Суперабсорбирующий полимер

Суперабсорбирующий полимер (SAP) (также называемый порошком для слякоти ) представляет собой водопоглощающие гидрофильные гомополимеры или сополимеры. ^[1] который может поглощать и удерживать чрезвычайно большие количества жидкости по сравнению с его собственной массой . ^[2]

Водопоглощающие полимеры классифицируются как гидрогели , , которые при смешивании ^[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 в 50 раз от его веса. ^{[ нужна ссылка ]} Наличие валентных катионов в растворе препятствует способности полимера связываться с молекулой воды.

SAP Общая впитывающая способность и способность к набуханию 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.

ИЮПАК определение

Суперабсорбирующий полимер: Полимер, который может поглощать и удерживать чрезвычайно большие количества жидкости по сравнению с его собственной массой. ^[5] 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.

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 . ^[6] SAP были прекращены из использования в тампонах 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 самовосстанавливающийся бетон, ^[7]^[8] в садоводстве средства для удержания воды , контроль разливов и отходов водной жидкости, а также искусственный снег для кино и сценического производства. 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 . ^[9]

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 крахмалакрилонитрила сополимера дал водопоглощение, 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 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 массе) в том же диапазоне, что и синтетические полиакрилаты в современных применениях. ^[11] соевого белка /поли(акриловой кислоты) с хорошей механической прочностью. Были получены супервпитывающие полимеры ^[12] Сополимеры полиакрилата и полиакриламида изначально были разработаны для использования в условиях с высоким содержанием электролитов и 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]^{[ нужны разъяснения ]}

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 ссылка ]}

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

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 от 60 до 70% воды. Бревна измельчают или измельчают и помещают в сушилки различного типа. На поверхность частиц можно распылять дополнительные сшивающие агенты; 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. В настоящее время используется метод гель-полимеризации (ГП). ^{[ когда? ]} Самый популярный метод изготовления суперабсорбирующих полимеров на основе полиакрилата натрия, который сейчас используется 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. полимеризации Собственная энергия экзотермической реакции 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 заходе 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, главных дозирующих клапанов в блоке дозирования топлива вызвали заклинивание . 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

Искусственный снег для кино и постановок
Свечи
Материалы на основе цемента (например, бетон) ^[15]
Композиты и ламинаты
Контролируемый выброс инсектицидов и гербицидов
Подгузники и подгузники для взрослых
Незатопленный источник воды для кормовых насекомых
Расширяемые водные игрушки
Расширенная микроскопия
фильтрации Применение
Огнезащитный гель
Борьба с наводнениями
Носитель ароматов
Лента-лягушка (высокотехнологичная малярная лента, предназначенная для использования с латексной краской)
Системы контроля топлива в авиации и транспортных средствах
Гелевые бластеры (помесь пейнтбола и страйкбола ; используются в Китае) ^[16]
Пакеты горячей и холодной терапии
Магические эффекты
Отверждение медицинских отходов
Неподвижные водяные кровати
Почва
Контроль разливов
Хирургические подушечки
Стабилизация отходов и восстановление окружающей среды
Водопоглощающие подушечки
Водный гель
Удержание воды для подачи воды к растениям
Водоблокировка проводов и кабелей
Повязки на раны ^[17]
Пищевые добавки ^[18]^[19]

См. также

Цитаты

^ Jump up to: ^а ^б Инициатива Гавайских энергетических и экологических технологий (HEET) . Июль 2016.
^ Хори, К. и др. , 890.
^ Кабири, К. (2003). «Синтез быстронабухающих суперабсорбирующих гидрогелей: влияние типа и концентрации сшивающего агента на пористость и скорость впитывания». Европейский журнал полимеров . 39 (7): 1341–1348. Бибкод : 2003EurPJ..39.1341K . дои : 10.1016/S0014-3057(02)00391-9 .
^ 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. дои : 10.1617/s11527-017-1109-4 . ISSN 1871-6873 . S2CID 255318116 .
^ 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 .
^ Солнце, Клык; Месснер, Бернфрид А. (5 декабря 2006 г.), Производство полотна из супервпитывающего полимера и волокна , заархивировано из оригинала 29 августа 2011 г.
^ Снук, Дидье; Ван Титтелбум, Ким; Стеуперарт, Стейн; Дубрюэль, Питер; Де Бели, Неле (15 марта 2012 г.). «Самовосстанавливающиеся цементирующие материалы за счет сочетания микроволокон и супервпитывающих полимеров» . Журнал интеллектуальных материальных систем и структур . 25 : 13–24. дои : 10.1177/1045389X12438623 . hdl : 1854/LU-6869809 . S2CID 92983639 .
^ 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. дои : 10.1016/j.carbpol.2016.08.102 . HDL : 1942/22766 . ISSN 0144-8617 . ПМИД 27702534 . S2CID 46760339 .
^ Малдер, Дуглас С.; О'Райан, Дэвид Э. (31 декабря 1985 г.), Способ и устройство для нанесения порошкового покрытия на движущееся полотно: US 4561380 A.
^ «SUPER SLURPER Соединение с супержаждой» . Сельскохозяйственные исследования : 7–9. Июнь 1975 года.
^ 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 .
^ 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. дои : 10.1016/j.indcrop.2017.02.018 . {{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
^ «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.
^ Отчет об аварии самолета 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 года . Проверено 10 октября 2023 г.
^ Йенсен, Оле Мейлхеде (2013). «Использование сверхвпитывающих полимеров в бетоне» (PDF) . Бетон Интернэшнл . 35 (1): 48–52.
^ «Водный пистолет_Поиск изображений Baidu» .
^ Да Силва-младший, Маседо Карлос (31 января 2008 г.), КЛЕЙКИЙ БАНДАЖ: заявка на патент США 20080027366.
^ «Список статусов пищевых добавок» . Управление по контролю за продуктами и лекарствами США . 28 февраля 2024 г.
^ «Безопасность полиакрилата натрия, полиакрилата калия» . Сокополимер .

Ссылки

К. Хори; М. Барон; РБ Фокс; Дж. Хе; М. Хесс; Й. Каховец; Т. Китаяма; П. Кубиса; Э. Марешаль; В. Морманн; РФТ Степто; Д. Табак; Дж. Волидал; Э. С. Уилкс и WJ Work (2004). «Определения терминов, относящихся к реакциям полимеров и функциональным полимерным материалам (Рекомендации ИЮПАК 2003 г.)» (PDF) . Чистая и прикладная химия . 76 (4): 889–906. дои : 10.1351/pac200476040889 . S2CID 98351038 .
Катиме Трабанка, Даниэль; Катиме Трабанка, Оскар; Катиме Амашта, Исса Антонио (сентябрь 2004 г.). Интеллектуальные материалы этого тысячелетия: макромолекулярные гидрогели. Синтез, свойства и приложения (1-е изд.). Бильбао: Редакционная служба Университета Страны Басков (UPV/EHU). ISBN 978-84-8373-637-1 .
Бухгольц, Фредрик Л; Грэм, Эндрю Т., ред. (1997). Современная технология сверхабсорбирующих полимеров (1-е изд.). Джон Уайли и сыновья. ISBN 978-0-471-19411-8 .

[:0-1] Jump up to: ^а ^б 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 впитывания». Европейский журнал полимеров . 39 (7): 1341–1348. Бибкод : 2003EurPJ..39.1341K . 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. дои : 10.1617/s11527-017-1109-4 . ISSN 1871-6873 . S2CID 255318116 .

[5] 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 .

[6] Солнце, Клык; Месснер, Бернфрид А. (5 декабря 2006 г.), Производство полотна из супервпитывающего полимера и волокна , заархивировано из 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 супервпитывающих полимеров» . Журнал интеллектуальных материальных систем и структур . 25 : 13–24. дои : 10.1177/1045389X12438623 . hdl : 1854/LU-6869809 . S2CID 92983639 .

[8] 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. дои : 10.1016/j.carbpol.2016.08.102 . HDL : 1942/22766 . ISSN 0144-8617 . ПМИД 27702534 . S2CID 46760339 .

[9] Малдер, Дуглас С.; О'Райан, Дэвид Э. (31 декабря 1985 г.), Способ и устройство для нанесения порошкового покрытия на движущееся полотно: US 4561380 A.

[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. дои : 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 самолета 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 года . Проверено 10 октября 2023 г.

[15] Йенсен, Оле Мейлхеде (2013). «Использование сверхвпитывающих полимеров в бетоне» (PDF) . Бетон Интернэшнл . 35 (1): 48–52.

[16] «Водный пистолет_Поиск изображений Baidu» .

[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 . 28 февраля 2024 г.

[19] «Безопасность полиакрилата натрия, полиакрилата калия» . Сокополимер .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]