Material super absorbant din eter de celuloză

Au fost studiate performanța procesului și a produsului carboximetil celulozei reticulate de N,N-metilenbisacrilamidă pentru a prepara rășină superabsorbantă și au fost discutate concentrația de alcali, cantitatea de agent de reticulare, eterificarea alcalină și solventul. Efectul dozării asupra performanței de absorbție a apei a produsului. Este explicat mecanismul de adsorbție a rășinii absorbante de apă la apă. Studiile au arătat că valoarea de retenție a apei (WRV) a acestui produs ajunge la 114 ml/g.

Cuvinte cheie:eter de celuloză; metilenbisacrilamidă; pregătire

1、Introducere

Rășina superabsorbantă este un material polimer cu grupări hidrofile puternice și un anumit grad de reticulare. Materialele obișnuite care absorb apă, cum ar fi hârtia, bumbacul și cânepa, au o rată scăzută de absorbție a apei și o capacitate slabă de reținere a apei, în timp ce rășinile super-absorbante pot absorbi apa de zeci de ori propria greutate, iar gelul format după absorbția apei nu se va deshidrata nici măcar. cu o ușoară presiune. Capacitate excelentă de reținere a apei. Nu este solubil în apă și nici în solvenți organici.

Există un număr mare de grupări hidroxil, grupări carboxil și ioni de hidrat de sodiu pe lanțul molecular al materialului superabsorbant din celuloză. După absorbția apei, apa este înconjurată de o rețea macromoleculară hidrofilă și poate fi reținută sub presiune externă. Când apa umezește rășina de adsorbție, se formează un strat de membrană semi-permeabilă între rășină și apă. Datorită concentrației mari de ioni mobili (Na+) în rășina absorbantă de apă, conform lui Donnan'În principiul echilibrului, această diferență de concentrație a ionilor poate cauza presiune osmotică. Slab, formând o putere slabă de umezire și umflare, apa trece prin acest strat de membrană semi-permeabilă și se combină cu grupările hidrofile și ionii de pe macromoleculele rășinii superabsorbante, reducând concentrația de ioni mobili, arătând astfel o absorbție mare de apă și umflare. Acest proces de adsorbție continuă până când diferența de presiune osmotică cauzată de diferența de concentrație a ionilor mobili este egală cu rezistența la extinderea ulterioară cauzată de forța de coeziune a rețelei moleculare a rășinii polimerice. Avantajele rășinii superabsorbente preparate din celuloză sunt: ​​rata moderată de absorbție a apei, viteza mare de absorbție a apei, rezistența bună la apă sărată, non-toxică, ușor de reglat valoarea pH-ului, poate fi degradată în natură și costuri reduse, deci are o gamă largă. gama de utilizări. Poate fi folosit ca agent de blocare a apei, agent de ameliorare a solului și agent de reținere a apei în industrie și agricultură. În plus, are perspective bune de dezvoltare și aplicare în sănătate, alimentație, microbiologie și medicină.

2. Partea experimentală

2.1 Principiul experimental

Prepararea rășinii superabsorbante din fibre de bumbac este în principal pentru a forma o structură reticulat cu un grad scăzut de substituție pe pielea fibrei. Reticulare la compuși care au în general două sau mai multe grupări funcționale reactive. Grupările funcționale capabile de reticulare includ vinil, hidroxil, carboxil, amidă, clorură acidă, oxiran, nitril etc. Raportul de absorbție a apei al rășinilor superabsorbante preparate cu diferiți agenți de reticulare este diferit. În acest experiment, N,N-metilenbisacrilamida este utilizată ca agent de reticulare, incluzând următoarele etape:

(1) Celuloza (Rcell) reacționează cu soluția alcalină pentru a genera celuloză alcalină, iar reacția de alcalinizare a celulozei este o reacție exotermă rapidă. Scăderea temperaturii este favorabilă formării de fibre alcaline și poate inhiba hidroliza acestora. Adăugarea de alcooli poate crește tulburarea celulozei, care este benefică pentru alcalinizare și eterificare ulterioară.

RcellOH+NaOH→RcellONa+H2O

(2) Celuloza alcalină și acidul monocloroacetic generează carboximetil celuloză de sodiu, iar reacția de eterificare aparține reacției de substituție nucleofilă:

RcellONa+ClCH2COONa→RcellOCH2COONa+NaCl

(3) N,N-metilenbisacrilamidă reticulat pentru a obține o rășină super absorbantă. Deoarece există încă un număr mare de grupări hidroxil pe lanțul molecular al fibrei carboximetil, ionizarea grupării hidroxil a celulozei și ionizarea dublei legături acriloil pe lanțul molecular al N,N-metilenbisacrilamidei pot fi declanșate sub acțiune. de cataliză alcalină, iar apoi Legătura încrucișată între lanțurile moleculare de celuloză are loc prin condensarea lui Michael și suferă imediat un schimb de protoni cu apa pentru a deveni o rășină superabsorbantă de celuloză insolubilă în apă.

2.2 Materii prime și instrumente

Materii prime: bumbac absorbant (tăiat în linters), hidroxid de sodiu, acid monocloroacetic, N, N-metilenbisacrilamidă, etanol absolut, acetonă.

Instrumente: balon cu trei gâturi, agitare electrică, condensator de reflux, balon cu filtru de aspirație, pâlnie Buchner, cuptor de uscare în vid, pompă de vid cu circulație a apei.

2.3 Metoda de preparare

2.3.1 Alcalinizarea

Adăugați 1 g de bumbac absorbant în sticla cu trei gâturi, apoi adăugați o anumită cantitate de soluție de hidroxid de sodiu și etanol absolut, mențineți temperatura sub temperatura camerei și amestecați pentru un timp.

2.3.2 Eterificare

Se adaugă o anumită cantitate de acid cloracetic și se agită timp de 1 oră.

2.3.2 Reticulare

În etapa ulterioară de eterificare, s-a adăugat N,N-metilenbisacrilamidă proporţional pentru a realiza reticulare şi s-a agitat la temperatura camerei timp de 2 ore.

2.3.4 Post-procesare

Utilizați acid acetic glacial pentru a ajusta valoarea pH-ului la 7, spălați sarea cu etanol, spălați apa cu acetonă, filtrați cu aspirație și uscați cu vid timp de 4 ore (la aproximativ 60°C, grad de vid 8,8 kPa) pentru a obține un produs cu filament de bumbac alb.

2.4 Testarea analitică

Viteza de absorbție a apei (WRV) se determină prin cernere, adică 1 g de produs (G) se adaugă într-un pahar care conține 100 ml apă distilată (V1), înmuiat timp de 24 de ore, filtrat printr-o sită din oțel inoxidabil cu ochiuri de 200 , iar apa din partea de jos a ecranului este colectată (V2). Formula de calcul este următoarea: WRV=(V1-V2)/G.

3. Rezultate și discuții

3.1 Selectarea condițiilor de reacție de alcalinizare

În procesul de producere a celulozei alcaline prin acțiunea fibrei de bumbac și a soluției alcaline, condițiile procesului au un impact semnificativ asupra performanței produsului. Există mulți factori în reacția de alcalinizare. Pentru comoditatea observării, este adoptată metoda de proiectare a experimentului ortogonal.

Alte condiții: Solventul este 20 ml etanol absolut, raportul dintre alcalin și agent de eterificare (mol/md) este 3:1, iar agentul de reticulare este de 0,05 g.

Rezultatele experimentale arată că: relație primară și secundară: C>A>B, cel mai bun raport: A3B3C3. Concentrația de leșie este cel mai important factor în reacția de alcalinizare. Concentrația mare de leșie este favorabilă formării celulozei alcaline. Cu toate acestea, trebuie remarcat că cu cât concentrația de leșie este mai mare, cu atât este mai mare conținutul de sare al rășinii superabsorbante preparate. Prin urmare, atunci când spălați sarea cu etanol, spălați-o de mai multe ori pentru a vă asigura că sarea din produs este îndepărtată, pentru a nu afecta capacitatea de absorbție a apei a produsului.

3.2 Efectul dozei agentului de reticulare asupra produsului WRV

Condițiile experimentale sunt: ​​20 ml etanol absolut, 2,3:1 raport alcalin la agent de eterificare, 20 ml leșie și 90 min de alcalinizare.

Rezultatele au arătat că cantitatea de agent de reticulare a afectat gradul de reticulare al CMC-Na. Reticulare excesivă duce la o structură de rețea strânsă în spațiul produsului, care se caracterizează printr-o rată scăzută de absorbție a apei și o elasticitate slabă după absorbția apei; atunci când cantitatea de agent de reticulare este mică, reticulare este incompletă și există produse solubile în apă, care afectează și rata de absorbție a apei. Când cantitatea de agent de reticulare este mai mică de 0,06 g, viteza de absorbție a apei crește odată cu creșterea cantității de agent de reticulare, când cantitatea de agent de reticulare este mai mare de 0,06 g, rata de absorbție a apei scade cu cantitatea de agent de reticulare. Prin urmare, doza de agent de reticulare este de aproximativ 6% din masa fibrei de bumbac.

3.3 Efectul condițiilor de eterificare asupra produsului WRV

Condiţiile experimentale sunt: ​​concentraţie alcalină 40%; volum alcalin 20ml; etanol absolut 20ml; doză de agent de reticulare 0,06 g; alcalinizare 90 min.

Din formula reacției chimice, raportul alcalin-eter (NaOH:CICH2-COOH) ar trebui să fie 2:1, dar cantitatea reală de alcali utilizată este mai mare decât acest raport, deoarece o anumită concentrație de alcali liber trebuie să fie garantată în sistemul de reacție , deoarece: anumite O concentrație mai mare de bază liberă este propice finalizării reacției de alcalinizare; reacția de reticulare trebuie efectuată în condiții alcaline; unele reacții secundare consumă alcali. Cu toate acestea, dacă se adaugă prea mult cantitatea de alcali, fibra alcalină va fi grav degradată și, în același timp, eficiența agentului de eterificare va fi redusă. Experimentele arată că raportul dintre alcalii și eter este de aproximativ 2,5:1.

3.4 Influența cantității de solvent

Condiţiile experimentale sunt: ​​concentraţie alcalină 40%; dozaj alcalin 20ml; raport alcalin-eter 2,5:1; dozare de agent de reticulare 0,06 g, alcalinizare 90 min.

Solventul etanolul anhidru joacă rolul de a dispersa, omogeniza și menține starea de suspensie a sistemului, ceea ce este benefic pentru a dispersa și a transfera căldura eliberată în timpul formării celulozei alcaline și poate reduce reacția de hidroliză a celulozei alcaline, obținând astfel o uniformitate. celuloza . Cu toate acestea, dacă cantitatea de alcool adăugată este prea mare, alcaliul și monocloracetatul de sodiu se vor dizolva în el, concentrația de reactanți va scădea, viteza de reacție va scădea și va avea, de asemenea, un efect negativ asupra reticularii ulterioare. Când cantitatea de etanol absolut este de 20 ml, valoarea WRV este mare.

Pe scurt, condițiile cele mai potrivite pentru prepararea rășinii superabsorbante din bumbac absorbant alcalinizat și eterificat carboximetil celuloză reticulată prin N,N-metilenbisacrilamidă sunt: ​​concentrație alcalină 40%, fără solvent 20 ml apă și etanol, raportul dintre alcali și eter. este 2,5:1, iar doza de agent de reticulare este de 0,06 g (6% din cantitatea de linters de bumbac).