Полиакрилат натрия - Википедия - Sodium polyacrylate

Полиакрилат натрия

Имена
Название ИЮПАК Поли (проп-2-еноат натрия)
Идентификаторы
Количество CAS	9003-04-7 Y
ECHA InfoCard	100.118.171
UNII	05I15JNI2J (2500000 МВт) N
Панель управления CompTox (EPA)	DTXSID0049783
Характеристики
Химическая формула	(C3ЧАС3NaO2)п
Молярная масса	Переменная
Плотность	1,22 г / см3
Если не указано иное, данные для материалов приведены в их стандартное состояние (при 25 ° C [77 ° F], 100 кПа).
N проверять (что YN ?)
Ссылки на инфобоксы

Полиакрилат натрия, также известный как водяной затвор, это натрий соль полиакриловая кислота с химической формулой [−CH₂−CH (CO₂Na) -]_п и имеет широкое применение в потребительских товарах.^[1] Этот сверхабсорбирующий полимер (SAP) обладает способностью поглощать воду в 100-1000 раз больше своей массы. Полиакрилат натрия - это анионный полиэлектролит с отрицательно заряженным карбоновый группы в основной цепочке. Полиакрилат натрия - это химический полимер, состоящий из цепочек акрилатных соединений. Он содержит натрий, который дает ему способность поглощать большое количество воды. Полиакрилат натрия также классифицируется как анионный полиэлектролит.^[2] При растворении в воде он образует густой и прозрачный раствор из-за ионного взаимодействия молекул. Полиакрилат натрия имеет много хороших механических свойств. Некоторые из этих преимуществ включают хорошую механическую стабильность, высокую термостойкость, и сильное увлажнение. Он использовался в качестве добавки для пищевых продуктов, в том числе хлеб, сок, и мороженое.

Пока натрий нейтрализован полиакриловые кислоты являются наиболее распространенной формой, используемой в промышленности, существуют также другие соли, включая калий, литий и аммоний.^[3] Истоки суперабсорбента химия полимеров восходит к началу 1960-х годов, когда Министерство сельского хозяйства США (USDA) разработали первые супервпитывающие полимерные материалы.

Предпосылки и история

Сверхабсорбирующие полимеры похожий на полиакрилат натрия, были разработаны в 1960-х годах Министерством сельского хозяйства США.^[3]. До разработки этих веществ лучшими водопоглощающими материалами были целлюлозные или волокнистые материалы, такие как папиросная бумага, губка, хлопок или пушистая масса. Эти материалы могут удерживать в воде только 20-кратный вес, тогда как полиакрилат натрия может удерживать в воде в сотни раз больше собственного веса. Министерство сельского хозяйства США было заинтересовано в разработке этой технологии, потому что они хотели найти материалы, которые могли бы улучшить сохранение воды в почве. В ходе обширных исследований они обнаружили, что созданные ими гели не выводят воду, как это делают материалы на основе волокон. Первыми приверженцами этой технологии были Dow Chemical, Геркулес, General Mills Chemical, и DuPont. Ультратонкие детские подгузники были одними из первых разработанных продуктов гигиены, в которых используется лишь небольшая часть материала по сравнению с подгузниками из пушистой целлюлозы. Технология суперабсорбции пользуется большим спросом в одноразовой гигиенической промышленности для таких продуктов, как подгузники и гигиенические салфетки. SAP, используемые в гигиенических продуктах, обычно нейтрализуются натрием, тогда как SAP, используемые в сельском хозяйстве, нейтрализуются калием.

Методы изготовления

Обзор

Способы изготовления полиакрилата натрия, например полимеризация в растворе в воде для синтеза различных полиакрилатов применялись обратная эмульсионная полимеризация, обратная суспензионная полимеризация, плазменная полимеризация и полимеризация под давлением.^[4] Однако процесс получения твердотельного продукта с использованием этих методов требует большого количества оборудования и очень дорог. Продукты, полученные этими способами, также имеют такие недостатки, как плохая растворимость и широкое молекулярно-массовое распределение. Несмотря на недостатки, вышеупомянутые способы полимеризации часто используются для образования полиакрилата натрия и других SAP.

Во время полимеризации в растворе мономеры растворяются в растворитель который содержит катализатор, чтобы вызвать полимеризация.^[5] При полимеризации в растворе в воде в качестве растворителя используется вода, что означает, что конечный продукт, образующийся в результате реакции, растворим в воде. Для обратной эмульсионной полимеризации требуется вода, мономеры, а поверхностно-активное вещество. Также для полимеризации используется обратная эмульсионная полимеризация. гидрофильный мономеры. Гидрофобный мономеры эмульгируются через водную фазу. Свободные радикалы создаются для производства полимера с растворимыми в воде или масле инициаторами. Обратную суспензионную полимеризацию проводят с использованием водного раствора мономера, сшивающего агента и инициатора, который затем добавляют к органической фазе, которая стабилизируется поверхностно-активным веществом. Плазменная полимеризация использует ряд технологий, таких как электронные лучи, ультрафиолетовая радиация, или же тлеющий разряд для образования полимеров из пара, состоящего из мономеров. Газовый разряд, обеспечиваемый этим процессом, инициирует полимеризацию группы мономеров. Наконец, полимеризация под давлением применяет силы давления или сжатия к растворам мономеров для создания единиц, которые подвергаются полимеризации и производят полимеры.

Другой метод, протестированный в исследовании по производству полиакрилата натрия в качестве альтернативы существующим методам, начался с сополимера бутилакрилата и акриловой кислоты и поли (бутилакрилата).^[4]. Они были синтезированы с помощью суспензионная полимеризация используя бутилакрилат как основной мономер и акриловая кислота как вторичный мономер. Суспензионная полимеризация использует физическое и механическое движение и перемешивание для смешивания мономеров с образованием полимеров. Для этого процесса требуется диспергирующая среда, мономеры, стабилизаторы и инициаторы. Затем полимеры набухали в этиловый спирт и гидролизуется в водном растворе едкий натр. Наконец, водорастворимые полиакрилаты натрия получали промыванием и сушкой гидролизованного продукта. Это другой метод по сравнению с производственными процессами, которые использовались ранее, но он может быть потенциальным методом для конкретного производства полиакрилата натрия. В целом, различные методы производства полиакрилата натрия будут влиять на его способность к набуханию, впитывающая способность, и другие механические свойства. Также важно учитывать стоимость и осуществимость при производстве полимеров, таких как полиакрилат натрия.

Супервпитывающие нановолокна (SAN)

Сверхабсорбирующие полимеры - это инновационный класс гидрогелевых продуктов, которые можно использовать во многих областях, включая продукты гигиены, доставки лекарств системы, сельское хозяйство, биомедицина, и очистки сточных вод.^[6] Метод под названием электроспиннинг используется для изготовления супервпитывающих нановолокон (SAN) из-за их полезных свойств, таких как большая площадь поверхности и пористая структура. Электропрядение - это простой метод, в котором используется электрическое поле который собирает нити путем нагнетания полимерных расплавов или растворов. Сети SAN были успешно созданы с использованием полиакрилата натрия и поли (виниловый спирт) (ПВА) в виде полимерной матрицы, которая представляет собой водорастворимый полимер, гидрофильный. В результате использования этого метода изготовления сети SAN, созданные в ходе исследования, продемонстрировали высокие показатели поглощения из-за явления капиллярности, проявляемого их высокопористой структурой. Кроме того, сшивающая структура улучшила водопоглощающую способность SAN. Добавление ПВС в этом случае придало САН структурную стабильность и предотвратило его растворение в воде. В целом полиакрилат натрия можно комбинировать с ПВС в нановолокно для создания прочной и эффективной конструкции.

Эта технология может найти множество применений в различных отраслях промышленности благодаря быстрой и высокой впитывающей способности, а также устойчивой структуре сетей хранения данных, которые были произведены с помощью относительно простых и простых методов обработки.^[6]. SAN были очень эффективны при поглощении воды, так как увеличивалась площадь поглощения. Коэффициент набухания также увеличился из-за поперечных связей и высокопористой природы нановолокон.

Композиты

Глино-полимерные гидрогели

Были проведены исследования, которые наблюдают влияние механических свойств гидрогелей в зависимости от количества глина в сочетании с полимером.^[7] При объединении полимеров с глиной результаты обнадеживают, показывая увеличение модуль упругости и предел прочности глинисто-полимерный гидрогели. В общем, комбинируя неорганические вещества с полимерами может улучшить электрические, механические, термические и газобарьерные свойства таких материалов, как гидрогели. Для получения этих результатов рекомендуется использовать полимеры со сверхвысокой молекулярной массой, превышающей несколько миллионов, чтобы механические свойства могли улучшаться независимо от типа используемого полимера.

Изучены механические свойства глинисто-полимерных гидрогелей, в том числе глины и полиэтиленоксид (ПЭО) а также глина и полиакрилат натрия (ПААС)^[7]. В исследовании сравнивали гидрогели из смеси лапонит / ПЭО и лапонит / ПААС. Лапонит - это синтетическая глина, которая может набухать при помещении в воду. Результаты показали, что оба гидрогеля имеют одинаковый модуль упругости. Однако прочность на разрыв лапонита / ПААС намного выше, чем у гидрогелей из смеси лапонит / ПЭО. Причина этой разницы основана на силе взаимодействия глины и полимера в каждой смеси гидрогелей. В лапоните / ПААС взаимодействие намного сильнее по сравнению со смесью лапонит / ПЭО.

Ионы металлов

Эксперименты и исследования показали, что введение 0,3 мас.% Полиакрилата натрия в коллаген (Со) волокна могут улучшить механические свойства и термостойкость композитных пленок^[2]. Полиакрилат натрия может образовывать пленки и композиты с различными катионными полимерами, белками и другими веществами, которые могут улучшить свойства пленки. Кроме того, полиакрилат натрия может объединяться с ионами металлов из-за его характерных полианионных свойств, которые позволяют усилить материал. Когда пленки из смеси коллагена и полиакрилата натрия (Co-PAAS) были объединены с Ca²⁺, Fe³⁺, а Ag⁺ в диапазоне от 0,001 до 0,004 моль / г поверхность композитов становилась грубее, а внутренняя структура становилась более расслоенной по мере увеличения ионы металлов были добавлены. Когда ионы были добавлены, прочность на разрыв увеличена. Оптимальные количества для каждого иона следующие: Ca²⁺ (0,003 моль / г), Fe³⁺ (0,002 моль / г), а Ag⁺ (0,001 моль / г). Композитные пленки также обладают лучшей термостойкостью.

В целом исследование показало, что ионы металлов, добавленные в композитные пленки из смеси Co-PAAS, могут использоваться в качестве альтернативы для усиления коллагеновых композитных материалов.^[2]. Эти три иона были объединены с пленкой Co-PAAS из-за их соответствующих биологических применений. Ca²⁺ является одним из основных элементов в тканях животных, включая кости и зубы, и имеет сильное взаимодействие с коллагеном. Далее Fe³⁺ является важным микроэлементом в организме человека и участвует в белковом хелатирование. Наконец, Ag⁺ имеет антибактериальный свойств и может улучшить стабильность и прозрачность пленки Co-PAAS.

Хитозан

Полиакрилат натрия - это обычно используемый электроотрицательный полиэлектролит, который может быть использован для создания самовосстанавливающиеся гидрогели и суперабсорбенты.^[8] Роман хитозан Комплексные гидрогели полиакрилата натрия и полиэлектролита (CPG) были успешно изготовлены в ходе исследования путем сшивания хитозана и полиакрилата натрия с эпихлоргидрин (ЭХГ) за счет ингибирующего протонирующего действия хитозана в щелочи /мочевина водный раствор. CPG имел высокий коэффициент набухания из-за полиакрилата натрия и по-разному действовал в растворах с разным pH, физиологических растворах и солевых растворах с разными концентрациями. В результате CPG обладал умными способностями реагировать на различные ситуации и демонстрировал высокие показатели. прочность на сжатие, хороший биосовместимость и in vitro биоразлагаемость. Этот процесс изготовления оказался успешным и имеет потенциальное применение в области сельского хозяйства, пищевых продуктов, тканевая инженерия, и доставка лекарств.

Приложения

Окрашенный полиакрилат натрия гидрогель бусы

Обзор

Вода полимеры используются во многих отраслях промышленности, особенно полиакрилаты^[4]. Некоторые приложения включают загустители, флокулянты, диспергенты, и агенты, снижающие сопротивление. Полиакрилаты также используются как экологически чистые. клеи или же покрытия.

Кроме того, полиакрилат натрия используется в бумажных подгузниках и Одежда с максимальной впитываемостью как впитывающий материал.^[9] Он также используется в пакеты со льдом для преобразования воды, используемой в качестве охлаждающего агента, в гель, чтобы уменьшить утечку в случае утечки пакета льда^[10][11]. Полиакрилат натрия также был изучен для использования во многих областях, таких как нанофильтрация воды, чтобы впитать воду и сконцентрировать жидкость с микробами.^[12] Кроме того, он используется в эко-инженерии как водоудерживающий агент на каменистых склонах для увеличения доступности влаги в почве. Это может улучшить водоудерживающую способность почвы и способность проникать в песчаный грунт. Ниже представлена ​​таблица, содержащая категории и списки некоторых продуктов и приложений, в которых используется полиакрилат натрия.^[13]:

Некоторые из перечисленных выше пунктов будут обсуждаться более подробно в следующих разделах приложения. Однако важно отметить, что приведенная выше таблица не является исчерпывающей и не содержит всех возможных или потенциальных применений полиакрилата натрия.

Секвестрирующие агенты

Полиакрилат натрия обычно используется в моющие средства как хелатирующий агент^[1]. Хелатирующий агент используется в моющих средствах, поскольку он обладает способностью нейтрализовать тяжелые металлы, которые содержатся в грязи, воде и других веществах, которые могут быть в одежде. Добавление полиакрилата натрия делает моющее средство более эффективным при стирке одежды.

Загустители

Поскольку полиакрилат натрия может поглощать и удерживать молекулы воды, его часто используют в подгузниках, гелях для волос и мыле.^[1]. Полиакрилат натрия считается загустителем, потому что он увеличивает вязкость соединений на водной основе. В подгузниках полиакрилат натрия поглощает воду, содержащуюся в моче, чтобы увеличить способность удерживать жидкость и уменьшить сыпь.

Покрытия

Полиакрилат натрия также можно использовать в качестве покрытия для электрических проводов, чтобы уменьшить количество влаги вокруг проводов.^[1]. Вода и влага возле проводов могут вызвать проблемы с передачей электрических сигналов. Это может вызвать потенциальную опасность пожара. Благодаря эффективному впитыванию и набуханию полиакрилата натрия, он может поглощать воду и предотвращать ее попадание в провода или проникновение в них.

сельское хозяйство

В сельском хозяйстве полиакрилат натрия используется, чтобы помочь растениям удерживать влагу в почве.^[1]. Он может служить резервуаром для воды для растений и обычно используется флористами для сохранения свежести цветов. Кроме того, использование полиакрилата натрия для выращивания домашних фруктов и овощей было одобрено Министерство сельского хозяйства США.

Одежда с максимальной впитывающей способностью (МАГ) НАСА

Полиакрилат натрия используется в ткани скафандры разработан Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА) предотвращать образование высыпаний во время полета за счет поглощения различных жидкостей^[1][14]. Эти предметы одежды называются Одежда с максимальной впитывающей способностью или МАГ и полиакрилат натрия используется во внутренних слоях этих скафандров, чтобы способствовать впитыванию жидкости с поверхности кожи. В частности, МАГ поглощают жидкость из мочи и фекалий и могут содержать примерно 2 л жидкости.

Экологические приложения

Ингибирование производства водорода из использованного материала подгузников

Хотя полиакрилат натрия полезен для окружающей среды, в одном исследовании было обнаружено, что полиакрилат натрия оказывает ингибирующее действие на биотопливо H2. ферментация целлюлозных отходов.^[15] Полиакрилат натрия обычно используется в подгузники впитывать жидкости из моча и кал, но было обнаружено, что использованные одноразовые подгузники (WDD) накапливаются в свалки поскольку полиакрилат натрия предотвращает и отрицательно влияет на производство H2 из темное брожение компании WDD. Чтобы быть конкретным, WDD составляет 7% твердых городских отходов, и текущий вариант - захоронение мусора, которое разлагается только в биологических условиях. Такие условия включают анаэробное разложение и компостирование. Принимая во внимание большое количество целлюлозных отходов в WDD, для обеспечения большей устойчивости было рекомендовано заменить полиакрилат натрия специальным крахмалы которые могут абсорбировать значительное количество воды, но все же разлагаются при темной ферментации (DF). В целом, несмотря на множество полезных экологических применений, использование полиакрилата натрия в подгузниках может предотвратить надлежащее разложение отходов с течением времени.

Защита кожи животных с низким содержанием соли

в натуральная кожа промышленность, консервирование на основе соли обычно используется, потому что оно универсально, рентабельно и легко доступно^[12]. Тем не менее соль удаление из процесса замачивания может вызвать загрязнение, в том числе повышенное общее количество растворенных твердых веществ (TDS). Было проведено исследование, чтобы измерить эффективность использования метода сохранения кожи с низким содержанием соли с полиакрилатом натрия, который имеет пониженное количество NaCl. Основная цель заключалась в том, чтобы сохранить свойства коммерческой кожи при уменьшении загрязнения. Результаты показали, что полиакрилат натрия с низким содержанием соли имел адекватную эффективность отверждения со значительным снижением (> 65%) TDS. В обычных процессах отверждения используется около 40% NaCl, но в процессе, проводимом с полиакрилатом натрия, использовались 15% NaCl и 5% полиакрилат натрия.

Удаление ионов металлов из окружающей среды.

Исследования показали, что полиакрилат натрия и другие супервпитывающие полимеры или SAP могут использоваться для поглощения и восстановления ионов металлов.^[16] Тяжелые металлы являются очень вредными загрязнителями и могут пагубно воздействовать на водная среда и люди из-за высокого токсичность, биоаккумуляция, и неразложимость. Такие мероприятия, как добыча полезных ископаемых и нефтепереработка могут производить эти тяжелые металлы, что требует простого и экологически устойчивого процесса поглощения этих вредных металлов для предотвращения катастрофических результатов. Полиакрилат натрия может быстро впитывать растворы за счет набухания сеток пористой структуры, что снижает сопротивление массообмену. Кроме того, полиакрилат натрия - это недорогой, нетоксичный и биосовместимый вариант для очистка воды для восстановления ионов металлов.

Исследование показало, что композит полиакрилата натрия имеет высокую адсорбция и десорбция эффективность, подразумевающая, что полиакрилат натрия может быть переработан и повторно использован в качестве эффективного абсорбента для восстановления Cu (II)^[16]. Полиакрилат натрия способен на это благодаря своей функциональной группе (-COO-) в матрице, которая способствует его эффективной адсорбционной способности. Полиакрилат натрия имеет очень высокую адсорбционную способность, и одна из самых высоких адсорбционных способностей для полиакрилата натрия была обнаружена с ионами Cu (II). Используя мягкую концентрацию 0,01 М азотная кислота, почти все медь могут быть извлечены из матрицы полиакрилата натрия. Результаты исследования показывают эффективность использования полиакрилата натрия для избавления окружающей среды от токсичных металлов, таких как медь. Это также рациональное решение, поскольку полиакрилат натрия можно перерабатывать и повторно использовать, что сокращает количество отходов.

Приложения для доставки лекарств

Полиакрилат натрия можно использовать для микрокапсуляция доставлять вещества, подобные пробиотики.^[17] Доставка пробиотиков в пищеварительная система может быть трудным, потому что жизнеспособность пробиотиков резко снижается на протяжении всего периода желудочно-кишечный тракт из-за сильного кислота условия. Хотя альгинат (Alg) является наиболее широко используемой нативной матрицей микрокапсул, сочетание Alg с полиакрилатом натрия дает лучшие результаты, основанные на исследованиях, сравнивающих различные методы инкапсуляции. Полиакрилат натрия - это безопасная для перорального применения пищевая добавка, одобренная Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов (FDA) и повторил карбоксилат группы вдоль его молекулярной цепи. В результате кислотный буферный эффект полиакрилата натрия может быть лучше, чем у низкомолекулярной кислоты. Также связывающая способность полиакрилата натрия с кальций ионы могут быть выше, чем Alg, из-за высокой концентрации карбоксилатных групп и повышенной гибкости полимерной цепи.

Полиакрилат натрия оказался полезным при доставке лекарств.^[17]. В сочетании с альгинатом (Alg) полиакрилат натрия смог успешно инкапсулировать Lactobacillus plantarum MA2 и обеспечивала лучшую доставку пробиотика по сравнению с микрокапсулой Alg. Этот результат верен как для маленький и толстая кишка. Это исследование показало, что Alg-PAAS (1: 2) может быть потенциально эффективной матрицей микрокапсул для доставки пробиотических лекарств. Эта капсула увеличила выживаемость пробиотика при путешествии как in vitro и in vivo.

Безопасность

Сам по себе полиакрилат натрия не раздражает кожу.^[18] Он состоит из крупных полимеров, не способных проникать в кожу. Однако иногда полиакрилат натрия смешивают с акриловая кислота который остается после производственного процесса. Акриловая кислота, оставшаяся после производства полиакрилата натрия, может вызвать сыпь при контакте с кожей. В качестве впитывающего материала бумажных подгузников он должен составлять менее 300 частей на миллион. Кроме того, если полиакрилат натрия используется в виде порошка, его нельзя вдыхать. Если его пролить на место с водой, полиакрилат натрия может сделать землю очень скользкой. Наконец, полиакрилат натрия может вызвать серьезное засорение, если попадет в канализацию или дренажные системы в больших количествах. В остальном полиакрилат натрия нетоксичен и безопасен от любых серьезных рисков.

Рекомендации