Superabsorberend materiaal van cellulose-ether

Het proces en de productprestaties van carboxymethylcellulose, verknoopt door N,N-methyleenbisacrylamide om superabsorberende hars te bereiden, werden bestudeerd, en de concentratie van alkali, de hoeveelheid verknopingsmiddel, alkalische verethering en oplosmiddel werden besproken. Het effect van dosering op de waterabsorptieprestaties van het product. Het adsorptiemechanisme van de waterabsorberende hars aan water wordt uitgelegd. Uit onderzoek is gebleken dat de waterretentiewaarde (WRV) van dit product 114 ml/g bedraagt.

Trefwoorden:cellulose-ether; methyleenbisacrylamide; voorbereiding

1、Invoering

Superabsorberende hars is een polymeermateriaal met sterke hydrofiele groepen en een zekere mate van verknoping. Gebruikelijke waterabsorberende materialen zoals papier, katoen en hennep hebben een lage waterabsorptiesnelheid en een slecht waterretentievermogen, terwijl superabsorberende harsen water tientallen keren hun eigen gewicht kunnen absorberen, en de gel die wordt gevormd na het absorberen van water zal zelfs niet uitdrogen. met lichte druk. Uitstekende waterretentiecapaciteit. Het is noch oplosbaar in water, noch in organische oplosmiddelen.

Er zijn een groot aantal hydroxylgroepen, carboxylgroepen en natriumhydraationen op de moleculaire keten van het superabsorberende materiaal gemaakt van cellulose. Na het absorberen van water wordt het water omgeven door een hydrofiel macromoleculair netwerk en kan het onder externe druk worden vastgehouden. Wanneer water de adsorptiehars bevochtigt, wordt er een laag semi-permeabel membraan gevormd tussen de hars en water. Door de hoge concentratie mobiele ionen (Na+) in de waterabsorberende hars, aldus Donnan'Volgens het evenwichtsprincipe kan dit verschil in ionenconcentratie osmotische druk veroorzaken. Slecht water, dat een bevochtigende en zwellende zwakke kracht vormt, stroomt door deze laag van semi-permeabel membraan en combineert met hydrofiele groepen en ionen op de macromoleculen van de superabsorberende hars, waardoor de concentratie van mobiele ionen wordt verminderd, waardoor een hoge waterabsorptie en zwelling wordt vertoond. Dit adsorptieproces gaat door totdat het osmotische drukverschil veroorzaakt door het verschil in de concentratie van mobiele ionen gelijk is aan de weerstand tegen verdere expansie veroorzaakt door de cohesiekracht van het moleculaire netwerk van de polymeerhars. De voordelen van superabsorberende hars bereid uit cellulose zijn: gematigde waterabsorptiesnelheid, hoge waterabsorptiesnelheid, goede zoutwaterbestendigheid, niet-giftig, gemakkelijk aan te passen pH-waarde, kan van nature worden afgebroken en lage kosten, dus het heeft een brede scala aan toepassingen. Het kan worden gebruikt als waterblokkeermiddel, bodemverbeteraar en watervasthoudend middel in de industrie en de landbouw. Bovendien heeft het goede ontwikkelings- en toepassingsperspectieven in de gezondheidszorg, voeding, microbiologie en geneeskunde.

2. Experimenteel gedeelte

2.1 Experimenteel principe

De bereiding van superabsorberende hars van katoenvezels is hoofdzakelijk bedoeld om een ​​verknoopte structuur met een lage substitutiegraad op de vezelhuid te vormen. Verknoping met verbindingen die doorgaans twee of meer reactieve functionele groepen hebben. De functionele groepen die in staat zijn tot verknoping omvatten vinyl, hydroxyl, carboxyl, amide, zuurchloride, oxiraan, nitril, enz. De waterabsorptieverhouding van superabsorberende harsen bereid met verschillende verknopingsmiddelen is verschillend. In dit experiment wordt N,N-methyleenbisacrylamide gebruikt als verknopingsmiddel, inclusief de volgende stappen:

(1) Cellulose (Rcell) reageert met een alkalische oplossing om alkalicellulose te genereren, en de alkalisatiereactie van cellulose is een snelle exotherme reactie. Het verlagen van de temperatuur is bevorderlijk voor de vorming van alkalivezels en kan de hydrolyse ervan remmen. Het toevoegen van alcoholen kan de wanorde van cellulose vergroten, wat gunstig is voor de alkalisatie en de daaropvolgende verethering.

RcellOH+NaOH→RcelONa+H2O

(2) Alkalicellulose en monochloorazijnzuur genereren natriumcarboxymethylcellulose, en de veretheringsreactie behoort tot de nucleofiele substitutiereactie:

RcellONa+ClCH2COONa→RcelOCH2COONa+NaCl

(3) N,N-methyleenbisacrylamide verknoopt om een ​​superabsorberende hars te verkrijgen. Omdat er nog steeds een groot aantal hydroxylgroepen op de moleculaire keten van carboxymethylvezels aanwezig zijn, kan de ionisatie van de hydroxylgroep van cellulose en de ionisatie van de dubbele acryloylbinding op de moleculaire keten van N, N-methyleenbisacrylamide onder invloed van de actie worden geactiveerd. van alkalikatalyse, en vervolgens vindt verknoping tussen molecuulketens van cellulose plaats via Michael-condensatie, en ondergaat onmiddellijk protonenuitwisseling met water om een ​​in water onoplosbare superabsorberende cellulosehars te worden.

2.2 Grondstoffen en instrumenten

Grondstoffen: absorberend katoen (in linters gesneden), natriumhydroxide, monochloorazijnzuur, N,N-methyleenbisacrylamide, absolute ethanol, aceton.

Instrumenten: driehalskolf, elektrisch roeren, terugvloeikoeler, zuigfilterkolf, Buchner-trechter, vacuümdroogoven, circulerende watervacuümpomp.

2.3 Bereidingswijze

2.3.1 Alkalinisatie

Voeg 1 g absorberend katoen toe aan de driehalsfles, voeg vervolgens een bepaalde hoeveelheid natriumhydroxideoplossing en absolute ethanol toe, houd de temperatuur onder kamertemperatuur en roer een tijdje.

2.3.2 Etherificatie

Voeg een bepaalde hoeveelheid chloorazijnzuur toe en roer gedurende 1 uur.

2.3.2 Verknoping

In de latere fase van de verethering werd N,N-methyleenbisacrylamide in verhouding toegevoegd om verknoping uit te voeren, en gedurende 2 uur bij kamertemperatuur geroerd.

2.3.4 Nabewerking

Gebruik ijsazijn om de pH-waarde op 7 te brengen, spoel het zout weg met ethanol, spoel het water weg met aceton, filtreer met afzuiging en vacuümdroog gedurende 4 uur (bij ongeveer 60°C).°C, vacuümgraad 8,8 kPa) om een ​​wit katoenfilamentproduct te verkrijgen.

2.4 Analytisch testen

De waterabsorptiesnelheid (WRV) wordt bepaald door zeven, dat wil zeggen dat 1 g van het product (G) wordt toegevoegd aan een bekerglas met 100 ml gedestilleerd water (V1), 24 uur geweekt en gefilterd door een roestvrijstalen zeef met een maaswijdte van 200 mesh. en het water onder aan het scherm wordt opgevangen (V2). De berekeningsformule is als volgt: WRV=(V1-V2)/G.

3. Resultaten en discussie

3.1 Selectie van alkalisatiereactieomstandigheden

Bij het proces van het produceren van alkalicellulose door de werking van katoenvezels en een alkalische oplossing, hebben de procesomstandigheden een aanzienlijke invloed op de prestaties van het product. Er zijn veel factoren bij de alkalisatiereactie. Voor het gemak van observatie wordt de orthogonale experimentontwerpmethode toegepast.

Andere omstandigheden: Het oplosmiddel is 20 ml absolute ethanol, de verhouding van alkali tot veretheringsmiddel (mol/md) is 3:1 en het verknopingsmiddel is 0,05 g.

Uit de experimentele resultaten blijkt dat: primaire en secundaire relatie: C>A>B, de beste verhouding: A3B3C3. De concentratie van loog is de belangrijkste factor in de alkalisatiereactie. De hoge concentratie loog is bevorderlijk voor de vorming van alkalicellulose. Er moet echter worden opgemerkt dat hoe hoger de loogconcentratie, hoe groter het zoutgehalte van de bereide superabsorberende hars. Daarom moet u het zout bij het wassen met ethanol meerdere keren wassen om ervoor te zorgen dat het zout in het product wordt verwijderd, om het waterabsorptievermogen van het product niet te beïnvloeden.

3.2 Effect van dosering van verknopingsmiddel op product-WRV

De experimentele omstandigheden zijn: 20 ml absolute ethanol, 2,3:1 verhouding van alkali tot veretheringsmiddel, 20 ml loog en 90 minuten alkalisatie.

De resultaten toonden aan dat de hoeveelheid verknopingsmiddel de mate van verknoping van CMC-Na beïnvloedde. Overmatige verknoping leidt tot een strakke netwerkstructuur in de productruimte, die wordt gekenmerkt door een lage waterabsorptiesnelheid en een slechte elasticiteit na waterabsorptie; wanneer de hoeveelheid verknopingsmiddel klein is, is de verknoping onvolledig en zijn er in water oplosbare producten die ook de waterabsorptiesnelheid beïnvloeden. Wanneer de hoeveelheid verknopingsmiddel minder dan 0,06 g bedraagt, neemt de waterabsorptiesnelheid toe met de toename van de hoeveelheid verknopingsmiddel. Wanneer de hoeveelheid verknopingsmiddel meer dan 0,06 g bedraagt, neemt de waterabsorptiesnelheid af met de hoeveelheid verknopingsmiddel. Daarom bedraagt ​​de dosering van het verknopingsmiddel ongeveer 6% van de katoenvezelmassa.

3.3 Effect van veretheringsomstandigheden op de WRV van het product

De experimentele omstandigheden zijn: alkaliconcentratie 40%; alkalivolume 20 ml; absolute ethanol 20 ml; dosering verknopingsmiddel 0,06 g; alkalisatie 90min.

Volgens de chemische reactieformule zou de alkali-etherverhouding (NaOH:CICH2-COOH) 2:1 moeten zijn, maar de daadwerkelijk gebruikte hoeveelheid alkali is groter dan deze verhouding, omdat een bepaalde vrije alkaliconcentratie in het reactiesysteem moet worden gegarandeerd. , omdat: zeker Een hogere concentratie vrije base bevorderlijk is voor de voltooiing van de alkalisatiereactie; de verknopingsreactie moet worden uitgevoerd onder alkalische omstandigheden; sommige nevenreacties verbruiken alkali. Als de hoeveelheid alkali echter te veel wordt toegevoegd, zal de alkalivezel ernstig worden afgebroken en zal tegelijkertijd de efficiëntie van het veretheringsmiddel worden verminderd. Experimenten tonen aan dat de verhouding tussen alkali en ether ongeveer 2,5:1 bedraagt.

3.4 Invloed van de hoeveelheid oplosmiddel

De experimentele omstandigheden zijn: alkaliconcentratie 40%; alkalidosering 20 ml; verhouding alkali-ether 2,5:1; dosering verknopingsmiddel 0,06 g, alkalisatie 90 min.

Het oplosmiddel watervrije ethanol speelt de rol van het dispergeren, homogeniseren en behouden van de slurrytoestand van het systeem, wat gunstig is voor het dispergeren en overbrengen van de warmte die vrijkomt tijdens de vorming van alkalicellulose, en kan de hydrolysereactie van alkalicellulose verminderen, waardoor uniforme resultaten worden verkregen. cellulose. Als de toegevoegde hoeveelheid alcohol echter te groot is, zullen de alkali- en natriummonochlooracetaat daarin oplossen, zal de concentratie van de reactanten afnemen, zal de reactiesnelheid afnemen en zal dit ook een nadelig effect hebben op de daaropvolgende verknoping. Wanneer de hoeveelheid absolute ethanol 20 ml is, is de WRV-waarde groot.

Samenvattend zijn de meest geschikte omstandigheden voor het bereiden van superabsorberende hars uit absorberend katoen, alkalisch en veretherd carboxymethylcellulose, verknoopt door N,N-methyleenbisacrylamide: alkaliconcentratie 40%, oplosmiddelvrij 20 ml water en ethanol, de verhouding van alkali tot ether is 2,5:1 en de dosering van het verknopingsmiddel is 0,06 g (6% van de hoeveelheid katoenlinters).