NÁTRIUM-POLIAKRILÁT ALAPÚ SZUPERABSZORBENS POLIMEREK (SAP) ELŐÁLLÍTÁSA ÉS VIZSGÁLATA DÁVID BORBÁLA, FEHÉRTÓI-NAGY LILI, SZATHURY BÁLINT
Témavezetők: Bányai Kristóf, Pásztói Balázs, Stumphauser Tímea AKI kíváncsi kémikus kutatótábor 2015.06.28-07.04.
MTA TTK AKI Polimer Kémiai Kutatócsoport 1
Szuperabszorbens polimerek • Nagy mennyiségű vizet és vizes oldatot képesek felszívni, magukban tartani • Általában részlegesen semlegesített, enyhén térhálósított poliakrilsavból készülnek • Felhasználási területeik: kidobható pelenkák, egészségügyi betétek, mezőgazdaság, inkontinenciabetét
Dr. Farkas Ferenc: Szuperabszorbens polimerek (SAP), Műanyagfajták és kompozitok, 2005
2
Akrilsav alapú térhálós polimerek Poliakrilsav: • Ionizálható csoportokat tartalmaz (karboxil) • Láncpolimer • Savas COOH csoport NaOH-val semlegesíthető –> Na-poliakrilát
Térhálós polimerek: • Keresztkötők alkalmazása: N,N’-metilén-bisz-akrilamid • Gélek: nem oldódnak, hanem duzzadnak • pH-függő duzzadás
3
Térhálósított Na-poliakrilát előállítása
1. 0.34 ml akrilsav + 5 ml víz 2. 0.15 g NaOH + 3.75 ml víz 3. Oldatok összekeverése részleges semlegesítés 4. 0.09 g kálium-perszulfát (gyökös iniciátor) 5. 0.18 g N,N’-metilén-bisz-akrilamid (keresztkötő) 6. 0.325 g NaDS (tenzid) + 100 ml hexán refluxoltatás 7. Vizes és szerves oldatok elegyítése, inertizálás (Ar) 8. Szuszpenziós polimerizáció: 1h 60°C, 1h 72°C 9. Vákuumbepárlás (oldószer eltávolítása) 10. Metanolos mosás 11. Szűrés, vákuumos szárítás 50°C-on Mayoux, C. et all. J. Appl. Polym. Sci. 2000, 77, 2621-2630
Kálium-perszulfát (K2S2O8)
Nátrium-dodecil-szulfát (NaDS) 4
Polimerizációhoz használt berendezések
5
A keletkezett polimer Duzzadás előtt
Duzzadás után
6
A keletkezett polimer duzzadása
7
A polimerek duzzadási viselkedése – I. • A terméket különböző pH-jú pufferekbe és desztillált vízbe helyeztük. Duzzadásfok a pH függvényében
Duzzadásfok
20000 18000
Duzzadásfok (%)
16000 14000 12000 10000 8000 6000 4000
2000 0
2
7
11
deszt. Víz
pH 8
A polimerek duzzadási viselkedése – II. Magyarázat:
• Savas közeg: a karboxil-csoportok protonált állapotban vannak, ezért a gyengébb H-hidas kölcsönhatás a jellemző kevésbé duzzadnak a térhálók. • Lúgos közeg: a karboxil-csoportok deprotonált állapotban vannak, így a COO--csoportok és víz-molekulák között erősebb, ionos jellegű kölcsönhatás jön létre jobban duzzadnak a térhálók. • Semleges közeg: a legnagyobb kölcsönhatás mérhető a karboxilátcsoportok és a víz-molekulák között legnagyobb mértékű duzzadás.
9
Ipari poliakrilsav – „hidrozselé” • Felhasználás: virágok öntözése, tápanyag-kibocsátás
10
A duzzadásfok vizsgálata a pH függvényében • Ipari hidrogéleken vizsgáltuk • Különböző pH-jú oldatokban (2, 4, 5, 7, 8, 9, 10, 11, 12) • Különböző indikátorokkal színezve
11
pH-függő duzzadásfok 24 h
Duzzadásfok változás (24 h/ 48 h)
48 h
18000 16000
Duzzadásfok (%)
14000 12000 10000 8000 6000 4000 2000 0 2.3
4.2
5.2
6
7.2
8.1
9.1
10.3
10.9
12.1
pH 12
Ionerősség-függő duzzadásfok A hidrozselét különböző koncentrációjú NaCl-oldatokba helyezve megvizsgáltuk a duzzadásfokot: Duzzadásfokok az ionerősség függvényében 10000
24h
9000
Duzzadásfok (%)
8000 7000 6000 5000 4000
4h
3000 2000 1000 0 0.01
0.05
0.1
0.5
1
5
Koncentráció (M)
13
Kioldódásvizsgálat • UV-VIS spektrofotométerrel
• Eredeti indikátoros oldat és a kioldódott (deszt. vizes) oldatok színanyagának összehasonlítása
14
Összefoglalás • Sikeresen előállítottunk egy akrilsav-alapú szuperabszorbens polimer (SAP) térhálót • Kimutattuk, hogy pH-függő a duzzadása: alacsony pH-n kismértékben, magas pH-n jobban, míg semleges közeli pH-n kiválóan duzzadt • Megvizsgáltuk egy ipari „hidrozselé” viselkedését is: pH-függése hasonló tendenciát mutatott, ionerősség-függése pedig exponenciális görbére illeszkedett • Kimutattuk, hogy a „hidrozselé” az általa felvett indikátor-oldatot vizes közegbe helyezve kibocsátotta magából 15
Köszönetnyilvánítás • Köszönjük az AKI Kíváncsi Kutatótábornak és támogatóinak • Az MTA TTK AKI-nak • Témavezetőinknek: Bányai Kristóf, Pásztói Balázs, Stumphauser Tímea • A Polimer Kémiai Kutatócsoportnak (Csoportvezető: Prof. Iván Béla)
16
Köszönöm a figyelmet!
17
18
19
Tömegváltozások pufferekből vízbe helyezés után
350
300
Tömegváltozás (%)
250
200
150
100
50
0 2
4
5
7
8
9
10
11
12
Puffer pH-ja 20
(pH=2)
21
