Синтез суперабсорбентного полимерного композита на основе сополимеров крахмала

АННОТАЦИЯ

В этой статье исследуется синтез высоконабухающего гидрогеля на основе крахмала, акриламида, акриловой кислоты и монтмориллонита. Изучены температура реакции и влияние времени реакции на свойства продукта. Продукт реакции сополимеризации охарактеризован методом ИК-спектроскопии. Поверхностные структуры гидрогеля изучены электронным сканирующем микроскопом.

ABSTRACT

In this state issleduetsya synthesis of high-density hydrogel on the basis of starch, acrylamide, acrylic acid and montmorillonite. The temperature of the reaction and the effect of the reaction time on the properties of the product. The product of copolymerization reactions is characterized by the method of IR spectroscopy. The superstructure of the hydrogel is studied by electron scanning microscope.

Ключевые слова: Крахмал, акриламид, акриловой кислоты, монтморлонита, суперабсорбент гидрогель, связующий реагент, инициатор, кинетика набухания.

Keywords: starch, acrylamide, acrylic acid, montmorlonite, superabsorbent hydrogel, binding agent, initiator, swelling kinetics.

Введение: Гидрогели представляют собой трехмерные гидрофильные полимерные сети, способные впитывать большое количество воды или биологических жидкостей [1]. Они широко используются в различных областях народной и сельской хозяйстве. Которое применяются для удерживания воды в сельском хозяйстве [2], упаковочных материалах, извлечение масла, абсорбенты тяжелых металлов и носители высвобождения лекарственного средства [3]. Гидрогели на основе крахмала, сополимер акриловой кислоты и акриамида, широко используются из-за их высокого водопоглощения и низкой стоимости. Однако такие виды суперабсорбента (СПА) обычно имеет низкую солеустойчивость и медленную скорость поглощения воды. Кроме того, после водопоглощения они проявляет плохую прочность, диспергирующие и эластичные свойства геля. Эти недостатки сильно ограничивают качество продукта и области применения этого вида СПА. Чтобы улучшить свойства такого материала СПА, исследователи использовали такие методы, как образование взаимопроникающих сетей и смешивание с неорганическими глинами [4]. Такие методы помогают улучшить механические свойства гидрогелей. Добавление неорганической глины является относительно эффективным способом улучшения свойств этого типа гидрогеля [5]. Монтмориллонит, бентонит, каолин обычно используются для модификации гидрогеля с высоким водопоглощением. Результаты показали, что добавление подходящих количеств неорганических глин может улучшить механическую прочность и водопоглощающую способность гидрогеля. Гель, приготовленный исследователями, показал улучшение солеустойчивости и прочности, что по сравнению с гелем без каолина и добавление 5–10% каолина в композитный гидрогель увеличивает его коэффициент водопоглощения на 20% и способность сохранять воду на 25%, что добавление модифицированного монтмориллонита не только увеличивало коэффициент водопоглощения, но также улучшало способность геля сохранять воду.

Бентонит - это глинистый минерал, основным компонентом которого является монтмориллонит. Его кристаллическая структура состоит из двух слоев кислородно-кремниевого тетраэдра с одним слоем октаэдрического листа из оксида алюминия. Эта глина обладает хорошими свойствами расширения, впитывания и слеживания. Каолин - это тип глины, основным компонентом которой является каолинит. Обладает относительно высокой пластичностью и спекаемостью. Он легко диспергируется в воде и обладает хорошей огнестойкостью. Многие исследования недавно сообщили о составных гидрогелях, приготовленных из бентонита и каолина. Исследования показали, что бентонит и каолин оказывают различное влияние на свойства гидрогеля. Каолин значительно увеличивает прочность на разрыв и механические свойства композитных гелей, а бентонит значительно увеличивает их водопоглощающую способность. На сегодняшний день большинство исследований было сосредоточено на влиянии одного конкретного типа глины на эффективность гелей. Однако неясно, как изменяется производительность гидрогеля при одновременном добавлении двух разных типов глины и можно ли синергетически наносить два разных типа гелей для достижения хорошего эффекта.

Поэтому в настоящем исследовании в качестве неорганических наполнителей использовались крахмал, акриловая кислота и акриламид,  бентонит в качестве мономера, поглощающего воду, N,N'-метилен-бисакриламид (МБА) в качестве сшивающего агента и аммоний персульфат  (АПС) в качестве инициатора для приготовления композитного гидрогеля на основе крахмала, акриловой кислоты, акриламида и бентонита. Изучено влияние концентраций инициатора, сшивающего агента, бентонита на водопоглощающую способность гидрогеля. Кроме того, было также изучено влияние степени нейтрализации акриловой кислоты и температуры реакции на способность гидрогеля поглощать воду. Были проанализированы термическая стабильность, водосберегающая способность, многократное водопоглощение и солеустойчивость композиционного гидрогеля. Также были исследованы микроморфология и химическая структура геля.

Объекты и методы исследования: В эксперименте использован кукурузный крахмал производства «Golden Corn» Ташкентского крахмалопаточного завода, акриламид (АА), акриловая кислота (АК), сшивающий агент (СА) – N,N’-метиленбисакриламид, использовали марку «ч», аммоний персульфат (АПС) и использовали монтмориллонит (МТ) месторождения «Навбахор» (Узбекистан).

Объекты и методы исследования: В четырехгорлой круглодонной колбе, снабженной механической мешалкой, обратным холодильником, термометром и линией азота, 8,1 г высушенного картофельного крахмала диспергировали в 90 мл дистиллированной воды. После продувки азотом в течение 10 мин удаляли растворенный кислород из раствора, раствор крахмала нагревали до 80°С на водяной бане в течение 30 минут при перемешивании с образованием суспензии крахмала. Инициатор аммоний персульфат добавляли от 0,5 до 1,5% к крахмальной суспензии и продолжали реакцию при 60°C в течение 10 минут. После этого в процессе смешанный раствор акриламида, акриловой кислоты, сшивающего агента и минерального ультрадисперсного порошка готовили путем перемешивания акриламидного мономера – 7,1 г, акриловой кислоты – 3,5 мл, сшивающего агента N, N-метиленбисакриламид от 0,25 до 1%, дистиллированной воды - 30 мл и минерального ультрадисперсного порошка от 1 до 5% г при комнатной температуре и реакционная смесь перемешивалась ещё в течение 3- часов для обеспечения завершения привитой полимеризации. Атмосфера азота поддерживалась в течение всего периода реакции. Привитой сополимер перенесли в 3%-ный раствор гидроксида натрия и оставили для реакции омыления при 95 °С в течение 2 часов.

Омыленный продукт отфильтровали и несколько раз промыли дистиллированной водой для удаления непрореагировавщего исходного вещества, мономера и промывание продолжали до тех пор, пока основность рН раствора не стала равной 7. Промытый продукт дегидратировали метанолом, а остаточный метанол удаляли безводным этанолом. Обезвоженный образец сушили в вакууме при 60 °С до тех пор, пока вес образца не стал постоянным. После измельчения и последующего фильтрования через сито получают порошкообразный сверхпоглощающий композит.

Результаты и их обсуждение: ИК-спектры использовали для идентификации групп, участвующих в реакции, спектры монтмориллонит (а) и СПА (b) приведены на рис 1.

Рисунок 1: Инфракрасные спектры (а) монтморллонита, СПА (b) на основе крахмала/сополимера(AA-AК)/монтмориллонита

ИК-спектры кукурузного крахмала, акриламида, акриловой кислоты монтморилонита полученного гранулированного высоконабухающего гидрогеля регистрировали на Perkin Elmer Spectrum One ИК используя KBr. ИК-спектр высоконабухающего гидрогеля показывает полосы поглощения, соответствующим функциональным группам, присоединенным к мономерным единицам. В слоистой силикатной структуре полосы ОН-групп могут поглощаться при 3624–3390 см^-1. Пик при 1001см^–1, обусловленный растяжением Si – O в МТ, не обнаружен в нанокомпозитных гидрогелях МТ. Полосы поглощения в областях 2931 см⁻¹ соответствуют асимметричному и симметричному растяжению групп ─ CH₂. Растяжение группы ─C═ акриламида и акриловой кислоты с частотой 1653 см^–1 проявляется во всех спектрах гидрогелевых композитов. Полосы поглощения при 1404 см^–1 приводят к симметричному и асимметричному растяжению ─COO- акрилата (акриловая кислота, нейтрализованная NaOH).

На рисунке 2 (б) можно видеть равномерного распределения непрореагированих частей монтмориллонита в состав полимерного композита.

Рисунок 2: СЭМ-изображение, показывающее поверхностные структуры монтмориллонита (а) и СПА на основе крахмала/сополимера(AA-AК)/монтмориллонита 3% (b).

На рисунке 3 показана зависимость водопоглощения гидрогеля от времени омыления, а на рисунке 4 приведены результаты проверки водопоглощения гидрогеля в растворах различных солей с разными концентрациями. Некоторые связывающие вещества стоят дорого и имеют токсичные свойства. В данной работе не требуются такие связывающие вещества.

Заключение

Таким образом, включение гидрофильных веществ, содержащих гидрофильные группы, таких как акриловая кислота, полимеры, такие как крахмал, и глина, такая как монтмориллонит, в гидрогели АА могут быть последовательно получены способом полимеризации в растворе со свободными радикалами. Многофункциональные сшиватели, такие как МБА, были использованы в процессе полимеризации. Гидрогелиевые системы на основе крахмала, сополимера (AA-AК) и монтмориллонита показали высокую водопоглощающую способность.

Список литературы:

1. Холназаров Б.A., Тураев Х.Х., Ширинов Ш.Д., Джалилов А.T. Исследование нового гидрогеля, синтезированного на основе крахмала, акриламида и бентонита//Universum: технические науки электронный научный журнал (Россия).- № 4(61).– 2019.
2. Холназаров Б.А., Тўраев Х.Х., Аxатов А.А “Синтез и характеристика биоразлагаемых гидрогелей на основе крахмала и лимонной кислоты”. // Научный журнал «Universum: химия и биология» Моква Выпуск: 10(76) Октябрь 2020, C. 37-40.
3. Alsabagh AM, Abdou MI, Khalil AA, Ahmed HE, Aboulrous AA. Investigation of some locally water-soluble natural polymers as circulation loss control agents during oil fields drilling. Egypt J Petrol. 2014;23(1):27
4. Chang C, Duan B, Cai J, Zhang L. Superabsorbent hydrogels based on cellulose for smart swelling and controllable delivery. Eur Polym J. 2010;46(1):92–100.
5. Tanaka Y, Kuwabara R, Gong JP, Kurokawa T, Gong JP, Osada Y. Determination of fracture energy of high strength double network hydrogels. J Phys Chem B. 2005;109(23):11559–62.