CC BY
141
СИНТЕЗ СУПЕРАБСОРБЕНТНОГО ГИДРОГЕЛЯ НА ОСНОВЕ КРАХМАЛА, АКРИЛОВОЙ КИСЛОТЫ И МОНТМОРИЛЛОНИТА
Холназаров Баходир Азамович
старший научный сотрудник-исследователь, Термезский государственный университет,
Узбекистан, г. Термез E-mail: [email protected]
Тураев Хайит Худайназарович
д-р хим. наук, профессор, Термезский государственный университет,
Узбекистан, г. Термез
Ширинов Шавкат Давлатович
доктор философии (PhD), старший научный сотрудник Ташкентского научно-исследовательского института химической технологии, Узбекистан, Ташкентская обл., Зангиотинский р-н, п/о Ибрат
Джалилов Абдулахат Турапович
академик АН РУз, профессор, д-р хим. наук, директор Ташкентского научно- исследовательского института химической технологии, Узбекистан, Ташкентская обл., Зангиотинский р-н, п/о Ибрат
SYNTHESIS OF SUPERABSORBENT HYDROGEL BASED ON STARCH, ACRYLIC ACID AND MONTMORILLONITE
Bakhodir Kholnazarov
Senior researcher, Termez State University, Uzbekistan, Termez
Hayit Turaev
Doctor of Chemical Sciences, Professor, Termez State University,
Uzbekistan, Termez
Shavkat Shirinov
Doctor of Philosophy (PhD),
Senior Researcher at the Tashkent Scientific and Research Institute of Chemical Technology,
Uzbekistan, Tashkent Region, Zangiota district, Ibrat
Abdulakhat Djalilov
Doctor of chemical sciences, Professor, academician, Director of the State Unitary Enterprise of the Tashkent Scientific Research Institute of Chemical Technology,
Uzbekistan, Tashkent Region, Zangiota district, Ibrat
АННОТАЦИЯ
В этой статье исследуется синтез высоконабухающего суперабсорбентного гидрогеля на основе крахмала, акриловой кислоты и монтмориллонита. Исследовано влияние исходных реагенотов на условия синтеза гидрогеля. Продукт реакции сополимеризации охарактеризован методом ИК-спектроскопии.
ABSTRACT
This article explores the highly efficient synthesis of starch, acrylic acid and montmorillonite based hydrogel. The influence of the optimal conditions for the synthesis of hydrogel. The product of the copolymerization reaction was characterized by IR spectroscopy.
Ключевые слова: крахмал, акриловая кислота, монтмориллонит, бензоилпероксид, гидрогель, радикальная полимеризация, кинетическое набухание.
Библиографическое описание: Синтез суперабсорбентного гидрогеля на основе крахмала, акриловой кислоты и монтмориллонита // Universum: Технические науки : электрон. научн. журн. Холназаров Б.А. [и др.]. 2019. № 8(65). URL: http://7universum.com/ru/tech/archive/item/7699
Keywords; starch, acrylic acid, montmorillonite, benzoyl peroxide, hydrogel, radical polymerization, kinetic swell-
ing.
ВВЕДЕНИЕ
Сшитый гидрофильный полимер, способный поглощать и удерживать большой объем воды, известен как сверхабсорбирующий полимер или гидрогель. Гидрогели могут набухать и удерживать значительную долю воды в своей трехмерной структуре, не растворяясь в ней [1]. Продукты на основе крахмала имеют ряд недостатков, таких как чувствительность к воде, высокую проницаемость для пара и низкие механические свойства. Кроме того, стабильность самого крахмала в условиях эксплуатации невысока. Чтобы минимизировать или даже преодолеть эти недостатки, возможны многие подходы, включая химическую модификацию. Одним из путей химической модификации является привитая сополимеризация
[2]. Значительное количество исследований было опубликовано по инициированной ионной прививке сополимеризации акриловых мономеров на крахмал
[3]. В результате модификации крахмал, который является недорогим, широко доступным возобновляемым биополимером, может дать свойства, сравнимые с синтетическими полимерами на основе нефти [4]. Прививка акриловой кислоты (АК) на крахмал дает возможность проводить многочисленные дополнительные химические реакции и синтезировать новые материалы с низкой стоимостью и для различных применений, таких как: кондиционеры почвы, добавки для бумаги и текстиля, клеи, повышенная нефтеотдача, санитарные товары, системы доставки лекарств [5,6]. Гидрогели поли(акриловой кислоты) широко используются из-за их высокого водопогло-щения и низкой стоимости. Однако этот вид суперабсорбента обычно имеет низкую солеустойчивость и медленную скорость поглощения воды. Кроме того, после поглощения воды он проявляет плохую прочность, диспергирующие и эластичные свойства геля. Эти недостатки сильно ограничивают качество продукта и области применения этого вида. Чтобы улучшить свойства таких материалов, исследователи использовали такие методы, как образование взаимопроникающих сетей и смешивание с неорганическими глинами [7]. Такие методы помогают улучшить механические свойства гидрогелей. Добавление неорганической глины является относительно эффективным методом для улучшения свойств этого типа гидрогеля [8]. Поэтому в настоящем исследовании использовали монтмориллонит (ММТ) в качестве неорганических наполнителей, N,N метиленби-сакриламид (МБА) в качестве сшивающего агента и бензоилпероксид в качестве инициатора для получения композитного гидрогеля крахмал/монтмориллонит/акриловая кислота. Изучено влияние концентраций инициатора, сшивающего агента,
монтмориллонита на водопоглощающую способность гидрогеля. Кроме того, также изучалось влияние степени нейтрализации акриловой кислоты и температуры реакции на способность гидрогеля поглощать воду. Исследования показали, что по сравнению с гелем без монтмориллонита, и добавление 2% монтмориллонита в композитный гидрогель, увеличивает его водопоглощающую способность на 20% и способность сохранять воду на 25%.
Объекты и методы исследования
В эксперименте использован кукурузный крахмал (Кр), акриловая кислота (АК), сшивающий агент (CA)-N,N' -метиленбисакриламид, бензоилпероксид (инициатор) и использовали монтмориллонит (ММТ) Навбахор (Узбекистан).
Высушенного 10 г крахмала в известном объеме дистиллированной воды желатинизировали путем нагревания при температуре 85°С в течение 30 минут в азотной атмосфере для удаления растворенного кислорода из раствора. Затем полученный желатини-зированный крахмал охлаждали до 25°C и добавляли акриловую кислоту и монтморилонит, а также раствор сшивающего агента, далее, при сильном перемешивании, наливали туда измеренное количество раствора бензоилпероксида. Температуру реакции постепенно повышали до 60°С. Реакцию проводили при 60°С в течение 4 часов для обеспечения завершения привитой сополимеризации. Атмосферу азота поддерживали в течение всего периода реакции. Привитой сополимер переносили в раствор гидроксида натрия (1 моль/л) и оставляли реагировать при температуре 95°С в течение 120 минут. Гидролизован-ный продукт отфильтровали и промыли дистиллированной водой до рН=7.4 для удаления любых привитых молекул, мономера и основания. Обезвоженный образец сушили в сушильном шкафу при 60°С в течение 24 часов.
Результаты и их обсуждение
Массовое соотношение между акриловой кислотой и крахмалом, а также массой монтмориллонита, бензоилпероксида, MBA, которые участвуют в реакции оказывают заметное влияние на набухаемсть гидрогелей. Реакцию акриловой кислоты и крахмала проводили в следующих соотношениях: 0.5:1, 1:1, 2:1 и 3:1 Были использованы монтмориллонит от 1 до 3%, бензоилпероксид от 0,25 до 1,25%, МБА от 0,25 до 1% от общей массы мономера. Результаты исследования показывают, что набухаемость гидрогеля очень высока, когда соотношение акриловой кислоты и крахмала в растворе составляет 3:1.
Реакция привитой сополимеризации крахмала, АК и монтмориллонита была охарактеризована с помощью ИК-спектроскопии на рис 1.
Рисунок 1. ИК - (а) крахмала, (Ь) акриловой кислоты, (с) монтморилонита и композитных гелей
Кр-ПАК/ММТ
ИК-спектр крахмала (рис.1 а) показывает поглощение при растяжении О-Н в области 3600-3200 см-1 и растяжение С-Н при 2924 см-1. ИК-спектр ММТ (рис. 1с) показывает острый и средний пик при 3624 см-1, который соответствует гидроксильным группам ММТ. Кроме того, пик при 1080-1022 см-1 был приписан связи Si-O MMT. Растягивающая полоса C=O
для AК появляется при 1723 см-1, ИК-спектр крах-мала-АК/ММТ показывает поглощение при растяжении (рис. Ы), а симметричное и асимметричное COO-растяжение AК появляется в области при 1402 и 1549 см-1 соответственно.
Рисунок 2. Сканирующая электронная микроскопия (СЭМ) (а) крахмал, (Ь) ПАК, (с) ПАК-со-крахмал,
(й) ПАК-со- крахмал/ММТ
Сканирующая электронная микроскопия (СЭМ) особенностей всего состава синтезированного используется для исследования морфологических ПAК/крахмал/MMT. СЭМ-изображения крахмала
(Кр), полиакриловая кислота (ПАК), ПАК/Кр и ПАК/Кр/ММТ показаны на рис. 2 (а^). Замечено, что крахмал имеет зернистую морфологию, а зернистая морфология крахмала искажалась и становилась фибриллярной структурой (рис. 2^) после того, как
* 800-. ь
X 750в
X
| 700-о
£ 650-
0 =
1 600-
о
Й
0^-1-1-1-1->-1-1-1
0 3.6 7.2 14.4 21.6 Акриловая кислота, мл
Рисунок 3. Виляние объема акриловой кислоты на степень набухания гидрогелей.
Масс крахмал 16.2 г.
Влияние содержания количества акриловой кислоты и монтмориллонита на водопоглощение супе-рабсорбентных композитов показано на рисунках 3 и 4. Водопоглощение гидрогеля составляет 750 г/г при содержании 21,6 мл акриловой кислоты. Можно предположить, что водопоглощение увеличивается в наибольшей степени при использовании акриловой кислоты в пределах 21,6 мл. Как показано на рис. 4, водопоглощение увеличивается с увеличением содержания монтмориллонита от 0,5 до 2 масс.% и составляет 750 г/г при 2 масс.% монтмориллонита.
привили ПАК (рис. 2c). Кроме того, наблюдение морфологии поверхности ПАК/Кр и ПАК/Кр/MMT (рис. 5. c,d) показывает, что после включения в MMT фибриллярная структура ПАК/Кр была преобразована в когерентную и почти совместную морфологию ПАК/Кр/MMT.
800
V 750 —_
я 700 /
я /
Н 650 /
о
С 600 Ж""
0 jr
1 55fr г^
9
м 500
О--
0 0.5 1 1.5 2 2.5 Монтмориллонит масс %
Рисунок 4. Виляние концентрации монтмориллонита на степень набухания гидрогелей
Заключение: Таким образом, включение гидрофильных веществ, содержащих гидрофильные группы, такие как акриловая кислота и полимеры, как крахмал и глина, как монтмориллонит, в гидрогели АК 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 крах-мала/АК/ММТ показали высокую водопоглощаю-щую способность.
Список литературы:
1. Fatemeh Soleimani & Mohammad Sadeghi, Synthesis of pH-Sensitive Hydrogel Based on Starch-Polyacrylate Superabsorbent, Journal of Biomaterials and Nanobiotechnology, 3, 2012, 310-314.
2. Hussam-Aldeen K, Mohammad T, Yomen A. Preparation of a clay based superabsorbent polymer composite of copolymer poly(acrylate-co-acrylamide) with bentonite via microwave radiation. ACS Appl Mater Inter. 2013;4(4):145-50.
3. M.R. Lutfor, M.Z.A. Rahman, S. Sidik, A. Mansor, J. Haron, W.M.Z.W. Yunus, Desig. Monom. Polym. 4, 253 (2001).
4. V.D. Athawale, V. Lele, Starch-Stärke 50, 426 (1998). A. Pourjavadi, M.J. Zouhuriaan-Mehr, Starch- Stärke 54, 140 (2002).
5. Kholnazarov B., Turaev Kh., Dzhalilov A. "Synthesis of starch, acrylamide, acrylic acid and montmorillonite-based superabsorbent polymer composite"
6. Austrian Journal of Technical and Natural Sciences 5-6 2019., С. 69-73
7. Xолназаров Б.А., Тураев Х.Х., Ширинов Ш.Д., Джалилов А.Т. Синтез гидрогеля на основе крахмала и акриловой кислоты. Композиционные материалы научно-технический и производственный журнал. № 1/ 2019., C. 50-51
8. Xолназаров Б.А., Тураев Х.Х., Ширинов Ш.Д., Джалилов А.Т. "Исследование нового гидрогеля, синтезированного на основе крахмала, акриламида и бентонита» Научный журнал «Universum: технические науки» Моква № 4/61 Апрель 2019., C. 50-53
9. Kabiri K, Mirzadeh H, Zohuriaan-Mehr MJ. Chitosan modified MMT-poly(AMPS) nanocomposite hydrogel: Heating effect on swelling and rheological behavior. J Appl Polym Sci. 2010;116(5) :2548-56
