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왜 폴리 아크릴레이트 나트륨은 물을 흡수합니까?

May 2, 2022

슈퍼 흡수성 폴리머 란 무엇입니까?

초흡수성 중합체(소듐 폴리아크릴레이트, SAP라고도 함)는 카르복실 및 히드록실기와 같은 강한 친수성 그룹을 포함하고 특정 교차 네트워크 구조를 갖는 특수 기능성 중합체 물질입니다.

수분 공급을 통해, 그것은 할 수있다

  • 신속하게 물에서 자신의 질량의 수천 배 이상에 수백 배를 흡수하고,
  • 또한 바닷물, 혈액, 소변 및 기타 액체의 수십에서 백 배를 흡수 할 수 있습니다.

전통적인 흡수성 재료와 비교

면화, 스폰지, 종이 등과 같은 전통적인 수분 흡수 재료의 수분 흡수는 물리적 흡착에 속하는 모세관의 원리에 의해 수행됩니다.

초고흡수성 수지는 분자 구조로 인해 어느 정도의 가교결합을 가지며, 내부 물은 간단한 기계적 방법으로 쉽게 압출 될 수 없으므로 강한 수분 보유력을 가지고 있습니다.

몇 가지 전통적인 수분 흡수 물질과 초흡수성 중합체의 수분 흡수 능력 비교 :

흡수성 물질 흡수능 (중량분율)/%
워터맨 No. 3 여과지 180
박엽지 400개
폴리우레탄 스폰지 1050
목재 펄프 더미 1200
코튼 볼 1890
나트륨 폴 리 아크릴레이트 20200

왜 물을 흡수합니까?

SAP의 높은 흡수율에 대한 본질적인 이유 중 하나는 거대 분자 사슬에 카르복실, 아미도 및 히드록실 그룹과 같은 많은 수의 친수성 그룹이 있다는 것입니다.

가교된 아크릴레이트 중합체는 합성 수지 기반 흡수 물질의 중요한 부분이며, 가장 유망한 흡수 중합체로 간주된다.


물 흡수 메커니즘

SAP의 상이한 조성에 기초하여, 물 흡수 메카니즘 또한 상이하다.

  • 폴리아크릴레이트 유형 흡수성 중합체의 경우, 주로 물 흡수 과정을 완료하기 위해 삼투압에 의존합니다.
  • 비이온성 SAP의 경우, 완전 수분 흡수를 위해 친수성 그룹의 친수성 효과에 의존합니다.

SAP의 붓기 특성은 제품 품질과 응용 프로그램에 직접적인 영향을 미칩니다.

현재 SAP의 팽윤 특성에 대한 많은 연구 보고서가 있으며, 그 중 고흡수성 수지의 수분 흡수 메커니즘에 대한 연구 이론은 세 가지 측면으로 요약 될 수 있습니다.

  1. 수분 흡수의 열역학적 메커니즘;
  2. 유연한 분자 사슬의 수분 흡수 메커니즘;
  3. 붓기 운동 메커니즘.

수분 흡수의 열역학적 메커니즘

SAP의 물 흡착은 물리적 흡착과 화학적 흡착으로 나눌 수 있습니다.

물리적 흡착

물리적 흡착은 모세관을 통한 수분 흡착을 의미하므로 수분 흡수 능력이 제한되고 특정 압력 하에서 빠르게 오버플로됩니다.

SAP 분자는 강한 친수성 극성 그룹을 포함하고 입체 가교 구조를 가지고 있습니다.
전통적인 수분 흡수 재료와 달리 SAP는 먼저 모세관 흡착 및 분산을 통해 물을 흡수 한 다음 수지의 친수성 그룹이 수소 결합을 통해 물 분자와 상호 작용합니다. 이온성 친수성 그룹은 물을 만날 때 해리되기 시작하고, 음이온은 분자 사슬 상에서 높게 고정되고, 양이온은 이동 이온이다.

친수성 그룹이 해리되면 음이온의 수가 증가하고 정전기적 반발이 증가하며 중합체의 입체 가교 네트워크가 확장됩니다. 동시에 전기 중성을 유지하기 위해 양이온은 외부 용매로 확산 될 수 없으므로 농도가 증가하여 수지 가교 네트워크 내외부의 삼투압이 증가하고 물 분자가 추가로 침투합니다.

수분 흡수가 증가함에 따라 네트워크 내부와 외부의 삼투압 차이는 제로가되는 경향이 있습니다. 네트워크가 확장됨에 따라 탄성 수축력도 증가하여 음이온의 정전기 반발력을 점차 상쇄하고 마침내 수분 흡수 균형에 도달합니다. 물 분자는 삼투압 차이와 수지의 삼차원 가교 구조의 팽창으로 인한 모세관 작용에 의해 수지 내로 침투 및 확산되어 수분 흡수의 목적을 달성한다.

화학 흡착

화학적 흡착은 수지 내의 친수성기가 화학적 결합을 통해 물 분자를 단단하게 흡착시키는 것을 의미하며, 흡착 능력이 매우 강하고, 고압 하에서 오버플로우하기 어렵다.

SAP 자체의 교차 네트워크 구조와 수소 결합과의 결합으로 인해 수지의 흡착이 제한됩니다.
분자 네트워크는 물이 존재할 때 무한정 팽창 할 수 없으므로 물을 흡수 한 후 수지가 물에 용해되지 않습니다.

이런 식으로, SAP 내부에는 두 가지 힘이 있으며, 하나는 내부 이온 사이의 반발에 의해 생성 된 삼투압으로, 물이 수지로 들어가고 공간 네트워크의 팽창을 일으 킵니다. 다른 하나는 가교 효과에 의해 생성 된 탄성력이며, 이는 수분 흡수 후 중합체가 특정 강도를 갖도록 만든다. 이 두 힘은 서로를 제한하고, 마침내 균형에 도달하고, 수지는 물로 포화되고,이 때의 물 흡수는 물 흡수율입니다.


유연한 분자 사슬의 수분 흡수 메커니즘

SAP의 수분 흡수의 열역학적 메커니즘은 이온성 SAP의 수분 흡수 메커니즘을 잘 설명 할 수 있지만 비 이온 SAP의 수분 흡수 메커니즘을 설명하기는 어렵습니다. 따라서 분자 사슬의 측면에서 SAP의 수분 흡수 메커니즘을 설명 할 필요가 있습니다.

열역학의 두 번째 법칙에 따르면, 시스템은 항상 엔트로피를 증가시키는 방향으로 자발적으로 균형을 이룹니다. 외부 에너지가 없을 때, 완전히 건조한 상태의 SAP는 거대 분자 사슬을 무작위로 이동시키고, 각 탄소-탄소 σ 결합의 형태는 일치하지 않는 경향이 있다. 이 때, SAP의 거대 분자 사슬은 항상 자발적으로 코일 된 분자 입체 형태를 갖는 경향이 있습니다.

이상적인 유연한 거대 분자 사슬의 경우, C-C 결합은 자유롭게 회전 할 수 있으며 회전은 펜던트 그룹과 수소 결합 효과에 의해서만
제한되며 이상적인 유연성을 제공합니다. 그러나, SAP의 경우, 가교점 근처의 거대분자 사슬의 회전이 방해를 받는다. 균일한 가교 밀도의 경우에, 각각의 가교된 격자는 동일한 크기를 갖는다. 가교된 격자를 구성하는 거대분자 사슬이 이상적인 유연성을 갖는다고 간주될 수 있다. 즉, 각 흡수 네트워크가 이상적이며, 각 가교점 사이의 분자 사슬 내의 탄소 원자수는 동일하다.

물 흡수 전후의 SAP 크로스 그리드의 변경 사항

따라서, SAP의 가교 밀도가 낮을수록, 거대분자 사슬의 유연성이 강하고, 유효 사슬 길이가 길수록, 그 형태 변화가 더 쉬울수록, 수분 흡수 능력이 강해지고, 거대분자 사슬의 형태적 변화를 극복하기 위해 요구되는 외부 에너지가 작아진다. 즉, SAP의 젤 강도가 낮습니다.

거대 분자 사슬 형태 변화의 관점에서 볼 때, 주요 탄소 사슬의 측면 그룹과 물 분자 사이의 친화력이 큰 단량체는 SAP 거대 분자 사슬의 유연성을 향상시키는 데 도움이됩니다.


붓기 운동 메커니즘

수지의 팽윤 동역학은 Berens-Hopfenberg 확산 완화 모델 방정식을 사용하여 설명하였다.

확산-완화 모델 방정식은 물 분자의 확산과 수지 거대분자 세그먼트의 이완이 선형 관계를 만족시킨다는 것을 제안한다.

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