Super absorpčný materiál z éteru celulózy

Študoval sa proces a produktová výkonnosť karboxymetylcelulózy zosieťovanej N,N-metylénbisakrylamidom na prípravu superabsorpčnej živice a diskutovalo sa o koncentrácii alkálií, množstve zosieťovacieho činidla, éterifikácii alkálií a rozpúšťadle. Vplyv dávkovania na schopnosť produktu absorbovať vodu. Je vysvetlený adsorpčný mechanizmus živice absorbujúcej vodu na vodu. Štúdie ukázali, že hodnota retencie vody (WRV) tohto produktu dosahuje 114 ml/g.

kľúčové slová:éter celulózy; metylénbisakrylamid; príprava

1、Úvod

Superabsorpčná živica je polymérny materiál so silnými hydrofilnými skupinami a určitým stupňom zosieťovania. Bežné materiály absorbujúce vodu, ako je papier, bavlna a konope, majú nízku mieru absorpcie a slabú schopnosť zadržiavať vodu, zatiaľ čo superabsorpčné živice môžu absorbovať vodu niekoľkonásobne násobok svojej vlastnej hmotnosti a gél vytvorený po absorpcii vody dokonca ani nedehydruje. s miernym tlakom. Vynikajúca schopnosť zadržiavať vodu. Nie je rozpustný vo vode ani v organických rozpúšťadlách.

Na molekulovom reťazci superabsorpčného materiálu vyrobeného z celulózy je veľké množstvo hydroxylových skupín, karboxylových skupín a iónov hydrátu sodného. Po absorpcii vody je voda obklopená hydrofilnou makromolekulárnou sieťou a môže byť zadržaná pod vonkajším tlakom. Keď voda zvlhčí adsorpčnú živicu, vytvorí sa medzi živicou a vodou vrstva polopriepustnej membrány. Podľa Donnana je to kvôli vysokej koncentrácii mobilných iónov (Na+) v živici absorbujúcej vodu'Na princípe rovnováhy môže tento rozdiel v koncentrácii iónov spôsobiť osmotický tlak. Slabá voda, ktorá tvorí zvlhčujúcu a napučiavajúcu slabú silu, prechádza cez túto vrstvu polopriepustnej membrány a spája sa s hydrofilnými skupinami a iónmi na makromolekulách superabsorpčnej živice, čím sa znižuje koncentrácia mobilných iónov, čím sa prejavuje vysoká absorpcia vody a napučiavanie. Tento adsorpčný proces pokračuje dovtedy, kým sa rozdiel osmotického tlaku spôsobený rozdielom v koncentrácii mobilných iónov nerovná odporu voči ďalšej expanzii spôsobenej kohéznou silou molekulárnej siete polymérnej živice. Výhody superabsorpčnej živice pripravenej z celulózy sú: mierna rýchlosť absorpcie vody, rýchla absorpcia vody, dobrá odolnosť voči slanej vode, netoxická, ľahko nastaviteľná hodnota pH, môže byť degradovaná v prírode a nízka cena, takže má široké rozsah použitia. Môže sa použiť ako prostriedok na blokovanie vody, kondicionér pôdy a prostriedok na zadržiavanie vody v priemysle a poľnohospodárstve. Okrem toho má dobré vyhliadky na vývoj a uplatnenie v zdravotníctve, potravinárstve, mikrobiológii a medicíne.

2. Experimentálna časť

2.1 Experimentálny princíp

Prípravou superabsorpčnej živice z bavlnených vlákien je hlavne vytvorenie zosieťovanej štruktúry s nízkym stupňom substitúcie na koži vlákna. Zosieťovanie na zlúčeniny, ktoré majú vo všeobecnosti dve alebo viac reaktívnych funkčných skupín. Funkčné skupiny schopné zosieťovania zahŕňajú vinyl, hydroxyl, karboxyl, amid, chlorid kyseliny, oxirán, nitril atď. Pomer absorpcie vody superabsorpčných živíc pripravených s rôznymi sieťovacími činidlami je rôzny. V tomto experimente sa používa N,N-metylénbisakrylamid ako zosieťovacie činidlo vrátane nasledujúcich krokov:

(1) Celulóza (Rcell) reaguje s alkalickým roztokom za vzniku alkalickej celulózy a alkalizačná reakcia celulózy je rýchla exotermická reakcia. Zníženie teploty prispieva k tvorbe alkalických vlákien a môže inhibovať ich hydrolýzu. Pridávanie alkoholov môže zvýšiť poruchu celulózy, čo je prospešné pre alkalizáciu a následnú éterifikáciu.

RcellOH + NaOH→RcellONa+H2O

(2) Alkalická celulóza a kyselina monochlóroctová vytvárajú sodnú soľ karboxymetylcelulózy a eterifikačná reakcia patrí k nukleofilnej substitučnej reakcii:

RcellONa+ClCH2COONa→RcellOCH2COONa+NaCl

(3) N,N-metylénbisakrylamid zosieťovaný, čím sa získa superabsorpčná živica. Pretože na molekulovom reťazci karboxymetylového vlákna je stále veľké množstvo hydroxylových skupín, môže sa pri pôsobení spustiť ionizácia hydroxylovej skupiny celulózy a ionizácia akryloylovej dvojitej väzby na molekulovom reťazci N,N-metylénbisakrylamidu. alkalickej katalýzy a potom k zosieťovaniu medzi molekulovými reťazcami celulózy dochádza prostredníctvom Michaelovej kondenzácie a okamžite dochádza k výmene protónov s vodou, aby sa stala vo vode nerozpustnou celulózovou superabsorpčnou živicou.

2.2 Suroviny a nástroje

Suroviny: savá bavlna (narezaná na lintre), hydroxid sodný, kyselina monochlóroctová, N,N-metylénbisakrylamid, absolútny etanol, acetón.

Pomôcky: trojhrdlá banka, elektrické miešadlo, spätný chladič, sacia filtračná banka, Buchnerov lievik, vákuová sušiareň, výveva na obehovú vodu.

2.3 Spôsob prípravy

2.3.1 Alkalizácia

Do trojhrdlovej fľaše pridajte 1 g savej bavlny, potom pridajte určité množstvo roztoku hydroxidu sodného a absolútneho etanolu, udržiavajte teplotu pod izbovou teplotou a chvíľu miešajte.

2.3.2 Éterifikácia

Pridajte určité množstvo kyseliny chlóroctovej a miešajte 1 hodinu.

2.3.2 Zosieťovanie

V neskoršom štádiu éterifikácie sa pridal N,N-metylénbisakrylamid v pomere, aby sa uskutočnilo zosieťovanie, a zmes sa miešala pri teplote miestnosti 2 hodiny.

2.3.4 Následné spracovanie

Pomocou ľadovej kyseliny octovej upravte hodnotu pH na 7, soľ zmyte etanolom, zmyte vodu acetónom, prefiltrujte odsatím a sušte vo vákuu 4 hodiny (pri asi 60°C, stupeň vákua 8,8 kPa), čím sa získa produkt z bieleho bavlneného vlákna.

2.4 Analytické testovanie

Miera absorpcie vody (WRV) sa stanoví preosiatím, to znamená, že 1 g produktu (G) sa pridá do kadičky obsahujúcej 100 ml destilovanej vody (V1), namočí sa na 24 hodín, prefiltruje sa cez sito z nehrdzavejúcej ocele s veľkosťou ôk 200 mesh. a voda v spodnej časti sita sa zhromažďuje (V2). Vzorec výpočtu je nasledovný: WRV=(V1-V2)/G.

3. Výsledky a diskusia

3.1 Výber podmienok alkalizačnej reakcie

V procese výroby alkalickej celulózy pôsobením bavlneného vlákna a alkalického roztoku majú podmienky procesu významný vplyv na výkonnosť produktu. V alkalizačnej reakcii je veľa faktorov. Pre pohodlie pozorovania sa používa metóda ortogonálneho návrhu experimentu.

Ďalšie podmienky: Rozpúšťadlom je 20 ml absolútneho etanolu, pomer alkálie k éterifikačnému činidlu (mol/md) je 3:1 a sieťovacie činidlo je 0,05 g.

Experimentálne výsledky ukazujú, že: primárny a sekundárny vzťah: C>A>B, najlepší pomer: A3B3C3. Koncentrácia lúhu je najdôležitejším faktorom pri alkalizačnej reakcii. Vysoká koncentrácia lúhu prispieva k tvorbe alkalickej celulózy. Treba však poznamenať, že čím vyššia je koncentrácia lúhu, tým väčší je obsah soli v pripravenej superabsorpčnej živici. Preto pri umývaní soli etanolom ju niekoľkokrát premyte, aby ste zabezpečili odstránenie soli z produktu, aby sa neovplyvnila schopnosť produktu absorbovať vodu.

3.2 Vplyv dávkovania sieťovacieho činidla na produkt WRV

Experimentálne podmienky sú: 20 ml absolútneho etanolu, pomer alkálie k éterifikačnému činidlu 2,3:1, 20 ml lúhu a 90 minút alkalizácie.

Výsledky ukázali, že množstvo sieťovacieho činidla ovplyvnilo stupeň zosieťovania CMC-Na. Nadmerné zosieťovanie vedie k tesnej štruktúre siete v priestore produktu, ktorá sa vyznačuje nízkou mierou absorpcie vody a slabou elasticitou po absorpcii vody; keď je množstvo sieťovacieho činidla malé, sieťovanie je neúplné a existujú vo vode rozpustné produkty, ktoré tiež ovplyvňujú rýchlosť absorpcie vody. Keď je množstvo sieťovacieho činidla menšie ako 0,06 g, rýchlosť absorpcie vody sa zvyšuje so zvyšujúcim sa množstvom sieťovacieho činidla, keď je množstvo sieťovacieho činidla väčšie ako 0,06 g, rýchlosť absorpcie vody klesá s množstvom sieťovacieho činidla. Preto je dávka sieťovacieho činidla asi 6 % hmotnosti bavlneného vlákna.

3.3 Vplyv podmienok éterifikácie na produkt WRV

Experimentálne podmienky sú: koncentrácia alkálie 40 %; objem alkálie 20 ml; absolútny etanol 20 ml; dávka sieťovacieho činidla 0,06 g; alkalizácia 90 min.

Podľa vzorca chemickej reakcie by pomer alkalického éteru (NaOH:CICH2-COOH) mal byť 2:1, ale skutočné množstvo použitej zásady je väčšie ako tento pomer, pretože v reakčnom systéme musí byť zaručená určitá koncentrácia voľnej zásady. pretože: určité Vyššia koncentrácia voľnej bázy vedie k dokončeniu alkalizačnej reakcie; zosieťovacia reakcia sa musí uskutočniť v alkalických podmienkach; niektoré vedľajšie reakcie spotrebúvajú alkálie. Ak sa však množstvo alkálie pridá príliš veľa, alkalické vlákno sa vážne znehodnotí a súčasne sa zníži účinnosť éterifikačného činidla. Pokusy ukazujú, že pomer alkálie k éteru je asi 2,5:1.

3.4 Vplyv množstva rozpúšťadla

Experimentálne podmienky sú: koncentrácia alkálie 40 %; dávka alkálie 20 ml; pomer alkalického éteru 2,5:1; dávka sieťovacieho činidla 0,06g, alkalizácia 90min.

Rozpúšťadlo bezvodý etanol hrá úlohu dispergovania, homogenizácie a udržiavania suspenzného stavu systému, čo je výhodné na dispergovanie a prenos tepla uvoľneného počas tvorby alkalickej celulózy a môže znížiť hydrolytickú reakciu alkalickej celulózy, čím sa dosiahne jednotná celulóza . Ak je však pridané množstvo alkoholu príliš veľké, alkália a monochlóracetát sodný sa v ňom rozpustia, zníži sa koncentrácia reaktantov, zníži sa rýchlosť reakcie a nepriaznivo sa prejaví aj následné zosieťovanie. Keď je množstvo absolútneho etanolu 20 ml, hodnota WRV je veľká.

Stručne povedané, najvhodnejšie podmienky na prípravu superabsorpčnej živice z absorbujúcej bavlny alkalizovanej a éterifikovanej karboxymetylcelulózy zosieťovanej N,N-metylénbisakrylamidom sú: koncentrácia alkálie 40 %, bez rozpúšťadla 20 ml vody a etanolu, pomer alkálie k éteru je 2,5 : 1 a dávka sieťovacieho činidla je 0,06 g (6 % z množstva bavlneného vlákna).