Materiale super assorbente da etere di cellulosa

Sono state studiate le prestazioni del processo e del prodotto della carbossimetilcellulosa reticolata con N,N-metilenebisacrilammide per preparare una resina superassorbente e sono state discusse la concentrazione di alcali, la quantità di agente reticolante, l'eterificazione degli alcali e il solvente. L'effetto del dosaggio sulle prestazioni di assorbimento d'acqua del prodotto. Viene spiegato il meccanismo di assorbimento della resina idroassorbente nell'acqua. Gli studi hanno dimostrato che il valore di ritenzione idrica (WRV) di questo prodotto raggiunge 114 ml/g.

Parole chiave:etere di cellulosa; metilenbisacrilammide; preparazione

1、Introduzione

La resina superassorbente è un materiale polimerico con forti gruppi idrofili e un certo grado di reticolazione. I comuni materiali che assorbono l'acqua come carta, cotone e canapa hanno un basso tasso di assorbimento dell'acqua e una scarsa capacità di ritenzione idrica, mentre le resine superassorbenti possono assorbire acqua decine di volte il proprio peso e il gel formato dopo aver assorbito l'acqua non si disidraterà nemmeno con una leggera pressione. Ottima capacità di ritenzione idrica. Non è solubile in acqua né in solventi organici.

Sulla catena molecolare del materiale super assorbente in cellulosa sono presenti numerosi gruppi idrossilici, gruppi carbossilici e ioni idrato di sodio. Dopo aver assorbito l'acqua, l'acqua è circondata da una rete macromolecolare idrofila e può essere trattenuta sotto pressione esterna. Quando l'acqua inumidisce la resina adsorbente, tra la resina e l'acqua si forma uno strato di membrana semipermeabile. Secondo Donnan, ciò è dovuto all'elevata concentrazione di ioni mobili (Na+) nella resina che assorbe l'acqua'Secondo il principio di equilibrio, questa differenza di concentrazione di ioni può causare pressione osmotica. Scarsa, formando un debole potere umettante e rigonfiante, l'acqua passa attraverso questo strato di membrana semipermeabile e si combina con gruppi idrofili e ioni sulle macromolecole della resina superassorbente, riducendo la concentrazione di ioni mobili, mostrando così un elevato assorbimento d'acqua e rigonfiamento. Questo processo di adsorbimento continua finché la differenza di pressione osmotica causata dalla differenza nella concentrazione di ioni mobili è uguale alla resistenza all'ulteriore espansione causata dalla forza di coesione della rete molecolare della resina polimerica. I vantaggi della resina superassorbente preparata dalla cellulosa sono: tasso di assorbimento d'acqua moderato, velocità di assorbimento dell'acqua rapida, buona resistenza all'acqua salata, non tossico, valore del pH facile da regolare, può essere degradato in natura e basso costo, quindi ha un'ampia gamma di usi. Può essere utilizzato come agente bloccante l'acqua, ammendante del terreno e agente di ritenzione idrica nell'industria e nell'agricoltura. Inoltre, ha buone prospettive di sviluppo e applicazione nei settori della salute, dell’alimentazione, della microbiologia e della medicina.

2. Parte sperimentale

2.1 Principio sperimentale

La preparazione della resina superassorbente della fibra di cotone consiste principalmente nel formare una struttura reticolata con un basso grado di sostituzione sulla pelle della fibra. Reticolazione a composti che generalmente hanno due o più gruppi funzionali reattivi. I gruppi funzionali in grado di reticolare includono vinile, idrossile, carbossile, ammide, cloruro acido, ossirano, nitrile, ecc. Il rapporto di assorbimento d'acqua delle resine superassorbenti preparate con diversi agenti reticolanti è diverso. In questo esperimento, N,N-metilenebisacrilammide viene utilizzata come agente reticolante, compresi i seguenti passaggi:

(1) La cellulosa (Rcell) reagisce con la soluzione alcalina per generare cellulosa alcalina e la reazione di alcalinizzazione della cellulosa è una rapida reazione esotermica. L'abbassamento della temperatura favorisce la formazione di fibre alcaline e può inibirne l'idrolisi. L'aggiunta di alcoli può aumentare il disordine della cellulosa, il che è benefico per l'alcalinizzazione e la successiva eterificazione.

RcellOH+NaOH→RcellONa+H2O

(2) La cellulosa alcalina e l'acido monocloroacetico generano carbossimetilcellulosa di sodio e la reazione di eterificazione appartiene alla reazione di sostituzione nucleofila:

RcellONa+ClCH2COONa→RcellOCH2COONa+NaCl

(3) N,N-metilenbisacrilammide reticolata per ottenere una resina super assorbente. Poiché sulla catena molecolare della fibra carbossimetilica è ancora presente un gran numero di gruppi idrossilici, la ionizzazione del gruppo idrossile della cellulosa e la ionizzazione del doppio legame acriloile sulla catena molecolare dell'N, N-metilenbisacrilammide possono essere innescate sotto l'azione di catalisi alcalina, quindi la reticolazione tra le catene molecolari della cellulosa avviene attraverso la condensazione di Michael e subisce immediatamente lo scambio di protoni con l'acqua per diventare una resina superassorbente di cellulosa insolubile in acqua.

2.2 Materie prime e strumenti

Materie prime: cotone assorbente (tagliato in linter), idrossido di sodio, acido monocloroacetico, N, N-metilenbisacrilammide, etanolo assoluto, acetone.

Strumenti: pallone a tre colli, agitazione elettrica, condensatore a ricadere, pallone con filtro di aspirazione, imbuto Buchner, forno di essiccazione sotto vuoto, pompa a vuoto a circolazione d'acqua.

2.3 Metodo di preparazione

2.3.1 Alcalinizzazione

Aggiungere 1 g di cotone assorbente alla bottiglia a tre colli, quindi aggiungere una certa quantità di soluzione di idrossido di sodio ed etanolo assoluto, mantenere la temperatura al di sotto della temperatura ambiente e mescolare per un po'.

2.3.2 Eterificazione

Aggiungere una certa quantità di acido cloroacetico e agitare per 1 ora.

2.3.2 Reticolazione

Nella fase successiva di eterificazione, è stata aggiunta N,N-metilenbisacrilammide in proporzione per effettuare la reticolazione e si è agitato a temperatura ambiente per 2 ore.

2.3.4 Post-elaborazione

Utilizzare acido acetico glaciale per regolare il valore del pH su 7, lavare via il sale con etanolo, lavare via l'acqua con acetone, filtrare con aspirazione e asciugare sotto vuoto per 4 ore (a circa 60°C, grado di vuoto 8,8 kPa) per ottenere un prodotto in filamenti di cotone bianco.

2.4 Test analitici

Il tasso di assorbimento dell'acqua (WRV) viene determinato mediante setacciatura, ovvero 1 g del prodotto (G) viene aggiunto a un becher contenente 100 ml di acqua distillata (V1), lasciato a bagno per 24 ore, filtrato attraverso un setaccio di acciaio inossidabile da 200 mesh. e l'acqua nella parte inferiore dello schermo viene raccolta (V2). La formula di calcolo è la seguente: WRV=(V1-V2)/G.

3. Risultati e discussione

3.1 Scelta delle condizioni della reazione di alcalinizzazione

Nel processo di produzione di cellulosa alcalina mediante l'azione della fibra di cotone e della soluzione alcalina, le condizioni del processo hanno un impatto significativo sulle prestazioni del prodotto. Ci sono molti fattori nella reazione di alcalinizzazione. Per comodità di osservazione, viene adottato il metodo di progettazione dell'esperimento ortogonale.

Altre condizioni: il solvente è 20 ml di etanolo assoluto, il rapporto tra alcali e agente eterificante (mol/md) è 3:1 e l'agente reticolante è 0,05 g.

I risultati sperimentali mostrano che: relazione primaria e secondaria: C>A>B, il miglior rapporto: A3B3C3. La concentrazione della lisciva è il fattore più importante nella reazione di alcalinizzazione. L'elevata concentrazione di liscivia favorisce la formazione di cellulosa alcalina. Tuttavia, va notato che maggiore è la concentrazione di liscivia, maggiore è il contenuto di sale della resina superassorbente preparata. Pertanto, quando si lava il sale con etanolo, lavarlo più volte per garantire che il sale nel prodotto venga rimosso, in modo da non compromettere la capacità di assorbimento dell'acqua del prodotto.

3.2 Effetto del dosaggio dell'agente reticolante sul prodotto WRV

Le condizioni sperimentali sono: 20 ml di etanolo assoluto, rapporto 2,3:1 tra alcali e agente di eterificazione, 20 ml di liscivia e 90 minuti di alcalinizzazione.

I risultati hanno mostrato che la quantità di agente reticolante influenzava il grado di reticolazione di CMC-Na. Una reticolazione eccessiva porta ad una struttura di rete stretta nello spazio del prodotto, caratterizzata da un basso tasso di assorbimento d'acqua e una scarsa elasticità dopo l'assorbimento d'acqua; quando la quantità di agente reticolante è piccola, la reticolazione è incompleta e sono presenti prodotti solubili in acqua, che influenzano anche il tasso di assorbimento dell'acqua. Quando la quantità di agente reticolante è inferiore a 0,06 g, il tasso di assorbimento d'acqua aumenta con l'aumento della quantità di agente reticolante, quando la quantità di agente reticolante è superiore a 0,06 g, il tasso di assorbimento d'acqua diminuisce con la quantità di agente reticolante. Pertanto il dosaggio dell'agente reticolante è pari a circa il 6% della massa della fibra di cotone.

3.3 Effetto delle condizioni di eterificazione sul WRV del prodotto

Le condizioni sperimentali sono: concentrazione alcali 40%; volume alcalino 20 ml; etanolo assoluto 20ml; dosaggio agente reticolante 0,06 g; alcalinizzazione 90min.

Dalla formula della reazione chimica, il rapporto alcali-etere (NaOH:CICH2-COOH) dovrebbe essere 2:1, ma la quantità effettiva di alcali utilizzati è maggiore di questo rapporto, perché nel sistema di reazione deve essere garantita una certa concentrazione di alcali liberi , perché: una certa maggiore concentrazione di base libera è favorevole al completamento della reazione di alcalinizzazione; la reazione di reticolazione deve essere condotta in condizioni alcaline; alcune reazioni collaterali consumano alcali. Tuttavia, se la quantità di alcali viene aggiunta in misura eccessiva, la fibra alcalina verrà seriamente degradata e, allo stesso tempo, l'efficienza dell'agente eterificante verrà ridotta. Gli esperimenti mostrano che il rapporto tra alcali ed etere è di circa 2,5:1.

3.4 Influenza della quantità di solvente

Le condizioni sperimentali sono: concentrazione alcali 40%; dosaggio alcali 20ml; rapporto alcali-etere 2,5:1; dosaggio agente reticolante 0,06g, alcalinizzazione 90min.

Il solvente etanolo anidro svolge il ruolo di dispersione, omogeneizzazione e mantenimento dello stato di impasto liquido del sistema, che è utile per disperdere e trasferire il calore rilasciato durante la formazione di cellulosa alcalina e può ridurre la reazione di idrolisi della cellulosa alcalina, ottenendo così uniformità cellulosa. Tuttavia, se la quantità di alcol aggiunta è eccessiva, il monocloroacetato alcalino e di sodio si dissolverà in esso, la concentrazione dei reagenti diminuirà, la velocità di reazione diminuirà e avrà anche un effetto negativo sulla successiva reticolazione. Quando la quantità di etanolo assoluto è 20 ml, il valore WRV è elevato.

In sintesi, le condizioni più adatte per preparare la resina superassorbente da cotone assorbente carbossimetilcellulosa alcalinizzata ed eterificata reticolata da N,N-metilenbisacrilammide sono: concentrazione di alcali 40%, 20 ml di acqua ed etanolo privi di solventi, il rapporto tra alcali ed etere è 2,5:1 e il dosaggio dell'agente reticolante è 0,06 g (6% della quantità di linter di cotone).