طراحی پلیمر سوپر جاذب

دسته: مقالات منتشر شده در 21 بهمن 1400
نوشته شده توسط Admin بازدید: 814

طراحی و سنتز پلیمرهای سوپر جاذب

مجموعه ای از سوپر جاذب های کوپلیمری جدید براساس مونومرهای اکریل آمید (AM)، اکریلیک اسید (AA)، اکریلونیتریل، متا اکریلیک اسید، سدیم اکریلات (SA) و 2-هیدروکسی اتیا متاکریلات (HEMA) ازطریق کو پلیمریزاسیون با استفاده از ترکیب آمونیوم در سولفات تهیه شدند. استارتر و ان-ان متیل اکریل آمید بعنوان یک عامل اتصال عرضی عمل می کنند. بررسی های تجربی پلیمرهای سوپر جاذب (SAPs) نشان می دهد که میزان جذب در آب و محلول های NaCI برای ترکیب های AM، SA، HEMA و AM، AA، SA حداکثر است. کوپلیمرها با اسپکتروسکوپی IR مشخص شدند. حفظ آب خاک نیز با استفاده از سوپر جاذب های فوق افزایش یافت. استفاده از SAPs برای رشد گیاه کروتون نیز مورد بررسی قرار گرفت.

 

سوپر جاذب ها ساختارهای مشبکی از پلیمرهای آبدوست با ظرفیت بالای جذب آب هستند که کاربردهای ارزشمند و متنوعی دارند. سوپر جاذب ها می توانند آب زیادی را جذب کرده و آب جذب شده نیز به سختی قابل جابجایی است. مواد سوپر جاذب در محصولات مختلفی مانند پوشک های یکبار مصرف، پوشک های زنانه، خاک برای کشاورزی و باغبانی، نم گیرها، نوار مسدود کننده آب، سیستم های دارورسانی و پدهای جاذب استفاده می شوند. در چنین کاربردهایی، جذب آب و حفظ آن بسیار ضروری است. برخی از تولیدکنندگان این پلیمرهای جاذب را با هدف افزایش جذب، استحکام ژل و سرعت جذب اصلاح می کنند. تأثیر پارامترهای مختلف واکنش بر ظرفیت جذب آب کوپلیمرهای سوپر جاذب توسط بسیاری از محققان مورد بررسی قرار گرفته است. علاوه براین، وابستگی جذب آب کوپلیمرهای سوپر جاذب به اندازۀ ذرات و شوری نیز توسط امیدیان و همکاران مورد بررسی قرار گرفت. این بررسی ها نشان داد که با کاهش اندازه ذرات، میزان جذب و درجۀ نهایی جذب هر دو افزایش می یابند. در این مقاله، سنتز کوپلیمرهای سوپر جاذب با پلیمریزاسیون کومونومرهای آکریل آمید، اکریلیک اسید، اکریلونیتریل، متاکریلیک اسید، سدیم اکریلات و 2-هیدروکسی اتیل متاکریلات را ارائه می دهیم. رفتار تورم و احتباس آب کوپلیمرهای سوپر جاذب ذکر شده در بالا در آزمایشگاه و در خاک بررسی شدند.

 

فرایند تجربی

اکریل آمید (AM) با تبلور مجدد از بنزن تهیه شد؛ اکریلات سدیم (SA) نیز در آزمایشگاه ما تهیه شد؛ اسید اکریلیک (AA)، اکریلونیتریل (AN)، متاکریلیک اسید (MAA) و 2-هیدروکسی اتیل متاکریلات (HEMA) تحت فشار کاهش یافته تقطیر شدند. ان-ان متیلن بیس اکریل آمید (BisA) خریداری شد. تمام محلولها در آب دو تقطیره تهیه شدند. واکنشها در یک فلاسک مجهز به همزن مکانیکی، کندانسور و خط نیتروژن انجام شد. مقدار وزن شدۀ مونومرها همراه با یک عامل اتصال عرضی و پرسولفات آمونیوم (APS) در آب حل شد. پس از 1 ساعت واکنش در دمای 80 درجه سلسیوس، محصول بدست آمده در اتانول رسوب داده شد؛ شسته شد و در دمای 50 درجه سلسیوس با خلاء خشک شد. کوپلیمر در آب مازاد متورم شد تا مواد محلول حذف شود. ژل پس از خشک شدن، دوباره وزن شد و ازطریق صفحۀ 40 مش آسیاب شد. یک نمونه از سوپر جاذب در آب (یا محلول شور) در دمای محیط قرار داده شد تا زمانی که به تعادل برسد. قابلیت جذب همچنین با وزن کردن ژل متورم تعیین شد (ژل به مدت 10 دقیقه روی الک قرار داده شد تا تخلیه شود).

 

ترکیبات مختلفی از مونومرها، اتصال دهنده ها و استارترها برای توسعه پلیمرهای سوپر جاذب (SAPs) استفاده شد. در جدول زیر تأثیر مونومرها بر ماهیت تورمی شبکۀ پلیمری ارائه شده است.

 

جدول 1:

 Influence of the Monomers on the Swelling Nature of Crosslinked SAPs

 

اسپکتروسکوپی IR کوپلیمرها بصورت پیک های مربوط به گروههای متصل به واحدهای مونومر نشان داده می شود. پیک مشاهده شده در طیف IR در مورد کوپلیمرهای حاوی AM، AN و AA بعنوان واحدهای مونومر، 3466 cm⁻¹ مربوط به NH در واحد AM؛ 2929  cm⁻¹مربوط به گروه COOH از واحد AA؛ و  cm⁻¹ 2362 مربوط به گروه نیتریل از واحد AA است. علاوه براین، طیف پیک هایی را در 1700 و cm⁻¹ 1659 مربوط به گروه کربونیل بخش اسیدی واحد AA و گروه کربونیل از بخش آمید واحد AM نشان داد. علاوه براین پیک های گفته شده در بالا، پیک هایی در 1454 و cm⁻¹ 1172 مربوط به برهمکنش های متصل OH و C-O-H گروه کربوکسیلیک و ارتعاشات کششس C-N نیز مشاهده می شود. با توجه به مشاهدات ارائه شده از طیف IR کوپلیمرها، وجود هر سه واحد مونومر یعنی AM، AA و AN در کوپلیمر تأیید شد. مشاهدات مشابه نشان می دهد که پیک های مربوط به واحدهای مونومر نیز در کوپلیمرهای دیگر سوپر جاذب ها که ترکیب های متفاوتی از دیگر واحدهای مونومر نشان می دهند، یافت می شود. در جدول زیر، دادۀ IR از کوپلیمرها ارائه شده است.

 

جدول 2:

 IR Spectral Data of SAPs

 

خواص کلیدی SAP ها ظرفیت تورم و مدول الاستیک ژل متورم مشبک است. این دو خواص به چگالی اتصال شبکه مربوط می شوند. ظرفیت جذب آب برای این کوپلیمرها اندازه گیری می شود. برخی از SAP ها ظرفیت جذب 400 میلی لیتر آب در هر گرم کوپلیمر را دارند. مشخصۀ اصلی این کوپلیمرهای سوپرجاذب، ظرفیت جذب سریع آب برای به دست آوردن پلیمر متورم مورد نیاز است. خواص این کوپلیمرهای سوپر جاذب و جذب آب SAP ها در محلول NaCL یک درصدی در جدول 1 در بالا ارائه شده اند. یکی از مهم ترین کاربردهای SAP ها برای اهداف کشاورزی و باغبانی بویژه برای استفادۀ مؤثر از آب در مناطق خشک و تبدیل این مناطق خشک به سرسبز است. در همین راستا، آزمایش اولیه این SAP در زمین های حاصل خیز برای حفظ آب در این آزمایشگاهها با رشد بذر کروتون به گیاه با یا بدون استفاده از SAP ها انجام شد. آزمایشات نشان می دهد که در صورت افزودن SAP به خاک، احتباس آب در خاک افزایش می یابد. در صورتی که گیاه با افزودن SAPs و 400 میلی لیتر آب به خاک رشد کند، خاک بیش از 1 ماه بدون افزودن آب اضافی همچنان مرطوب باقی ماند. همان گیاه تنها برای 6-5 روز بدون افزودن SAP به خاک و استفاده از همان مقدار آب نگهداری شد. نتایج تجربی نشان می دهد که با استفاده از SAP به 150 سانتی متر رسید، در حالی که ارتفاع گیاه بدون افزودن SAP تنها 50 سانتی متر بود.

 

سوپر جاذب های کوپلیمری جدید در یک محلول آبی با کوپلیمریزاسیون مونومرهای مربوطه با BisA بعنوان یک عامل اتصال عرضی با استفاده از APS بعنوان استارتر سنتز شدند. کوپلیمرها نیز با کمک اسپکتروسکوپی جذبی IR مشخص شدند. همچنین، جذب کوپلیمرها در آب و محلول نمک اندازه گیری شد. این سوپر جاذب ها سرعت تورم سریع تری دارند و احتبای آب خاک با استفاده از کوپلیمر سوپر جاذب نیز افزایش یافت. در نهایت، استفاده از SAP ها برای رشد گیاه کروتون مورد بررسی قرار گرفت.