stringtranslate.com

Суперабсорбирующий полимер

Суперабсорбирующий полимерный порошок

Сверхабсорбирующий полимер (SAP) (также называемый слаш-порошком ) представляет собой водопоглощающие гидрофильные гомополимеры или сополимеры [1] , которые могут поглощать и удерживать чрезвычайно большие количества жидкости по сравнению с собственной массой. [2]

Водопоглощающие полимеры , которые при смешивании классифицируются как гидрогели [3] , поглощают водные растворы за счет водородных связей с молекулами воды. Способность SAP поглощать воду зависит от ионной концентрации водного раствора. В деионизированной и дистиллированной воде SAP может поглощать в 300 раз больше своего веса [4] (от 30 до 60 раз больше собственного объема) и может стать жидкостью на 99,9%, а при помещении в 0,9% солевой раствор впитывающая способность падает примерно до в 50 раз больше своего веса. [ нужна цитация ] Присутствие валентных катионов в растворе препятствует способности полимера связываться с молекулой воды.

Общая впитывающая способность и способность к набуханию SAP контролируются типом и количеством сшивающих агентов, используемых для изготовления геля . Сшитые SAP низкой плотности обычно имеют более высокую абсорбирующую способность и в большей степени набухают. Эти типы SAP также имеют более мягкое и липкое гелеобразование. Полимеры с высокой плотностью поперечных связей демонстрируют меньшую абсорбирующую способность и набухание, а прочность геля более прочная и может сохранять форму частиц даже при умеренном давлении.

Супервпитывающие полимеры сшиты во избежание растворения. Существует три основных класса SAP:

1. Сшитые полиакрилаты и полиакриламиды.

2. Целлюлозо- или крахмал-акрилонитриловые привитые сополимеры.

3. Сшитые сополимеры малеинового ангидрида [1]

Наибольшее использование SAPs обнаружено в одноразовых предметах личной гигиены , таких как детские подгузники , подгузники для взрослых и гигиенические салфетки . [5] Использование SAP в тампонах было прекращено из-за опасений в 1980-х годах по поводу связи с синдромом токсического шока . [ нужна ссылка ] SAP также используются для блокировки проникновения воды в подземные силовые или коммуникационные кабели, в самовосстанавливающемся бетоне, [6] [7] агенты удержания воды в садоводстве , контроль разливов и отработанной водной жидкости, а также искусственный снег для кинофильмов. и сценическая постановка. Первое коммерческое использование было в 1978 году для использования в женских салфетках в Японии и одноразовых простынях для пациентов домов престарелых в США. Первые заявки на рынок США поступали от небольших региональных производителей подгузников, а также от компании Kimberly Clark . [8]

определение ИЮПАК

Суперабсорбирующий полимер: Полимер, который может поглощать и удерживать чрезвычайно большие количества жидкости по сравнению с его собственной массой. [9] Примечания:

  • Поглощенная жидкость может представлять собой воду или органическую жидкость.
  • Коэффициент набухания сверхабсорбирующего полимера может достигать порядка 1000:1.
  • Супервпитывающие полимеры для воды часто являются полиэлектролитами.

История

До 1920-х годов водопоглощающие материалы представляли собой изделия на основе волокон. На выбор были папиросная бумага , хлопок, губка и распушенная целлюлоза. Водопоглощающая способность этих типов материалов лишь в одиннадцать раз превышает их вес, и большая часть ее теряется при умеренном давлении.

В начале 1960-х годов Министерство сельского хозяйства США (USDA) проводило работу над материалами для улучшения сохранения воды в почвах. Они разработали смолу, основанную на прививке акрилонитрильного полимера к основной цепи молекул крахмала (т.е. прививке крахмала). Гидролизованный продукт гидролиза этого сополимера крахмала и акрилонитрила дал водопоглощение, превышающее его вес более чем в 400 раз. Кроме того, гель не выделял жидкую воду так, как это делают абсорбенты на основе волокон.

Полимер стал известен как «Super Slurper». [10] Министерство сельского хозяйства США предоставило технические ноу-хау нескольким американским компаниям для дальнейшего развития базовой технологии. Был опробован широкий спектр комбинаций прививки, включая работу с акриловой кислотой , акриламидом и поливиниловым спиртом (ПВА).

Сегодняшние исследования доказали способность природных материалов, например, полисахаридов и белков, проявлять суперабсорбирующие свойства в чистой воде и физиологическом растворе (0,9% по весу) в том же диапазоне, что и синтетические полиакрилаты в современных применениях. [11] Были получены супервпитывающие полимеры соевый белок/поли(акриловая кислота) с хорошей механической прочностью. [12] Сополимеры полиакрилата и полиакриламида изначально были разработаны для использования в условиях с высоким содержанием электролитов/минералов и необходимостью долгосрочной стабильности, включая многочисленные циклы влажной/сухой обработки. Использование включает сельское хозяйство и садоводство. Благодаря повышенной прочности мономера акриламида используется для контроля разливов в медицинских целях, а также для блокировки воды в проводах и кабелях.

Сополимерная химия

Супервпитывающие полимеры в настоящее время обычно производятся путем полимеризации акриловой кислоты , смешанной с гидроксидом натрия, в присутствии инициатора с образованием натриевой соли полиакриловой кислоты (иногда называемой полиакрилатом натрия ). Этот полимер является наиболее распространенным типом SAP, производимым сегодня в мире. По данным Управления по контролю за продуктами и лекарствами США, полиакрилат натрия внесен в список статусов пищевых добавок, и существуют строгие ограничения. [13]

Для изготовления сверхвпитывающего полимера также используются другие материалы, такие как сополимер полиакриламида, сополимер этилена и малеинового ангидрида , сшитая карбоксиметилцеллюлоза , сополимеры поливинилового спирта, сшитый полиэтиленоксид и привитый крахмалом сополимер полиакрилонитрила , и это лишь некоторые из них. Последняя является одной из старейших созданных форм SAP. [ нужна цитата ]

Сегодня сверхвпитывающие полимеры производятся с использованием одного из трех основных методов: полимеризации в геле, полимеризации в суспензии или полимеризации в растворе . Каждый из процессов имеет свои преимущества, но все они обеспечивают стабильное качество продукта.

Гелевая полимеризация

Гидрогель

Смесь акриловой кислоты, воды, сшивающих агентов и химикатов УФ-инициатора смешивают и помещают либо на движущуюся ленту, либо в большие ванны. Затем жидкая смесь попадает в «реактор», который представляет собой длинную камеру с рядом сильных ультрафиолетовых ламп. УФ-излучение запускает реакции полимеризации и сшивки. Полученные «бревна» представляют собой липкие гели, содержащие 60-70% воды. Бревна измельчают или измельчают и помещают в сушилки различного типа. На поверхность частиц можно распылить дополнительный сшивающий агент; эта «поверхностная сшивка» увеличивает способность продукта набухать под давлением — свойство, измеряемое как впитывающая способность под нагрузкой (AUL) или впитывающая способность под давлением (AAP). Затем высушенные полимерные частицы проверяют на предмет надлежащего распределения частиц по размерам и упаковки. Метод гель-полимеризации (ГП) в настоящее время является наиболее популярным методом изготовления суперабсорбирующих полимеров полиакрилата натрия, которые сейчас используются в детских подгузниках и других одноразовых гигиенических изделиях.

Полимеризация в растворе

Растворные полимеры обладают впитывающей способностью гранулированного полимера, поставляемого в виде раствора. Растворы можно разбавлять водой перед нанесением, и они могут покрывать или пропитывать большинство оснований. После сушки при определенной температуре в течение определенного времени в результате получается подложка с покрытием, обладающая сверхвпитывающей способностью. Например, этот химический состав можно наносить непосредственно на провода и кабели, хотя он особенно оптимизирован для использования на таких компонентах, как прокат или листовые подложки.

Полимеризация в растворе сегодня обычно используется для производства сополимеров SAP, особенно с токсичным мономером акриламида. Этот процесс эффективен и, как правило, имеет более низкую базу капитальных затрат. В процессе растворения используется раствор мономера на водной основе для получения массы реагирующего полимеризованного геля. Собственная энергия экзотермической реакции полимеризации используется для управления большей частью процесса, что помогает снизить производственные затраты. Затем полимерный гель-реагент измельчают, сушат и измельчают до конечного размера гранул. Любые обработки, направленные на улучшение эксплуатационных характеристик SAP, обычно выполняются после достижения окончательного размера гранул.

Суспензионная полимеризация

Процесс суспензии практикуется лишь немногими компаниями, поскольку он требует более высокой степени контроля производства и разработки продукта на этапе полимеризации. В этом процессе реагент на водной основе суспендируется в растворителе на основе углеводорода. Конечным результатом является то, что суспензионная полимеризация создает частицы первичного полимера в реакторе, а не механически на стадиях постреакции. Повышение производительности также может быть достигнуто во время или сразу после стадии реакции.

Авиация

13 апреля 2010 года рейс 780 компании Cathay Pacific, следовавший из Сурабаи в Гонконг, столкнулся с остановкой двух двигателей при опускании в международный аэропорт Гонконга . Самолет приземлился благополучно без человеческих жертв. Расследование пришло к выводу, что сферы сверхабсорбирующего полимера (SAP), компонента монитора топливного фильтра, установленного на заправочной колонке в международном аэропорту Джуанда, вызвали заклинивание главных дозирующих клапанов в блоке дозирования топлива . После этого было обнаружено, что соленая вода загрязнила систему подачи топлива в международном аэропорту Джуанда, что привело к повреждению мониторов фильтров и попаданию сфер SAP в топливо самолета, в конечном итоге попавших в основные топливопроводы. [14]

Использование

Вспененные полимерные шарики

Смотрите также

Цитаты

  1. ^ ab Инициатива Гавайских энергетических и экологических технологий (HEET) . Июль 2016.
  2. ^ Хори, К. и др. , 890.
  3. ^ Кабири, К. (2003). «Синтез быстронабухающих суперабсорбирующих гидрогелей: влияние типа и концентрации сшивающего агента на пористость и скорость поглощения». Европейский журнал полимеров . 39 (7): 1341–1348. дои : 10.1016/S0014-3057(02)00391-9.
  4. ^ Миньон, Арн; Вермёлен, Жолиен; Снук, Дидье; Дубрюэль, Питер; Ван Влиерберге, Сандра; Де Бели, Неле (28 октября 2017 г.). «Механические и самовосстанавливающиеся свойства вяжущих материалов с чувствительными к pH полусинтетическим суперабсорбирующими полимерами». Материалы и конструкции . 50 (6): 238. doi : 10.1617/s11527-017-1109-4. ISSN  1871-6873. S2CID  255318116.
  5. ^ Солнце, Клык; Месснер, Бернфрид А. (5 декабря 2006 г.), Производство полотна из супервпитывающего полимера и волокна, заархивировано из оригинала 29 августа 2011 г.
  6. ^ Снук, Дидье; Ван Титтельбум, Ким; Стеуперарт, Стейн; Дубрюэль, Питер; Де Бели, Неле (15 марта 2012 г.). «Самовосстанавливающиеся цементные материалы за счет сочетания микроволокон и сверхвпитывающих полимеров». Журнал интеллектуальных материальных систем и структур . 25 : 13–24. дои : 10.1177/1045389X12438623. hdl : 1854/LU-6869809 . S2CID  92983639.
  7. ^ Миньон, Арн; Девишер, Дрис; Граулюс, Герт-Ян; Стуббе, Биргит; Мартинс, Хосе; Дубрюэль, Питер; Де Бели, Неле; Ван Влиерберге, Сандра (2 января 2017 г.). «Комбинированный подход метакрилатного альгината и мономеров кислоты для конкретных применений». Углеводные полимеры . 155 : 448–455. doi :10.1016/j.carbpol.2016.08.102. HDL : 1942/22766 . ISSN  0144-8617. PMID  27702534. S2CID  46760339.
  8. ^ Малдер, Дуглас С.; О'Райан, Дэвид Э. (31 декабря 1985 г.), Способ и устройство для нанесения порошкового покрытия на движущееся полотно: US 4561380 A.
  9. ^ Хори, К.; Барон, Максимо; Фокс, РБ; Он, Дж.; Хесс, М.; Каховец, Дж.; Китаяма, Т.; Кубиса, П.; Марешаль, Э.; Морманн, В.; Степто, РФТ; Табак, Д.; Волидал Дж.; Уилкс, ЕС; Work, WJ (1 января 2004 г.). «Определения терминов, относящихся к реакциям полимеров и функциональным полимерным материалам (Рекомендации ИЮПАК 2003 г.)». Чистая и прикладная химия . 76 (4): 889–906. дои : 10.1351/pac200476040889 . S2CID  98351038.
  10. ^ "SUPER SLURPER Соединение с супержаждой" . Сельскохозяйственные исследования : 7–9. Июнь 1975 года.
  11. ^ Зохуриан-Мехр, MJ (2009). «Гидрогели на основе белков и гомополи(аминокислот) со свойствами супернабухания». Полимеры для передовых технологий . 20 (8): 655–671. дои : 10.1002/пат.1395.
  12. ^ Сун В., Синь Дж., Чжан Дж. (2017). «Синтез супервпитывающих гидрогелей соевого белка (SP)-полиакриловой кислоты (ПАА) в одном горшке путем простого приготовления макромономера SP». Технические культуры и продукты . 100 : 117–125. doi :10.1016/j.indcrop.2017.02.018.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  13. ^ «Полимерные вещества и полимерные адъюванты для пищевой промышленности - 173,73 Полиакрилат натрия» . Управление по контролю за продуктами и лекарствами США . Проверено 16 августа 2021 г.
  14. ^ Отчет об аварии Airbus A330-342 B-HLL, эксплуатируемого Cathay Pacific Airways Limited, в международном аэропорту Гонконга, Гонконг, 13 апреля 2010 г. (PDF) (Отчет). Департамент гражданской авиации Правительство Специального административного района Гонконг. Июль 2013 . Проверено 10 октября 2023 г.
  15. ^ Йенсен, Оле Мейлхеде (2013). «Использование сверхвпитывающих полимеров в бетоне» (PDF) . Бетон Интернэшнл . 35 (1): 48–52.
  16. ^ "水弹枪_百度图片搜索" .
  17. ↑ Да Силва-младший, Маседо Карлос (31 января 2008 г.), КЛЕЙКИЙ БАНДАЖ: Заявка на патент США 20080027366
  18. ^ «Список статусов пищевых добавок» . Управление по контролю за продуктами и лекарствами США .
  19. ^ «Безопасность полиакрилата натрия, полиакрилата калия». Сокополимер .

Рекомендации

Внешние ссылки