Süper emici polimer nedir
Süper emici polimer (sodyum poliakrilat, SAP olarak da adlandırılır), karboksil ve hidroksil grupları gibi güçlü hidrofilik gruplar içeren ve belirli bir ağlar arası yapıya sahip özel bir fonksiyonel polimer malzemedir.
Hidrasyon yoluyla,
- sudaki kendi kütlesinin binlerce katından fazlasına kadar yüzlerce kez hızla emmek,
- ve ayrıca onlarca ila yüz kat tuzlu su, kan, idrar ve diğer sıvıları emebilir.
Geleneksel emici malzemelerle karşılaştırıldığında
Pamuk, sünger, kağıt vb. gibi geleneksel su emici malzemelerin su emilimi, fiziksel adsorpsiyona ait kılcal damar prensibi ile gerçekleştirilir.
Süper emici reçine, moleküler yapısı nedeniyle belirli bir çapraz bağlanma derecesine sahiptir ve iç su basit mekanik yöntemlerle kolayca ekstrüde edilemez, bu nedenle güçlü su tutma özelliğine sahiptir.
Birkaç geleneksel su emici malzemenin ve süper emici polimerlerin su emme kapasitesinin karşılaştırılması:
| Emici malzeme | Su emme kapasitesi (Ağırlık fraksiyonu) / % |
| Waterman No. 3 filtre kağıdı | 180 |
| Kağıt mendil | 400 |
| Poliüretan sünger | 1050 |
| Odun hamuru yığını | 1200 |
| Pamuk topu | 1890 |
| Sodyum poliakrilat | 20200 |
Neden Suyu Emer?
SAP'nin yüksek su emme oranının içsel nedenlerinden biri, makromoleküler zincirinde karboksil, amido ve hidroksil grupları gibi çok sayıda hidrofilik grubun bulunmasıdır.
Çapraz bağlı akrilat polimerler, sentetik reçine bazlı su emici malzemelerin önemli bir parçasıdır ve en umut verici su emici polimerler olarak kabul edilir.
Su emme mekanizması
SAP'nin farklı bileşimlerine dayanarak, su emme mekanizması da farklıdır.
- Poliakrilat tipi su emici polimer için, esas olarak su emme işlemini tamamlamak için ozmotik basınca dayanır.
- İyonik olmayan SAP için, su emilimini tamamlamak için hidrofilik grupların hidrofilik etkisine dayanır.
SAP'nin şişme özellikleri, ürün kalitesini ve uygulamasını doğrudan etkiler.
Şu anda, SAP'nin şişme özellikleri hakkında, süper emici reçinelerin su emme mekanizması hakkındaki araştırma teorilerinin üç açıdan özetlenebileceği birçok araştırma raporu bulunmaktadır:
- su emiliminin termodinamik mekanizması;
- esnek moleküler zincirlerin su emme mekanizması;
- şişme kinetik mekanizması.
su emmenin termodinamik mekanizması
SAP'nin su üzerindeki adsorpsiyonu, fiziksel adsorpsiyon ve kimyasal adsorpsiyona ayrılabilir.
Fiziksel adsorpsiyon
Fiziksel adsorpsiyon, suyun kılcal damardan adsorpsiyonunu ifade eder, bu nedenle su emme kapasitesi sınırlıdır ve belirli bir basınç altında hızla taşar.
SAP molekülü güçlü hidrofilik polar gruplar içerir ve üç boyutlu çapraz bağlı bir yapıya sahiptir.
Geleneksel su emici malzemelerin aksine, SAP önce kılcal adsorpsiyon ve dağılım yoluyla suyu emer ve daha sonra reçinenin hidrofilik grupları, hidrojen bağları yoluyla su molekülleriyle etkileşime girer. İyonik hidrofilik gruplar suyla karşılaştıklarında ayrışmaya başlar ve anyonlar yüksekte sabitlenir Moleküler zincirde, katyonlar hareketli iyonlardır.
Hidrofilik grubun ayrışmasıyla, anyonların sayısı artar, elektrostatik itme artar ve polimerin üç boyutlu çapraz bağlı ağı genişler. Aynı zamanda, elektriksel nötrlüğü korumak için, katyonlar dış çözücüye yayılamaz, bu nedenle konsantrasyon artar, bu da reçine çapraz bağlı ağın içindeki ve dışındaki ozmotik basınçta bir artışa ve su moleküllerinin daha fazla infiltrasyonuna neden olur.
Su emilimindeki artışla birlikte, şebekenin içindeki ve dışındaki ozmotik basınç farkı sıfıra düşme eğilimindedir. Ağ genişledikçe, elastik büzülme kuvveti de artar, anyonların elektrostatik itilmesini kademeli olarak dengeler ve sonunda bir su emme dengesine ulaşır. Su molekülleri, ozmotik basınç farkının ve reçinenin üç boyutlu çapraz bağlı yapısının genişlemesinin neden olduğu kılcal etki altında reçineye nüfuz eder ve yayılır, böylece su emiliminin amacına ulaşır.
Kimyasal adsorpsiyon
Kimyasal adsorpsiyon, reçinedeki hidrofilik grupların, su moleküllerini kimyasal bağlar yoluyla sıkıca adsorbe ettiği, adsorpsiyon kapasitesinin çok güçlü olduğu ve yüksek basınç altında taşmanın zor olduğu anlamına gelir.
SAP'nin kendisinin ağlar arası yapısı ve hidrojen bağları ile kombinasyonu nedeniyle, reçinenin adsorpsiyonu sınırlıdır.
Moleküler ağ, su mevcut olduğunda süresiz olarak genişleyemez, bu da reçinenin suyu emdikten sonra suda çözünmemesini sağlar.
Bu şekilde, SAP içinde iki kuvvet vardır, bunlardan biri, suyun reçineye girmesini sağlayan ve uzay ağının genişlemesine neden olan iç iyonlar arasındaki itme tarafından üretilen ozmotik basınçtır; diğeri ise çapraz bağlama etkisi tarafından üretilen elastik kuvvettir, bu da su emiliminden sonra polimerin belirli bir mukavemete sahip olmasını sağlar. Bu iki kuvvet birbirini kısıtlar ve sonunda bir dengeye ulaşır, reçine suya doyurulur ve şu anda su emilimi su emme oranıdır.
esnek moleküler zincirlerin su emme mekanizması
SAP'nin su emme termodinamik mekanizması, iyonik SAP'nin su emme mekanizmasını iyi açıklayabilir, ancak iyonik olmayan SAP'nin su emme mekanizmasını açıklamak zordur. Bu nedenle, SAP'nin su emme mekanizmasını moleküler zincir açısından açıklamak gerekir.
Termodinamiğin ikinci yasasına göre, sistem her zaman artan entropi yönünde kendiliğinden dengelenir. Dış enerjinin yokluğunda, tamamen kuru bir durumda SAP, makromoleküler zinciri rastgele hareket ettirir ve her karbon-karbon σ bağının konformasyonu tutarsız olma eğilimindedir. Bu zamanda, SAP'nin makromoleküler zinciri her zaman kendiliğinden sarılmış moleküler konformasyona eğilimlidir.
İdeal bir esnek makromoleküler zincir için, C-C bağı serbestçe dönebilir ve dönüşü sadece ideal esneklikle kolye grupları ve hidrojen bağlama etkileri ile sınırlıdır
. Bununla birlikte, SAP için, makromoleküler zincirin çapraz bağlanma noktasına yakın dönmesi engellenir. Düzgün çapraz bağlanma yoğunluğu durumunda, her çapraz bağlı kafes aynı boyuta sahiptir. Çapraz bağlı kafesi oluşturan makromoleküler zincirlerin ideal esnekliğe sahip olduğu düşünülebilir. Yani, her su emici ağ idealdir ve her çapraz bağlanma noktası arasındaki moleküler zincirdeki karbon atomlarının sayısı aynıdır.
Bu nedenle, SAP'nin çapraz bağlanma yoğunluğu ne kadar düşük olursa, makromoleküler zincirin esnekliği o kadar güçlü olur, etkili zincir uzunluğu o kadar uzun olur, konformasyonel değişimi o kadar kolay olur, su emme kapasitesi o kadar güçlü olur ve makromoleküler zincirin konformasyonel değişiminin üstesinden gelmek için gereken dış enerji o kadar küçük olur. Yani, SAP'nin jel mukavemeti daha düşüktür.
Makromoleküler zincir konformasyonel değişimi perspektifinden, ana karbon zincirinin yan grupları ile su molekülleri arasındaki daha büyük afiniteye sahip monomer, SAP makromoleküler zincirinin esnekliğini arttırmaya yardımcı olur.
şişme kinetik mekanizması
Reçinenin şişme kinetiği, Berens-Hopfenberg difüzyon gevşeme modeli denklemi kullanılarak açıklandı.
Difüzyon-gevşeme modeli denklemi, su moleküllerinin difüzyonunun ve reçine makromoleküler segmentlerinin gevşemesinin doğrusal bir ilişkiyi karşıladığını önermektedir.
