Суперабсорбуючий матеріал з ефіру целюлози

Були вивчені процес і продуктивність продукту карбоксиметилцелюлози, зшитої N,N-метиленбісакриламідом для отримання суперабсорбуючої смоли, а також обговорювалися концентрація лугу, кількість зшиваючого агента, етерифікація лугу та розчинник. Вплив дозування на показники водопоглинання продукту. Пояснюється механізм адсорбції водопоглинаючої смоли у воді. Дослідження показали, що коефіцієнт утримання води (WRV) цього продукту досягає 114 мл/г.

Ключові слова:ефір целюлози; метиленбісакриламід; підготовка

1、вступ

Супервбираюча смола - це полімерний матеріал із сильними гідрофільними групами та певним ступенем зшивання. Звичайні водопоглинаючі матеріали, такі як папір, бавовна та коноплі, мають низький рівень водопоглинання та погану водоутримувальну здатність, тоді як суперпоглинаючі смоли можуть поглинати воду в десятки разів більше, ніж власна вага, і гель, який утворюється після поглинання води, навіть не зневоднюється з легким натиском. Чудова здатність утримувати воду. Він не розчиняється ні у воді, ні в органічних розчинниках.

Існує велика кількість гідроксильних груп, карбоксильних груп та іонів гідрату натрію в молекулярному ланцюзі суперабсорбуючого матеріалу з целюлози. Після поглинання води вода оточується гідрофільною макромолекулярною мережею і може утримуватися під зовнішнім тиском. Коли вода зволожує адсорбційну смолу, між смолою та водою утворюється шар напівпроникної мембрани. Завдяки високій концентрації рухомих іонів (Na+) у водопоглинаючій смолі, за словами Доннана'За принципом рівноваги ця різниця концентрацій іонів може викликати осмотичний тиск. Погана, утворюючи слабку зволожувальну та набухаючу силу, вода проходить через цей шар напівпроникної мембрани та поєднується з гідрофільними групами та іонами на макромолекулах суперабсорбуючої смоли, знижуючи концентрацію рухомих іонів, тим самим демонструючи високе водопоглинання та набухання. Цей процес адсорбції триває до тих пір, поки різниця осмотичного тиску, викликана різницею в концентрації рухомих іонів, не дорівнюватиме опору подальшому розширенню, викликаному когезивною силою молекулярної сітки полімерної смоли. Перевагами суперабсорбуючої смоли, виготовленої з целюлози, є: помірна швидкість водопоглинання, швидка швидкість поглинання води, хороша стійкість до солоної води, нетоксична, легко регулюється значення pH, може бути деградована в природі та низька вартість, тому вона має широкий спектр діапазон використання. Його можна використовувати як водоблокуючий агент, кондиціонер ґрунту та водоутримуючий агент у промисловості та сільському господарстві. Крім того, він має хороші перспективи розвитку та застосування в охороні здоров’я, харчуванні, мікробіології та медицині.

2. Експериментальна частина

2.1 Принцип експерименту

Приготування суперабсорбуючої смоли бавовняного волокна полягає головним чином у формуванні зшитої структури з низьким ступенем заміщення на шкірі волокна. Перехресне зшивання до сполук, які зазвичай мають дві або більше реакційноздатних функціональних груп. Функціональні групи, здатні до зшивання, включають вініл, гідроксил, карбоксил, амід, хлорангидрид, оксиран, нітрил тощо. Коефіцієнт водопоглинання суперабсорбуючих смол, виготовлених з різними зшиваючими агентами, різний. У цьому експерименті N,N-метиленбісакриламід використовується як зшиваючий агент, включаючи такі етапи:

(1) Целюлоза (Rcell) реагує з лужним розчином, утворюючи лужну целюлозу, а реакція підлужнення целюлози є швидкою екзотермічною реакцією. Зниження температури сприяє утворенню лужних волокон і може пригнічувати їх гідроліз. Додавання спиртів може збільшити розлад целюлози, що сприятливо підщелачує та подальшу етерифікацію.

RcellOH+NaOH→RcellONa+H2O

(2) Лужна целюлоза та монохлороцтова кислота генерують натрійкарбоксиметилцелюлозу, а реакція етерифікації належить до реакції нуклеофільного заміщення:

RcellONa+ClCH2COONa→RклітинаOCH2COONa+NaCl

(3) N,N-метиленбісакриламід, зшитий для отримання суперабсорбуючої смоли. Оскільки в молекулярному ланцюзі карбоксиметилового волокна все ще є велика кількість гідроксильних груп, іонізація гідроксильної групи целюлози та іонізація акрилоїльного подвійного зв’язку в молекулярному ланцюзі N,N-метиленбісакриламіду може бути ініційована під дією лужного каталізу, а потім перехресне зшивання між молекулярними ланцюгами целюлози відбувається за допомогою конденсації Міхаеля та негайно піддається протонному обміну з водою, щоб стати нерозчинною у воді целюлозною суперабсорбуючою смолою.

2.2 Сировина та інструменти

Сировина: вата (порізана на лінт), гідроксид натрію, монохлороцтова кислота, N,N-метиленбісакриламід, етанол абсолютний, ацетон.

Обладнання: тригорла колба, електрична мішалка, зворотний холодильник, фільтрувальна колба, воронка Бюхнера, вакуумна сушильна шафа, циркуляційний водяний вакуумний насос.

2.3 Спосіб приготування

2.3.1 Олужнення

До тригорлої пляшки додати 1 г гігроскопічної вати, потім додати певну кількість розчину гідроксиду натрію та абсолютного етанолу, підтримувати температуру нижче кімнатної та деякий час перемішувати.

2.3.2 Етерифікація

Додають певну кількість хлороцтової кислоти і перемішують протягом 1 год.

2.3.2 Зшивання

На пізній стадії етерифікації додавали N,N-метиленбісакриламід у пропорції для зшивання та перемішували при кімнатній температурі протягом 2 годин.

2.3.4 Постобробка

Використовуйте крижану оцтову кислоту, щоб відрегулювати значення рН до 7, змийте сіль етанолом, змийте воду ацетоном, відсмоктуйте фільтр і сушіть у вакуумі протягом 4 годин (приблизно при 60°C, ступінь вакууму 8,8 кПа), щоб отримати білу бавовняну нитку.

2.4 Аналітичне тестування

Швидкість водопоглинання (WRV) визначається шляхом просіювання, тобто 1 г продукту (G) додають у склянку, що містить 100 мл дистильованої води (V1), замочують протягом 24 годин, фільтрують через сітку з нержавіючої сталі 200 меш. , і вода в нижній частині екрана збирається (V2). Формула розрахунку така: WRV=(V1-V2)/G.

3. Результати та їх обговорення

3.1 Вибір умов реакції олужнення

У процесі виробництва лужної целюлози дією бавовняного волокна та лужного розчину умови процесу мають значний вплив на продуктивність продукту. Існує багато факторів реакції підлужнення. Для зручності спостереження використовується ортогональний метод планування експерименту.

Інші умови: розчинником є ​​20 мл абсолютного етанолу, співвідношення лугу до етерифікуючого агента (моль/мд) становить 3:1, а зшиваючий агент становить 0,05 г.

Експериментальні результати показують, що: первинне та вторинне співвідношення: C>A>B, найкраще співвідношення: A3B3C3. Концентрація лугу є найважливішим фактором у реакції підлужнення. Висока концентрація лугу сприяє утворенню лужної целюлози. Однак слід зазначити, що чим вища концентрація лугу, тим більший вміст солі в отриманій супервбираючій смолі. Тому, промиваючи сіль етанолом, промийте її кілька разів, щоб переконатися, що сіль із продукту видалена, щоб не вплинути на водопоглинальну здатність продукту.

3.2 Вплив дози зшиваючого агента на WRV продукту

Умови експерименту такі: 20 мл абсолютного етанолу, співвідношення лугу до агента етерифікації 2,3:1, 20 мл лугу та 90 хвилин підлужнення.

Результати показали, що кількість зшиваючого агента впливає на ступінь зшивання CMC-Na. Надмірне зшивання призводить до щільної мережевої структури в просторі продукту, яка характеризується низькою швидкістю водопоглинання та поганою еластичністю після водопоглинання; коли кількість зшиваючого агента невелика, зшивання є неповним, і є водорозчинні продукти, які також впливають на швидкість поглинання води. Коли кількість зшиваючого агента становить менше 0,06 г, швидкість водопоглинання збільшується зі збільшенням кількості зшиваючого агента, коли кількість зшиваючого агента перевищує 0,06 г, швидкість водопоглинання зменшується з кількістю зшиваючого агента. Таким чином, доза зшиваючого агента становить близько 6% від маси бавовняного волокна.

3.3 Вплив умов етерифікації на WRV продукту

Умови досліду: концентрація лугу 40%; об'єм лугу 20мл; абсолютний етанол 20 мл; зшиваючий агент дозування 0,06 г; підлужнення 90 хв.

З формули хімічної реакції співвідношення луг-ефір (NaOH:CICH2-COOH) має бути 2:1, але фактична кількість використаного лугу є більшою за це співвідношення, оскільки в реакційній системі має бути забезпечена певна концентрація вільного лугу. , оскільки: певна більш висока концентрація вільної основи сприяє завершенню реакції підлужнення; реакцію зшивання необхідно проводити в лужних умовах; деякі побічні реакції споживають луг. Однак, якщо кількість лугу додається занадто багато, лужне волокно буде серйозно погіршено, і в той же час ефективність агента етерифікації буде знижена. Досліди показують, що співвідношення лугу до ефіру становить приблизно 2,5:1.

3.4 Вплив кількості розчинника

Умови досліду: концентрація лугу 40%; дозування лугу 20мл; співвідношення луг-ефір 2,5:1; дозування зшиваючого агента 0,06 г, підлужнення 90 хв.

Розчинник безводний етанол відіграє роль диспергування, гомогенізації та підтримки стану суспензії системи, що є корисним для диспергування та передачі тепла, що виділяється під час утворення лужної целюлози, і може зменшити реакцію гідролізу лужної целюлози, отримуючи таким чином однорідну целюлоза . Однак, якщо кількість доданого спирту занадто велика, луг і монохлорацетат натрію розчиняться в ньому, концентрація реагентів зменшиться, швидкість реакції зменшиться, і це також матиме негативний вплив на подальше зшивання. Коли кількість абсолютного етанолу становить 20 мл, значення WRV є великим.

Таким чином, найбільш придатними умовами для приготування суперабсорбуючої смоли з абсорбуючої бавовни, підлуженої та етерифікованої карбоксиметилцелюлози, зшитої N,N-метиленбісакриламідом, є: концентрація лугу 40%, вільний від розчинника 20 мл води та етанолу, співвідношення лугу до ефіру 2,5:1, а дозування зшиваючого агента – 0,06 г (6% від кількості бавовняного лінту).