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 (K 2 S 2 O 8 ) 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 (%) 20000 18000 16000 14000 12000 10000 8000 6000 4000 2000 0 Duzzadásfok a ph függvényében Duzzadásfok 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
Duzzadásfok (%) ph-függő duzzadásfok Duzzadásfok változás (24 h/ 48 h) 24 h 48 h 18000 16000 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
Duzzadásfok (%) Ionerősség-függő duzzadásfok A hidrozselét különböző koncentrációjú NaCl-oldatokba helyezve megvizsgáltuk a duzzadásfokot: Duzzadásfokok az ionerősség függvényében 10000 9000 24h 8000 7000 6000 5000 4000 4h 3000 2000 1000 0 0.01 0.05 0.1 0.5 1 5 Koncentráció (M) 13
UV-VIS spektrofotométerrel Kioldódásvizsgálat 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
Tömegváltozás (%) 350 Tömegváltozások pufferekből vízbe helyezés után 300 250 200 150 100 50 0 2 4 5 7 8 9 10 11 12 Puffer ph-ja 20
(ph=2) 21