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Warum absorbiert Natriumpolyacrylat Wasser?

May 2, 2022

Was ist ein superabsorbierendes Polymer?

Superabsorbierendes Polymer (Natriumpolyacrylat, auch SAP genannt) ist ein spezielles funktionelles Polymermaterial, das starke hydrophile Gruppen wie Carboxyl- und Hydroxylgruppen enthält und eine bestimmte netzwerkübergreifende Struktur aufweist.

Durch Hydratation kann es

  • schnell das Hundertfache bis mehr als das Tausendfache seiner eigenen Masse an Wasser aufnehmen,
  • Und es kann auch zehn- bis hundertmal Salzwasser, Blut, Urin und andere Flüssigkeiten aufnehmen.

Im Vergleich zu herkömmlichen saugfähigen Materialien

Die Wasseraufnahme herkömmlicher wasserabsorbierender Materialien wie Baumwolle, Schwamm, Papier etc. erfolgt nach dem Prinzip der Kapillare, die zur physikalischen Adsorption gehört.

Das superabsorbierende Harz hat aufgrund seiner molekularen Struktur einen gewissen Grad an Vernetzung, und das innere Wasser kann nicht leicht durch einfache mechanische Methoden extrudiert werden, so dass es eine starke Wasserretention aufweist.

Vergleich der Wasseraufnahmekapazität verschiedener herkömmlicher wasserabsorbierender Materialien und superabsorbierender Polymere:

Saugfähiges Material Wasseraufnahmekapazität (Gewichtsanteil) / %
Waterman Nr. 3 Filterpapier 180
Seidenpapier 400
Polyurethan-Schwamm 1050
Zellstoffhaufen 1200
Wattebällchen 1890
Natriumpolyacrylat 20200

Warum nimmt es Wasser auf?

Einer der intrinsischen Gründe für die hohe Wasserabsorptionsrate von SAP ist, dass es eine große Anzahl hydrophiler Gruppen wie Carboxyl-, Amimo- und Hydroxylgruppen in seiner makromolekularen Kette gibt.

Vernetzte Acrylatpolymere sind ein wichtiger Bestandteil wasserabsorbierender Materialien auf Kunstharzbasis und gelten als die vielversprechendsten wasserabsorbierenden Polymere.


Wasseraufnahmemechanismus

Aufgrund der unterschiedlichen Zusammensetzungen von SAP ist auch der Wasseraufnahmemechanismus unterschiedlich.

  • Für wasserabsorbierendes Polymer vom Polyacrylat-Typ ist hauptsächlich osmotischer Druck erforderlich, um den Wasserabsorptionsprozess abzuschließen.
  • Für nichtionisches SAP beruht es auf der hydrophilen Wirkung hydrophiler Gruppen, um die Wasserabsorption zu vervollständigen.

Die Quelleigenschaften von SAP wirken sich direkt auf die Produktqualität und -anwendung aus.

Derzeit gibt es viele Forschungsberichte über die Quelleigenschaften von SAP, unter denen die Forschungstheorien zum Wasseraufnahmemechanismus von superabsorbierenden Harzen in drei Aspekten zusammengefasst werden können:

  1. thermodynamischer Mechanismus der Wasseraufnahme;
  2. Wasserabsorptionsmechanismus flexibler Molekülketten;
  3. kinetischer Quellmechanismus.

Thermodynamischer Mechanismus der Wasseraufnahme

Die Adsorption von SAP am Wasser kann in physikalische Adsorption und chemische Adsorption unterteilt werden.

Physikalische Adsorption

Physikalische Adsorption bezieht sich auf die Adsorption von Wasser durch die Kapillare, so dass die Wasseraufnahmekapazität begrenzt ist und es unter einem bestimmten Druck schnell überläuft.

Das SAP-Molekül enthält starke hydrophile Polargruppen und hat eine dreidimensionale vernetzte Struktur.
Im Gegensatz zu herkömmlichen wasserabsorbierenden Materialien absorbiert SAP zuerst Wasser durch kapillare Adsorption und Dispersion, und dann interagieren die hydrophilen Gruppen des Harzes mit Wassermolekülen durch Wasserstoffbrückenbindungen. Die ionischen hydrophilen Gruppen beginnen zu dissoziieren, wenn sie auf Wasser treffen, und die Anionen sind hoch In der Molekülkette sind Kationen bewegliche Ionen.

Mit der Dissoziation der hydrophilen Gruppe nimmt die Anzahl der Anionen zu, die elektrostatische Abstoßung nimmt zu und das dreidimensionale vernetzte Netzwerk des Polymers dehnt sich aus. Zur gleichen Zeit, um die elektrische Neutralität zu erhalten, können die Kationen nicht zum externen Lösungsmittel diffundieren, so dass die Konzentration zunimmt, was zu einem Anstieg des osmotischen Drucks innerhalb und außerhalb des Harzvernetzungsnetzwerks und einer weiteren Infiltration von Wassermolekülen führt.

Mit zunehmender Wasseraufnahme tendiert die osmotische Druckdifferenz innerhalb und außerhalb des Netzes gegen Null. Wenn sich das Netzwerk ausdehnt, nimmt auch seine elastische Kontraktionskraft zu, wodurch die elektrostatische Abstoßung von Anionen allmählich ausgeglichen wird und schließlich ein Wasserabsorptionsgleichgewicht erreicht wird. Wassermoleküle dringen in das Harz ein und diffundieren unter der Kapillarwirkung, die durch die osmotische Druckdifferenz und die Ausdehnung der dreidimensionalen vernetzten Struktur des Harzes verursacht wird, um den Zweck der Wasseraufnahme zu erreichen.

Chemische Adsorption

Chemische Adsorption bedeutet, dass die hydrophilen Gruppen im Harz Wassermoleküle durch chemische Bindungen fest adsorbieren, die Adsorptionskapazität sehr stark ist und es schwierig ist, unter hohem Druck zu überlaufen.

Aufgrund der netzwerkübergreifenden Struktur von SAP selbst und der Kombination mit Wasserstoffbrückenbindungen ist die Adsorption des Harzes begrenzt.
Das molekulare Netzwerk kann sich nicht unbegrenzt ausdehnen, wenn Wasser vorhanden ist, was sicherstellt, dass sich das Harz nach der Aufnahme von Wasser nicht in Wasser auflöst.

Auf diese Weise gibt es zwei Kräfte innerhalb des SAP, eine ist der osmotische Druck, der durch die Abstoßung zwischen den internen Ionen erzeugt wird, wodurch das Wasser in das Harz eintritt und die Ausdehnung des Weltraumnetzwerks verursacht; Die andere ist die elastische Kraft, die durch den Vernetzungseffekt erzeugt wird, wodurch das Polymer nach Wasseraufnahme eine gewisse Festigkeit aufweist. Diese beiden Kräfte schränken sich gegenseitig ein und erreichen schließlich ein Gleichgewicht, das Harz ist mit Wasser gesättigt, und die Wasseraufnahme zu diesem Zeitpunkt ist die Wasserabsorptionsrate.


Wasseraufnahmemechanismus flexibler Molekülketten

Der thermodynamische Mechanismus der Wasserabsorption von SAP kann den Wasserabsorptionsmechanismus von ionischem SAP gut erklären, aber es ist schwierig, den Wasserabsorptionsmechanismus von nichtionischem SAP zu erklären. Daher ist es notwendig, den Wasseraufnahmemechanismus von SAP unter dem Aspekt der Molekülkette zu erklären.

Nach dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik balanciert das System immer spontan in Richtung zunehmender Entropie. In Abwesenheit von externer Energie bewegt der SAP in einem vollständig trockenen Zustand die makromolekulare Kette zufällig, und die Konformation jeder Kohlenstoff-Kohlenstoff-σ-Bindung neigt dazu, inkonsistent zu sein. Zu diesem Zeitpunkt tendiert die makromolekulare Kette von SAP immer spontan zur aufgewickelten molekularen Konformation.

Für eine ideale flexible makromolekulare Kette kann ihre C-C-Bindung frei rotieren, und ihre Rotation ist nur durch
Pendelgruppen und Wasserstoffbrückenbindungseffekte mit idealer Flexibilität begrenzt. Für SAP wird jedoch die Rotation der makromolekularen Kette in der Nähe des Vernetzungspunktes behindert. Bei gleichmäßiger Vernetzungsdichte hat jedes vernetzte Gitter die gleiche Größe. Es kann davon ausgegangen werden, dass die makromolekularen Ketten, die das vernetzte Gitter bilden, eine ideale Flexibilität aufweisen. , das heißt, jedes wasserabsorbierende Netzwerk ist ideal, und die Anzahl der Kohlenstoffatome in der Molekülkette zwischen jedem Vernetzungspunkt ist gleich.

Die Veränderungen des SAP-Kreuznetzes vor und nach der Wasseraufnahme

Je geringer die Vernetzungsdichte von SAP ist, desto stärker ist die Flexibilität der makromolekularen Kette, je länger die effektive Kettenlänge, desto leichter ist ihre Konformationsänderung, desto stärker ist die Wasseraufnahmekapazität und desto geringer ist die externe Energie, die benötigt wird, um die Konformationsänderung der makromolekularen Kette zu überwinden. Das heißt, die Gelstärke von SAP ist geringer.

Aus der Perspektive der makromolekularen Kettenkonformationsänderung trägt das Monomer mit der größeren Affinität zwischen den Seitengruppen der Hauptkohlenstoffkette und den Wassermolekülen dazu bei, die Flexibilität der makromolekularen SAP-Kette zu erhöhen.


kinetischer Quellmechanismus

Die Quellkinetik des Harzes wurde mit Hilfe der Berens-Hopfenberg-Diffusionsrelaxationsmodellgleichung erklärt.

Die Diffusions-Relaxations-Modellgleichung schlägt vor, dass die Diffusion von Wassermolekülen und die Relaxation von Harzmakromolekularen Segmenten eine lineare Beziehung erfüllen.

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