Ensimmäinen puheenvuoro – erittäin imukykyinen polymeeri

Esittelen sinulle viime aikoina eniten kiinnostuneen SAP-materiaalin! Superabsorbenttipolymeeri (SAP) on uudentyyppinen toiminnallinen polymeerimateriaali. Sillä on korkea vedenimukyky, sillä se imee useita satoja tai jopa useita tuhansia kertoja itseään painavampaa vettä ja sillä on erinomainen vedenpidätyskyky. Kun se imee vettä ja turpoaa hydrogeeliksi, sitä on vaikea erottaa, vaikka se olisi paineistettu. Siksi sillä on laaja käyttöalue eri aloilla, kuten henkilökohtaisen hygienian tuotteissa, teollisessa ja maataloustuotannossa sekä maanrakennuksessa.

Superimukykyinen hartsi on eräänlainen makromolekyyli, joka sisältää hydrofiilisiä ryhmiä ja silloitetun rakenteen. Fanta ja muut valmistivat sitä alun perin oksastamalla tärkkelystä polyakrylonitriiliin ja saippuoimalla sen sitten. Raaka-aineiden mukaan on olemassa useissa luokissa olevia tärkkelyssarjoja (oksastettu, karboksimetyloitu jne.), selluloosasarjoja (karboksimetyloitu, oksastettu jne.) ja synteettisiä polymeerejä (polyakryylihappo, polyvinyylialkoholi, polyoksietyleenisarja jne.). Verrattuna tärkkelykseen ja selluloosaan polyakryylihappo-superimukykyisellä hartsilla on useita etuja, kuten alhaiset tuotantokustannukset, yksinkertainen prosessi, korkea tuotantotehokkuus, vahva vedenimukyky ja pitkä tuotteen säilyvyysaika. Siitä on tullut alan nykyinen tutkimuskohde.

Mikä on tämän tuotteen periaate? Tällä hetkellä polyakryylihappo muodostaa 80 % maailman superimukykyisen hartsin tuotannosta. Superimukykyinen hartsi on yleensä polymeerielektrolyytti, joka sisältää hydrofiilisen ryhmän ja ristisilloitetun rakenteen. Ennen veden imeytymistä polymeeriketjut ovat lähellä toisiaan ja kietoutuneet toisiinsa, ristisilloittuneena muodostaen verkkorakenteen, jotta saavutetaan kokonaiskiinnitys. Veden kanssa kosketuksissa vesimolekyylit tunkeutuvat hartsiin kapillaari-ilmiön ja diffuusion avulla, ja ketjun ionisoituneet ryhmät ionisoituvat vedessä. Ketjun samojen ionien välisen sähköstaattisen hylkimisen vuoksi polymeeriketju venyy ja turpoaa. Sähköneutraaliuden vaatimuksen vuoksi vastaionit eivät voi siirtyä hartsin ulkopuolelle, ja hartsin sisä- ja ulkopuolisen liuoksen välinen ionipitoisuusero muodostaa käänteisosmoottisen paineen. Käänteisosmoosin paineen vaikutuksesta vesi pääsee edelleen hartsiin muodostaen hydrogeelin. Samalla hartsin ristisilloittunut verkkorakenne ja vetysidos rajoittavat geelin rajatonta laajenemista. Kun vesi sisältää pienen määrän suolaa, käänteisosmoottinen paine laskee ja samanaikaisesti vastaionin suojaavan vaikutuksen vuoksi polymeeriketju kutistuu, mikä johtaa hartsin vedenimemiskyvyn huomattavaan laskuun. Yleensä erittäin imukykyisen hartsin vedenimemiskyky 0,9-prosenttisessa NaCl-liuoksessa on vain noin 1/10 deionisoidun veden vedenimemiskyvystä. Vedenimeytyminen ja vedenpidätyskyky ovat saman ongelman kaksi puolta. Lin Runxiong ym. käsittelivät niitä termodynamiikan yhteydessä. Tietyssä lämpötilassa ja paineessa erittäin imukykyinen hartsi voi imeä vettä spontaanisti, ja vesi pääsee hartsiin vähentäen koko järjestelmän vapaata entalpiaa, kunnes se saavuttaa tasapainon. Jos vettä poistuu hartsista, mikä lisää vapaata entalpiaa, se ei edistä järjestelmän vakautta. Differentiaalinen terminen analyysi osoittaa, että 50 % erittäin imukykyisen hartsin imemästä vedestä on edelleen suljettuna geeliverkkoon yli 150 °C:ssa. Siksi, vaikka painetta kohdistettaisiin normaalissa lämpötilassa, vesi ei pääse karkaamaan erittäin imukykyisestä hartsista, mikä määräytyy erittäin imukykyisen hartsin termodynaamisten ominaisuuksien mukaan.

Kerro ensi kerralla SAP:n tarkka tarkoitus.


Julkaisun aika: 8.12.2021