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Por que o poliacrilato de sódio absorve água?

May 2, 2022

O que é um polímero Super absorvente

Polímero super absorvente (poliacrilato de sódio, também chamado de SAP) é um material funcional especial de polímero que contém fortes grupos hidrofílicos, como grupos de carboxila e hidroxila e tem uma certa estrutura de rede cruzada.

Através da hidratação, pode

  • absorver rapidamente centenas de vezes a mais de mil vezes sua própria massa na água,
  • e também pode absorver dezenas a cem vezes de água salgada, sangue, urina e outros líquidos.

Comparado com materiais absorventes tradicionais

A absorção de água de materiais tradicionais absorventes de água, como algodão, esponja, papel, etc. é realizada pelo princípio da capilar, que pertence à adsorção física.

A resina super absorvente tem um certo grau de ligação cruzada devido à sua estrutura molecular, e a água interna não pode ser facilmente extrudida por métodos mecânicos simples, por isso tem forte retenção de água.

Comparação da capacidade de absorção de água de vários materiais tradicionais absorventes de água e polímeros superabsorbentos:

Material absorvente Capacidade de absorção de água (fração de peso) / %
Papel filtro Waterman No. 3 180
Papel de seda 400
Esponja de poliuretano 1050
Pilha de polpa de madeira 1200
Bola de algodão 1890
Poliacrilato de sódio 20200

Por que absorve água?

Uma das razões intrínsecas para a alta taxa de absorção de água da SAP é que há um grande número de grupos hidrofílicos, como carboxyl, amido e grupos hidroxis em sua cadeia macromolecular.

Polímeros de acrilato cruzados são uma parte importante de materiais absorventes de água à base de resina sintética, e são considerados os polímeros absorventes de água mais promissores.


Mecanismo de absorção de água

Com base nas diferentes composições do SAP, o mecanismo de absorção de água também é diferente.

  • Para poliacrilato tipo polímero absorvente de água, depende principalmente da pressão osmótica para completar o processo de absorção da água.
  • Para sap não iônico, ele conta com o efeito hidrofílico de grupos hidrofílicos para completar a absorção de água.

As propriedades de inchaço do SAP afetam diretamente a qualidade e a aplicação do produto.

Atualmente, há muitos relatórios de pesquisa sobre as propriedades inchadas da SAP, entre as quais as teorias de pesquisa sobre o mecanismo de absorção de água de resinas superabsorbent podem ser resumidas em três aspectos:

  1. mecanismo termodinâmico de absorção de água;
  2. mecanismo de absorção de água de cadeias moleculares flexíveis;
  3. mecanismo cinético inchado.

mecanismo termodinâmico de absorção de água

A adsorção de SAP na água pode ser dividida em adsorção física e adsorção química.

Adsorção física

A adsorção física refere-se à adsorção da água através do capilar, de modo que a capacidade de absorção de água é limitada, e ela transbordará rapidamente sob uma certa pressão.

A molécula SAP contém fortes grupos polares hidrofílicos e tem uma estrutura transversal tridimensional.
Ao contrário dos materiais tradicionais que absorvem água, o SAP primeiro absorve a água através de adsorção capilar e dispersão, e então os grupos hidrofílicos da resina interagem com moléculas de água através de ligações de hidrogênio. Os grupos hidrofílicos iônicos começam a se dissociar quando encontram água, e os ânions são fixados no alto na cadeia molecular, os cáations são íons móveis.

Com a dissociação do grupo hidrofílico, o número de ânions aumenta, a repulsão eletrostática aumenta, e a rede transversal tridimensional do polímero se expande. Ao mesmo tempo, a fim de manter a neutralidade elétrica, os cáras não podem difundir para o solvente externo, de modo que a concentração aumenta, resultando em um aumento da pressão osmótica dentro e fora da rede transversal de resina, e uma infiltração adicional de moléculas de água.

Com o aumento da absorção de água, a diferença de pressão osmótica dentro e fora da rede tende a zerar. À medida que a rede se expande, sua força de contração elástica também aumenta, gradualmente compensando a repulsão eletrostática dos ânions, e finalmente atingindo um equilíbrio de absorção de água. As moléculas de água penetram e difundem-se na resina sob a ação capilar causada pela diferença de pressão osmótica e pela expansão da estrutura transversal tridimensional da resina, de modo a alcançar o propósito de absorção de água.

Adsorção química

Adsorção química significa que os grupos hidrofílicos na resina firmemente adsorb moléculas de água através de ligações químicas, a capacidade de adsorção é muito forte, e é difícil transbordar sob alta pressão.

Devido à estrutura de rede cruzada da própria SAP e à combinação com ligações de hidrogênio, a adsorção da resina é limitada.
A rede molecular não pode se expandir indefinidamente quando a água está presente, o que garante que a resina não se dissolva em água após absorver água.

Dessa forma, há duas forças dentro do SAP, uma delas é a pressão osmótica gerada pela repulsa entre os íons internos, o que faz com que a água entre na resina e cause a expansão da rede espacial; a outra é a força elástica gerada pelo efeito de ligação cruzada, que faz com que o polímero após a absorção da água tenha uma certa força. Essas duas forças se restringem, e finalmente alcançam um equilíbrio, a resina está saturada de água, e a absorção de água neste momento é a taxa de absorção de água.


mecanismo de absorção de água de cadeias moleculares flexíveis

O mecanismo termodinâmico de absorção de água de SAP pode muito bem explicar o mecanismo de absorção de água do SAP iônico, mas é difícil explicar o mecanismo de absorção de água de SAP não iônico. Portanto, é necessário explicar o mecanismo de absorção de água do SAP a partir do aspecto da cadeia molecular.

De acordo com a segunda lei da termodinâmica, o sistema sempre se equilibra espontaneamente na direção do aumento da entropia. Na ausência de energia externa, o SAP em um estado completamente seco move a cadeia macromolecular aleatoriamente, e a conformação de cada vínculo carbono-carbono σ tende a ser inconsistente. Neste momento, a cadeia macromolecular da SAP sempre tende à conformação molecular enrolada espontaneamente.

Para uma cadeia macromolecular flexível ideal, sua ligação C-C pode girar livremente, e sua rotação só é limitada por
grupos pendentes e efeitos de ligação de hidrogênio, com flexibilidade ideal. No entanto, para o SAP, a rotação da cadeia macromolecular perto do ponto de ligação cruzada é dificultada. No caso da densidade uniforme de ligação cruzada, cada rede cruzada tem o mesmo tamanho. Pode-se considerar que as cadeias macromoleculares que constituem a rede transversal têm flexibilidade ideal. , ou seja, cada rede absorvedora de água é ideal, e o número de átomos de carbono na cadeia molecular entre cada ponto de ligação cruzada é o mesmo.

As mudanças da grade transversal SAP antes e depois da absorção da água

Portanto, quanto menor a densidade transversal do SAP, mais forte a flexibilidade da cadeia macromolecular, maior o comprimento efetivo da cadeia, mais fácil sua mudança conformacional, mais forte a capacidade de absorção da água e menor a energia externa necessária para superar a mudança conformacional da cadeia macromolecular. Ou seja, a força do gel do SAP é menor.

Na perspectiva da mudança conformacional da cadeia macromolecular, o monômero com maior afinidade entre os grupos laterais da cadeia de carbono principal e moléculas de água ajuda a aumentar a flexibilidade da cadeia macromolecular SAP.


mecanismo cinético inchaço

A cinética inchada da resina foi explicada usando a equação do modelo de relaxamento de difusão de Berens-Hopfenberg.

A equação do modelo de difusão-relaxamento propõe que a difusão das moléculas de água e o relaxamento dos segmentos macromoleculares de resina satisfaçam uma relação linear.

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