Natriumpolyakrylat

Natriumpolyakrylat

Namn
IUPAC namn Poly(natriumprop-2-enoat)
Identifierare
CAS-nummer	9003-04-7 (2500000 MW)   Y
ECHA InfoCard	100.118.171
EG-nummer	618-349-8
UNII	05I15JNI2J (2500000 MW)   Y
CompTox Dashboard ( EPA )	DTXSID0049783
Egenskaper
Kemisk formel	( C3H3NaO2 ) n _ _ _ _
Molar massa	Variabel
Densitet	1,22 g/cm 3
Om inte annat anges ges data för material i standardtillstånd (vid 25 °C [77 °F], 100 kPa).   N ( vad är Y N ?) Infobox referenser

Natriumpolyakrylat (ACR, ASAP eller PAAS), även känd som waterlock , är ett natriumsalt av polyakrylsyra med den kemiska formeln [−CH ₂ −CH(CO ₂ Na)−] _n och har breda tillämpningar i konsumentprodukter. Denna superabsorberande polymer (SAP) har förmågan att absorbera 100 till 1000 gånger sin massa i vatten. Natriumpolyakrylat är en anjonisk polyelektrolyt med negativt laddade karboxylgrupper i huvudkedjan. Det är en kemisk polymer som består av kedjor av akrylatföreningar. Den innehåller natrium, vilket ger den förmågan att absorbera stora mängder vatten. När den löses i vatten bildar den en tjock och transparent lösning på grund av molekylernas joniska interaktioner. Natriumpolyakrylat har många gynnsamma mekaniska egenskaper. Några av dessa fördelar inkluderar god mekanisk stabilitet, hög värmebeständighet och stark hydrering. Det har använts som tillsats för livsmedelsprodukter inklusive bröd , juice och glass .

Medan natriumneutraliserade polyakrylsyror är den vanligaste formen som används inom industrin, finns det även andra salter tillgängliga, inklusive kalium , litium och ammonium . Ursprunget till superabsorberande polymerkemi går tillbaka till början av 1960-talet när US Department of Agriculture (USDA) utvecklade de första superabsorberande polymermaterialen.

Bakgrund och historia

Superabsorberande polymerer (SAP) liknande natriumpolyakrylat utvecklades på 1960-talet av US Department of Agriculture. Före utvecklingen av dessa ämnen var de bästa vattenabsorberande materialen cellulosa eller fiberbaserade som silkespapper, svamp, bomull eller fluffmassa. Dessa material kan bara behålla 20 gånger sin vikt i vatten, medan natriumpolyakrylat kan behålla hundratals gånger sin egen vikt i vatten. USDA var intresserade av att utveckla denna teknik eftersom de ville hitta material som kunde förbättra vattenbesparingen i marken. Genom omfattande forskning fann de att gelerna de skapade inte drev ut vatten som fiberbaserade material skulle göra. Tidiga användare av denna teknik var Dow Chemical , Hercules, General Mills Chemical och DuPont . Ultratunna barnblöjor var några av de första hygienprodukterna som utvecklades som bara använder en bråkdel av materialet jämfört med fluffmassablöjor. Superabsorberande teknologi är mycket efterfrågad inom engångshygienindustrin för produkter som blöjor och dambindor. SAP som används i hygienprodukter är vanligtvis natriumneutraliserade medan SAP som används i jordbrukstillämpningar är kaliumneutraliserade.

Tillverkningsmetoder

Översikt

Metoder för att tillverka natriumpolyakrylat, såsom lösningspolymerisation i vatten, invers emulsionspolymerisation, invers suspensionspolymerisation, plasmapolymerisation och tryckinducerad polymerisation har använts för att syntetisera olika polyakrylater. Processen för att erhålla en fast tillståndsprodukt med dessa metoder kräver dock mycket utrustning och är mycket dyr. Produkterna som erhålls från dessa metoder har också defekter som dålig löslighet och bred molekylviktsfördelning. Trots att de har nackdelar används de ovan nämnda polymerisationsmetoderna ofta för att bilda natriumpolyakrylat och andra SAP.

Under lösningspolymerisation löses monomerer i ett lösningsmedel som innehåller en katalysator för att inducera polymerisation . Lösningspolymerisation i vatten använder vatten som lösningsmedel vilket innebär att slutprodukten som bildas från reaktionen är löslig i vatten. Omvänd emulsionspolymerisation kräver vatten, monomerer och ett ytaktivt ämne . Omvänd emulsionspolymerisation används också för att polymerisera hydrofila monomerer. Hydrofoba monomerer emulgeras genom en vattenfas. Fria radikaler skapas för att producera polymeren med antingen vatten- eller oljelösliga initiatorer. Omvänd suspensionspolymerisation utförs genom att använda en vattenlösning av monomeren, tvärbindningsmedlet och initiatorn som sedan sätts till en organisk fas som stabiliseras av ett ytaktivt ämne. Plasmapolymerisering använder en rad tekniker såsom elektronstrålar, ultraviolett strålning eller glödurladdning för att bilda polymerer från en ånga gjord av monomerer. Gasutsläpp som tillhandahålls genom denna process initierar polymerisationen av en grupp monomerer. Slutligen applicerar tryckinducerad polymerisation tryck- eller tryckkrafter på lösningar av monomerer för att skapa enheter som genomgår polymerisation och producerar polymerer.

En annan metod som testades i en studie för att producera natriumpolyakrylat som ett alternativ till nuvarande metoder började med Butylakrylat-akrylsyrasampolymer och poly (butylakrylat). De syntetiserades via suspensionspolymerisation med användning av butylakrylat som huvudmonomer och akrylsyra som sekundär monomer. Suspensionspolymerisation använder fysisk och mekanisk rörelse och omrörning för att blanda monomerer för att bilda polymerer. Denna process kräver dispergeringsmedium, monomerer, stabiliseringsmedel och initiatorer. Därefter svälldes polymererna i etanol och hydrolyserades i en vattenlösning av natriumhydroxid . Slutligen erhölls vattenlösliga natriumpolyakrylater genom tvättning och torkning av det hydrolyserade resultatet. Detta är en annan metod jämfört med de tillverkningsprocesser som tidigare har använts, men kan vara en potentiell metod för att specifikt tillverka natriumpolyakrylat. Sammantaget kommer de olika produktionsmetoderna för natriumpolyakrylat att påverka dess svällningsförmåga, absorptionsförmåga och andra mekaniska egenskaper . Det är också viktigt att överväga kostnad och genomförbarhet vid tillverkning av polymerer som natriumpolyakrylat.

Superabsorberande nanofibrer (SAN)

Superabsorberande polymerer är en innovativ klass av hydrogelprodukter som kan användas i många applikationer, inklusive hygienprodukter, läkemedelstillförselsystem , jordbruk , biomedicin och avloppsvattenrening . En metod som kallas elektrospinning används för att tillverka superabsorberande nanofibrer (SAN) på grund av deras fördelaktiga egenskaper som hög yta och porös struktur. Elektrospinning är en enkel metod som använder ett elektriskt fält som samlar filament genom att tvinga fram polymersmältor eller lösningar. SAN har framgångsrikt skapats genom att använda natriumpolyakrylat och poly(vinylalkohol) (PVA) som en polymermatris, vilket är en vattenlöslig polymer som är mycket hydrofil . Som ett resultat av denna tillverkningsmetod visade SAN som skapats i en studie höga absorptionshastigheter på grund av kapillärfenomenet som visas av deras mycket porösa strukturer. Dessutom förbättrade tvärbindningsstrukturen vattenabsorptionsförmågan hos SAN:erna. Tillsats av PVA i detta fall gav strukturell stabilitet till SAN och förhindrade att den löstes i vatten. Sammantaget kan natriumpolyakrylat kombineras med PVA i en nanofiber för att ge en stark och effektiv struktur.

Denna teknik kan ha många tillämpningar inom olika industriella områden på grund av den snabba och höga absorptionsförmågan samt den hållbara strukturen hos SAN:erna som producerades genom relativt enkla och enkla bearbetningsmetoder. SAN:erna var mycket effektiva vid absorption av vatten eftersom det skedde en ökning av absorptionsområdet. Svällningsförhållandet ökade också på grund av tvärbindningarna och den mycket porösa naturen hos nanowebben.

Kompositer

Clay-Polymer Hydrogeler

Studier har genomförts som observerar effekten av de mekaniska egenskaperna hos hydrogeler baserat på mängden lera kombinerad med polymeren. När man kombinerar polymerer med lera är resultaten lovande, som visar en ökning av elasticitetsmodulen och draghållfastheten hos lerpolymerhydrogeler . I allmänhet kan kombination av oorganiska ämnen med polymerer förbättra de elektriska, mekaniska, termiska och gasbarriäregenskaperna hos material som hydrogeler. För att erhålla dessa resultat rekommenderas polymerer med ultrahög molekylvikt högre än några miljoner att användas så att de mekaniska egenskaperna kan förbättras oavsett vilken typ av polymer som används.

De mekaniska egenskaperna för lera-polymerhydrogeler har studerats inklusive lera och polyetylenoxid (PEO) samt lera och natriumpolyakrylat (PAAS). En studie jämförde laponit/PEO och laponit/PAAS blandningshydrogeler. Laponit är en syntetisk lera som har förmågan att svälla när den placeras i vatten. Resultaten visade att båda hydrogelerna har en liknande elasticitetsmodul. Draghållfastheten hos laponit/PAAS är dock mycket starkare än hydrogeler av laponit/PEO-blandning. Anledningen till denna skillnad är baserad på lera-polymerinteraktionsstyrkan i varje hydrogelblandning. I laponit/PAAS är interaktionen mycket starkare jämfört med laponit/PEO-blandningen.

Metalljoner

Experiment och studier har visat att inkorporering av 0,3 viktprocent natriumpolyakrylat i kollagen (Co) fibrer kan förbättra de mekaniska egenskaperna och termiska stabiliteten hos kompositfilmerna. Natriumpolyakrylat kan bilda filmer och kompositer med olika katjoniska polymerer, proteiner och andra ämnen som kan gynna filmens egenskaper. Dessutom har natriumpolyakrylat potential att kombineras med metalljoner på grund av dess karakteristiska polyanjoniska egenskaper som skulle möjliggöra mer förstärkning av materialet. När kollagen- och natriumpolyakrylat (Co-PAAS) blandningsfilmer kombinerades med Ca ²⁺ , Fe ³⁺ och Ag ⁺ från 0,001 till 0,004 mol/g, blev ytan på kompositerna grövre och den inre strukturen blev mer stratifierad eftersom fler metalljoner tillsattes. När jonerna tillsattes ökade draghållfastheten. De optimala mängderna för varje jon är som följer: Ca2 ⁺ (0,003 mol/g), Fe3 ⁺ (0,002 mol/g) och Ag ⁺ (0,001 mol/g). Kompositfilmerna hade också bättre termisk stabilitet.

Sammantaget visade studien att metalljoner tillsatta i Co-PAAS-blandningskompositfilmer kan användas som ett alternativ för att förstärka kollagenhaltiga kompositmaterial. Dessa tre joner kombinerades med Co-PAAS-filmen på grund av deras relevanta biologiska tillämpningar. Ca ²⁺ är ett av de viktigaste elementen i djurvävnader inklusive ben och tänder och har en stark interaktion med kollagen. Därefter är Fe ³⁺ ett viktigt spårämne i människokroppen och deltar i proteinkelering . Slutligen har Ag ⁺ antibakteriella egenskaper och kan förbättra stabiliteten och transparensen hos Co-PAAS-filmen.

Chitosan

Natriumpolyakrylat är en vanlig elektronegativ polyelektrolyt som kan användas för att konstruera självläkande hydrogeler och superabsorbenter. Nya kitosan /natriumpolyakrylatpolyelektrolytkomplexhydrogeler (CPG) har framställts framgångsrikt i en studie genom att tvärbinda kitosan och natriumpolyakrylat med epiklorhydrin (ECH) genom den hämmande protoneringseffekten av kitosan i en vattenlösning av alkali/ urea . CPG hade ett högt svällningsförhållande på grund av natriumpolyakrylat och verkade olika i olika pH-lösningar, fysiologiska lösningar och saltlösningar med olika koncentrationer. Som ett resultat hade CPG smarta känsliga egenskaper för olika situationer och uppvisade hög tryckhållfasthet , god biokompatibilitet och biologisk nedbrytbarhet in vitro . Denna tillverkningsprocess har visat framgång och har potentiella tillämpningar inom områdena jordbruk, livsmedel, vävnadsteknik och läkemedelsleverans.

Ansökningar

Färgade natriumpolyakrylat hydrogelpärlor

Översikt

Vattenlösliga polymerer används i många industrier, speciellt polyakrylater. Vissa applikationer inkluderar förtjockningsmedel , flockningsmedel , dispergeringsmedel och motståndsreducerande medel . Polyakrylater används också som miljövänliga lim eller beläggningar .

Dessutom används natriumpolyakrylat i pappersblöjor och Maximum Absorbency Garments som absorberande material. Det används också i isförpackningar för att omvandla vattnet som används som kylmedel till en gel , för att minska spill om ispaketet läcker. Natriumpolyakrylat har också studerats för användning i många applikationer såsom nanofiltrering av vatten för att absorbera vatten och koncentrera vätskan med mikrober. Det används också för ekoteknik som ett vattenhållande medel i steniga sluttningar för att öka fukttillgängligheten i jorden.

Detta kan förbättra markens vattenretentionsförmåga och infiltrationsförmågan i sandjord. Nedan finns en tabell som innehåller kategorier och listor över några produkter och applikationer som använder natriumpolyakrylat:

Översikt över tillämpningar av natriumpolyakrylat

Sjukvård	Djur	Industri	Miljö	Andra produkter
Papper/engångsblöja (bebis, barn och vuxen) Dambinda Amningsmatta Medicinskt bandage Sårförband	Pet pad Häst urin lukt absorberande Dränkningsfri vattenkälla för matinsekter	Avfallsvätskekontroll Borrvätska Betongskydd Släckning	Anti-flod väska Excreta samling	Tråd- och kabelvattenblockering Konstgjord snö varm/kall gelförpackning Urinpåse Odla leksaker Förtjockningsmedel Doftbärare Brandskyddande gel Förpackningsmaterial mot imbildning Vattensäng

Några av punkterna som listas ovan kommer att diskuteras mer i detalj i nästa applikationsavsnitt. Det är dock viktigt att notera att tabellen ovan inte är heltäckande och inte innehåller alla möjliga eller potentiella tillämpningar för användning av natriumpolyakrylat.

Sekvesteringsagenter

Natriumpolyakrylat används vanligtvis i tvättmedel som ett kelatbildande medel. Ett kelatbildande medel används i tvättmedel eftersom det har förmågan att neutralisera tungmetaller som finns i smuts, vatten och andra ämnen som kan finnas i kläder. Tillsatsen av natriumpolyakrylat gör tvättmedlet mer effektivt vid rengöring av kläder.

Förtjockningsmedel

Eftersom natriumpolyakrylat kan absorbera och behålla vattenmolekyler, används det ofta i blöjor, hårgeléer och tvålar. Natriumpolyakrylat anses vara ett förtjockningsmedel eftersom det ökar viskositeten hos vattenbaserade föreningar. I blöjor absorberar natriumpolyakrylat vatten som finns i urinen för att öka förmågan att lagra vätska och för att minska utslag.

Beläggningar

Natriumpolyakrylat kan också användas som beläggning för elektriska ledningar för att minska mängden fukt runt ledningar. Vatten och fukt nära ledningar kan orsaka problem med att överföra elektriska signaler. Detta kan orsaka potentiella brandrisker. På grund av den effektiva absorptions- och svällkapaciteten hos natriumpolyakrylat kan det absorbera vatten och förhindra att det omger eller infiltrerar ledningar.

Lantbruk

Inom jordbruksindustrin används natriumpolyakrylat för att hjälpa växter att behålla fukten i jorden. Det kan fungera som en vattenreservoar för växter och används ofta av florister för att hålla blommorna fräscha. Dessutom har användningen av natriumpolyakrylat för odling av inhemsk frukt och grönsaker godkänts av det amerikanska jordbruksdepartementet.

Petroleumindustrin

Natriumpolyakrylat används som vätska för borrning inom petroleumindustrin.

Metallbearbetning

Det har enligt uppgift använts som organisk polymersläckningsmedel , tillsammans med polyalkylenglykol (PAG), polyvinylpyrrolidon (PVP), polyetyloxazolin ( PEO).

NASA Max Absorbency Garments (MAGs)

Natriumpolyakrylat används i tyget av rymddräkter designade av National Aeronautics and Space Administration (NASA) för att förhindra att utslag utvecklas under flygning genom att absorbera olika vätskor. Dessa plagg kallas Maximum Absorbency Garments eller MAGs och natriumpolyakrylat används i de innersta lagren av dessa rymddräkter för att hjälpa till med absorptionen av vätska från hudens yta. Specifikt absorberar MAG vätska från urin och avföring och kan rymma cirka 2 liter ( 1 ⁄ 2 US gal) vätska.

Miljötillämpningar

Hämning av väteproduktion från avfallsblöjmaterial

Även om natriumpolyakrylat har fördelaktiga miljötillämpningar, visade sig natriumpolyakrylat i en studie ha hämmande effekter på bioH2- jäsningen av cellulosaavfall. Natriumpolyakrylat används ofta i blöjor för att absorbera vätskor från urin och avföring , men det har visat sig att engångsblöjor (WDD) ackumuleras på soptippar eftersom natriumpolyakrylat förhindrar och negativt påverkar H2-produktion från den mörka jäsningen av WDD. För att vara specifik representerar WDD 7 % av det fasta avfallet i städerna och det nuvarande alternativet är deponering, som är nedbrytbar endast under biologiska förhållanden. Sådana förhållanden inkluderar anaerob nedbrytning och kompostering . Med tanke på de höga mängderna cellulosaavfall i WDD har det för att vara mer hållbart rekommenderats att natriumpolyakrylat ersätts med speciell stärkelse som kan absorbera betydande mängder vatten men ändå är nedbrytbar genom mörk jäsning (DF). Sammantaget, trots att de har många fördelaktiga miljötillämpningar, kan användningen av natriumpolyakrylat i blöjor förhindra att avfall bryts ned ordentligt över tiden.

Bevarande av djurhud med låg salthalt

Inom läderindustrin används vanligtvis saltbaserad konservering eftersom den är mångsidig, kostnadseffektiv och lättillgänglig. Saltet som avlägsnas från blötläggningsprocessen kan dock orsaka föroreningar inklusive förhöjda totala lösta fasta ämnen ( TDS). En studie genomfördes för att mäta effektiviteten av att istället använda en hudkonserveringsmetod med låg salthalt med natriumpolyakrylat som har en reducerad mängd NaCl . Huvudmålet var att behålla egenskaperna hos kommersiellt läder samtidigt som föroreningarna minskade. Resultaten visade att natriumpolyakrylat med låga saltnivåer hade en adekvat härdningseffektivitet med en signifikant minskning (>65%) av TDS. Cirka 40 % NaCl används i konventionella härdningsprocesser, men processen som genomfördes med natriumpolyakrylat använde 15 % NaCl och 5 % natriumpolyakrylat.

Avlägsnande av metalljoner från miljön

Studier har visat att natriumpolyakrylat och andra superabsorberande polymerer eller SAPs kan användas för att absorbera och återvinna metalljoner. Tungmetaller är mycket skadliga föroreningar och kan ha skadliga effekter på vattenmiljöer och människor på grund av hög toxicitet , bioackumulering och icke-nedbrytbarhet. Aktiviteter som gruvdrift och petroleumraffinering kan producera dessa tungmetaller vilket kräver en enkel och miljömässigt hållbar process för att absorbera dessa skadliga metaller för att förhindra katastrofala resultat. Natriumpolyakrylat kan absorbera lösningar snabbt genom att svälla porösa strukturnätverk för att minska motståndet mot massöverföring. Natriumpolyakrylat är också ett billigt, giftfritt och biokompatibelt alternativ för vattenrening för att återvinna metalljoner.

En studie visade att en natriumpolyakrylatkomposit hade hög adsorptions- och desorptionseffektivitet , vilket innebär att natriumpolyakrylat kan återvinnas och återanvändas som en effektiv absorbent för Cu(II)-återvinning. Natriumpolyakrylat kan göra detta på grund av dess funktionsgrupp (-COO-) i sin matris som bidrar till dess effektiva adsorptionsförmåga. Natriumpolyakrylat har en mycket hög adsorptionskapacitet och en av de högsta adsorptionskapaciteterna för natriumpolyakrylat hittades med Cu(II)-joner. Med en mild koncentration av 0,01 M salpetersyra kunde nästan all koppar utvinnas från natriumpolyakrylatmatrisen. Resultaten av studien indikerar effektiviteten av att använda natriumpolyakrylat för att befria miljön från giftiga metaller som koppar. Det är också en hållbar lösning eftersom natriumpolyakrylat kan återvinnas och återanvändas, vilket minskar avfallet.

Ansökningar om läkemedelsleverans

Natriumpolyakrylat kan användas för mikroinkapsling för att leverera ämnen som probiotika . Tillförseln av probiotika till matsmältningssystemet kan vara svårt eftersom probiotikas livsduglighet minskar kraftigt i hela mag-tarmkanalen på grund av starka sura tillstånd. Även om Alginat (Alg) är den mest använda naturliga mikrokapselmatrisen, ger kombinationen av Alg med natriumpolyakrylat bättre resultat baserat på forskning som jämför olika inkapslingsmetoder. Natriumpolyakrylat är en oral säker livsmedelstillsats godkänd av Food and Drug Administration (FDA) och har upprepade karboxylatgrupper längs sin molekylkedja. Som ett resultat kan den syrabuffrande effekten av natriumpolyakrylat vara bättre än småmolekylär syra. Dessutom kan bindningskapaciteten för natriumpolyakrylat med kalciumjoner vara högre än Alg på grund av den höga koncentrationen av karboxylatgrupper och den ökade flexibla naturen hos polymerkedjan.

Natriumpolyakrylat har visat sig vara användbart i läkemedelsavgivningstillämpningar. När det kombinerades med Alg kunde natriumpolyakrylat framgångsrikt inkapsla Lactobacillus plantarum MA2 och tillät bättre probiotisk leverans jämfört med en Alg mikrokapsel. Detta resultat är sant för både tunntarmen och tjocktarmen . Denna forskning har visat att Alg-PAAS(1:2) skulle kunna vara en potentiellt effektiv mikrokapselmatris vid probiotisk läkemedelstillförsel. Denna kapsel förbättrade överlevnaden för probiotikan vid resa både in vitro och in vivo .

Underhållning

Hydrogelpärlor gjorda av natriumpolyakrylat används som ammunition för gelblaster , som är luftdrivna leksakspistoler.

Säkerhet

Natriumpolyakrylat i sig irriterar inte huden. Den består av stora polymerer som inte har förmågan att infiltrera huden. Ibland blandas dock natriumpolyakrylat med akrylsyra som blir över från tillverkningsprocessen. Som en rest av att producera natriumpolyakrylat kan akrylsyra orsaka utslag i kontakt med huden. Det bör vara mindre än 300 PPM som absorberande material i pappersblöjor. Om natriumpolyakrylat används i pulverform ska det inte heller inhaleras. Om det spills i ett område med vatten kan natriumpolyakrylat göra att marken blir mycket hal. Slutligen kan natriumpolyakrylat orsaka allvarlig igensättning om det kommer ut i avlopp eller avloppssystem i stora mängder. Annars är natriumpolyakrylat giftfritt och säkert från alla större risker. Uppgifterna om dess säkerhet på miljön är inte tillräckliga, men det anses vara icke-biologiskt nedbrytbart och kan orsaka försaltning av marken när den tillsätts i stora mängder.