Manufacturers.best

为什么聚丙烯酸钠会吸水?

2 5 月, 2022

什么是高吸水性聚合物

高吸水性聚合物(聚丙烯酸钠,又称SAP)是一种特殊的功能性高分子材料,含有羧基、羟基等强亲水基团,具有一定的跨网状结构。

通过补水,它可以

  • 在水中快速吸收数百倍至超过一千倍自身质量,
  • 它还可以吸收数十到一百倍的盐水,血液,尿液和其他液体。

与传统吸水材料相比

棉花、海绵、纸张等传统吸水材料的吸水是通过毛细管原理进行的,属于物理吸附。

高吸水性树脂由于其分子结构而具有一定的交联性,并且内部水不能通过简单的机械方法不容易挤出,因此具有很强的保水性。

几种传统吸水材料和高吸水性聚合物的吸水能力比较:

吸水材料 吸水能力(重量分数)/%
沃特曼3号滤纸 180
生活用纸 400
聚氨酯海绵 1050
木浆堆 1200
棉球 1890
聚丙烯酸钠 20200

为什么会吸水?

SAP吸水率高的内在原因之一是其大分子链上有大量的亲水基团,如羧基,酰胺基和羟基。

交联丙烯酸酯聚合物是合成树脂基吸水材料的重要组成部分,被认为是最有前途的吸水聚合物。


吸水机制

基于SAP成分的不同,吸水机理也不同。

  • 对于聚丙烯酸酯型吸水聚合物,主要依靠渗透压来完成吸水过程。
  • 对于非离子SAP,它依靠亲水基团的亲水作用来完成吸水。

SAP的膨胀特性直接影响其产品质量和应用。

目前,关于SAP溶胀性能的研究报道很多,其中关于高吸水性树脂吸水机理的研究理论可归纳为三个方面:

  1. 吸水的热力学机理;
  2. 柔性分子链的吸水机理;
  3. 肿胀的动力学机制。

吸水的热力学机理

SAP对水的吸附可分为物理吸附和化学吸附。

物理吸附

物理吸附是指水通过毛细管吸附,因此吸水能力有限,在一定压力下会迅速溢出。

SAP分子含有很强的亲水性极性基团,并具有三维交联结构。
与传统的吸水材料不同,SAP首先通过毛细管吸附和分散吸收水分,然后树脂的亲水基团通过氢键与水分子相互作用。 离子亲水基团在遇水时开始解离,阴离子固定在分子链上的高处,阳离子是移动离子。

随着亲水基团的解离,阴离子的数量增加,静电排斥力增加,聚合物的三维交联网络扩大。 同时,为了保持电中性,阳离子不能扩散到外部溶剂,因此浓度增加,导致树脂交联网络内外的渗透压增加,进一步渗透水分子。

随着吸水率的增加,管网内外的渗透压差趋于零。 随着网络的扩大,其弹性收缩力也随之增大,逐渐抵消了阴离子的静电排斥,最终达到吸水平衡。 水分子在渗透压差和树脂三维交联结构膨胀引起的毛细管作用下渗透并扩散到树脂中,从而达到吸水的目的。

化学吸附

化学吸附是指树脂中的亲水基团通过化学键牢固地吸附水分子,吸附能力很强,在高压下不易溢出。

由于SAP本身的跨网络结构和与氢键的组合,树脂的吸附受到限制。
当有水存在时,分子网络不能无限膨胀,这保证了树脂在吸收水分后不会溶解在水中。

这样,SAP内部就有两种力,一种是内部离子之间排斥产生的渗透压,使水进入树脂并引起空间网络的膨胀;另一种是由交联效应产生的弹性力,这使得聚合物吸水后具有一定的强度。 这两种力相互制约,最终达到平衡,树脂被水饱和,此时的吸水率就是吸水率。


柔性分子链的吸水机理

SAP吸水的热力学机理可以很好地解释离子SAP的吸水机理,但很难解释非离子SAP的吸水机理。 因此,有必要从分子链方面解释SAP的吸水机理。

根据热力学第二定律,系统总是自发地在熵增加的方向上保持平衡。 在没有外能的情况下,处于完全干燥状态的SAP随机移动大分子链,每个碳-碳σ键的构象趋于不一致。 此时,SAP的大分子链总是自发地倾向于盘绕的分子构象。

对于理想的柔性大分子链,其C-C键可以自由旋转,其旋转仅受
吊坠基团和氢键效应的限制,具有理想的柔韧性。 然而,对于SAP,大分子链在交联点附近的旋转受到阻碍。 在交联密度均匀的情况下,每个交联晶格具有相同的尺寸。 可以认为,构成交联晶格的大分子链具有理想的柔韧性。 也就是说,每个吸水网络都是理想的,每个交联点之间的分子链中的碳原子数是相同的。

SAP交叉网格吸水前后的变化

因此,SAP的交联密度越低,大分子链的柔韧性越强,有效链长度越长,其构象变化越容易,吸水能力越强,克服大分子链构象变化所需的外部能量越小。 也就是说,SAP的凝胶强度较低。

从大分子链构象变化的角度来看,主碳链侧基与水分子之间具有较大亲和力的单体有助于增强SAP大分子链的柔韧性。


肿胀动力学机制

树脂的膨胀动力学使用贝伦斯-霍普芬贝格扩散弛豫模型方程进行了解释。

扩散-弛豫模型方程提出,水分子的扩散与树脂大分子链段的弛豫满足线性关系。

Copyright © 2024 Manufacturers.Best