Manufacturers.best

Waarom absorbeert natriumpolyacrylaat water?

May 2, 2022

Wat is een Super absorberend polymeer

Superabsorberend polymeer (natriumpolyacrylaat, ook wel SAP genoemd) is een speciaal functioneel polymeermateriaal dat sterke hydrofiele groepen zoals carboxyl- en hydroxylgroepen bevat en een bepaalde netwerkoverschrijdende structuur heeft.

Door hydratatie kan het

  • absorbeer snel honderden keren tot meer dan duizend keer zijn eigen massa in water,
  • en het kan ook tientallen tot honderd keer zout water, bloed, urine en andere vloeistoffen absorberen.

Vergeleken met traditionele absorberende materialen

De waterabsorptie van traditionele waterabsorberende materialen zoals katoen, spons, papier, enz. wordt uitgevoerd door het principe van capillair, dat behoort tot fysieke adsorptie.

De superabsorberende hars heeft een zekere mate van cross-linking vanwege de moleculaire structuur, en het interne water kan niet gemakkelijk worden geëxtrudeerd door eenvoudige mechanische methoden, dus het heeft een sterke waterretentie.

Vergelijking van de waterabsorptiecapaciteit van verschillende traditionele waterabsorberende materialen en superabsorberende polymeren:

Absorberend materiaal Waterabsorberend vermogen (Gewichtsfractie) / %
Waterman No. 3 filterpapier 180
Vloeipapier 400
Polyurethaan spons 1050
Houtpulp stapel 1200
Watje 1890
Natriumpolyacrylaat 20200

Waarom absorbeert het water?

Een van de intrinsieke redenen voor de hoge waterabsorptiesnelheid van SAP is dat er een groot aantal hydrofiele groepen zoals carboxyl,amido en hydroxylgroepen op de macromoleculaire keten zitten.

Crosslinked acrylaatpolymeren zijn een belangrijk onderdeel van op kunsthars gebaseerde waterabsorberende materialen en worden beschouwd als de meest veelbelovende waterabsorberende polymeren.


Waterabsorptiemechanisme

Op basis van de verschillende samenstellingen van SAP is het waterabsorptiemechanisme ook anders.

  • Voor polyacrylaat type waterabsorberend polymeer, vertrouwt voornamelijk op osmotische druk om het waterabsorptieproces te voltooien.
  • Voor niet-ionisch SAP vertrouwt het op het hydrofiele effect van hydrofiele groepen om de waterabsorptie te voltooien.

De zwellende eigenschappen van SAP hebben direct invloed op de productkwaliteit en toepassing.

Op dit moment zijn er veel onderzoeksrapporten over de zwellingseigenschappen van SAP, waaronder de onderzoekstheorieën over het waterabsorptiemechanisme van superabsorberende harsen kunnen worden samengevat in drie aspecten:

  1. thermodynamisch mechanisme van waterabsorptie;
  2. waterabsorptiemechanisme van flexibele moleculaire ketens;
  3. zwelling kinetisch mechanisme.

thermodynamisch mechanisme van waterabsorptie

De adsorptie van SAP op het water kan worden onderverdeeld in fysische adsorptie en chemische adsorptie.

Fysieke adsorptie

Fysische adsorptie verwijst naar de adsorptie van water door het capillair, dus de waterabsorptiecapaciteit is beperkt en het zal snel overlopen onder een bepaalde druk.

Het SAP-molecuul bevat sterke hydrofiele polaire groepen en heeft een driedimensionale verknoopte structuur.
In tegenstelling tot traditionele waterabsorberende materialen, absorbeert SAP eerst water door capillaire adsorptie en dispersie, en vervolgens interageren de hydrofiele groepen van de hars met watermoleculen via waterstofbruggen. De ionische hydrofiele groepen beginnen te dissociëren wanneer ze water ontmoeten, en de anionen zijn hoog gefixeerd Op de moleculaire keten zijn kationen mobiele ionen.

Met de dissociatie van de hydrofiele groep neemt het aantal anionen toe, neemt de elektrostatische afstoting toe en breidt het driedimensionale verknoopte netwerk van het polymeer uit. Tegelijkertijd kunnen de kationen, om de elektrische neutraliteit te behouden, niet diffunderen naar het externe oplosmiddel, dus de concentratie neemt toe, wat resulteert in een toename van de osmotische druk binnen en buiten het harsverbonden netwerk en verdere infiltratie van watermoleculen.

Met de toename van de waterabsorptie neigt het osmotische drukverschil binnen en buiten het netwerk naar nul. Naarmate het netwerk zich uitbreidt, neemt ook de elastische contractiekracht toe, waardoor de elektrostatische afstoting van anionen geleidelijk wordt gecompenseerd en uiteindelijk een waterabsorptiebalans wordt bereikt. Watermoleculen dringen door en diffunderen in de hars onder de capillaire werking veroorzaakt door het osmotische drukverschil en de uitbreiding van de driedimensionale verknoopte structuur van de hars, om het doel van waterabsorptie te bereiken.

Chemische adsorptie

Chemische adsorptie betekent dat de hydrofiele groepen in de hars watermoleculen stevig adsorberen door chemische bindingen, de adsorptiecapaciteit is zeer sterk en het is moeilijk om onder hoge druk over te lopen.

Door de netwerkoverstijgende structuur van SAP zelf en de combinatie met waterstofbruggen is de adsorptie van de hars beperkt.
Het moleculaire netwerk kan niet onbeperkt uitbreiden wanneer er water aanwezig is, wat ervoor zorgt dat de hars niet oplost in water na het absorberen van water.

Op deze manier zijn er twee krachten in het SAP, één is de osmotische druk die wordt gegenereerd door de afstoting tussen de interne ionen, waardoor het water de hars binnendringt en de uitbreiding van het ruimtenetwerk veroorzaakt; de andere is de elastische kracht die wordt gegenereerd door het cross-linking effect, waardoor het polymeer na waterabsorptie een bepaalde sterkte heeft. Deze twee krachten beperken elkaar en bereiken uiteindelijk een evenwicht, de hars is verzadigd met water en de waterabsorptie op dit moment is de waterabsorptiesnelheid.


waterabsorptiemechanisme van flexibele moleculaire ketens

Het thermodynamische mechanisme van waterabsorptie van SAP kan het waterabsorptiemechanisme van ionisch SAP goed verklaren, maar het is moeilijk om het waterabsorptiemechanisme van niet-ionisch SAP te verklaren. Daarom is het noodzakelijk om het waterabsorptiemechanisme van SAP uit te leggen vanuit het aspect van de moleculaire keten.

Volgens de tweede wet van de thermodynamica balanceert het systeem altijd spontaan in de richting van toenemende entropie. Bij afwezigheid van externe energie beweegt het SAP in een volledig droge toestand de macromoleculaire keten willekeurig, en de conformatie van elke koolstof-koolstof σ binding heeft de neiging inconsistent te zijn. Op dit moment neigt de macromoleculaire keten van SAP altijd naar de opgerolde moleculaire conformatie spontaan.

Voor een ideale flexibele macromoleculaire keten kan de C-C-binding vrij roteren en wordt de rotatie alleen beperkt door
hangergroepen en waterstofbindingseffecten, met ideale flexibiliteit. Voor SAP wordt de rotatie van de macromoleculaire keten in de buurt van het cross-linking punt echter belemmerd. In het geval van een uniforme verknopingsdichtheid heeft elk verknoopt rooster dezelfde grootte. Er kan worden aangenomen dat de macromoleculaire ketens die het verknoopte rooster vormen, een ideale flexibiliteit hebben. , dat wil zeggen, elk waterabsorberend netwerk is ideaal en het aantal koolstofatomen in de moleculaire keten tussen elk verknopingspunt is hetzelfde.

De veranderingen van het SAP cross grid voor en na waterabsorptie

Daarom, hoe lager de cross-linking dichtheid van SAP, hoe sterker de flexibiliteit van de macromoleculaire keten, hoe langer de effectieve ketenlengte, hoe gemakkelijker de conformatieverandering, hoe sterker het waterabsorptievermogen en hoe kleiner de externe energie die nodig is om de conformatieverandering van de macromoleculaire keten te overwinnen. Dat wil zeggen, de gelsterkte van SAP is lager.

Vanuit het perspectief van macromoleculaire ketenconformatieverandering helpt het monomeer met de grotere affiniteit tussen de zijgroepen van de belangrijkste koolstofketen en watermoleculen de flexibiliteit van de SAP-macromoleculaire keten te vergroten.


zwelling kinetisch mechanisme

De zwellingskinetiek van de hars werd verklaard met behulp van de Berens-Hopfenberg diffusie relaxatiemodelvergelijking.

De diffusie-relaxatiemodelvergelijking stelt voor dat de diffusie van watermoleculen en de ontspanning van harsmacromoleculaire segmenten voldoen aan een lineaire relatie.

Copyright © 2024 Manufacturers.Best