Estudio de preparación de material superabsorbente a partir de éter de celulosa

Resumen: Se estudió el rendimiento del proceso y del producto de la carboximetilcelulosa reticulada con N, N-metilenbisacrilamida para preparar una resina superabsorbente, y se discutieron la concentración de álcali, la cantidad de agente reticulante, la eterificación alcalina y el solvente. El efecto de la dosificación en el rendimiento de absorción de agua del producto. Se explica el mecanismo de adsorción de la resina absorbente de agua al agua. Los estudios han demostrado que el valor de retención de agua (WRV) de este producto alcanza los 114 ml/g.

Palabras clave: éter de celulosa; metilenbisacrilamida; preparación

1. Introducción

La resina superabsorbente es un material polimérico con fuertes grupos hidrofílicos y un cierto grado de reticulación. Los materiales absorbentes de agua comunes, como el papel, el algodón y el cáñamo, tienen una baja tasa de absorción de agua y poca capacidad de retención de agua, mientras que las resinas superabsorbentes pueden absorber agua decenas de veces su propio peso, y el gel formado después de absorber agua no se deshidratará ni siquiera. con ligera presión. Excelente capacidad de retención de agua. No es soluble en agua ni en disolventes orgánicos.

Hay una gran cantidad de grupos hidroxilo, grupos carboxilo e iones de hidrato de sodio en la cadena molecular del material superabsorbente hecho de celulosa. Después de absorber agua, el agua está rodeada por una red macromolecular hidrófila y puede retenerse bajo presión externa. Cuando el agua humedece la resina de adsorción, se forma una capa de membrana semipermeable entre la resina y el agua. Debido a la alta concentración de iones móviles (Na+) en la resina absorbente de agua, según el principio de equilibrio de Donnan, esta diferencia de concentración de iones puede causar presión osmótica. Pobre, formando un débil poder humectante e hinchante, el agua pasa a través de esta capa de membrana semipermeable y se combina con grupos hidrofílicos e iones en las macromoléculas de la resina superabsorbente, reduciendo la concentración de iones móviles, mostrando así una alta absorción de agua e hinchamiento. Este proceso de adsorción continúa hasta que la diferencia de presión osmótica causada por la diferencia en la concentración de iones móviles es igual a la resistencia a una mayor expansión causada por la fuerza cohesiva de la red molecular de la resina polimérica. Las ventajas de la resina superabsorbente preparada a partir de celulosa son: tasa de absorción de agua moderada, velocidad de absorción de agua rápida, buena resistencia al agua salada, valor de pH no tóxico, fácil de ajustar, se puede degradar en la naturaleza y bajo costo, por lo que tiene una amplia gama de usos. Se puede utilizar como agente bloqueador de agua, acondicionador de suelo y agente de retención de agua en la industria y la agricultura. Además, tiene buenas perspectivas de desarrollo y aplicación en salud, alimentación, microbiología y medicina.

2. Parte experimental

2.1 Principio experimental

La preparación de la resina superabsorbente de fibra de algodón es principalmente para formar una estructura reticulada con un bajo grado de sustitución en la piel de la fibra. Entrecruzamiento a compuestos que generalmente tienen dos o más grupos funcionales reactivos. Los grupos funcionales capaces de entrecruzarse incluyen vinilo, hidroxilo, carboxilo, amida, cloruro de ácido, oxirano, nitrilo, etc. La relación de absorción de agua de las resinas superabsorbentes preparadas con diferentes agentes de entrecruzamiento es diferente. En este experimento, se utiliza N, N-metilenbisacrilamida como agente de reticulación, incluidos los siguientes pasos:

(1) La celulosa (Rcell) reacciona con una solución alcalina para generar celulosa alcalina, y la reacción de alcalinización de la celulosa es una reacción exotérmica rápida. Bajar la temperatura conduce a la formación de fibras alcalinas y puede inhibir su hidrólisis. La adición de alcoholes puede aumentar el desorden de la celulosa, lo que es beneficioso para la alcalinización y la posterior eterificación.

RceldaOH+NaOH→RceldaONa+H2O

(2) La celulosa alcalina y el ácido monocloroacético generan carboximetilcelulosa de sodio, y la reacción de eterificación pertenece a la reacción de sustitución nucleófila:

RcélulaONa+ClCH2COONa→RcélulaOCH2COONa+NaCl

(3) N,N-metilenbisacrilamida reticulada para obtener una resina superabsorbente. Debido a que todavía hay una gran cantidad de grupos hidroxilo en la cadena molecular de la fibra de carboximetilo, la ionización del grupo hidroxilo de la celulosa y la ionización del doble enlace acriloílo en la cadena molecular de N, N-metilenbisacrilamida pueden desencadenarse bajo la acción de catálisis alcalina, y luego se produce la reticulación entre las cadenas moleculares de celulosa a través de la condensación de Michael, e inmediatamente se somete a un intercambio de protones con agua para convertirse en una resina superabsorbente de celulosa insoluble en agua.

2.2 Materias primas e instrumentos

Materias primas: algodón absorbente (cortado en borra), hidróxido de sodio, ácido monocloroacético, N, N-metilenbisacrilamida, etanol absoluto, acetona.

Instrumentos: matraz de tres bocas, agitador eléctrico, condensador de reflujo, matraz de filtro de succión, embudo Buchner, horno de secado al vacío, bomba de vacío de circulación de agua.

2.3 Método de preparación

2.3.1 Alcalinización

Agregue 1 g de algodón absorbente a la botella de tres bocas, luego agregue una cierta cantidad de solución de hidróxido de sodio y etanol absoluto, mantenga la temperatura por debajo de la temperatura ambiente y revuelva por un tiempo.

2.3.2 Eterificación

Añadir una cierta cantidad de ácido cloroacético y agitar durante 1 h.

2.3.2 Reticulación

En la etapa posterior de eterificación, se añadió N,N-metilenbisacrilamida en proporción para realizar el entrecruzamiento, y se agitó a temperatura ambiente durante 2 horas.

2.3.4 Posprocesamiento

Use ácido acético glacial para ajustar el valor de pH a 7, lave la sal con etanol, lave el agua con acetona, filtre con succión y seque al vacío durante 4 horas (a aproximadamente 60 °C, grado de vacío 8,8 kPa) para obtener un producto de filamento de algodón blanco.

2.4 Pruebas analíticas

La tasa de absorción de agua (WRV) se determina por tamizado, es decir, se agrega 1 g del producto (G) a un vaso de precipitados que contiene 100 ml de agua destilada (V1), se remoja durante 24 horas, se filtra a través de un tamiz de acero inoxidable de malla 200. , y se recoge el agua en la parte inferior de la pantalla (V2). La fórmula de cálculo es la siguiente: WRV=(V1-V2)/G.

3. Resultados y discusión

3.1 Selección de las condiciones de la reacción de alcalinización

En el proceso de producción de celulosa alcalina por la acción de fibra de algodón y solución alcalina, las condiciones del proceso tienen un impacto significativo en el desempeño del producto. Hay muchos factores en la reacción de alcalinización. Para facilitar la observación, se adopta el método de diseño de experimentos ortogonales.

Otras condiciones: el solvente es 20 ml de etanol absoluto, la proporción de álcali a agente eterificante (mol/md) es 3:1 y el agente de reticulación es 0,05 g.

Los resultados experimentales muestran que: relación primaria y secundaria: C>A>B, la mejor relación: A3B3C3. La concentración de lejía es el factor más importante en la reacción de alcalinización. La alta concentración de lejía favorece la formación de celulosa alcalina. Sin embargo, cabe señalar que cuanto mayor sea la concentración de lejía, mayor será el contenido de sal de la resina superabsorbente preparada. Por lo tanto, cuando lave la sal con etanol, lávela varias veces para asegurarse de que se elimine la sal del producto, para no afectar la capacidad de absorción de agua del producto.

3.2 Efecto de la dosificación del agente de reticulación en el producto WRV

Las condiciones experimentales son: 20ml de etanol absoluto, relación 2,3:1 de álcali a agente de eterificación, 20ml de lejía y 90min de alcalinización.

Los resultados mostraron que la cantidad de agente de entrecruzamiento afectó el grado de entrecruzamiento de CMC-Na. La reticulación excesiva conduce a una estructura de red estrecha en el espacio del producto, que se caracteriza por una baja tasa de absorción de agua y poca elasticidad después de la absorción de agua; cuando la cantidad de agente de reticulación es pequeña, la reticulación es incompleta y hay productos solubles en agua, que también afectan la tasa de absorción de agua. Cuando la cantidad de agente reticulante es inferior a 0,06 g, la tasa de absorción de agua aumenta con el aumento de la cantidad de agente reticulante, cuando la cantidad de agente reticulante es superior a 0,06 g, la tasa de absorción de agua disminuye con la cantidad de agente reticulante. Por lo tanto, la dosis de agente de reticulación es de aproximadamente el 6 % de la masa de fibra de algodón.

3.3 Efecto de las condiciones de eterificación en el producto WRV

Las condiciones experimentales son: concentración de álcali 40%; volumen alcalino 20ml; etanol absoluto 20ml; dosis de agente de reticulación 0,06 g; Alcalinización 90min.

De la fórmula de la reacción química, la relación álcali-éter (NaOH:CICH2-COOH) debe ser 2:1, pero la cantidad real de álcali utilizada es mayor que esta relación, porque se debe garantizar una cierta concentración de álcali libre en el sistema de reacción. , porque: cierto Una mayor concentración de base libre conduce a la finalización de la reacción de alcalinización; la reacción de reticulación debe realizarse en condiciones alcalinas; algunas reacciones secundarias consumen álcali. Sin embargo, si se añade demasiada cantidad de álcali, la fibra alcalina se degradará gravemente y, al mismo tiempo, se reducirá la eficacia del agente de eterificación. Los experimentos muestran que la proporción de álcali a éter es de aproximadamente 2,5:1.

3.4 Influencia de la cantidad de disolvente

Las condiciones experimentales son: concentración de álcali 40%; dosificación de álcali 20ml; relación álcali-éter 2,5:1; dosis de agente reticulante 0.06g, alcalinización 90min.

El etanol anhidro solvente desempeña el papel de dispersar, homogeneizar y mantener el estado de lodo del sistema, lo que es beneficioso para dispersar y transferir el calor liberado durante la formación de celulosa alcalina, y puede reducir la reacción de hidrólisis de celulosa alcalina, obteniendo así uniformidad. celulosa Sin embargo, si la cantidad de alcohol añadida es demasiado, el álcali y el monocloroacetato de sodio se disolverán en él, la concentración de reactivos disminuirá, la velocidad de reacción disminuirá y también tendrá un efecto adverso en la reticulación posterior. Cuando la cantidad de etanol absoluto es de 20 ml, el valor WRV es grande.

En resumen, las condiciones más adecuadas para preparar una resina superabsorbente a partir de carboximetilcelulosa alcalinizada y eterificada de algodón absorbente reticulada por N,N-metilenbisacrilamida son: concentración de álcali 40 %, sin disolventes 20 ml de agua y etanol, la proporción de álcali a éter es de 2,5:1, y la dosis de agente de reticulación es de 0,06 g (6 % de la cantidad de borra de algodón).