stringtranslate.com

Суперабсорбирующий полимер

Суперабсорбирующий полимерный порошок

Суперабсорбирующий полимер (SAP) (также называемый порошком для каши ) представляет собой впитывающие воду гидрофильные гомополимеры или сополимеры [1] , которые могут впитывать и удерживать чрезвычайно большие объемы жидкости относительно своей собственной массы . [2]

Водопоглощающие полимеры , которые при смешивании классифицируются как гидрогели [3], поглощают водные растворы посредством 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 до 99,9% жидкости, а при помещении в 0,9% солевой раствор поглощающая способность падает примерно до 50 раз больше своего веса. [ необходима цитата ] Наличие валентных катионов в растворе препятствует способности полимера связываться с молекулой воды.

Общая впитывающая способность и набухающая способность SAP контролируются типом и степенью сшивающих агентов, используемых для создания геля . Сшитые SAP с низкой плотностью обычно имеют более высокую впитывающую способность и набухают в большей степени. Эти типы SAP также имеют более мягкое и липкое гель-образование. Полимеры с высокой плотностью сшивок демонстрируют более низкую впитывающую способность и набухают, а прочность геля более жесткая и может сохранять форму частиц даже при умеренном давлении.

Определение ИЮПАК

Суперабсорбирующий полимер: полимер, способный впитывать и удерживать чрезвычайно большие объемы жидкости относительно своей собственной массы. [5] Примечания:

  • Поглощаемой жидкостью может быть вода или органическая жидкость.
  • Коэффициент набухания суперабсорбирующего полимера может достигать порядка 1000:1.
  • Суперабсорбирующие полимеры для воды часто являются полиэлектролитами.

Суперабсорбирующие полимеры сшиваются, чтобы избежать растворения. Существует три основных класса SAP:

1. Сшитые полиакрилаты и полиакриламиды

2. Привитые сополимеры целлюлозы или крахмала с акрилонитрилом

3. Сшитые сополимеры малеинового ангидрида [1]

Наибольшее применение SAP нашли в одноразовых средствах личной гигиены , таких как детские подгузники , подгузники для взрослых и гигиенические салфетки . [6] SAP были прекращены из использования в тампонах из-за опасений 1980-х годов по поводу связи с синдромом токсического шока . [ требуется ссылка ] SAP также используются для блокировки проникновения воды в подземные силовые или коммуникационные кабели, в самовосстанавливающемся бетоне, [7] [8] влагоудерживающих агентах в садоводстве , контроле разливов и отходов водной жидкости, а также в искусственном снеге для кино и сценического производства. Первое коммерческое использование было в 1978 году для использования в женских прокладках в Японии и одноразовых постельных принадлежностях для пациентов домов престарелых в Соединенных Штатах. Ранние приложения на рынке США были у небольших региональных производителей подгузников, а также у Kimberly Clark . [9]

История

До 1920-х годов водопоглощающие материалы представляли собой продукты на основе волокон. Выбор был следующим: папиросная бумага , хлопок , губка и распушенная целлюлоза . Водопоглощающая способность этих типов материалов составляет всего лишь до одиннадцати раз больше их веса, и большая ее часть 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 полимера акрилонитрила к основе молекул крахмала (т. е. прививке крахмала). Гидролизованный продукт гидролиза этого сополимера крахмала и акрилонитрила давал поглощение воды, превышающее его вес 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 дальнейшей разработки базовой технологии. Были испробованы самые разные комбинации прививок, включая работу с акриловой кислотой , акриламидом и поливиниловым спиртом (ПВА).

Современные исследования доказали способность природных материалов, например, полисахаридов и белков, проявлять суперабсорбирующие свойства в чистой воде и солевом растворе (0,9% масс.) в том же диапазоне, что и синтетические полиакрилаты в современных приложениях. [11] Были получены суперабсорбирующие полимеры соевого белка /поли(акриловой кислоты) с хорошей механической прочностью. [12] Сополимеры полиакрилата / полиакриламида изначально были разработаны для использования в условиях с высоким содержанием электролитов/минералов и необходимостью долгосрочной стабильности, включая многочисленные циклы «влажность/сухость». Области применения включают сельское хозяйство и садоводство. С дополнительной прочностью мономера акриламида используется в качестве медицинского контроля разливов, блокировки воды для проводов и кабелей.

Химия сополимеров

Суперабсорбирующие 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 в мире сегодня. Согласно Управлению по контролю за продуктами питания и лекарственными средствами США , полиакрилат натрия включен в Список статуса пищевых добавок, и существуют строгие ограничения. [13] [ необходимо разъяснение ]

Другие материалы также используются для изготовления суперабсорбирующего полимера, например, сополимер полиакриламида, сополимер этилена и малеинового ангидрида , сшитая карбоксиметилцеллюлоза , сополимеры поливинилового спирта, сшитый полиэтиленоксид и привитой крахмалом сополимер полиакрилонитрила и т. д. Последний является одной из старейших созданных форм SAP. [ необходима цитата ]

Сегодня суперабсорбирующие полимеры производятся с использованием одного из трех основных методов: гелевая полимеризация, суспензионная полимеризация или полимеризация в растворе . Каждый из процессов имеет свои преимущества, но все они обеспечивают стабильное качество продукта.

Полимеризация геля

Гидрогель

Смесь акриловой кислоты, воды, сшивающих агентов и УФ-инициаторов смешивают и помещают либо на движущуюся ленту, либо в большие ванны. Затем жидкая смесь поступает в «реактор», представляющий собой длинную камеру с серией мощных УФ-ламп . УФ-излучение запускает реакции полимеризации и сшивания. Полученные «бревна» представляют собой липкие гели , содержащие от 60 до 70% воды. Бревна измельчают или измельчают и помещают в различные типы сушилок. На поверхность частиц могут распыляться дополнительные сшивающие агенты; это «поверхностное сшивание» увеличивает способность продукта набухать под давлением — свойство, измеряемое как впитывающая способность под нагрузкой (AUL) или впитывающая способность против давления (AAP). Затем высушенные полимерные частицы просеивают для надлежащего распределения размеров частиц и упаковки. Метод гелевой полимеризации (GP) в настоящее время [ когда? ] наиболее популярный метод изготовления суперабсорбирующих полимеров на основе полиакрилата натрия, которые в настоящее время используются в детских подгузниках и других одноразовых гигиенических изделиях.

Полимеризация в растворе

Растворные полимеры обеспечивают впитываемость гранулированного полимера, поставляемого в форме раствора. Растворы можно разбавлять водой перед нанесением, и они могут покрывать или пропитывать большинство субстратов. После высыхания при определенной температуре в течение определенного времени получается покрытый субстрат с супервпитывающей способностью. Например, этот химический состав можно наносить непосредственно на провода и кабели, хотя он особенно оптимизирован для использования на таких компонентах, как рулонные товары или листовые субстраты.

Полимеризация на основе раствора сегодня широко используется для производства сополимеров SAP, особенно с токсичным мономером акриламида. Этот процесс эффективен и, как правило, имеет более низкую капитальную стоимость. Процесс раствора использует раствор мономера на водной основе для производства массы полимеризованного геля реагента. Собственная энергия экзотермической реакции полимеризации используется для большей части процесса, помогая снизить стоимость производства. Затем полимерный гель реагента измельчают, сушат и измельчают до конечного размера гранул . Любые обработки для улучшения эксплуатационных характеристик SAP обычно выполняются после создания конечного размера гранул.

Суспензионная полимеризация

Процесс суспензии практикуется лишь несколькими компаниями, поскольку он требует более высокого уровня контроля производства и разработки продукта на этапе полимеризации. Этот процесс суспензирует реагент на водной основе в растворителе на основе углеводорода . Конечным результатом является то, что суспензионная полимеризация создает первичную полимерную частицу в реакторе, а не механически на стадиях после реакции. Улучшения производительности также могут быть достигнуты во время или сразу после стадии реакции.

Авиация

13 апреля 2010 года рейс Cathay Pacific 780 из Сурабаи в Гонконг столкнулся с остановкой двух двигателей при снижении в международном аэропорту Гонконга , самолет благополучно приземлился без жертв. Расследование пришло к выводу, что сферы суперабсорбирующего полимера (SAP), компонент топливного фильтра- монитора, установленного в топливораздаточной колонке в международном аэропорту Джуанда , привели к заклиниванию главных дозирующих клапанов в топливном дозаторе . Было обнаружено, что соленая вода загрязнила топливоподачу в международном аэропорту Джуанда, что привело к повреждению фильтров-мониторов и выбросу сфер SAP в топливо самолета, в конечном итоге попавших в основные топливопроводы. [14]

Использует

Шарики из вспененного полимера

Смотрите также

Цитаты

  1. ^ ab Инициатива Гавайских энергетических и экологических технологий (HEET) . Июль 2016 г.
  2. ^ Хори, К. и др. , 890.
  3. ^ Кабири, К. (2003). «Синтез быстро набухающих суперабсорбирующих гидрогелей: влияние типа сшивающего агента и концентрации на пористость и скорость абсорбции». European Polymer Journal . 39 (7): 1341–1348. Bibcode : 2003EurPJ..39.1341K. doi : 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 цементирующих материалов с pH-чувствительными полусинтетическим суперабсорбирующими полимерами». Материалы и конструкции . 50 (6): 238. doi : 10.1617/s11527-017-1109-4. ISSN  1871-6873. S2CID  255318116.
  5. ^ Хори, К.; Барон, Максимо; Фокс, Р.Б.; Хе, Дж.; Гесс, М.; Каховец, Дж.; Китаяма, Т.; Кубиса, П.; Марешаль, Э.; Морманн, В.; Степто, РФТ; Табак, Д.; Вохлидал, Дж.; Уилкс, ЭС; Ворк, В.Дж. (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. doi : 10.1351/pac200476040889 . S2CID  98351038.
  6. ↑ Сан, Фанг; Месснер, Бернфрид А. (5 декабря 2006 г.), Производство полимеров и волокон суперабсорбента, архивировано с оригинала 29 августа 2011 г.
  7. ^ Снук, Дидье; Ван Титтелбум, Ким; Стеуперарт, Стейн; Дубрюэль, Питер; Де Бели, Неле (15 марта 2012 г.). «Самовосстанавливающиеся цементирующие 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.
  8. ^ Миньон, Арн; Девишер, Драйс; Граулус, Герт-Ян; Штуббе, Биргит; Мартинс, Хосе; Дюбрюэль, Питер; Де Бели, Неле; Ван Влиерберге, Сандра (2017-01-02). «Комбинаторный подход метакрилированного альгината и кислотных мономеров для применения в бетоне». Углеводные полимеры . 155 : 448–455. doi : 10.1016/j.carbpol.2016.08.102. hdl : 1942/22766 . ISSN  0144-8617. PMID  27702534. S2CID  46760339.
  9. ^ Малдер, Дуглас К.; О'Райан, Дэвид Э. (31 декабря 1985 г.), Метод и устройство для нанесения порошкового покрытия на движущуюся паутину: US 4561380 A
  10. ^ "SUPER SLURPER Compound with a super juice". Сельскохозяйственные исследования : 7–9. Июнь 1975 г.
  11. ^ Zohuriaan-Mehr, MJ (2009). «Гидрогели на основе белков и гомополиаминокислот с супернабухающими свойствами». Полимеры для передовых технологий . 20 (8): 655–671. doi :10.1002/pat.1395.
  12. ^ Song, W., Xin, J., Zhang J. (2017). «Одностадийный синтез суперабсорбирующих гидрогелей соевого белка (SP)-поли (акриловой кислоты) (PAA) с помощью простого приготовления макромономера SP». Industrial Crops and Products . 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 обработки пищевых продуктов - 173.73 Полиакрилат натрия". Управление по контролю за продуктами питания и лекарственными средствами США . Получено 16 августа 2021 г.
  14. ↑ Отчет об аварии самолета Airbus A330-342 B-HLL авиакомпании Cathay Pacific Airways Limited в международном аэропорту Гонконга, Гонконг, 13 апреля 2010 г. (PDF) (Отчет). Департамент гражданской авиации правительства Специального административного района Гонконг. Июль 2013 г. Получено 10 октября 2023 г.
  15. ^ Йенсен, Оле Мейлхеде (2013). «Использование суперабсорбирующих полимеров в бетоне» (PDF) . Concrete International . 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 БИНТ: Патентная заявка США 20080027366
  18. ^ «Список статуса пищевых добавок». Управление по контролю за продуктами и лекарствами США . 28 февраля 2024 г.
  19. ^ "Безопасность полиакрилата натрия, полиакрилата калия". Socopolymer .

Ссылки