Суперабсорбирующий материал из эфира целлюлозы

Были изучены процесс и характеристики продукта карбоксиметилцеллюлозы, сшитой N, N-метиленбисакриламидом, для получения сверхабсорбирующей смолы, а также обсуждены концентрация щелочи, количество сшивающего агента, этерификация щелочи и растворитель.Влияние дозировки на водопоглощение продукта.Объяснен механизм адсорбции водопоглощающей смолы на воду.Исследования показали, что показатель удержания воды (WRV) этого продукта достигает 114 мл/г.

Ключевые слова:эфир целлюлозы;метиленбисакриламид;подготовка

1、Введение

Суперабсорбирующая смола представляет собой полимерный материал с сильными гидрофильными группами и определенной степенью сшивки.Обычные водопоглощающие материалы, такие как бумага, хлопок и конопля, имеют низкую скорость водопоглощения и плохую водоудерживающую способность, в то время как супервпитывающие смолы могут поглощать воду в десятки раз больше их собственного веса, а гель, образующийся после поглощения воды, не обезвоживается даже с небольшим давлением.Отличная способность удерживать воду.Он не растворяется ни в воде, ни в органических растворителях.

В молекулярной цепи суперабсорбирующего материала из целлюлозы имеется большое количество гидроксильных групп, карбоксильных групп и ионов гидрата натрия.После поглощения воды вода окружена гидрофильной макромолекулярной сеткой и может удерживаться под внешним давлением.Когда вода смачивает адсорбционную смолу, между смолой и водой образуется слой полупроницаемой мембраны.По словам Доннана, из-за высокой концентрации подвижных ионов (Na+) в водопоглощающей смоле'Согласно принципу равновесия, эта разница в концентрации ионов может вызвать осмотическое давление.Бедная, образующая смачивающую и набухающую слабую силу, вода проходит через этот слой полупроницаемой мембраны и соединяется с гидрофильными группами и ионами на макромолекулах сверхвпитывающей смолы, снижая концентрацию подвижных ионов, тем самым проявляя высокое водопоглощение и набухание.Этот процесс адсорбции продолжается до тех пор, пока разница осмотического давления, вызванная разницей в концентрации подвижных ионов, не станет равна сопротивлению дальнейшему расширению, вызванному силой сцепления молекулярной сетки полимерной смолы.Преимущества суперабсорбирующей смолы, полученной из целлюлозы, заключаются в следующем: умеренная скорость водопоглощения, высокая скорость водопоглощения, хорошая устойчивость к соленой воде, нетоксичность, легко регулировать значение pH, может разлагаться в природе и низкая стоимость, поэтому она имеет широкий спектр применения. спектр использования.Его можно использовать в качестве водоблокирующего агента, кондиционера почвы и водоудерживающего агента в промышленности и сельском хозяйстве.Кроме того, он имеет хорошие перспективы развития и применения в здравоохранении, пищевой промышленности, микробиологии и медицине.

2. Экспериментальная часть

2.1 Принцип эксперимента

Приготовление сверхабсорбирующей смолы из хлопкового волокна главным образом направлено на формирование сшитой структуры с низкой степенью замещения на оболочке волокна.Сшивание с соединениями, которые обычно имеют две или более реакционноспособные функциональные группы.К функциональным группам, способным к сшиванию, относятся винил, гидроксил, карбоксил, амид, хлорангидрид, оксиран, нитрил и др. Коэффициент водопоглощения супервпитывающих смол, приготовленных с разными сшивающими агентами, различен.В этом эксперименте в качестве сшивающего агента используется N,N-метиленбисакриламид, включая следующие этапы:

(1) Целлюлоза (Rcell) реагирует с щелочным раствором с образованием щелочной целлюлозы, а реакция подщелачивания целлюлозы представляет собой быструю экзотермическую реакцию.Понижение температуры способствует образованию щелочных волокон и может ингибировать их гидролиз.Добавление спиртов может усилить расстройство целлюлозы, что благоприятствует ее подщелачиванию и последующей этерификации.

RcellOH+NaOH→RcellONa+H2O

(2) Щелочная целлюлоза и монохлоруксусная кислота образуют натрийкарбоксиметилцеллюлозу, а реакция этерификации относится к реакции нуклеофильного замещения:

RcellONa+ClCH2COONa→RcellOCH2COONa+NaCl

(3) N,N-метиленбисакриламид, сшитый с получением супервпитывающей смолы.Поскольку в молекулярной цепи карбоксиметилового волокна еще имеется большое количество гидроксильных групп, под действием щелочного катализа, а затем перекрестное сшивание между молекулярными цепями целлюлозы происходит за счет конденсации Михаэля и немедленно подвергается протонному обмену с водой, образуя водонерастворимую целлюлозную сверхабсорбирующую смолу.

2.2 Сырье и инструменты

Сырье: хлопок гигроскопичный (нарезанный на линты), гидроксид натрия, монохлоруксусная кислота, N,N-метиленбисакриламид, этанол абсолютный, ацетон.

Приборы: трехгорлая колба, электромешалка, обратный холодильник, колба с отсасывающим фильтром, воронка Бюхнера, вакуумная сушильная печь, вакуумный насос циркуляционной воды.

2.3 Способ приготовления

2.3.1 Подщелачивание

В трехгорлую бутылку добавить 1 г впитывающей ваты, затем добавить некоторое количество раствора гидроксида натрия и абсолютного этанола, поддерживать температуру ниже комнатной и некоторое время перемешивать.

2.3.2 Этерификация

Добавьте определенное количество хлоруксусной кислоты и перемешивайте в течение 1 часа.

2.3.2 Сшивание

На более поздней стадии этерификации добавляли N,N-метиленбисакриламид в пропорции для проведения поперечной сшивки и перемешивали при комнатной температуре в течение 2 часов.

2.3.4 Постобработка

Используйте ледяную уксусную кислоту, чтобы довести значение pH до 7, смойте соль этанолом, смойте воду ацетоном, отфильтруйте с отсасыванием и высушите в вакууме в течение 4 часов (при температуре около 60°С).°С, степень вакуума 8,8 кПа) с получением продукта из белой хлопковой нити.

2.4 Аналитическое тестирование

Скорость водопоглощения (WRV) определяют путем просеивания, то есть 1 г продукта (G) добавляют в химический стакан, содержащий 100 мл дистиллированной воды (V1), вымачивают в течение 24 часов и фильтруют через сито из нержавеющей стали 200 меш. , и вода в нижней части экрана собирается (V2).Формула расчета следующая: WRV=(V1-V2)/G..

3. Результаты и их обсуждение

3.1 Выбор условий реакции подщелачивания

В процессе производства щелочной целлюлозы действием хлопкового волокна и щелочного раствора условия процесса оказывают существенное влияние на эксплуатационные характеристики продукта.В реакции подщелачивания участвует множество факторов.Для удобства наблюдения принят метод планирования ортогонального эксперимента.

Другие условия: растворитель — 20 мл абсолютного этанола, соотношение щелочи и этерифицирующего агента (моль/мл) — 3:1, сшивающий агент — 0,05 г.

Результаты эксперимента показывают, что: первичное и вторичное соотношение: C>A>B, лучшее соотношение: A3B3C3.Концентрация щелочи является наиболее важным фактором в реакции подщелачивания.Высокая концентрация щелочи способствует образованию щелочной целлюлозы.Однако следует отметить, что чем выше концентрация щелочи, тем больше содержание соли в приготовленной сверхабсорбирующей смоле.Поэтому при промывке соли этанолом промойте ее несколько раз, чтобы обеспечить удаление соли из продукта и не повлиять на водопоглощающую способность продукта.

3.2 Влияние дозировки сшивающего агента на WRV продукта

Условия эксперимента: 20 мл абсолютного этанола, соотношение щелочи и этерифицирующего агента 2,3:1, 20 мл щелочи и 90 минут подщелачивания.

Результаты показали, что количество сшивающего агента влияет на степень сшивания CMC-Na.Чрезмерная сшивка приводит к образованию плотной сетчатой ​​структуры в пространстве продукта, которая характеризуется низкой скоростью водопоглощения и плохой эластичностью после водопоглощения;когда количество сшивающего агента невелико, сшивание является неполным, и присутствуют водорастворимые продукты, которые также влияют на скорость водопоглощения.Когда количество сшивающего агента составляет менее 0,06 г, скорость водопоглощения увеличивается с увеличением количества сшивающего агента, когда количество сшивающего агента составляет более 0,06 г, скорость водопоглощения снижается. с количеством сшивающего агента.Следовательно, дозировка сшивающего агента составляет около 6% от массы хлопкового волокна.

3.3 Влияние условий этерификации на WRV продукта

Условия эксперимента: концентрация щелочи 40%;объем щелочи 20мл;абсолютный этанол 20 мл;дозировка сшивающего агента 0,06 г;подщелачивание 90мин.

Из формулы химической реакции соотношение щелочи и эфира (NaOH:CICH2-COOH) должно составлять 2:1, но фактическое количество используемой щелочи больше этого соотношения, поскольку в реакционной системе должна быть гарантирована определенная концентрация свободной щелочи. , потому что: определенная более высокая концентрация свободного основания способствует завершению реакции подщелачивания;реакцию сшивки необходимо проводить в щелочных условиях;некоторые побочные реакции требуют щелочи.Однако если добавить слишком большое количество щелочи, щелочное волокно будет серьезно разрушено, и в то же время эффективность этерифицирующего агента снизится.Опыты показывают, что соотношение щелочи и эфира составляет около 2,5:1.

3.4 Влияние количества растворителя

Условия эксперимента: концентрация щелочи 40%;дозировка щелочи 20мл;соотношение щелочи и эфира 2,5:1;дозировка сшивающего агента 0,06г, подщелачивание 90мин.

Растворитель безводный этанол играет роль диспергирования, гомогенизации и поддержания суспензионного состояния системы, что полезно для диспергирования и передачи тепла, выделяемого при образовании щелочной целлюлозы, и может уменьшить реакцию гидролиза щелочной целлюлозы, тем самым получая однородную целлюлоза .Однако если количество добавленного спирта будет слишком большим, щелочь и монохлорацетат натрия растворятся в нем, снизится концентрация реагирующих веществ, уменьшится скорость реакции, а также это окажет отрицательное влияние на последующую сшивку.Когда количество абсолютного этанола составляет 20 мл, значение WRV велико.

Таким образом, наиболее подходящими условиями для приготовления сверхвпитывающей смолы из впитывающего хлопка, алкализированной и этерифицированной карбоксиметилцеллюлозы, сшитой N,N-метиленбисакриламидом, являются: концентрация щелочи 40%, 20 мл воды и этанола без растворителя, соотношение щелочи и эфира. составляет 2,5:1, а дозировка сшивающего агента - 0,06 г (6% от количества хлопкового линта).