Superabsorpční polymer - Superabsorbent polymer

Superabsorpční polymerní prášek

Superabsorpční polymer (SAP) (také nazývané břečka prášek ) je ve vodě absorbující polymer, který může absorbovat a udržet extrémně velké množství kapaliny, vztaženo na jeho vlastní hmotnosti.

Polymery absorbující vodu , které jsou po smíchání klasifikovány jako hydrogely , absorbují vodné roztoky prostřednictvím vodíkové vazby s molekulami vody. Schopnost systému SAP absorbovat vodu závisí na iontové koncentraci vodného roztoku. V deionizované a destilované vodě může systém SAP absorbovat 300násobek své hmotnosti (od 30 do 60násobku svého vlastního objemu) a může se stát až 99,9% kapalným, a když je vložen do 0,9% fyziologického roztoku, absorpční schopnost klesne na přibližně 50násobek své hmotnost. Přítomnost valenčních kationtů v roztoku brání schopnosti polymeru navázat se na molekulu vody.

Celková absorpční schopnost a bobtnavost systému SAP je řízena typem a stupněm síťovacích činidel použitých k výrobě gelu . Zesítěné SAP s nízkou hustotou mají obecně vyšší absorpční kapacitu a bobtnají ve větší míře. Tyto typy SAP mají také měkčí a lepkavější tvorbu gelu. Polymery s vysokou hustotou zesíťování vykazují nižší absorpční kapacitu a bobtnají a pevnost gelu je pevnější a může udržovat tvar částic i při mírném tlaku.

Největší využití systémů SAP je v osobních hygienických výrobcích na jedno použití , jako jsou dětské pleny , plenky pro dospělé a hygienické vložky . Použití SAP v tamponech bylo ukončeno kvůli obavám z 80. let 20. století ohledně souvislosti se syndromem toxického šoku . SAP se také používá k blokování pronikání vody v podzemních napájecích nebo komunikačních kabelech, v samoopravitelném betonu, zahradnických prostředcích zadržujících vodu , kontrole rozlití a odpadní vodné tekutiny a umělého sněhu pro filmovou a scénickou produkci. První komerční použití bylo v roce 1978 pro použití v dámských ubrouscích v Japonsku a jednorázových podestýlkách pro pacienty s pečovatelskou službou v USA. Rané aplikace na americkém trhu byly u malých regionálních výrobců plenek stejně jako u Kimberly Clark .

Definice IUPAC

Superabsorpční polymer: Polymer, který dokáže absorbovat a zadržet extrémně velká množství kapaliny vzhledem k její vlastní hmotnosti. Poznámky:

  • Absorbovanou kapalinou může být voda nebo organická kapalina.
  • Poměr bobtnání superabsorpčního polymeru může dosáhnout řádově 1 000: 1.
  • Superabsorpční polymery pro vodu jsou často polyelektrolyty.

Dějiny

Do 20. let 20. století byly materiály pohlcující vodu výrobky na bázi vláken. Na výběr byl hedvábný papír , bavlna, houba a vláknina. Absorpční kapacita těchto typů materiálů je pouze 11krát větší než jejich hmotnost a většina z nich se ztrácí pod mírným tlakem.

Na začátku šedesátých let provádělo ministerstvo zemědělství USA (USDA) práce na materiálech, které měly zlepšit ochranu vody v půdách. Vyvinuli pryskyřici založenou na roubování akrylonitrilového polymeru na páteř molekul škrobu (tj. Roubování škrobu). Hydrolyzovaný produkt hydrolýzy tohoto kopolymeru škrobu a akrylonitrilu poskytl absorpci vody více než 400násobek jeho hmotnosti. Gel také neuvolňoval kapalnou vodu tak, jak to dělají absorbenty na bázi vláken.

Polymer se stal známým jako „Super Slurper“. USDA poskytlo technické know-how několika americkým společnostem k dalšímu rozvoji základní technologie. Byla vyzkoušena široká škála kombinací roubování, včetně práce s kyselinou akrylovou , akrylamidem a polyvinylalkoholem (PVA).

Dnešní výzkum prokázal schopnost přírodních materiálů, např. Polysacharidů a proteinů, vykazovat superabsorpční vlastnosti v čisté vodě a solném roztoku (0,9%hmotn.) Ve stejném rozsahu, jaký mají v současných aplikacích syntetické polyakryláty. Byly připraveny superabsorpční polymery sojový protein/poly (kyselina akrylová) s dobrou mechanickou pevností. Polyakrylátové / polyakrylamidové kopolymery byly původně navrženy pro použití v podmínkách s vysokým obsahem elektrolytů/minerálů a potřebou dlouhodobé stability včetně četných cyklů za mokra/za sucha. Využití zahrnuje zemědělství a zahradnictví. S přidanou silou akrylamidového monomeru, používaného jako lékařská kontrola rozlití, blokování vody z drátu a kabelu.

Kopolymerová chemie

Superabsorpční polymery se nyní běžně vyrábějí z polymerace kyseliny akrylové smíchané s hydroxidem sodným v přítomnosti iniciátoru za vzniku sodné soli kyseliny polyakrylové (někdy označované jako polyakrylát sodný ). Tento polymer je dnes nejběžnějším typem systému SAP vyráběného na světě. Podle US Food & Drug Administration je polyakrylát sodný uveden v seznamu stavu potravinářských přídatných látek a existují přísná omezení.

K výrobě superabsorpčního polymeru se také používají další materiály, jako je polyakrylamidový kopolymer, kopolymer ethylenu a anhydridu kyseliny maleinové , zesítěná karboxymethylcelulóza , kopolymery polyvinylalkoholu, zesítěný polyethylenoxid a škrobem roubovaný kopolymer polyakrylonitrilu, abychom jmenovali alespoň některé. Ten je jedním z nejstarších vytvořených formulářů SAP.

Superabsorpční polymery se dnes vyrábějí pomocí jedné ze tří primárních metod: gelová polymerace, suspenzní polymerace nebo polymerace v roztoku . Každý z procesů má své příslušné výhody, ale všechny poskytují konzistentní kvalitu produktu.

Gelová polymerace

Hydrogel

Směs kyseliny akrylové, vody, síťovacích činidel a chemikálií pro iniciátory UV se smíchá a umístí buď na pohyblivý pás, nebo do velkých van. Kapalná směs pak přechází do „reaktoru“, což je dlouhá komora se sérií silných UV světel. UV záření pohání polymerační a zesíťovací reakce. Výsledné „klády“ jsou lepkavé gely obsahující 60–70% vody. Kmeny jsou rozdrceny nebo rozemlety a umístěny do různých druhů sušáren. Na povrch částic lze nastříkat další zesíťovací činidlo; toto „povrchové síťování“ zvyšuje schopnost produktu bobtnat pod tlakem-vlastnost měřená jako Absorbency Under Load (AUL) nebo Absorbency Against Pressure (AAP). Vysušené polymerní částice se potom prosejí na správnou distribuci velikosti částic a zabalení. Metoda gelové polymerace (GP) je v současné době nejpopulárnější metodou výroby superabsorpčních polymerů polyakrylátu sodného, ​​které se nyní používají v dětských plenkách a jiných jednorázových hygienických předmětech.

Polymerace v roztoku

Polymery v roztoku nabízejí absorpci granulovaného polymeru dodávaného ve formě roztoku. Roztoky lze před aplikací ředit vodou a většinu substrátů lze potáhnout nebo nasytit. Po sušení při specifické teplotě po specifickou dobu je výsledkem potažený substrát se superabsorpcí. Tuto chemii lze například aplikovat přímo na dráty a kabely, i když je zvláště optimalizována pro použití na součástech, jako jsou válcované zboží nebo archové podklady.

Polymerace na bázi roztoku se dnes běžně používá pro výrobu SAP kopolymerů, zejména polymerů s toxickým akrylamidovým monomerem. Tento proces je účinný a obecně má nižší kapitálovou nákladovou základnu. Proces řešení používá k výrobě hmoty polymerizovaného gelu roztok monomeru na vodní bázi. K řízení velké části procesu se používá vlastní exotermická reakční energie polymerace, která pomáhá snižovat výrobní náklady. Polymerní gel reaktantu se potom naseká, suší a mele na konečnou velikost granulí. Jakékoli úpravy ke zvýšení výkonnostních charakteristik systému SAP se obvykle provádějí po vytvoření konečné velikosti granulí.

Suspenzní polymerace

Proces suspenze používá jen několik společností, protože během polymeračního kroku vyžaduje vyšší stupeň řízení výroby a produktového inženýrství. Tento proces suspenduje reaktant na bázi vody v rozpouštědle na bázi uhlovodíků. Čistým výsledkem je, že suspenzní polymerace vytváří částice primárního polymeru v reaktoru, nikoli mechanicky v post-reakčních stupních. Vylepšení výkonu lze také provést během reakční fáze nebo těsně po ní.

Využití

Expandované polymerové kuličky

Viz také

Citace

Reference

externí odkazy