Что такое суперабсорбирующий полимер
Суперабсорбирующий полимер (полиакрилат натрия, также называемый SAP) представляет собой специальный функциональный полимерный материал, который содержит сильные гидрофильные группы, такие как карбоксильная и гидроксильная группы, и имеет определенную кросс-сетевую структуру.
Благодаря гидратации, он может
- быстро впитывает в воду от сотен до более чем тысячи раз собственную массу,
- и он также может поглощать от десятков до ста раз соленой воды, крови, мочи и других жидкостей.
По сравнению с традиционными абсорбирующими материалами
Водопоглощение традиционных водопоглощающих материалов, таких как хлопок, губка, бумага и т.д., осуществляется по принципу капилляра, который относится к физической адсорбции.
Суперабсорбирующая смола имеет определенную степень сшивки из-за своей молекулярной структуры, и внутренняя вода не может быть легко экструдирована простыми механическими методами, поэтому она имеет сильное удержание воды.
Сравнение водопоглощающей способности нескольких традиционных водопоглощающих материалов и суперабсорбирующих полимеров:
| Абсорбирующий материал | Водопоглощающая способность (весовая фракция) / % |
| Waterman No 3 фильтровальная бумага | 180 |
| Папиросная бумага | 400 |
| Полиуретановая губка | 1050 |
| Куча древесной массы | 1200 |
| Ватный тампон | 1890 |
| Полиакрилат натрия | 20200 |
Почему он впитывает воду?
Одной из внутренних причин высокой скорости поглощения воды SAP является то, что в его макромолекулярной цепи существует большое количество гидрофильных групп, таких как карбоксильные, амидо и гидроксильные группы.
Сшитые акрилатные полимеры являются важной частью водопоглощающих материалов на основе синтетических смол и считаются наиболее перспективными водопоглощающими полимерами.
Механизм водопоглощения
Исходя из различных составов SAP, механизм поглощения воды также отличается.
- Для полиакрилатного типа водоабсорбирующий полимер, в основном, полагается на осмотическое давление для завершения процесса водопоглощения.
- Для неионного SAP он полагается на гидрофильный эффект гидрофильных групп для полного поглощения воды.
Набухающие свойства SAP напрямую влияют на качество и применение продукции.
В настоящее время существует множество исследовательских отчетов о набухающих свойствах SAP, среди которых исследовательские теории о механизме поглощения воды суперабсорбирующими смолами можно свести к трем аспектам:
- термодинамический механизм водопоглощения;
- механизм водопоглощения гибких молекулярных цепей;
- кинетический механизм отека.
термодинамический механизм водопоглощения
Адсорбцию SAP на воде можно разделить на физическую адсорбцию и химическую адсорбцию.
Физическая адсорбция
Физическая адсорбция относится к адсорбции воды через капилляр, поэтому водопоглощающая способность ограничена, и она будет быстро переполняться под определенным давлением.
Молекула SAP содержит сильные гидрофильные полярные группы и имеет трехмерную сшитую структуру.
В отличие от традиционных водопоглощающих материалов, SAP сначала поглощает воду посредством капиллярной адсорбции и дисперсии, а затем гидрофильные группы смолы взаимодействуют с молекулами воды через водородные связи. Ионные гидрофильные группы начинают диссоциировать, когда встречаются с водой, а анионы фиксируются на высоком уровне По молекулярной цепи катионы являются подвижными ионами.
При диссоциации гидрофильной группы увеличивается количество анионов, увеличивается электростатическое отталкивание, расширяется трехмерная сшитая сеть полимера. В то же время, чтобы сохранить электрическую нейтральность, катионы не могут диффундировать на внешний растворитель, поэтому концентрация увеличивается, в результате чего увеличивается осмотическое давление внутри и снаружи смоляной сшитой сети, а также дальнейшая инфильтрация молекул воды.
При увеличении водопоглощения разница осмотических давлений внутри и снаружи сети стремится к нулю. По мере расширения сети ее упругая сила сжатия также увеличивается, постепенно компенсируя электростатическое отталкивание анионов и, наконец, достигая баланса водопоглощения. Молекулы воды проникают и диффундируют в смолу под капиллярным действием, вызванным разницей осмотических давлений и расширением трехмерной сшитой структуры смолы, чтобы достичь цели водопоглощения.
Химическая адсорбция
Химическая адсорбция означает, что гидрофильные группы в смоле прочно адсорбируют молекулы воды через химические связи, адсорбционная способность очень сильна, и ее трудно переполнить под высоким давлением.
Из-за кросс-сетевой структуры самой SAP и сочетания с водородными связями адсорбция смолы ограничена.
Молекулярная сеть не может расширяться бесконечно, когда присутствует вода, что гарантирует, что смола не растворится в воде после поглощения воды.
Таким образом, внутри SAP находятся две силы, одна из которых — осмотическое давление, создаваемое отталкиванием между внутренними ионами, которое заставляет воду поступать в смолу и вызывает расширение космической сети; другая — упругость, создаваемая эффектом сшивания, которая делает полимер после поглощения воды определенной прочностью. Эти две силы ограничивают друг друга, и, наконец, достигают равновесия, смола насыщается водой, а поглощение воды в это время является скоростью поглощения воды.
механизм водопоглощения гибких молекулярных цепей
Термодинамический механизм водопоглощения SAP хорошо может объяснить механизм водопоглощения ионного SAP, но трудно объяснить механизм водопоглощения неионного SAP. Поэтому необходимо объяснять механизм поглощения воды SAP с точки зрения молекулярной цепи.
Согласно второму закону термодинамики, система всегда спонтанно уравновешивается в направлении возрастающей энтропии. В отсутствие внешней энергии SAP в полностью сухом состоянии перемещает макромолекулярную цепь случайным образом, и конформация каждой углеродно-углеродной σ связи имеет тенденцию быть непоследовательной. В это время макромолекулярная цепь SAP всегда стремится к спиральной молекулярной конформации спонтанно.
Для идеальной гибкой макромолекулярной цепи ее связь C-C может свободно вращаться, и ее вращение ограничено только подвесными
группами и эффектами водородной связи, с идеальной гибкостью. Однако для SAP вращение макромолекулярной цепи вблизи точки сшивки затруднено. В случае равномерной плотности сшивки каждая сшитая решетка имеет одинаковый размер. Можно считать, что высокомолекулярные цепи, составляющие сшитую решетку, обладают идеальной гибкостью. , то есть каждая водопоглощающая сеть идеальна, а количество атомов углерода в молекулярной цепи между каждой точкой сшивки одинаково.
Поэтому, чем ниже плотность сшивки SAP, тем сильнее гибкость макромолекулярной цепи, чем длиннее эффективная длина цепи, тем легче ее конформационное изменение, тем сильнее водопоглощающая способность и тем меньше внешняя энергия, необходимая для преодоления конформационного изменения макромолекулярной цепи. То есть прочность геля SAP ниже.
С точки зрения конформационного изменения макромолекулярной цепи мономер с большим сродством между боковыми группами основной углеродной цепи и молекулами воды помогает повысить гибкость макромолекулярной цепи SAP.
кинетический механизм отека
Кинетика набухания смолы была объяснена с помощью уравнения модели диффузионной релаксации Беренса-Хопфенберга.
Уравнение диффузионно-релаксационной модели предполагает, что диффузия молекул воды и релаксация макромолекулярных сегментов смолы удовлетворяют линейной зависимости.
