Superchłonny materiał z eteru celulozy

Zbadano proces i wydajność produktu karboksymetylocelulozy usieciowanej N,N-metylenobisakryloamidem w celu wytworzenia żywicy superchłonnej, omówiono stężenie zasady, ilość środka sieciującego, eteryfikację zasady i rozpuszczalnika. Wpływ dozowania na zdolność produktu do wchłaniania wody. Wyjaśniono mechanizm adsorpcji żywicy wodochłonnej do wody. Badania wykazały, że wartość retencji wody (WRV) tego produktu sięga 114ml/g.

Słowa kluczowe:eter celulozy; metylenobisakryloamid; przygotowanie

1、Wstęp

Żywica superchłonna jest materiałem polimerowym z silnymi grupami hydrofilowymi i pewnym stopniem usieciowania. Powszechnie stosowane materiały pochłaniające wodę, takie jak papier, bawełna i konopie, mają niski współczynnik wchłaniania wody i słabą zdolność zatrzymywania wody, podczas gdy żywice superchłonne mogą wchłaniać wodę w ilości kilkudziesięciu razy większej niż ich masa, a żel powstały po wchłonięciu wody nie ulegnie odwodnieniu nawet z lekkim naciskiem. Doskonała zdolność zatrzymywania wody. Nie rozpuszcza się w wodzie ani w rozpuszczalnikach organicznych.

W łańcuchu molekularnym superchłonnego materiału wykonanego z celulozy znajduje się duża liczba grup hydroksylowych, karboksylowych i jonów hydratu sodu. Po wchłonięciu wody jest ona otoczona hydrofilową siecią makromolekularną i może być zatrzymywana pod ciśnieniem zewnętrznym. Kiedy woda zwilża żywicę adsorpcyjną, pomiędzy żywicą a wodą tworzy się warstwa półprzepuszczalnej membrany. Według Donnana wynika to z wysokiego stężenia jonów ruchomych (Na+) w żywicy wodochłonnej'zgodnie z zasadą równowagi ta różnica w stężeniu jonów może powodować ciśnienie osmotyczne. Słaba, tworząca zwilżającą i pęczniejącą słabą siłę woda przechodzi przez tę warstwę półprzepuszczalnej membrany i łączy się z grupami hydrofilowymi i jonami na makrocząsteczkach żywicy superchłonnej, zmniejszając stężenie jonów ruchomych, wykazując tym samym wysoką absorpcję wody i pęcznienie. Proces adsorpcji trwa do momentu, gdy różnica ciśnień osmotycznych spowodowana różnicą w stężeniu ruchomych jonów zrówna się z oporem na dalszą ekspansję wywołaną siłą spójności sieci molekularnej żywicy polimerowej. Zaletami żywicy superchłonnej przygotowanej z celulozy są: umiarkowana szybkość wchłaniania wody, duża szybkość wchłaniania wody, dobra odporność na słoną wodę, nietoksyczność, łatwa do dostosowania wartość pH, zdolność do rozkładu w naturze i niski koszt, dzięki czemu ma szerokie zastosowanie zakres zastosowań. Może być stosowany jako środek blokujący wodę, polepszacz gleby i środek zatrzymujący wodę w przemyśle i rolnictwie. Ponadto ma dobre perspektywy rozwoju i zastosowania w zdrowiu, żywności, mikrobiologii i medycynie.

2. Część eksperymentalna

2.1 Zasada eksperymentu

Przygotowanie żywicy superabsorpcyjnej z włókien bawełnianych polega głównie na utworzeniu usieciowanej struktury o niskim stopniu podstawienia na powłoce włókna. Sieciowanie do związków, które na ogół mają dwie lub więcej reaktywnych grup funkcyjnych. Grupy funkcyjne zdolne do sieciowania obejmują winyl, hydroksyl, karboksyl, amid, chlorek kwasowy, oksiran, nitryl itp. Stopień absorpcji wody przez żywice superchłonne przygotowane z różnymi środkami sieciującymi jest inny. W tym doświadczeniu N,N-metylenobisakryloamid stosuje się jako środek sieciujący, obejmując następujące etapy:

(1) Celuloza (Rcell) reaguje z roztworem alkalicznym, tworząc celulozę alkaliczną, a reakcja alkalizacji celulozy jest szybką reakcją egzotermiczną. Obniżenie temperatury sprzyja tworzeniu się włókien alkalicznych i może hamować ich hydrolizę. Dodanie alkoholi może zwiększyć zaburzenie celulozy, co jest korzystne dla alkalizacji i późniejszej eteryfikacji.

RcelOH+NaOH→RcellONa+H2O

(2) Celuloza alkaliczna i kwas monochlorooctowy wytwarzają karboksymetylocelulozę sodową, a reakcja eteryfikacji należy do reakcji podstawienia nukleofilowego:

RcellONa+ClCH2COONa→RcellOCH2COONa+NaCl

(3) N,N-metylenobisakryloamid usieciowany w celu uzyskania superchłonnej żywicy. Ponieważ w łańcuchu molekularnym włókna karboksymetylowego nadal występuje duża liczba grup hydroksylowych, pod działaniem można wywołać jonizację grupy hydroksylowej celulozy i jonizację podwójnego wiązania akryloilowego w łańcuchu cząsteczkowym N,N-metylenobisakryloamidu katalizy alkalicznej, a następnie sieciowanie między łańcuchami molekularnymi celulozy następuje poprzez kondensację Michaela i natychmiast ulega wymianie protonów z wodą, aby stać się nierozpuszczalną w wodzie superchłonną żywicą celulozową.

2.2 Surowce i instrumenty

Surowce: bawełna chłonna (pocięta na linters), wodorotlenek sodu, kwas monochlorooctowy, N,N-metylenobisakryloamid, etanol absolutny, aceton.

Przyrządy: kolba trójszyjna, mieszadło elektryczne, chłodnica zwrotna, kolba z filtrem ssącym, lejek Buchnera, piec próżniowy, pompa próżniowa z obiegiem wody.

2.3 Metoda przygotowania

2.3.1 Alkalizacja

Do butelki trójszyjnej dodać 1 g waty chłonnej, następnie dodać odpowiednią ilość roztworu wodorotlenku sodu i etanolu absolutnego, utrzymywać temperaturę poniżej temperatury pokojowej i chwilę mieszać.

2.3.2 Eteryfikacja

Dodać pewną ilość kwasu chlorooctowego i mieszać przez 1 godzinę.

2.3.2 Sieciowanie

W późniejszym etapie eteryfikacji dodano N,N-metylenobisakryloamid w proporcji niezbędnej do przeprowadzenia sieciowania i całość mieszano w temperaturze pokojowej przez 2 godziny.

2.3.4 Przetwarzanie końcowe

Za pomocą kwasu octowego lodowatego ustawić wartość pH na 7, sól zmyć etanolem, wodę zmyć acetonem, przesączyć i wysuszyć próżniowo przez 4 godziny (w temperaturze około 60°C).°C, stopień próżni 8,8 kPa) w celu uzyskania produktu z białego włókna bawełnianego.

2.4 Testowanie analityczne

Szybkość wchłaniania wody (WRV) określa się poprzez przesianie, tj. 1 g produktu (G) dodaje się do zlewki zawierającej 100 ml wody destylowanej (V1), moczy się przez 24 godziny, przesącza przez sito ze stali nierdzewnej o oczkach 200 mesh , a na dnie sita zbiera się woda (V2). Wzór obliczeniowy jest następujący: WRV=(V1-V2)/G.

3. Wyniki i dyskusja

3.1 Dobór warunków reakcji alkalizacji

W procesie wytwarzania celulozy alkalicznej poprzez działanie włókna bawełnianego i roztworu alkalicznego warunki procesu mają znaczący wpływ na wydajność produktu. Na reakcję alkalizacji składa się wiele czynników. Dla wygody obserwacji przyjęto metodę projektowania eksperymentu ortogonalnego.

Inne warunki: Rozpuszczalnikiem jest 20 ml absolutnego etanolu, stosunek zasady do środka eteryfikującego (mol/md) wynosi 3:1, a środek sieciujący wynosi 0,05 g.

Wyniki eksperymentów pokazują, że: zależność pierwotna i wtórna: C>A>B, najlepsza proporcja: A3B3C3. Stężenie ługu jest najważniejszym czynnikiem w reakcji alkalizacji. Wysokie stężenie ługu sprzyja tworzeniu się celulozy alkalicznej. Należy jednak zaznaczyć, że im wyższe stężenie ługu, tym większa jest zawartość soli w przygotowanej żywicy superchłonnej. Dlatego myjąc sól etanolem, należy ją przemyć kilka razy, aby mieć pewność, że sól z produktu zostanie usunięta i nie wpłynie to na zdolność produktu do wchłaniania wody.

3.2 Wpływ dawki środka sieciującego na WRV produktu

Warunki doświadczalne to: 20 ml absolutnego etanolu, stosunek zasady do środka eteryfikacji 2,3:1, 20 ml ługu i 90 minut alkalizacji.

Wyniki wykazały, że ilość środka sieciującego wpływa na stopień usieciowania CMC-Na. Nadmierne usieciowanie prowadzi do powstania szczelnej struktury sieciowej w przestrzeni produktu, która charakteryzuje się małą szybkością wchłaniania wody i słabą elastycznością po wchłonięciu wody; gdy ilość środka sieciującego jest mała, sieciowanie jest niecałkowite i występują produkty rozpuszczalne w wodzie, które również wpływają na szybkość wchłaniania wody. Gdy ilość środka sieciującego jest mniejsza niż 0,06 g, szybkość wchłaniania wody wzrasta wraz ze wzrostem ilości środka sieciującego, gdy ilość środka sieciującego jest większa niż 0,06 g, szybkość wchłaniania wody maleje z ilością środka sieciującego. Dlatego dawka środka sieciującego wynosi około 6% masy włókien bawełnianych.

3.3 Wpływ warunków eteryfikacji na produkt WRV

Warunki doświadczalne są następujące: stężenie zasady 40%; objętość alkaliczna 20 ml; etanol absolutny 20ml; dawka środka sieciującego 0,06g; alkalizacja 90min.

Ze wzoru reakcji chemicznej wynika, że ​​stosunek alkaliów do eterów (NaOH:CICH2-COOH) powinien wynosić 2:1, ale rzeczywista ilość użytej zasady jest większa niż ten stosunek, ponieważ w układzie reakcyjnym musi być zapewnione określone stężenie wolnych zasad , ponieważ: pewne Wyższe stężenie wolnej zasady sprzyja dokończeniu reakcji alkalizacji; reakcję sieciowania należy przeprowadzić w warunkach zasadowych; niektóre reakcje uboczne zużywają alkalia. Jeśli jednak doda się zbyt dużą ilość zasady, włókno alkaliczne ulegnie poważnej degradacji, a jednocześnie zmniejszy się skuteczność środka eteryfikującego. Doświadczenia pokazują, że stosunek zasady do eteru wynosi około 2,5:1.

3.4 Wpływ ilości rozpuszczalnika

Warunki doświadczalne są następujące: stężenie zasady 40%; dawka alkaliczna 20ml; stosunek alkaliów do eterów 2,5:1; dawka środka sieciującego 0,06g, alkalizacja 90min.

Bezwodny rozpuszczalnik etanol odgrywa rolę dyspergatora, homogenizacji i utrzymywania stanu zawiesiny układu, co jest korzystne w przypadku rozpraszania i przenoszenia ciepła uwalnianego podczas tworzenia celulozy alkalicznej i może zmniejszać reakcję hydrolizy celulozy alkalicznej, uzyskując w ten sposób jednorodność celuloza. Jeśli jednak ilość dodanego alkoholu będzie zbyt duża, rozpuszczą się w nim zasady i monochlorooctan sodu, zmniejszy się stężenie reagentów, zmniejszy się szybkość reakcji, a także będzie to miało niekorzystny wpływ na późniejsze sieciowanie. Gdy ilość absolutnego etanolu wynosi 20 ml, wartość WRV jest duża.

Podsumowując, najodpowiedniejsze warunki przygotowania żywicy superchłonnej z chłonnej bawełny alkalizowanej i eteryfikowanej karboksymetylocelulozy usieciowanej N,N-metylenobisakryloamidem to: stężenie zasady 40%, 20 ml wody i etanolu bez rozpuszczalników, stosunek zasady do eteru wynosi 2,5:1, a dozowanie środka sieciującego wynosi 0,06 g (6% ilości lintersu bawełnianego).