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Pourquoi le polyacrylate de sodium absorbe-t-il l’eau?

May 2, 2022

Qu’est-ce qu’un polymère super absorbant

Le polymère super absorbant (polyacrylate de sodium, également appelé SAP) est un matériau polymère fonctionnel spécial qui contient des groupes hydrophiles forts tels que les groupes carboxyle et hydroxyle et possède une certaine structure inter-réseaux.

Grâce à l’hydratation, il peut

  • absorber rapidement des centaines de fois à plus de mille fois sa propre masse dans l’eau,
  • Et il peut également absorber des dizaines à cent fois d’eau salée, de sang, d’urine et d’autres liquides.

Par rapport aux matériaux absorbants traditionnels

L’absorption d’eau des matériaux traditionnels absorbant l’eau tels que le coton, l’éponge, le papier, etc. est réalisée par le principe de capillaire, qui appartient à l’adsorption physique.

La résine super absorbante a un certain degré de réticulation en raison de sa structure moléculaire, et l’eau interne ne peut pas être facilement extrudée par des méthodes mécaniques simples, elle a donc une forte rétention d’eau.

Comparaison de la capacité d’absorption d’eau de plusieurs matériaux traditionnels absorbant l’eau et polymères superabsorbants:

Matériau absorbant Capacité d’absorption d’eau (fraction pondérale) / %
Papier filtre Waterman n° 3 180
Papier de soie 400
Éponge polyuréthane 1050
Pile de pâte de bois 1200
Boule de coton 1890
Polyacrylate de sodium 20200

Pourquoi absorbe-t-il l’eau?

L’une des raisons intrinsèques du taux élevé d’absorption d’eau du SAP est qu’il existe un grand nombre de groupes hydrophiles tels que les groupes carboxyle, amido et hydroxyle sur sa chaîne macromoléculaire.

Les polymères d’acrylate réticulés sont une partie importante des matériaux absorbant l’eau à base de résine synthétique et sont considérés comme les polymères absorbant l’eau les plus prometteurs.


Mécanisme d’absorption d’eau

Basé sur les différentes compositions de SAP, le mécanisme d’absorption d’eau est également différent.

  • Pour les polymères absorbant l’eau de type polyacrylate, repose principalement sur la pression osmotique pour compléter le processus d’absorption d’eau.
  • Pour le SAP non ionique, il s’appuie sur l’effet hydrophile des groupes hydrophiles pour compléter l’absorption d’eau.

Les propriétés de gonflement de SAP affectent directement la qualité et l’application de ses produits.

À l’heure actuelle, il existe de nombreux rapports de recherche sur les propriétés de gonflement de SAP, parmi lesquels les théories de recherche sur le mécanisme d’absorption d’eau des résines superabsorbantes peuvent être résumées en trois aspects:

  1. mécanisme thermodynamique d’absorption d’eau;
  2. mécanisme d’absorption d’eau des chaînes moléculaires flexibles;
  3. mécanisme cinétique de gonflement.

Mécanisme thermodynamique d’absorption d’eau

L’adsorption de SAP sur l’eau peut être divisée en adsorption physique et adsorption chimique.

Adsorption physique

L’adsorption physique fait référence à l’adsorption de l’eau à travers le capillaire, de sorte que la capacité d’absorption d’eau est limitée et qu’elle débordera rapidement sous une certaine pression.

La molécule SAP contient de forts groupes polaires hydrophiles et a une structure tridimensionnelle réticulée.
Contrairement aux matériaux traditionnels absorbant l’eau, le SAP absorbe d’abord l’eau par adsorption capillaire et dispersion, puis les groupes hydrophiles de la résine interagissent avec les molécules d’eau par le biais de liaisons hydrogène. Les groupes ioniques hydrophiles commencent à se dissocier lorsqu’ils rencontrent l’eau, et les anions sont fixés à haut Sur la chaîne moléculaire, les cations sont des ions mobiles.

Avec la dissociation du groupe hydrophile, le nombre d’anions augmente, la répulsion électrostatique augmente et le réseau réticulé tridimensionnel du polymère se développe. Dans le même temps, afin de maintenir la neutralité électrique, les cations ne peuvent pas diffuser vers le solvant externe, de sorte que la concentration augmente, ce qui entraîne une augmentation de la pression osmotique à l’intérieur et à l’extérieur du réseau réticulé de résine et une infiltration supplémentaire des molécules d’eau.

Avec l’augmentation de l’absorption d’eau, la différence de pression osmotique à l’intérieur et à l’extérieur du réseau tend vers zéro. Au fur et à mesure que le réseau s’étend, sa force de contraction élastique augmente également, compensant progressivement la répulsion électrostatique des anions et atteignant finalement un équilibre d’absorption d’eau. Les molécules d’eau pénètrent et diffusent dans la résine sous l’action capillaire causée par la différence de pression osmotique et l’expansion de la structure tridimensionnelle réticulée de la résine, de manière à atteindre le but de l’absorption d’eau.

Adsorption chimique

L’adsorption chimique signifie que les groupes hydrophiles de la résine adsorbent fermement les molécules d’eau par des liaisons chimiques, la capacité d’adsorption est très forte et il est difficile de déborder sous haute pression.

En raison de la structure interréseau de SAP lui-même et de la combinaison avec des liaisons hydrogène, l’adsorption de la résine est limitée.
Le réseau moléculaire ne peut pas s’étendre indéfiniment lorsque de l’eau est présente, ce qui garantit que la résine ne se dissoudra pas dans l’eau après avoir absorbé de l’eau.

De cette façon, il y a deux forces à l’intérieur du SAP, l’une est la pression osmotique générée par la répulsion entre les ions internes, qui fait entrer l’eau dans la résine et provoque l’expansion du réseau spatial; L’autre est la force élastique générée par l’effet de réticulation, qui fait que le polymère après absorption d’eau a une certaine résistance. Ces deux forces se restreignent mutuellement, et atteignent finalement un équilibre, la résine est saturée d’eau, et l’absorption d’eau à ce moment est le taux d’absorption d’eau.


Mécanisme d’absorption d’eau de chaînes moléculaires flexibles

Le mécanisme thermodynamique d’absorption d’eau du PAS peut bien expliquer le mécanisme d’absorption d’eau du SAP ionique, mais il est difficile d’expliquer le mécanisme d’absorption d’eau du SAP non ionique. Par conséquent, il est nécessaire d’expliquer le mécanisme d’absorption d’eau du SAP du point de vue de la chaîne moléculaire.

Selon la deuxième loi de la thermodynamique, le système s’équilibre toujours spontanément dans le sens de l’augmentation de l’entropie. En l’absence d’énergie externe, le SAP dans un état complètement sec déplace la chaîne macromoléculaire de manière aléatoire, et la conformation de chaque liaison carbone-carbone σ tend à être incohérente. À ce stade, la chaîne macromoléculaire de SAP tend toujours spontanément vers la conformation moléculaire enroulée.

Pour une chaîne macromoléculaire flexible idéale, sa liaison C-C peut tourner librement, et sa rotation n’est limitée que par
des groupes de suspension et des effets de liaison hydrogène, avec une flexibilité idéale. Cependant, pour SAP, la rotation de la chaîne macromoléculaire près du point de réticulation est entravée. Dans le cas d’une densité de réticulation uniforme, chaque réseau réticulé a la même taille. On peut considérer que les chaînes macromoléculaires qui constituent le réseau réticulé ont une flexibilité idéale. , c’est-à-dire que chaque réseau absorbant l’eau est idéal et que le nombre d’atomes de carbone dans la chaîne moléculaire entre chaque point de réticulation est le même.

Les changements du réseau transversal SAP avant et après l’absorption d’eau

Par conséquent, plus la densité de réticulation de SAP est faible, plus la flexibilité de la chaîne macromoléculaire est forte, plus la longueur effective de la chaîne est longue, plus son changement conformationnel est facile, plus la capacité d’absorption d’eau est forte et plus l’énergie externe nécessaire pour surmonter le changement conformationnel de la chaîne macromoléculaire est faible. C’est-à-dire que la force du gel de SAP est plus faible.

Du point de vue du changement conformationnel de la chaîne macromoléculaire, le monomère ayant la plus grande affinité entre les groupes latéraux de la chaîne carbonée principale et les molécules d’eau contribue à améliorer la flexibilité de la chaîne macromoléculaire SAP.


Mécanisme cinétique de gonflement

La cinétique de gonflement de la résine a été expliquée à l’aide de l’équation du modèle de relaxation de diffusion de Berens-Hoppen.

L’équation du modèle diffusion-relaxation propose que la diffusion des molécules d’eau et la relaxation des segments macromoléculaires de la résine satisfont une relation linéaire.

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