Cos'è un polimero super assorbente
Il polimero super assorbente (poliacrilato di sodio, chiamato anche SAP) è uno speciale materiale polimerico funzionale che contiene forti gruppi idrofili come gruppi carbossilici e idrossilici e ha una certa struttura cross-network.
Attraverso l'idratazione, può
- assorbire rapidamente centinaia di volte a più di mille volte la propria massa in acqua,
- E può anche assorbire da decine a cento volte di acqua salata, sangue, urina e altri liquidi.
Rispetto ai materiali assorbenti tradizionali
L'assorbimento d'acqua dei materiali tradizionali che assorbono l'acqua come cotone, spugna, carta, ecc. è effettuato dal principio del capillare, che appartiene all'adsorbimento fisico.
La resina super assorbente ha un certo grado di reticolazione a causa della sua struttura molecolare e l'acqua interna non può essere facilmente estrusa con semplici metodi meccanici, quindi ha una forte ritenzione idrica.
Confronto della capacità di assorbimento dell'acqua di diversi materiali tradizionali che assorbono l'acqua e polimeri superassorbenti:
| Materiale assorbente | Capacità di assorbimento dell'acqua (frazione ponderale) / % |
| Carta da filtro Waterman n. 3 | 180 |
| Velina | 400 |
| Spugna poliuretanica | 1050 |
| Mucchio di pasta di legno | 1200 |
| Batuffolo di cotone | 1890 a |
| Poliacrilato di sodio | 20200 |
Perché assorbe l'acqua?
Una delle ragioni intrinseche dell'alto tasso di assorbimento d'acqua di SAP è che ci sono un gran numero di gruppi idrofili come gruppi carbossilici, amido e idrossilici sulla sua catena macromolecolare.
I polimeri acrilici reticolati sono una parte importante dei materiali che assorbono l'acqua a base di resine sintetiche e sono considerati i polimeri assorbenti d'acqua più promettenti.
Meccanismo di assorbimento dell'acqua
Sulla base delle diverse composizioni di SAP, anche il meccanismo di assorbimento dell'acqua è diverso.
- Per il polimero assorbente dell'acqua di tipo poliacrilato, si basa principalmente sulla pressione osmotica per completare il processo di assorbimento dell'acqua.
- Per SAP non ionico, si basa sull'effetto idrofilo dei gruppi idrofili per completare l'assorbimento d'acqua.
Le proprietà di rigonfiamento di SAP influenzano direttamente la qualità e l'applicazione del prodotto.
Allo stato attuale, ci sono molti rapporti di ricerca sulle proprietà di rigonfiamento del SAP, tra i quali le teorie di ricerca sul meccanismo di assorbimento dell'acqua delle resine superassorbenti possono essere riassunte in tre aspetti:
- meccanismo termodinamico di assorbimento dell'acqua;
- meccanismo di assorbimento dell'acqua di catene molecolari flessibili;
- meccanismo cinetico di gonfiore.
Meccanismo termodinamico di assorbimento dell'acqua
L'adsorbimento di SAP sull'acqua può essere suddiviso in adsorbimento fisico e adsorbimento chimico.
Adsorbimento fisico
L'adsorbimento fisico si riferisce all'adsorbimento di acqua attraverso il capillare, quindi la capacità di assorbimento dell'acqua è limitata e traboccherà rapidamente sotto una certa pressione.
La molecola SAP contiene forti gruppi polari idrofili e ha una struttura reticolata tridimensionale.
A differenza dei tradizionali materiali che assorbono l'acqua, SAP assorbe prima l'acqua attraverso l'adsorbimento e la dispersione capillare, quindi i gruppi idrofili della resina interagiscono con le molecole d'acqua attraverso legami idrogeno. I gruppi idrofili ionici iniziano a dissociarsi quando incontrano l'acqua e gli anioni sono fissati in alto Sulla catena molecolare, i cationi sono ioni mobili.
Con la dissociazione del gruppo idrofilo, il numero di anioni aumenta, la repulsione elettrostatica aumenta e la rete reticolata tridimensionale del polimero si espande. Allo stesso tempo, al fine di mantenere la neutralità elettrica, i cationi non possono diffondersi al solvente esterno, quindi la concentrazione aumenta, con conseguente aumento della pressione osmotica all'interno e all'esterno della rete reticolata della resina e ulteriore infiltrazione di molecole d'acqua.
Con l'aumento dell'assorbimento d'acqua, la differenza di pressione osmotica all'interno e all'esterno della rete tende a zero. Man mano che la rete si espande, aumenta anche la sua forza di contrazione elastica, compensando gradualmente la repulsione elettrostatica degli anioni e raggiungendo infine un equilibrio di assorbimento dell'acqua. Le molecole d'acqua penetrano e si diffondono nella resina sotto l'azione capillare causata dalla differenza di pressione osmotica e dall'espansione della struttura reticolata tridimensionale della resina, in modo da raggiungere lo scopo di assorbimento dell'acqua.
Adsorbimento chimico
Adsorbimento chimico significa che i gruppi idrofili nella resina assorbono saldamente le molecole d'acqua attraverso legami chimici, la capacità di adsorbimento è molto forte ed è difficile traboccare ad alta pressione.
A causa della struttura cross-network di SAP stessa e della combinazione con i legami idrogeno, l'adsorbimento della resina è limitato.
La rete molecolare non può espandersi indefinitamente quando è presente acqua, il che garantisce che la resina non si dissolva in acqua dopo aver assorbito l'acqua.
In questo modo, ci sono due forze all'interno del SAP, una è la pressione osmotica generata dalla repulsione tra gli ioni interni, che fa entrare l'acqua nella resina e provoca l'espansione della rete spaziale; L'altro è la forza elastica generata dall'effetto reticolante, che rende il polimero dopo l'assorbimento d'acqua ha una certa forza. Queste due forze si limitano a vicenda e finalmente raggiungono un equilibrio, la resina è satura di acqua e l'assorbimento di acqua in questo momento è il tasso di assorbimento dell'acqua.
Meccanismo di assorbimento dell'acqua delle catene molecolari flessibili
Il meccanismo termodinamico di assorbimento dell'acqua di SAP può ben spiegare il meccanismo di assorbimento dell'acqua del SAP ionico, ma è difficile spiegare il meccanismo di assorbimento dell'acqua del SAP non ionico. Pertanto, è necessario spiegare il meccanismo di assorbimento dell'acqua di SAP dall'aspetto della catena molecolare.
Secondo la seconda legge della termodinamica, il sistema si bilancia sempre spontaneamente nella direzione dell'aumento dell'entropia. In assenza di energia esterna, il SAP in uno stato completamente secco muove la catena macromolecolare in modo casuale, e la conformazione di ogni legame carbonio-carbonio σ tende ad essere incoerente. In questo momento, la catena macromolecolare di SAP tende sempre spontaneamente alla conformazione molecolare arrotolata.
Per una catena macromolecolare flessibile ideale, il suo legame C-C può ruotare liberamente e la sua rotazione è limitata solo dai gruppi pendenti e dagli
effetti di legame idrogeno, con flessibilità ideale. Tuttavia, per SAP, la rotazione della catena macromolecolare vicino al punto di reticolazione è ostacolata. Nel caso di densità di reticolazione uniforme, ogni reticolo reticolato ha la stessa dimensione. Si può considerare che le catene macromolecolari che costituiscono il reticolo reticolato hanno una flessibilità ideale. , cioè, ogni rete di assorbimento dell'acqua è ideale e il numero di atomi di carbonio nella catena molecolare tra ciascun punto di reticolazione è lo stesso.
Pertanto, minore è la densità di reticolazione del SAP, maggiore è la flessibilità della catena macromolecolare, maggiore è la lunghezza effettiva della catena, più facile è il suo cambiamento conformazionale, maggiore è la capacità di assorbimento dell'acqua e minore è l'energia esterna richiesta per superare il cambiamento conformazionale della catena macromolecolare. Cioè, la forza del gel di SAP è inferiore.
Dal punto di vista del cambiamento conformazionale della catena macromolecolare, il monomero con la maggiore affinità tra i gruppi laterali della catena principale del carbonio e le molecole d'acqua aiuta a migliorare la flessibilità della catena macromolecolare SAP.
Meccanismo cinetico di gonfiore
La cinetica di rigonfiamento della resina è stata spiegata usando l'equazione del modello di rilassamento della diffusione di Berens-Hoppenberg.
L'equazione del modello diffusione-rilassamento propone che la diffusione delle molecole d'acqua e il rilassamento dei segmenti macromolecolari della resina soddisfino una relazione lineare.
