วัสดุดูดซับพิเศษจากเซลลูโลสอีเทอร์

มีการศึกษากระบวนการและผลิตภัณฑ์ประสิทธิภาพของคาร์บอกซีเมทิลเซลลูโลสที่เชื่อมโยงข้ามโดย N, N-เมทิลีนบิซาคริลาไมด์เพื่อเตรียมเรซินที่ดูดซับได้ยิ่งยวด และได้มีการหารือเกี่ยวกับความเข้มข้นของอัลคาไล ปริมาณของสารเชื่อมโยงข้าม อัลคาไลอีเทอร์ริฟิเคชั่น และตัวทำละลาย ผลของขนาดยาต่อประสิทธิภาพการดูดซึมน้ำของผลิตภัณฑ์ อธิบายกลไกการดูดซับของเรซินดูดซับน้ำลงสู่น้ำ การศึกษาพบว่าค่าการกักเก็บน้ำ (WRV) ของผลิตภัณฑ์นี้สูงถึง 114 มล./กรัม

คำสำคัญ:เซลลูโลสอีเทอร์; เมทิลีนบิซาคริลาไมด์; การตระเตรียม

1-การแนะนำ

เรซินดูดซับยิ่งยวดเป็นวัสดุโพลีเมอร์ที่มีกลุ่มที่ชอบน้ำสูงและมีการเชื่อมขวางในระดับหนึ่ง วัสดุดูดซับน้ำทั่วไป เช่น กระดาษ ผ้าฝ้าย และปอมีอัตราการดูดซึมน้ำต่ำและความสามารถในการกักเก็บน้ำต่ำ ในขณะที่เรซินดูดซับพิเศษสามารถดูดซับน้ำได้หลายสิบเท่าของน้ำหนักของตัวเอง และเจลที่เกิดขึ้นหลังจากการดูดซับน้ำจะไม่ทำให้ขาดน้ำแม้แต่น้อย ด้วยแรงกดดันเล็กน้อย ความสามารถในการกักเก็บน้ำได้ดีเยี่ยม ไม่ละลายในน้ำหรือในตัวทำละลายอินทรีย์

มีหมู่ไฮดรอกซิล หมู่คาร์บอกซิล และโซเดียมไฮเดรตไอออนจำนวนมากบนสายโซ่โมเลกุลของวัสดุดูดซับซุปเปอร์ที่ทำจากเซลลูโลส หลังจากการดูดซับน้ำ น้ำจะถูกล้อมรอบด้วยโครงข่ายโมเลกุลขนาดใหญ่ที่ชอบน้ำ และสามารถกักเก็บไว้ภายใต้แรงกดดันภายนอก เมื่อน้ำทำให้เรซินดูดซับชื้น ชั้นของเมมเบรนแบบกึ่งซึมผ่านได้จะเกิดขึ้นระหว่างเรซินกับน้ำ Donnan ระบุ เนื่องจากไอออนเคลื่อนที่ (Na+) มีความเข้มข้นสูงในเรซินดูดซับน้ำ-ตามหลักการสมดุล ความแตกต่างของความเข้มข้นของไอออนนี้สามารถทำให้เกิดแรงดันออสโมติกได้ น้ำไหลผ่านชั้นเมมเบรนกึ่งซึมผ่านได้ซึ่งก่อให้เกิดพลังงานที่อ่อนแอและบวมและรวมกับกลุ่มที่ชอบน้ำและไอออนบนโมเลกุลขนาดใหญ่ของเรซินดูดซับยิ่งยวดทำให้ความเข้มข้นของไอออนเคลื่อนที่ลดลงจึงแสดงการดูดซึมน้ำและการบวมสูง กระบวนการดูดซับนี้จะดำเนินต่อไปจนกว่าความแตกต่างของแรงดันออสโมติกที่เกิดจากความแตกต่างของความเข้มข้นของไอออนเคลื่อนที่จะเท่ากับความต้านทานต่อการขยายตัวเพิ่มเติมที่เกิดจากแรงยึดเกาะของโครงข่ายโมเลกุลของเรซินโพลีเมอร์ ข้อดีของเรซินดูดซับยิ่งยวดที่เตรียมจากเซลลูโลส ได้แก่ อัตราการดูดซึมน้ำปานกลาง ความเร็วการดูดซึมน้ำได้เร็ว ทนต่อน้ำเค็มได้ดี ปลอดสารพิษ ปรับค่า pH ได้ง่าย สามารถย่อยสลายได้ในธรรมชาติ ต้นทุนต่ำ จึงได้กว้าง ช่วงการใช้งาน สามารถใช้เป็นสารกั้นน้ำ สารปรับสภาพดิน และสารกักเก็บน้ำในอุตสาหกรรมและการเกษตร นอกจากนี้ยังมีโอกาสในการพัฒนาและการประยุกต์ใช้ที่ดีในด้านสุขภาพ อาหาร จุลชีววิทยา และการแพทย์

2. ส่วนทดลอง

2.1 หลักการทดลอง

การเตรียมเรซินดูดซับยิ่งยวดของเส้นใยฝ้ายส่วนใหญ่เพื่อสร้างโครงสร้างเชื่อมโยงข้ามโดยมีการทดแทนในระดับต่ำบนผิวหนังของเส้นใย การเชื่อมโยงข้ามกับสารประกอบที่โดยทั่วไปมีหมู่ฟังก์ชันที่เกิดปฏิกิริยาตั้งแต่ 2 หมู่ขึ้นไป กลุ่มฟังก์ชันที่สามารถเชื่อมโยงข้ามได้ ได้แก่ ไวนิล ไฮดรอกซิล คาร์บอกซิล เอไมด์ กรดคลอไรด์ ออกซีเรน ไนไตรล์ ฯลฯ อัตราการดูดซึมน้ำของเรซินดูดซับยิ่งยวดที่เตรียมด้วยสารเชื่อมโยงข้ามที่แตกต่างกันจะแตกต่างกัน ในการทดลองนี้ N, N-เมทิลีนบิซาคริลาไมด์ถูกใช้เป็นสารเชื่อมโยงข้าม รวมถึงขั้นตอนต่อไปนี้:

(1) เซลลูโลส (Rcell) ทำปฏิกิริยากับสารละลายอัลคาไลน์เพื่อสร้างเซลลูโลสอัลคาไล และปฏิกิริยาอัลคาไลเซชันของเซลลูโลสเป็นปฏิกิริยาคายความร้อนอย่างรวดเร็ว การลดอุณหภูมิจะเอื้อต่อการก่อตัวของเส้นใยอัลคาไลและสามารถยับยั้งการไฮโดรไลซิสได้ การเติมแอลกอฮอล์สามารถเพิ่มความผิดปกติของเซลลูโลสได้ ซึ่งเป็นประโยชน์ต่อความเป็นด่างและการเกิดเอเทอริฟิเคชันในภายหลัง

RcellOH+NaOHRcellONa+H2O

(2) เซลลูโลสอัลคาไลและกรดโมโนคลอโรอะซิติกสร้างโซเดียมคาร์บอกซีเมทิลเซลลูโลส และปฏิกิริยาอีเธอริฟิเคชันเป็นของปฏิกิริยาทดแทนนิวคลีโอฟิลิก:

RcellONa+ClCH2COONaRcellOCH2COONa+NaCl

(3) N, N-methylenebisacrylamide cross-linked เพื่อให้ได้เรซินที่ดูดซับได้สูง เนื่องจากยังมีหมู่ไฮดรอกซิลจำนวนมากบนสายโซ่โมเลกุลของเส้นใยคาร์บอกซีเมทิล การแตกตัวเป็นไอออนของกลุ่มไฮดรอกซิลของเซลลูโลสและการแตกตัวเป็นไอออนของพันธะคู่อะคริโลอิลบนสายโซ่โมเลกุลของ N, N-methylenebisacrylamide จึงสามารถถูกกระตุ้นได้ภายใต้การกระทำ ของการเร่งปฏิกิริยาด้วยอัลคาไล จากนั้นการเชื่อมโยงข้ามระหว่างสายโซ่โมเลกุลของเซลลูโลสเกิดขึ้นผ่านการควบแน่นของไมเคิล และผ่านการแลกเปลี่ยนโปรตอนกับน้ำทันทีจนกลายเป็นเรซินดูดซับเซลลูโลสขั้นสูงที่ไม่ละลายน้ำ

2.2 วัตถุดิบและเครื่องมือ

วัตถุดิบ: สำลีดูดซับ (ตัดเป็นลินเกอร์), โซเดียมไฮดรอกไซด์, กรดโมโนคลอโรอะซิติก, เอ็น, เอ็น-เมทิลีนบิซาคริลาไมด์, เอทานอลสัมบูรณ์, อะซิโตน

เครื่องมือ: ขวดแบบสามคอ, เครื่องกวนไฟฟ้า, คอนเดนเซอร์ไหลย้อน, ขวดกรองการดูด, กรวย Buchner, เตาอบแห้งสุญญากาศ, ปั๊มสุญญากาศน้ำหมุนเวียน

2.3 วิธีการเตรียม

2.3.1 การทำให้เป็นด่าง

เติมสำลีดูดซับ 1 กรัมลงในขวดสามคอ จากนั้นเติมสารละลายโซเดียมไฮดรอกไซด์และเอทานอลสัมบูรณ์จำนวนหนึ่ง รักษาอุณหภูมิให้ต่ำกว่าอุณหภูมิห้อง แล้วคนสักครู่

2.3.2 อีเทอร์ริฟิเคชั่น

เติมกรดคลอโรอะซิติกจำนวนหนึ่งแล้วคนเป็นเวลา 1 ชั่วโมง

2.3.2 การเชื่อมขวาง

ในขั้นต่อมาของอีเทอร์ริฟิเคชัน N,N-เมทิลีนบิซาคริลาไมด์ถูกเติมตามสัดส่วนเพื่อดำเนินการเชื่อมโยงข้ามและกวนที่อุณหภูมิห้องเป็นเวลา 2 ชั่วโมง

2.3.4 หลังการประมวลผล

ใช้กรดอะซิติกน้ำแข็งเพื่อปรับค่า pH เป็น 7, ล้างเกลือออกด้วยเอธานอล, ล้างน้ำออกด้วยอะซิโตน, กรองด้วยการดูด และเป่าแห้งเป็นเวลา 4 ชั่วโมง (ที่ประมาณ 60°C ระดับสุญญากาศ 8.8kPa) เพื่อให้ได้ผลิตภัณฑ์เส้นใยฝ้ายสีขาว

2.4 การทดสอบเชิงวิเคราะห์

อัตราการดูดซึมน้ำ (WRV) ถูกกำหนดโดยการกรอง กล่าวคือ เติมผลิตภัณฑ์ 1 กรัม (G) ลงในบีกเกอร์ที่บรรจุน้ำกลั่น 100 มล. (V1) แช่ไว้เป็นเวลา 24 ชั่วโมง แล้วกรองผ่านตะแกรงสแตนเลส 200 ตาข่าย และน้ำที่ด้านล่างของตะแกรงจะถูกรวบรวม (V2) สูตรการคำนวณมีดังนี้ WRV=(V1-V2)/G.

3. ผลลัพธ์และการอภิปราย

3.1 การเลือกสภาวะปฏิกิริยาอัลคาไลเซชัน

ในกระบวนการผลิตเซลลูโลสอัลคาไลโดยการกระทำของใยฝ้ายและสารละลายอัลคาไลน์ สภาวะของกระบวนการมีผลกระทบอย่างมากต่อประสิทธิภาพของผลิตภัณฑ์ ปฏิกิริยาอัลคาไลเซชันมีหลายปัจจัย เพื่อความสะดวกในการสังเกต จึงนำวิธีการออกแบบการทดลองแบบมุมฉากมาใช้

เงื่อนไขอื่นๆ: ตัวทำละลายคือเอธานอลสัมบูรณ์ 20 มล. อัตราส่วนของอัลคาไลต่อสารอีเทอร์ริฟายอิ้ง (mol/md) คือ 3:1 และสารเชื่อมขวางคือ 0.05 ก.

ผลการทดลองแสดงให้เห็นว่า: ความสัมพันธ์หลักและรอง: C>A>B อัตราส่วนที่ดีที่สุด: A3B3C3 ความเข้มข้นของน้ำด่างเป็นปัจจัยที่สำคัญที่สุดในปฏิกิริยาอัลคาไลเซชัน น้ำด่างที่มีความเข้มข้นสูงเอื้อต่อการก่อตัวของเซลลูโลสอัลคาไล อย่างไรก็ตาม ควรสังเกตว่ายิ่งความเข้มข้นของน้ำด่างสูง ปริมาณเกลือของเรซินดูดซับยิ่งยวดที่เตรียมไว้ก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น ดังนั้นเมื่อล้างเกลือด้วยเอทานอลให้ล้างหลาย ๆ ครั้งเพื่อให้แน่ใจว่าเกลือในผลิตภัณฑ์ถูกกำจัดออกไปเพื่อไม่ให้กระทบต่อความสามารถในการดูดซับน้ำของผลิตภัณฑ์

3.2 ผลกระทบของขนาดยาของสารเชื่อมโยงข้ามต่อ WRV ของผลิตภัณฑ์

เงื่อนไขการทดลองคือ: เอทานอลสัมบูรณ์ 20 มล., อัตราส่วนของอัลคาไลต่อสารอีเทอร์ริฟิเคชั่น 2.3:1, น้ำด่าง 20 มล. และการทำให้เป็นด่าง 90 นาที

ผลลัพธ์แสดงให้เห็นว่าปริมาณของสารเชื่อมโยงข้ามส่งผลต่อระดับการเชื่อมโยงข้ามของ CMC-Na การเชื่อมโยงข้ามที่มากเกินไปนำไปสู่โครงสร้างเครือข่ายที่แน่นหนาในพื้นที่ผลิตภัณฑ์ ซึ่งมีอัตราการดูดซึมน้ำต่ำและความยืดหยุ่นต่ำหลังจากการดูดซึมน้ำ เมื่อปริมาณของสารเชื่อมโยงมีน้อย การเชื่อมโยงข้ามจะไม่สมบูรณ์ และมีผลิตภัณฑ์ที่ละลายน้ำได้ ซึ่งส่งผลต่ออัตราการดูดซึมน้ำด้วย เมื่อปริมาณของสารเชื่อมโยงข้ามน้อยกว่า 0.06g อัตราการดูดซึมน้ำจะเพิ่มขึ้นตามการเพิ่มขึ้นของปริมาณของสารเชื่อมโยงข้าม เมื่อปริมาณของสารเชื่อมโยงข้ามมากกว่า 0.06g อัตราการดูดซึมน้ำจะลดลง ด้วยปริมาณของสารเชื่อมโยงข้าม ดังนั้นปริมาณของสารเชื่อมขวางคือประมาณ 6% ของมวลใยฝ้าย

3.3 ผลของสภาวะอีเทอร์ริฟิเคชั่นต่อ WRV ของผลิตภัณฑ์

เงื่อนไขการทดลองคือ: ความเข้มข้นของอัลคาไล 40%; ปริมาณอัลคาไล 20ml; เอทานอลสัมบูรณ์ 20 มล. ปริมาณตัวแทนเชื่อมโยงข้าม 0.06g; การทำให้เป็นด่าง 90 นาที

จากสูตรปฏิกิริยาเคมี อัตราส่วนอัลคาไล-อีเทอร์ (NaOH:CICH2-COOH) ควรเป็น 2:1 แต่ปริมาณอัลคาไลที่ใช้จริงนั้นมากกว่าอัตราส่วนนี้ เนื่องจากต้องรับประกันความเข้มข้นของด่างอิสระที่แน่นอนในระบบปฏิกิริยา เนื่องจาก: บางความเข้มข้นของเบสอิสระที่สูงกว่าจะช่วยให้ปฏิกิริยาอัลคาไลเซชันสมบูรณ์ ปฏิกิริยาการเชื่อมโยงข้ามจะต้องดำเนินการภายใต้สภาวะที่เป็นด่าง ปฏิกิริยาข้างเคียงบางอย่างใช้สารอัลคาไล อย่างไรก็ตาม หากเติมปริมาณอัลคาไลมากเกินไป เส้นใยอัลคาไลจะลดลงอย่างมาก และในเวลาเดียวกัน ประสิทธิภาพของสารอีเทอร์ริฟิเคชั่นจะลดลง การทดลองแสดงให้เห็นว่าอัตราส่วนของอัลคาไลต่ออีเทอร์อยู่ที่ประมาณ 2.5:1

3.4 อิทธิพลของปริมาณตัวทำละลาย

เงื่อนไขการทดลองคือ: ความเข้มข้นของอัลคาไล 40%; ปริมาณอัลคาไล 20ml; อัตราส่วนอัลคาไล-อีเธอร์ 2.5:1; ปริมาณสารเชื่อมโยงข้าม 0.06g, อัลคาไลเซชัน 90 นาที

ตัวทำละลายเอทานอลปราศจากน้ำมีบทบาทในการกระจายตัวทำให้เป็นเนื้อเดียวกันและรักษาสถานะของสารละลายของระบบซึ่งเป็นประโยชน์ต่อการกระจายและถ่ายเทความร้อนที่ปล่อยออกมาในระหว่างการก่อตัวของเซลลูโลสอัลคาไลและสามารถลดปฏิกิริยาไฮโดรไลซิสของเซลลูโลสอัลคาไลได้ จึงได้รับความสม่ำเสมอ เซลลูโลส อย่างไรก็ตาม หากปริมาณแอลกอฮอล์ที่เติมมากเกินไป อัลคาไลและโซเดียมโมโนคลอโรอะซิเตตจะละลายในนั้น ความเข้มข้นของสารตั้งต้นจะลดลง อัตราการเกิดปฏิกิริยาจะลดลง และจะส่งผลเสียต่อการเชื่อมขวางที่ตามมาด้วย เมื่อปริมาณเอธานอลสัมบูรณ์คือ 20 มล. ค่า WRV จะมีมาก

โดยสรุป สภาวะที่เหมาะสมที่สุดสำหรับการเตรียมเรซินดูดซับยิ่งยวดจากฝ้ายดูดซับ อัลคาไลซ์และคาร์บอกซีเมทิลเซลลูโลสที่เชื่อมโยงด้วยอีเทอร์ไฟด์โดย N, N-เมทิลีนบิซาคริลาไมด์ คือ: ความเข้มข้นของอัลคาไล 40%, ปราศจากตัวทำละลาย 20 มล. ของน้ำและเอธานอล, อัตราส่วนของอัลคาไลต่ออีเทอร์ คือ 2.5:1 และปริมาณของสารเชื่อมขวางคือ 0.06 กรัม (6% ของปริมาณสำลี)