Super Absorbent Material mula sa Cellulose Ether

Ang proseso at pagganap ng produkto ng carboxymethyl cellulose cross-linked ng N, N-methylenebisacrylamide upang maghanda ng superabsorbent resin ay pinag-aralan, at ang konsentrasyon ng alkali, ang halaga ng cross-linking agent, alkali etherification, at solvent ay tinalakay. Ang epekto ng dosis sa pagganap ng pagsipsip ng tubig ng produkto. Ang mekanismo ng adsorption ng tubig-absorbent resin sa tubig ay ipinaliwanag. Ipinakita ng mga pag-aaral na ang water retention value (WRV) ng produktong ito ay umaabot sa 114ml/g.

Susing salita:selulusa eter; methylenebisacrylamide; paghahanda

1、Panimula

Ang superabsorbent resin ay isang polymer material na may malakas na hydrophilic group at isang tiyak na antas ng crosslinking. Ang mga karaniwang materyal na sumisipsip ng tubig tulad ng papel, bulak, at abaka ay may mababang rate ng pagsipsip ng tubig at mahinang kapasidad sa pagpapanatili ng tubig, habang ang mga super-absorbent na resin ay maaaring sumipsip ng tubig ng dose-dosenang beses ng kanilang sariling timbang, at ang gel na nabuo pagkatapos sumipsip ng tubig ay hindi maaalis ng tubig kahit na. na may bahagyang presyon. Napakahusay na kapasidad ng pagpapanatili ng tubig. Hindi ito natutunaw sa tubig o sa mga organikong solvent.

Mayroong isang malaking bilang ng mga hydroxyl group, carboxyl group at sodium hydrate ions sa molecular chain ng super absorbent material na gawa sa cellulose. Pagkatapos sumipsip ng tubig, ang tubig ay napapalibutan ng isang hydrophilic macromolecular network at maaaring mapanatili sa ilalim ng panlabas na presyon. Kapag binasa ng tubig ang adsorption resin, isang layer ng semi-permeable membrane ay nabuo sa pagitan ng resin at tubig. Dahil sa mataas na konsentrasyon ng mga mobile ions (Na+) sa water-absorbent resin, ayon kay Donnan'Sa prinsipyo ng balanse, ang pagkakaiba sa konsentrasyon ng ion na ito ay maaaring magdulot ng osmotic pressure. Mahina, na bumubuo ng isang moistening at pamamaga mahinang kapangyarihan, ang tubig ay dumadaan sa layer na ito ng semi-permeable membrane at pinagsasama sa mga hydrophilic group at ions sa macromolecules ng superabsorbent resin, binabawasan ang konsentrasyon ng mga mobile ions, sa gayon ay nagpapakita ng mataas na pagsipsip ng tubig at pamamaga. Ang proseso ng adsorption na ito ay nagpapatuloy hanggang ang pagkakaiba ng osmotic pressure na dulot ng pagkakaiba sa konsentrasyon ng mga mobile ions ay katumbas ng paglaban sa karagdagang pagpapalawak na dulot ng cohesive force ng molekular na network ng polymer resin. Ang mga bentahe ng superabsorbent resin na inihanda mula sa selulusa ay: katamtamang rate ng pagsipsip ng tubig, mabilis na bilis ng pagsipsip ng tubig, mahusay na paglaban ng tubig sa asin, hindi nakakalason, madaling ayusin ang halaga ng pH, maaaring masira sa kalikasan, at mababang gastos, kaya mayroon itong malawak na hanay ng mga gamit. Maaari itong gamitin bilang water blocking agent, soil conditioner, at water retaining agent sa industriya at agrikultura. Bilang karagdagan, mayroon itong mahusay na pag-unlad at mga prospect ng aplikasyon sa kalusugan, pagkain, microbiology, at gamot.

2. Eksperimental na bahagi

2.1 Pang-eksperimentong prinsipyo

Ang paghahanda ng cotton fiber superabsorbent resin ay pangunahing upang bumuo ng isang cross-linked na istraktura na may mababang antas ng pagpapalit sa balat ng hibla. Cross-linking sa mga compound na karaniwang may dalawa o higit pang reaktibong functional na grupo. Ang mga functional na grupo na may kakayahang mag-cross-link ay kinabibilangan ng vinyl, hydroxyl, carboxyl, amide, acid chloride, oxirane, nitrile, atbp. Ang ratio ng pagsipsip ng tubig ng mga superabsorbent resin na inihanda gamit ang iba't ibang mga cross-linking agent ay iba. Sa eksperimentong ito, ang N, N-methylenebisacrylamide ay ginagamit bilang isang cross-linking agent, kabilang ang mga sumusunod na hakbang:

(1) Ang Cellulose (Rcell) ay tumutugon sa alkaline na solusyon upang makabuo ng alkali cellulose, at ang alkalization reaction ng cellulose ay isang mabilis na exothermic na reaksyon. Ang pagpapababa ng temperatura ay nakakatulong sa pagbuo ng mga alkali fibers at maaaring pigilan ang kanilang hydrolysis. Ang pagdaragdag ng mga alkohol ay maaaring mapataas ang disorder ng selulusa, na kapaki-pakinabang sa alkalization at kasunod na etherification.

RcellOH+NaOH→RcellONa+H2O

(2) Ang alkali cellulose at monochloroacetic acid ay bumubuo ng sodium carboxymethyl cellulose, at ang etherification reaction ay kabilang sa nucleophilic substitution reaction:

RcellONa+ClCH2COONa→RcellOCH2COONa+NaCl

(3) N, N-methylenebisacrylamide cross-linked upang makakuha ng sobrang sumisipsip na dagta. Dahil mayroon pa ring malaking bilang ng mga hydroxyl group sa molecular chain ng carboxymethyl fiber, ang ionization ng hydroxyl group ng cellulose at ang ionization ng acryloyl double bond sa molecular chain ng N, N-methylenebisacrylamide ay maaaring ma-trigger sa ilalim ng pagkilos. ng alkali catalysis, at pagkatapos ay ang cross-linking sa pagitan ng cellulose molecular chain ay nangyayari sa pamamagitan ng Michael condensation, at agad na sumasailalim sa palitan ng proton sa tubig upang maging isang water-insoluble cellulose superabsorbent resin.

2.2 Hilaw na materyales at instrumento

Mga hilaw na materyales: sumisipsip ng cotton (pinutol sa linter), sodium hydroxide, monochloroacetic acid, N, N-methylenebisacrylamide, absolute ethanol, acetone.

Mga instrumento: three-necked flask, electric stirring, reflux condenser, suction filter flask, Buchner funnel, vacuum drying oven, circulating water vacuum pump.

2.3 Paraan ng paghahanda

2.3.1 Alkalinisasyon

Magdagdag ng 1 g ng absorbent cotton sa bote na may tatlong leeg, pagkatapos ay magdagdag ng isang tiyak na halaga ng sodium hydroxide solution at absolute ethanol, panatilihin ang temperatura sa ibaba ng temperatura ng kuwarto, at haluin nang ilang sandali.

2.3.2 Etherification

Magdagdag ng isang tiyak na halaga ng chloroacetic acid at pukawin para sa 1h.

2.3.2 Pag-crosslink

Sa huling yugto ng etherification, ang N,N-methylenebisacrylamide ay idinagdag sa proporsyon upang magsagawa ng cross-linking, at hinalo sa temperatura ng silid sa loob ng 2 oras.

2.3.4 Post-processing

Gumamit ng glacial acetic acid para i-adjust ang pH value sa 7, hugasan ang asin gamit ang ethanol, hugasan ang tubig gamit ang acetone, i-filter gamit ang suction, at i-vacuum dry sa loob ng 4 na oras (sa humigit-kumulang 60°C, vacuum degree 8.8kPa) upang makakuha ng isang puting cotton filament na produkto.

2.4 Analytical testing

Ang water absorption rate (WRV) ay tinutukoy sa pamamagitan ng sieving, ibig sabihin, 1g ng produkto (G) ay idinagdag sa isang beaker na naglalaman ng 100ml ng distilled water (V1), na babad sa loob ng 24 na oras, na sinala sa pamamagitan ng 200-mesh stainless steel screen , at ang tubig sa ibaba ng screen ay kinokolekta (V2). Ang formula ng pagkalkula ay ang mga sumusunod: WRV=(V1-V2)/G.

3. Mga resulta at talakayan

3.1 Pagpili ng mga kondisyon ng reaksyon ng alkaliisasyon

Sa proseso ng paggawa ng alkali cellulose sa pamamagitan ng pagkilos ng cotton fiber at alkaline solution, ang mga kondisyon ng proseso ay may malaking epekto sa pagganap ng produkto. Mayroong maraming mga kadahilanan sa reaksyon ng alkalisasyon. Para sa kaginhawaan ng pagmamasid, ang pamamaraan ng disenyo ng orthogonal na eksperimento ay pinagtibay.

Iba pang mga kondisyon: Ang solvent ay 20ml ng absolute ethanol, ang ratio ng alkali sa etherifying agent (mol/md) ay 3:1, at ang crosslinking agent ay 0.05g.

Ipinapakita ng mga eksperimentong resulta na: pangunahin at pangalawang relasyon: C>A>B, ang pinakamahusay na ratio: A3B3C3. Ang konsentrasyon ng lihiya ay ang pinakamahalagang kadahilanan sa reaksyon ng alkalisasyon. Ang mataas na konsentrasyon ng lihiya ay nakakatulong sa pagbuo ng alkali cellulose. Gayunpaman, dapat tandaan na mas mataas ang konsentrasyon ng lihiya, mas malaki ang nilalaman ng asin ng inihandang superabsorbent na dagta. Samakatuwid, kapag hinuhugasan ang asin gamit ang ethanol, hugasan ito ng ilang beses upang matiyak na ang asin sa produkto ay maalis, upang hindi maapektuhan ang kapasidad ng pagsipsip ng tubig ng produkto.

3.2 Epekto ng dosis ng crosslinking agent sa produkto WRV

Ang mga pang-eksperimentong kondisyon ay: 20ml ng absolute ethanol, 2.3:1 ratio ng alkali sa etherification agent, 20ml ng lye, at 90min ng alkalization.

Ang mga resulta ay nagpakita na ang dami ng cross-linking agent ay nakaapekto sa cross-linking degree ng CMC-Na. Ang labis na cross-linking ay humahantong sa isang masikip na istraktura ng network sa espasyo ng produkto, na kung saan ay nailalarawan sa mababang rate ng pagsipsip ng tubig at mahinang pagkalastiko pagkatapos ng pagsipsip ng tubig; kapag ang halaga ng cross-linking agent ay maliit, ang cross-linking ay hindi kumpleto, at may mga produktong nalulusaw sa tubig, na nakakaapekto rin sa rate ng pagsipsip ng tubig. Kapag ang halaga ng cross-linking agent ay mas mababa sa 0.06g, ang water absorption rate ay tumataas sa pagtaas ng halaga ng cross-linking agent, kapag ang halaga ng cross-linking agent ay higit sa 0.06g, ang water absorption rate ay bumababa sa dami ng cross-linking agent. Samakatuwid, ang dosis ng crosslinking agent ay tungkol sa 6% ng cotton fiber mass.

3.3 Epekto ng mga kondisyon ng etherification sa produkto WRV

Ang mga pang-eksperimentong kondisyon ay: alkalina konsentrasyon 40%; dami ng alkalina 20ml; ganap na ethanol 20ml; dosis ng cross-linking agent 0.06g; alkaliisasyon 90min.

Mula sa formula ng kemikal na reaksyon, ang alkali-ether ratio (NaOH:CICH2-COOH) ay dapat na 2:1, ngunit ang aktwal na dami ng alkali na ginamit ay mas malaki kaysa sa ratio na ito, dahil ang isang tiyak na libreng alkali na konsentrasyon ay dapat na garantisadong sa sistema ng reaksyon , dahil: tiyak Ang isang mas mataas na konsentrasyon ng libreng base ay nakakatulong sa pagkumpleto ng reaksyon ng alkalization; ang reaksyon ng cross-linking ay dapat isagawa sa ilalim ng mga kondisyong alkalina; ang ilang mga side reaction ay kumakain ng alkali. Gayunpaman, kung ang halaga ng alkali ay idinagdag nang labis, ang alkali fiber ay sineseryoso na mapapasama, at sa parehong oras, ang kahusayan ng etherification agent ay mababawasan. Ipinakikita ng mga eksperimento na ang ratio ng alkali sa eter ay humigit-kumulang 2.5:1.

3.4 Impluwensiya ng halaga ng solvent

Ang mga pang-eksperimentong kondisyon ay: alkalina konsentrasyon 40%; alkalina dosis 20ml; alkali-eter ratio 2.5:1; cross-linking agent dosis 0.06g, alkalisisasyon 90min.

Ang solvent anhydrous ethanol ay gumaganap ng papel ng dispersing, homogenizing at pagpapanatili ng slurry state ng system, na kung saan ay kapaki-pakinabang upang ikalat at ilipat ang init na inilabas sa panahon ng pagbuo ng alkali cellulose, at maaaring mabawasan ang hydrolysis reaksyon ng alkali cellulose, sa gayon ay nakakakuha ng pare-pareho. selulusa . Gayunpaman, kung ang halaga ng alkohol na idinagdag ay labis, ang alkali at sodium monochloroacetate ay matutunaw dito, ang konsentrasyon ng mga reactant ay bababa, ang rate ng reaksyon ay bababa, at ito ay magkakaroon din ng masamang epekto sa kasunod na crosslinking. Kapag ang halaga ng absolute ethanol ay 20ml, malaki ang halaga ng WRV.

Sa kabuuan, ang pinaka-angkop na mga kondisyon para sa paghahanda ng superabsorbent resin mula sa absorbent cotton alkalized at etherified carboxymethyl cellulose cross-linked ng N, N-methylenebisacrylamide ay: alkali concentration 40%, solvent-free 20ml ng tubig at ethanol, ang ratio ng alkali sa eter ay 2.5:1, at ang dosis ng crosslinking agent ay 0.06g (6% ng dami ng cotton liters).