Polyme siêu thấm là gì
Polyme siêu thấm (natri polyacrylate, còn được gọi là SAP) là một vật liệu polymer chức năng đặc biệt có chứa các nhóm ưa nước mạnh như nhóm carboxyl và hydroxyl và có cấu trúc mạng chéo nhất định.
Thông qua hydrat hóa, nó có thể
- nhanh chóng hấp thụ hàng trăm lần đến hơn một nghìn lần khối lượng của chính nó trong nước,
- và nó cũng có thể hấp thụ hàng chục đến một trăm lần nước mặn, máu, nước tiểu và các chất lỏng khác.
So với vật liệu thấm truyền thống
Việc hấp thụ nước của các vật liệu hấp thụ nước truyền thống như bông, bọt biển, giấy, v.v. được thực hiện theo nguyên tắc mao dẫn, thuộc về sự hấp phụ vật lý.
Nhựa siêu thấm có một mức độ liên kết ngang nhất định do cấu trúc phân tử của nó, và nước bên trong không thể dễ dàng đùn ra bằng các phương pháp cơ học đơn giản, vì vậy nó có khả năng giữ nước mạnh.
So sánh khả năng hấp thụ nước của một số vật liệu hấp thụ nước truyền thống và polyme siêu hấp thụ:
| Vật liệu hấp thụ | Khả năng hấp thụ nước (Phần trọng lượng) / % |
| Giấy lọc Waterman số 3 | 180 |
| Giấy lụa | 400 |
| Bọt biển polyurethane | 1050 |
| Cọc bột gỗ | 1200 |
| Bông gòn | 1890 |
| Natri polyacrylate | 20200 |
Tại sao nó hấp thụ nước?
Một trong những lý do nội tại cho tỷ lệ hấp thụ nước cao của SAP là có một số lượng lớn các nhóm ưa nước như các nhóm carboxyl, amido và hydroxyl trên chuỗi đại phân tử của nó.
Polyme acrylate liên kết ngang là một phần quan trọng của vật liệu hấp thụ nước dựa trên nhựa tổng hợp, và được coi là polyme hấp thụ nước hứa hẹn nhất.
Cơ chế hấp thụ nước
Dựa trên các thành phần khác nhau của SAP, cơ chế hấp thụ nước cũng khác nhau.
- Đối với polyme thấm nước loại polyacrylate, chủ yếu dựa vào áp suất thẩm thấu để hoàn thành quá trình hấp thụ nước.
- Đối với SAP không ion, nó dựa vào hiệu ứng ưa nước của các nhóm ưa nước để hoàn thành việc hấp thụ nước.
Các đặc tính sưng của SAP ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng sản phẩm và ứng dụng của nó.
Hiện nay, có nhiều báo cáo nghiên cứu về đặc tính sưng của SAP, trong đó các lý thuyết nghiên cứu về cơ chế hấp thụ nước của nhựa siêu hấp thụ có thể được tóm tắt thành ba khía cạnh:
- cơ chế nhiệt động lực học của sự hấp thụ nước;
- cơ chế hấp thụ nước của chuỗi phân tử linh hoạt;
- sưng cơ chế động học.
cơ chế nhiệt động lực học của sự hấp thụ nước
Sự hấp phụ của SAP trên mặt nước có thể được chia thành hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học.
Hấp phụ vật lý
Hấp phụ vật lý đề cập đến sự hấp phụ của nước thông qua mao dẫn, do đó khả năng hấp thụ nước bị hạn chế, và nó sẽ nhanh chóng tràn ra dưới một áp suất nhất định.
Phân tử SAP chứa các nhóm cực ưa nước mạnh và có cấu trúc liên kết ngang ba chiều.
Không giống như các vật liệu hấp thụ nước truyền thống, SAP đầu tiên hấp thụ nước thông qua sự hấp phụ và phân tán mao dẫn, sau đó các nhóm ưa nước của nhựa tương tác với các phân tử nước thông qua các liên kết hydro. Các nhóm ưa nước ion bắt đầu phân ly khi chúng gặp nước và các anion được cố định ở mức cao Trên chuỗi phân tử, cation là các ion di động.
Với sự phân ly của nhóm ưa nước, số lượng anion tăng lên, lực đẩy tĩnh điện tăng lên và mạng lưới liên kết ngang ba chiều của polymer mở rộng. Đồng thời, để duy trì tính trung hòa điện, các cation không thể khuếch tán đến dung môi bên ngoài, do đó nồng độ tăng lên, dẫn đến tăng áp suất thẩm thấu bên trong và bên ngoài mạng lưới liên kết ngang nhựa và xâm nhập thêm vào các phân tử nước.
Với sự gia tăng hấp thụ nước, chênh lệch áp suất thẩm thấu bên trong và bên ngoài mạng có xu hướng bằng không. Khi mạng lưới mở rộng, lực co đàn hồi của nó cũng tăng lên, dần dần bù đắp lực đẩy tĩnh điện của các anion và cuối cùng đạt đến sự cân bằng hấp thụ nước. Các phân tử nước xâm nhập và khuếch tán vào nhựa dưới tác động mao dẫn gây ra bởi chênh lệch áp suất thẩm thấu và sự giãn nở của cấu trúc liên kết ngang ba chiều của nhựa, để đạt được mục đích hấp thụ nước.
Hấp phụ hóa học
Hấp phụ hóa học có nghĩa là các nhóm ưa nước trong nhựa hấp phụ chắc chắn các phân tử nước thông qua các liên kết hóa học, khả năng hấp phụ rất mạnh và rất khó tràn dưới áp suất cao.
Do cấu trúc mạng chéo của chính SAP và sự kết hợp với các liên kết hydro, sự hấp phụ của nhựa bị hạn chế.
Mạng lưới phân tử không thể mở rộng vô thời hạn khi có nước, điều này đảm bảo rằng nhựa sẽ không hòa tan trong nước sau khi hấp thụ nước.
Theo cách này, có hai lực bên trong SAP, một là áp suất thẩm thấu được tạo ra bởi lực đẩy giữa các ion bên trong, làm cho nước đi vào nhựa và gây ra sự mở rộng của mạng lưới không gian; Hai là lực đàn hồi được tạo ra bởi hiệu ứng liên kết ngang, làm cho polymer sau khi hấp thụ nước có độ bền nhất định. Hai lực này hạn chế lẫn nhau, và cuối cùng đạt đến sự cân bằng, nhựa được bão hòa với nước và sự hấp thụ nước tại thời điểm này là tốc độ hấp thụ nước.
cơ chế hấp thụ nước của chuỗi phân tử linh hoạt
Cơ chế nhiệt động lực học của sự hấp thụ nước của SAP có thể giải thích tốt cơ chế hấp thụ nước của nhựa ion, nhưng rất khó để giải thích cơ chế hấp thụ nước của SAP không ion. Do đó, cần phải giải thích cơ chế hấp thụ nước của SAP từ khía cạnh của chuỗi phân tử.
Theo định luật thứ hai của nhiệt động lực học, hệ thống luôn tự cân bằng theo hướng tăng entropy. Trong trường hợp không có năng lượng bên ngoài, SAP ở trạng thái khô hoàn toàn di chuyển chuỗi đại phân tử một cách ngẫu nhiên và cấu trúc của mỗi liên kết σ carbon-carbon có xu hướng không nhất quán. Tại thời điểm này, chuỗi đại phân tử của SAP luôn có xu hướng hình dạng phân tử cuộn một cách tự nhiên.
Đối với một chuỗi đại phân tử linh hoạt lý tưởng, liên kết C-C của nó có thể quay tự do và vòng quay của nó chỉ bị giới hạn bởi
các nhóm Mặt dây chuyền và hiệu ứng liên kết hydro, với tính linh hoạt lý tưởng. Tuy nhiên, đối với SAP, sự quay của chuỗi đại phân tử gần điểm liên kết ngang bị cản trở. Trong trường hợp mật độ liên kết ngang đồng đều, mỗi mạng liên kết ngang có cùng kích thước. Có thể coi rằng các chuỗi đại phân tử tạo thành mạng liên kết ngang có tính linh hoạt lý tưởng. , nghĩa là, mỗi mạng lưới hấp thụ nước là lý tưởng và số lượng nguyên tử carbon trong chuỗi phân tử giữa mỗi điểm liên kết ngang là như nhau.
Do đó, mật độ liên kết ngang của SAP càng thấp, tính linh hoạt của chuỗi đại phân tử càng mạnh, chiều dài chuỗi hiệu quả càng dài, sự thay đổi cấu trúc của nó càng dễ dàng, khả năng hấp thụ nước càng mạnh và năng lượng bên ngoài cần thiết để khắc phục sự thay đổi cấu trúc của chuỗi đại phân tử càng nhỏ. Đó là, độ bền gel của SAP thấp hơn.
Từ quan điểm của sự thay đổi cấu trúc chuỗi đại phân tử, monome có ái lực lớn hơn giữa các nhóm bên của chuỗi carbon chính và các phân tử nước giúp tăng cường tính linh hoạt của chuỗi đại phân tử SAP.
sưng cơ chế động học
Động học sưng của nhựa được giải thích bằng cách sử dụng phương trình mô hình thư giãn khuếch tán Berens-Hopfenberg.
Phương trình mô hình khuếch tán-thư giãn đề xuất rằng sự khuếch tán của các phân tử nước và sự thư giãn của các phân đoạn đại phân tử nhựa thỏa mãn mối quan hệ tuyến tính.
