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¿Por qué el poliacrilato de sodio absorbe agua?

May 2, 2022

¿Qué es un polímero súper absorbente?

El polímero súper absorbente (poliacrilato de sodio, también llamado SAP) es un material polimérico funcional especial que contiene grupos hidrófilos fuertes como los grupos carboxilo e hidroxilo y tiene una cierta estructura de red cruzada.

A través de la hidratación, puede

  • absorbe rápidamente cientos de veces a más de mil veces su propia masa en agua,
  • Y también puede absorber de decenas a cien veces de agua salada, sangre, orina y otros líquidos.

En comparación con los materiales absorbentes tradicionales

La absorción de agua de los materiales tradicionales que absorben agua como el algodón, la esponja, el papel, etc. se lleva a cabo mediante el principio de capilaridad, que pertenece a la adsorción física.

La resina súper absorbente tiene un cierto grado de reticulación debido a su estructura molecular, y el agua interna no se puede extruir fácilmente mediante métodos mecánicos simples, por lo que tiene una fuerte retención de agua.

Comparación de la capacidad de absorción de agua de varios materiales tradicionales de absorción de agua y polímeros superabsorbentes:

Material absorbente Capacidad de absorción de agua (fracción de peso) / %
Papel de filtro Waterman No. 3 180
Papel de seda 400
Esponja de poliuretano 1050
Pila de pulpa de madera 1200
Bola de algodón 1890
Poliacrilato de sodio 20200

¿Por qué absorbe agua?

Una de las razones intrínsecas de la alta tasa de absorción de agua de SAP es que hay un gran número de grupos hidrófilos como grupos carboxilo, amido e hidroxilo en su cadena macromolecular.

Los polímeros de acrilato reticulado son una parte importante de los materiales absorbentes de agua a base de resina sintética, y se consideran los polímeros absorbentes de agua más prometedores.


Mecanismo de absorción de agua

Basado en las diferentes composiciones de SAP, el mecanismo de absorción de agua también es diferente.

  • Para el polímero absorbente de agua de tipo poliacrilato, se basa principalmente en la presión osmótica para completar el proceso de absorción de agua.
  • Para el SAP no iónico, se basa en el efecto hidrófilo de los grupos hidrófilos para completar la absorción de agua.

Las propiedades de hinchamiento de SAP afectan directamente a la calidad y aplicación de sus productos.

En la actualidad, existen muchos informes de investigación sobre las propiedades de hinchamiento de SAP, entre los que se pueden resumir las teorías de investigación sobre el mecanismo de absorción de agua de las resinas superabsorbentes en tres aspectos:

  1. mecanismo termodinámico de absorción de agua;
  2. mecanismo de absorción de agua de cadenas moleculares flexibles;
  3. Mecanismo cinético de hinchamiento.

Mecanismo termodinámico de absorción de agua

La adsorción de SAP en el agua se puede dividir en adsorción física y adsorción química.

Adsorción física

La adsorción física se refiere a la adsorción de agua a través del capilar, por lo que la capacidad de absorción de agua es limitada y se desbordará rápidamente bajo una cierta presión.

La molécula SAP contiene fuertes grupos polares hidrófilos y tiene una estructura reticulada tridimensional.
A diferencia de los materiales tradicionales que absorben agua, SAP primero absorbe agua a través de la adsorción capilar y la dispersión, y luego los grupos hidrófilos de la resina interactúan con las moléculas de agua a través de enlaces de hidrógeno. Los grupos hidrófilos iónicos comienzan a disociarse cuando se encuentran con el agua, y los aniones se fijan en alto En la cadena molecular, los cationes son iones móviles.

Con la disociación del grupo hidrófilo, aumenta el número de aniones, aumenta la repulsión electrostática y se expande la red reticulada tridimensional del polímero. Al mismo tiempo, para mantener la neutralidad eléctrica, los cationes no pueden difundirse al disolvente externo, por lo que la concentración aumenta, lo que resulta en un aumento de la presión osmótica dentro y fuera de la red reticulada de resina, y una mayor infiltración de moléculas de agua.

Con el aumento de la absorción de agua, la diferencia de presión osmótica dentro y fuera de la red tiende a cero. A medida que la red se expande, su fuerza de contracción elástica también aumenta, compensando gradualmente la repulsión electrostática de los aniones y finalmente alcanzando un equilibrio de absorción de agua. Las moléculas de agua penetran y se difunden en la resina bajo la acción capilar causada por la diferencia de presión osmótica y la expansión de la estructura reticulada tridimensional de la resina, para lograr el propósito de absorción de agua.

Adsorción química

La adsorción química significa que los grupos hidrófilos en la resina adsorben firmemente las moléculas de agua a través de enlaces químicos, la capacidad de adsorción es muy fuerte y es difícil desbordarse a alta presión.

Debido a la estructura de red cruzada de SAP y la combinación con enlaces de hidrógeno, la adsorción de la resina es limitada.
La red molecular no puede expandirse indefinidamente cuando hay agua presente, lo que garantiza que la resina no se disuelva en agua después de absorber agua.

De esta manera, hay dos fuerzas dentro del SAP, una es la presión osmótica generada por la repulsión entre los iones internos, que hace que el agua ingrese a la resina y provoca la expansión de la red espacial; La otra es la fuerza elástica generada por el efecto de reticulación, que hace que el polímero después de la absorción de agua tenga cierta resistencia. Estas dos fuerzas se restringen entre sí, y finalmente alcanzan un equilibrio, la resina está saturada de agua y la absorción de agua en este momento es la tasa de absorción de agua.


Mecanismo de absorción de agua de cadenas moleculares flexibles

El mecanismo termodinámico de absorción de agua de SAP puede explicar bien el mecanismo de absorción de agua de SAP iónico, pero es difícil explicar el mecanismo de absorción de agua de SAP no iónico. Por lo tanto, es necesario explicar el mecanismo de absorción de agua de SAP desde el aspecto de la cadena molecular.

De acuerdo con la segunda ley de la termodinámica, el sistema siempre se equilibra espontáneamente en la dirección de aumentar la entropía. En ausencia de energía externa, el SAP en un estado completamente seco mueve la cadena macromolecular al azar, y la conformación de cada enlace carbono-carbono σ tiende a ser inconsistente. En este momento, la cadena macromolecular de SAP siempre tiende a la conformación molecular enrollada espontáneamente.

Para una cadena macromolecular flexible ideal, su enlace C-C puede girar libremente, y su rotación solo está limitada por
grupos colgantes y efectos de enlace de hidrógeno, con una flexibilidad ideal. Sin embargo, para SAP, la rotación de la cadena macromolecular cerca del punto de reticulación se ve obstaculizada. En el caso de la densidad de reticulación uniforme, cada red reticulada tiene el mismo tamaño. Se puede considerar que las cadenas macromoleculares que constituyen la red reticulada tienen una flexibilidad ideal. , es decir, cada red absorbente de agua es ideal, y el número de átomos de carbono en la cadena molecular entre cada punto de reticulación es el mismo.

Los cambios de la red cruzada SAP antes y después de la absorción de agua

Por lo tanto, cuanto menor sea la densidad de reticulación de SAP, mayor será la flexibilidad de la cadena macromolecular, mayor será la longitud efectiva de la cadena, más fácil será su cambio conformacional, mayor será la capacidad de absorción de agua y menor será la energía externa requerida para superar el cambio conformacional de la cadena macromolecular. Es decir, la fuerza del gel de SAP es menor.

Desde la perspectiva del cambio conformacional de la cadena macromolecular, el monómero con la mayor afinidad entre los grupos laterales de la cadena principal de carbono y las moléculas de agua ayuda a mejorar la flexibilidad de la cadena macromolecular SAP.


mecanismo cinético de hinchazón

La cinética de hinchazón de la resina se explicó utilizando la ecuación del modelo de relajación de difusión de Berens-Hoppenberg.

La ecuación del modelo de difusión-relajación propone que la difusión de moléculas de agua y la relajación de segmentos macromoleculares de resina satisfacen una relación lineal.

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