Manufacturers.best

ポリアクリル酸ナトリウムはなぜ水を吸収するのですか?

May 2, 2022

超吸収性ポリマーとは

超吸収性ポリマー(ポリアクリル酸ナトリウム、SAPとも呼ばれる)は、カルボキシル基やヒドロキシル基などの強い親水性基を含み、一定の網目構造を有する特殊な機能性高分子材料である。

水分補給を通して、それはできる

  • 水中で数百倍から1000倍以上の質量を素早く吸収し、
  • また、数十倍から100倍の塩水、血液、尿、その他の液体を吸収することもできます。

従来の吸収材との比較

綿、スポンジ、紙などの伝統的な吸水性材料の吸水は、物理吸着に属する毛細血管の原理によって行われます。

高吸水性樹脂は、その分子構造上ある程度の架橋性を有し、単純な機械的方法では内部水を押し出すことができないため、保水性が強い。

いくつかの伝統的な吸水性材料と高吸水性ポリマーの吸水能力の比較:

吸収材 吸水能力(重量分率)/%
ウォーターマン3号ろ紙 180
ティッシュペーパー 400
ポリウレタンスポンジ 1050
木材パルプパイル 1200
コットンボール 1890
ポリアクリル酸ナトリウム 20200

なぜそれは水を吸収するのですか?

SAPの高い吸水速度の本質的な理由の1つは、その高分子鎖上にカルボキシル、アミド、ヒドロキシル基などの親水性基が多数存在することです。

架橋アクリレートポリマーは、合成樹脂系吸水性材料の重要な部分であり、最も有望な吸水性ポリマーであると考えられている。


吸水機構

SAPの異なる組成に基づいて、吸水メカニズムも異なる。

  • ポリアクリレート系吸水性ポリマーの場合、主に浸透圧に依存して吸水工程を完了する。
  • 非イオン性SAPの場合、それは完全な吸水するために親水性基の親水性効果に依存する。

SAPの膨潤特性は、製品の品質と用途に直接影響します。

現在、SAPの膨潤特性に関する研究報告は数多くあり、その中で高吸水性樹脂の吸水機構に関する研究理論は3つの側面にまとめることができます。

  1. 吸水の熱力学的メカニズム;
  2. 柔軟な分子鎖の吸水機構;
  3. 腫脹運動機構。

吸水の熱力学的メカニズム

SAPの水への吸着は、物理吸着と化学吸着に分けることができます。

物理吸着

物理吸着とは、毛細管を通して水を吸着することを指すため、吸水能力には限界があり、ある圧力下ではすぐに溢れてしまいます。

SAP分子は、強い親水性極性基を含み、三次元架橋構造を有する。
従来の吸水性材料とは異なり、SAPはまず毛細管吸着・分散により水を吸収し、次に樹脂の親水基が水素結合により水分子と相互作用します。 イオン性親水性基は水に出会うと解離し始め、陰イオンは分子鎖上の高い位置に固定され、陽イオンは移動イオンである。

親水性基の解離に伴い、アニオンの数が増加し、静電反発が増加し、ポリマーの三次元架橋ネットワークが膨張する。 同時に、電気的中性を維持するために、陽イオンは外部溶媒に拡散できないため、濃度が高くなり、樹脂架橋網の内外の浸透圧が上昇し、水分子がさらに浸潤します。

吸水率の増加に伴い、ネットワーク内外の浸透圧差はゼロになる傾向があります。 ネットワークが拡大するにつれて、その弾性収縮力も増加し、陰イオンの静電反発を徐々に相殺し、最終的に吸水バランスに達する。 水分子は、樹脂の3次元架橋構造の浸透圧差や膨張による毛細管現象により樹脂中に浸透・拡散し、吸水という目的を達成するようにしている。

化学吸着

化学吸着とは、樹脂中の親水基が化学結合を介して水分子を強固に吸着することを意味し、吸着能は非常に強く、高圧下ではオーバーフローしにくい。

SAP自体のクロスネットワーク構造と水素結合との組み合わせにより、樹脂の吸着は制限されています。
水が存在すると分子ネットワークが無限に広がることができないため、水を吸収した後に樹脂が水に溶けることはありません。

このように、SAPの内部には2つの力があり、1つは内部イオン間の反発によって発生する浸透圧であり、これは水を樹脂に侵入させ、宇宙ネットワークの膨張を引き起こす。もう一つは架橋効果によって生じる弾性力で、吸水後のポリマーは一定の強度を持つようになります。 この2つの力がお互いを制限し、最終的にバランスを取り、樹脂は水で飽和し、このときの吸水率が吸水速度です。


柔軟な分子鎖の吸水機構

SAPの吸水の熱力学的メカニズムは、イオン性SAPの吸水機構をよく説明できるが、非イオン性SAPの吸水機構を説明することは困難である。 そのため、SAPの吸水機構を分子鎖の面から説明する必要がある。

熱力学の第二法則によれば、系は常に自発的にエントロピーを増加させる方向にバランスをとる。 外部エネルギーがない場合、完全に乾燥した状態のSAPは高分子鎖をランダムに移動し、各炭素 - 炭素σ結合の立体構造は矛盾する傾向がある。 このとき、SAPの高分子鎖は常に自発的にコイル状の分子立体構造になる傾向がある。

理想的な柔軟な高分子鎖の場合、そのC-C結合は自由に回転することができ、その回転はペンダント基と水素結合効果によって
のみ制限され、理想的な柔軟性を備えています。 しかしながら、SAPの場合、架橋点付近の高分子鎖の回転が妨げられる。 均一な架橋密度の場合、各架橋格子は同じサイズを有する。 架橋格子を構成する高分子鎖は理想的な柔軟性を有すると考えることができる。 すなわち、各吸水性ネットワークが理想的であり、かつ各架橋点間の分子鎖の炭素数が同じである。

吸水前後のSAPクロスグリッドの変化

したがって、SAPの架橋密度が低いほど、高分子鎖の柔軟性が強くなり、有効鎖長が長いほど、その立体構造変化が容易になり、吸水能力が強くなり、高分子鎖の立体構造変化を克服するために必要な外部エネルギーが小さくなる。 すなわち、SAPのゲル強度は低い。

高分子鎖立体構造変化の観点から、主炭素鎖の側基と水分子との親和性が高いモノマーは、SAP高分子鎖の柔軟性を高めるのに役立ちます。


腫脹運動機構

樹脂の膨潤動態は、ベレンス・ホッフェンベルク拡散緩和モデル方程式を用いて説明した。

拡散緩和モデル方程式は、水分子の拡散と樹脂高分子セグメントの緩和が線形関係を満たすことを提案している。

Copyright © 2024 Manufacturers.Best