Суперабсорбирующий материал из эфира целлюлозы

Были изучены процесс и характеристики продукта карбоксиметилцеллюлозы, сшитой N, N-метиленбисакриламидом, для получения сверхабсорбирующей смолы, а также обсуждены концентрация щелочи, количество сшивающего агента, этерификация щелочи и растворитель. Влияние дозировки на водопоглощение продукта. Объяснен механизм адсорбции водопоглощающей смолы на воду. Исследования показали, что показатель удержания воды (WRV) этого продукта достигает 114 мл/г.

Ключевые слова:эфир целлюлозы; метиленбисакриламид; подготовка

1、Введение

Суперабсорбирующая смола представляет собой полимерный материал с сильными гидрофильными группами и определенной степенью сшивки. Обычные водопоглощающие материалы, такие как бумага, хлопок и конопля, имеют низкую скорость водопоглощения и плохую водоудерживающую способность, в то время как супервпитывающие смолы могут поглощать воду в десятки раз больше их собственного веса, а гель, образующийся после поглощения воды, не обезвоживается даже с небольшим давлением. Отличная способность удерживать воду. Он не растворяется ни в воде, ни в органических растворителях.

В молекулярной цепи суперабсорбирующего материала из целлюлозы имеется большое количество гидроксильных групп, карбоксильных групп и ионов гидрата натрия. После поглощения воды вода окружена гидрофильной макромолекулярной сеткой и может удерживаться под внешним давлением. Когда вода смачивает адсорбционную смолу, между смолой и водой образуется слой полупроницаемой мембраны. По словам Доннана, из-за высокой концентрации подвижных ионов (Na+) в водопоглощающей смоле'Согласно принципу равновесия, эта разница в концентрации ионов может вызвать осмотическое давление. Бедная, образуя смачивающую и набухающую слабую силу, вода проходит через этот слой полупроницаемой мембраны и соединяется с гидрофильными группами и ионами на макромолекулах сверхвпитывающей смолы, снижая концентрацию подвижных ионов, тем самым проявляя высокое водопоглощение и набухание. Этот процесс адсорбции продолжается до тех пор, пока разница осмотического давления, вызванная разницей в концентрации подвижных ионов, не станет равна сопротивлению дальнейшему расширению, вызванному силой сцепления молекулярной сетки полимерной смолы. Преимущества суперабсорбирующей смолы, приготовленной из целлюлозы, заключаются в следующем: умеренная скорость водопоглощения, высокая скорость водопоглощения, хорошая устойчивость к соленой воде, нетоксичность, легко регулировать значение pH, может разлагаться в природе и низкая стоимость, поэтому она имеет широкий спектр применения. спектр использования. Его можно использовать в качестве водоблокирующего агента, кондиционера почвы и водоудерживающего агента в промышленности и сельском хозяйстве. Кроме того, он имеет хорошие перспективы развития и применения в здравоохранении, пищевой промышленности, микробиологии и медицине.

2. Экспериментальная часть

2.1 Принцип эксперимента

Приготовление сверхабсорбирующей смолы из хлопкового волокна главным образом направлено на формирование сшитой структуры с низкой степенью замещения на оболочке волокна. Сшивание с соединениями, которые обычно имеют две или более реакционноспособные функциональные группы. К функциональным группам, способным к сшиванию, относятся винил, гидроксил, карбоксил, амид, хлорангидрид, оксиран, нитрил и др. Коэффициент водопоглощения супервпитывающих смол, приготовленных с разными сшивающими агентами, различен. В этом эксперименте в качестве сшивающего агента используется N,N-метиленбисакриламид, включающий следующие этапы:

(1) Целлюлоза (Rcell) реагирует с щелочным раствором с образованием щелочной целлюлозы, а реакция подщелачивания целлюлозы представляет собой быструю экзотермическую реакцию. Понижение температуры способствует образованию щелочных волокон и может ингибировать их гидролиз. Добавление спиртов может усилить расстройство целлюлозы, что благоприятствует ее подщелачиванию и последующей этерификации.

RcellOH+NaOH→RcellONa+H2O

(2) Щелочная целлюлоза и монохлоруксусная кислота образуют натрийкарбоксиметилцеллюлозу, а реакция этерификации относится к реакции нуклеофильного замещения:

RcellONa+ClCH2COONa→RcellOCH2COONa+NaCl

(3) N,N-метиленбисакриламид, сшитый с получением супервпитывающей смолы. Поскольку в молекулярной цепи карбоксиметилового волокна еще имеется большое количество гидроксильных групп, под действием щелочного катализа, а затем сшивание между молекулярными цепями целлюлозы происходит за счет конденсации Михаэля и немедленно подвергается протонному обмену с водой, образуя водонерастворимую целлюлозную сверхабсорбирующую смолу.

2.2 Сырье и инструменты

Сырье: хлопок гигроскопичный (нарезанный на линты), гидроксид натрия, монохлоруксусная кислота, N,N-метиленбисакриламид, этанол абсолютный, ацетон.

Приборы: трехгорлая колба, электромешалка, обратный холодильник, колба с аспирационным фильтром, воронка Бюхнера, вакуумная сушильная печь, вакуумный насос циркуляционной воды.

2.3 Способ приготовления

2.3.1 Подщелачивание

В трехгорлую бутылку добавить 1 г впитывающей ваты, затем добавить некоторое количество раствора гидроксида натрия и абсолютного этанола, поддерживать температуру ниже комнатной и некоторое время перемешивать.

2.3.2 Этерификация

Добавьте определенное количество хлоруксусной кислоты и перемешивайте в течение 1 часа.

2.3.2 Сшивание

На более поздней стадии этерификации добавляли N,N-метиленбисакриламид в пропорции для проведения поперечной сшивки и перемешивали при комнатной температуре в течение 2 часов.

2.3.4 Постобработка

Используйте ледяную уксусную кислоту, чтобы довести значение pH до 7, смойте соль этанолом, смойте воду ацетоном, отфильтруйте с отсасыванием и высушите в вакууме в течение 4 часов (при температуре около 60°С).°С, степень вакуума 8,8 кПа) с получением продукта из белой хлопковой нити.

2.4 Аналитическое тестирование

Скорость водопоглощения (WRV) определяют путем просеивания, то есть 1 г продукта (G) добавляют в химический стакан, содержащий 100 мл дистиллированной воды (V1), вымачивают в течение 24 часов и фильтруют через сито из нержавеющей стали 200 меш. , и вода в нижней части экрана собирается (V2). Формула расчета следующая: WRV=(V1-V2)/G..

3. Результаты и обсуждение.

3.1 Выбор условий реакции подщелачивания

В процессе производства щелочной целлюлозы действием хлопкового волокна и щелочного раствора условия процесса оказывают существенное влияние на эксплуатационные характеристики продукта. В реакции подщелачивания участвует множество факторов. Для удобства наблюдения принят метод ортогонального планирования эксперимента.

Другие условия: растворитель — 20 мл абсолютного этанола, соотношение щелочи и этерифицирующего агента (моль/мл) — 3:1, сшивающий агент — 0,05 г.

Результаты эксперимента показывают, что: первичное и вторичное соотношение: C>A>B, лучшее соотношение: A3B3C3. Концентрация щелочи является наиболее важным фактором в реакции подщелачивания. Высокая концентрация щелочи способствует образованию щелочной целлюлозы. Однако следует отметить, что чем выше концентрация щелочи, тем больше содержание соли в приготовленной сверхабсорбирующей смоле. Поэтому при промывке соли этанолом промойте ее несколько раз, чтобы обеспечить удаление соли из продукта и не повлиять на водопоглощающую способность продукта.

3.2 Влияние дозировки сшивающего агента на WRV продукта

Условия эксперимента: 20 мл абсолютного этанола, соотношение щелочи и этерифицирующего агента 2,3:1, 20 мл щелочи и 90 минут подщелачивания.

Результаты показали, что количество сшивающего агента влияет на степень сшивания CMC-Na. Чрезмерная сшивка приводит к образованию плотной сетчатой ​​структуры в пространстве продукта, которая характеризуется низкой скоростью водопоглощения и плохой эластичностью после водопоглощения; когда количество сшивающего агента невелико, сшивание является неполным, и присутствуют водорастворимые продукты, которые также влияют на скорость водопоглощения. Когда количество сшивающего агента составляет менее 0,06 г, скорость водопоглощения увеличивается с увеличением количества сшивающего агента, когда количество сшивающего агента превышает 0,06 г, скорость водопоглощения снижается. с количеством сшивающего агента. Следовательно, дозировка сшивающего агента составляет около 6% от массы хлопкового волокна.

3.3 Влияние условий этерификации на WRV продукта

Условия эксперимента: концентрация щелочи 40%; объем щелочи 20мл; абсолютный этанол 20 мл; дозировка сшивающего агента 0,06 г; подщелачивание 90мин.

Из формулы химической реакции соотношение щелочи и эфира (NaOH:CICH2-COOH) должно составлять 2:1, но фактическое количество используемой щелочи больше этого соотношения, поскольку в реакционной системе должна быть гарантирована определенная концентрация свободной щелочи. , потому что: определенная более высокая концентрация свободного основания способствует завершению реакции подщелачивания; реакцию сшивки необходимо проводить в щелочных условиях; некоторые побочные реакции требуют щелочи. Однако если добавить слишком большое количество щелочи, щелочное волокно будет серьезно разрушено, и в то же время эффективность этерифицирующего агента снизится. Опыты показывают, что соотношение щелочи и эфира составляет около 2,5:1.

3.4 Влияние количества растворителя

Условия эксперимента: концентрация щелочи 40%; дозировка щелочи 20мл; соотношение щелочи и эфира 2,5:1; дозировка сшивающего агента 0,06г, подщелачивание 90мин.

Растворитель безводный этанол играет роль диспергирования, гомогенизации и поддержания суспензионного состояния системы, что полезно для диспергирования и передачи тепла, выделяемого при образовании щелочной целлюлозы, и может уменьшить реакцию гидролиза щелочной целлюлозы, тем самым получая однородную целлюлоза. Однако если количество добавленного спирта будет слишком большим, щелочь и монохлорацетат натрия растворятся в нем, снизится концентрация реагирующих веществ, уменьшится скорость реакции, а также это окажет отрицательное влияние на последующую сшивку. Когда количество абсолютного этанола составляет 20 мл, значение WRV велико.

Таким образом, наиболее подходящими условиями для приготовления супервпитывающей смолы из впитывающей хлопковой алкализированной и этерифицированной карбоксиметилцеллюлозы, сшитой N,N-метиленбисакриламидом, являются: концентрация щелочи 40%, 20 мл воды и этанола без растворителя, соотношение щелочи и эфира. составляет 2,5:1, а дозировка сшивающего агента - 0,06 г (6% от количества хлопкового линта).