Ce processus d'adsorption se poursuit jusqu'à ce que la différence de pression osmotique provoquée par la différence de concentration d'ions mobiles soit égale à la résistance à une expansion ultérieure provoquée par la force de cohésion du réseau moléculaire de la résine polymère. Les avantages de la résine superabsorbante préparée à partir de cellulose sont : taux d'absorption d'eau modéré, vitesse d'absorption d'eau rapide, bonne résistance à l'eau salée, non toxique, valeur de pH facile à ajuster, peut être dégradée dans la nature et faible coût, elle a donc un large gamme d'utilisations. Il peut être utilisé comme agent bloquant l’eau, amendement du sol et agent de rétention d’eau dans l’industrie et l’agriculture. En outre, il présente de bonnes perspectives de développement et d’application dans les domaines de la santé, de l’alimentation, de la microbiologie et de la médecine.

2. Partie expérimentale

2.1 Principe expérimental

La préparation de résine superabsorbante de fibres de coton consiste principalement à former une structure réticulée avec un faible degré de substitution sur la peau des fibres. Réticulation avec des composés qui ont généralement deux groupes fonctionnels réactifs ou plus. Les groupes fonctionnels capables de réticulation comprennent le vinyle, l'hydroxyle, le carboxyle, l'amide, le chlorure d'acide, l'oxirane, le nitrile, etc. Le taux d'absorption d'eau des résines superabsorbantes préparées avec différents agents de réticulation est différent. Dans cette expérience, le N,N-méthylènebisacrylamide est utilisé comme agent de réticulation, comprenant les étapes suivantes :

(1) La cellulose (Rcell) réagit avec une solution alcaline pour générer de la cellulose alcaline, et la réaction d'alcalinisation de la cellulose est une réaction exothermique rapide. L'abaissement de la température est propice à la formation de fibres alcalines et peut inhiber leur hydrolyse. L'ajout d'alcools peut augmenter le désordre de la cellulose, ce qui est bénéfique à l'alcalinisation et à l'éthérification ultérieure.

RcellOH+NaOH→RcellONa+H2O

(2) La cellulose alcaline et l'acide monochloroacétique génèrent de la carboxyméthylcellulose sodique, et la réaction d'éthérification appartient à la réaction de substitution nucléophile :

RcellONa+ClCH2COONa→RcellOCH2COONa+NaCl

(3) N,N-méthylènebisacrylamide réticulé pour obtenir une résine super absorbante. Parce qu'il existe encore un grand nombre de groupes hydroxyle sur la chaîne moléculaire de la fibre carboxyméthylique, l'ionisation du groupe hydroxyle de la cellulose et l'ionisation de la double liaison acryloyle sur la chaîne moléculaire du N, N-méthylènebisacrylamide peuvent être déclenchées sous l'action de catalyse alcaline, puis la réticulation entre les chaînes moléculaires de cellulose se produit par condensation de Michael et subit immédiatement un échange de protons avec de l'eau pour devenir une résine superabsorbante de cellulose insoluble dans l'eau.

2.2 Matières premières et instruments

Matières premières : coton absorbant (coupé en linters), soude, acide monochloroacétique, N, N-méthylènebisacrylamide, éthanol absolu, acétone.

Instruments : ballon à trois cols, agitation électrique, condenseur à reflux, flacon filtrant d'aspiration, entonnoir Buchner, étuve sous vide, pompe à vide de circulation d'eau.

2.3 Méthode de préparation

2.3.1 Alcalinisation

Ajoutez 1 g de coton absorbant dans le flacon à trois cols, puis ajoutez une certaine quantité de solution d'hydroxyde de sodium et d'éthanol absolu, maintenez la température en dessous de la température ambiante et remuez pendant un moment.

2.3.2 Ethérification

Ajoutez une certaine quantité d'acide chloroacétique et remuez pendant 1h.

2.3.2 Réticulation

Dans l'étape ultérieure de l'éthérification, du N,N-méthylènebisacrylamide a été ajouté proportionnellement pour effectuer la réticulation et agité à température ambiante pendant 2 heures.

2.3.4 Post-traitement

Utiliser de l'acide acétique glacial pour ajuster la valeur du pH à 7, laver le sel avec de l'éthanol, laver l'eau avec de l'acétone, filtrer avec aspiration et sécher sous vide pendant 4 heures (à environ 60 °C).°C, degré de vide 8,8 kPa) pour obtenir un produit en filament de coton blanc.

2.4 Tests analytiques

Le taux d'absorption d'eau (WRV) est déterminé par tamisage, c'est-à-dire que 1 g du produit (G) est ajouté dans un bécher contenant 100 ml d'eau distillée (V1), trempé pendant 24 heures, filtré sur un tamis en acier inoxydable de 200 mailles. , et l'eau au bas du tamis est collectée (V2). La formule de calcul est la suivante : WRV=(V1-V2)/G.

3. Résultats et discussion

3.1 Sélection des conditions de réaction d'alcalinisation

Dans le processus de production de cellulose alcaline par l'action de la fibre de coton et d'une solution alcaline, les conditions du processus ont un impact significatif sur les performances du produit. De nombreux facteurs interviennent dans la réaction d’alcalinisation. Pour faciliter l’observation, la méthode de conception d’expérience orthogonale est adoptée.

Autres conditions : Le solvant est 20 ml d'éthanol absolu, le rapport alcali/agent éthérifiant (mol/md) est de 3 : 1 et l'agent de réticulation est de 0,05 g.

Les résultats expérimentaux montrent que : relation primaire et secondaire : C>A>B, le meilleur rapport : A3B3C3. La concentration de lessive est le facteur le plus important dans la réaction d’alcalinisation. La forte concentration de lessive est propice à la formation d’alcali-cellulose. Cependant, il convient de noter que plus la concentration en lessive est élevée, plus la teneur en sel de la résine superabsorbante préparée est élevée. Par conséquent, lors du lavage du sel avec de l'éthanol, lavez-le plusieurs fois pour vous assurer que le sel contenu dans le produit est éliminé, afin de ne pas affecter la capacité d'absorption d'eau du produit.

3.2 Effet du dosage de l'agent réticulant sur le WRV du produit

Les conditions expérimentales sont : 20 ml d'éthanol absolu, un rapport alcali/agent d'éthérification de 2,3 : 1, 20 ml de lessive et 90 minutes d'alcalinisation.

Les résultats ont montré que la quantité d’agent de réticulation affectait le degré de réticulation de la CMC-Na. Une réticulation excessive conduit à une structure de réseau serrée dans l'espace du produit, caractérisée par un faible taux d'absorption d'eau et une faible élasticité après absorption d'eau ; lorsque la quantité d'agent de réticulation est faible, la réticulation est incomplète et il existe des produits solubles dans l'eau, qui affectent également le taux d'absorption d'eau. Lorsque la quantité d'agent de réticulation est inférieure à 0,06 g, le taux d'absorption d'eau augmente avec l'augmentation de la quantité d'agent de réticulation, lorsque la quantité d'agent de réticulation est supérieure à 0,06 g, le taux d'absorption d'eau diminue avec la quantité d'agent de réticulation. Le dosage en agent réticulant est donc d’environ 6 % de la masse des fibres de coton.

3.3 Effet des conditions d'éthérification sur le produit WRV

Les conditions expérimentales sont : concentration en alcali 40 % ; volume d'alcali 20 ml ; éthanol absolu 20 ml ; Dosage d'agent de réticulation 0,06 g ; alcalinisation 90min.

D'après la formule de réaction chimique, le rapport alcali-éther (NaOH:CICH2-COOH) doit être de 2:1, mais la quantité réelle d'alcali utilisée est supérieure à ce rapport, car une certaine concentration d'alcali libre doit être garantie dans le système réactionnel. , car : certain Une concentration plus élevée de base libre est propice à l'achèvement de la réaction d'alcalinisation ; la réaction de réticulation doit être réalisée dans des conditions alcalines ; certaines réactions secondaires consomment des alcalis. Cependant, si la quantité d'alcali est ajoutée trop, la fibre alcaline sera sérieusement dégradée et, en même temps, l'efficacité de l'agent d'éthérification sera réduite. Les expériences montrent que le rapport alcali/éther est d’environ 2,5 : 1.

3.4 Influence de la quantité de solvant

Les conditions expérimentales sont : concentration en alcali 40 % ; dosage d'alcali 20 ml ; rapport alcali-éther 2,5:1 ; Dosage d'agent de réticulation 0,06g, alcalinisation 90min.

Le solvant éthanol anhydre joue le rôle de dispersion, d'homogénéisation et de maintien de l'état de suspension du système, ce qui est bénéfique pour disperser et transférer la chaleur libérée lors de la formation de la cellulose alcaline, et peut réduire la réaction d'hydrolyse de la cellulose alcaline, obtenant ainsi une uniformité. cellulosique. Cependant, si la quantité d'alcool ajoutée est trop importante, l'alcali et le monochloroacétate de sodium s'y dissoudront, la concentration des réactifs diminuera, la vitesse de réaction diminuera et cela aura également un effet néfaste sur la réticulation ultérieure. Lorsque la quantité d'éthanol absolu est de 20 ml, la valeur WRV est grande.

En résumé, les conditions les plus adaptées pour préparer une résine superabsorbante à partir de coton absorbant carboxyméthylcellulose alcalinisée et éthérifiée réticulée par le N,N-méthylènebisacrylamide sont : concentration en alcali 40%, sans solvant 20 ml d'eau et d'éthanol, le rapport alcali/éther est de 2,5:1 et le dosage d'agent de réticulation est de 0,06 g (6 % de la quantité de linters de coton).