Polymer siêu thấm

POLYMER SIÊU THẤM VÀ ỨNG DỤNG TRONG
NÔNG NGHIỆP
SINH VIÊN: NGUYỄN THANH TIẾN
TRỊNH VĂN LƯƠNG
GVHD : TS.MAI ANH TUẤN
Néi dung
1. Mở đầu
2. Polymer siêu thấm
3. Cơ chế của polymer siêu thấm
4. Ứng dụng của Polymer siêu thấm trong
nông nghiệp tại Việt Nam
MỞ ĐẦU

Polymer là một phân tử lớn được tạo thành
bởi liên kết một số lớn các phân tử nhỏ
hơn.Trọng lượng phân tử của polymer
thông thường từ 100000 đến 1 triệu AMU
và thường chứa ít nhất khoảng 10000
nguyên tử.

Hóa học về polymer là một nhánh khá mới
của hóa học.Nó phát triển mạnh mẽ vào
khoảng những năm 1940 khi chiến tranh
thế giới lần thứ 2 xảy ra.

Những năm đầu thập niên 1980, chất liệu thấm nước
là cellulosic hoặcsản phẩm chất xơ. Những chất liệu được lựa
chọn là mô giấy, bông, vật liệu xốp, và bột giấy. Hầu hết các
chất này chỉ có khả năng giữ nước khoảng 20 lần trọng lượng
của nó.


Trong đầu năm 1960, Sở Nông nghiệp Hoa Kỳ (USDA) đã tiến
hành các nghiên cứu trên nguyên vật liệu để cải thiện việc giữ
nước trong đất. Họ phát triển một loại nhựa dựa vào việc ghép
các polyme Acrylonitrile lên khung của những nguyên tử tinh
bột. Sản phẩm của các quá trình thuỷ phân tạo ra co-polymer
Acrylonitrile-tinh bột đã hấp thu lượng nước lớn hơn 400 lần
trọng lượng của nó. Ngoài ra, các gel này có khả năng giữ lại
nước – điều mà các sợi hấp thụ không làm được.

Các polymer được biết đến như là "Super Slurp". USDA đã
chuyển giao các kỹ thuật cho một số công ty Hoa Kỳ để phát
triển các công nghệ cơ bản này. Hàng loạt các kết hợp công
nghệ đã được thử với acrylic, acid acrylamide và polyvinyl
rượu (PVA).

Do những công ty Nhật không được USDA chuyển giao công
nghệ nên họ bắt đầu nghiên cứu độc lập cách sử dụng tinh bột,
cacboxyl methyl cellulose (CMC), axít acrylic, polyvinyl
alcohol (PVA) và isobutylene maleic anhydride (IMA).
- Trong những năm đầu thập niên 1970, lần đầu tiên polyme
siêu thấm đã được sử dụng trong thương mại – không chỉ dùng
cho việc cải tạo đất – mà còn được ứng dụng trong các sản
phẩm vệ sinh sử dụng 1 lần. Những sản phẩm đầu tiên được
đưa ra thị trường là băng vệ sinh dành cho phụ nữ và sản
phẩm dành cho người lớn

Trong năm 1978, Davis Park sử dụng polymers siêu thấm
trong giấy vệ sinh.


Năm 1982, lần đầu tiên ở Châu Âu, Schickendanz và Beghin-
Say đã thêm polymer siêu thấm vào lõi thấm hút của tã giấy
em bé. Sau đó,UniCharm giới thiệu sản phẩm tã trẻ em siêu
thấm tại Nhật Bản trong khi ở Hoa Kỳ Proctor & Gamble và
Kimberly-Clark mới bắt đầu sử dụng.

Bên cạnh Polymers siêu thấm dạng hạt, ARCO phát triển một
công nghệ siêu thấm dạng sợi vào đầu những năm 1990. Công
nghệ này cuối cùng đã được bán cho Camelot Absorbents.
Hiện nay dù giá thành cao hơn polymer siêu thấm dạng hạt,
polymer siêu thấm dạng sợi được ứng dụng khá nhiều trong kỹ
thuật như sản xuất vỏ cáp, thiết bị y tế và bao bì thực phẩm.

Polymer siêu thấm (Superabsorbent Polymer-SAPs)
là vật liệu mà có khả năng thấm và giữ một thể tích
lớn nước và dung dịch nước

- Polymer siêu thấm được tổng hợp từ tinh bột biến
tính, cellulose và một số polymer khác như: polyvinyl
alcohol - PVA, polyethylene oxide – PEO…Tất cả các
polymer này đều có ái lực lớn với nước, trương nở
nhưng không hoà tan khi gặp nước.

Polymer siêu thấm thương mại hiện tại được tạo bởi các
chất trung hòa của Acid acrylic.Một trong những polymer
được dùng nhiều nhất là Natri Polyacrylate

Polymer siêu thấm được ứng dụng rộng rãi trong nông
nghiệp và vật liệu xây dựng; trong công nghiệp như hoá
dầu, sản xuất cáp, giấy, bộ cảm biến, thiết bị phòng cháy

chữa cháy, các sản phẩm sợi, trong công nghệ bảo quản
thực phẩm, đồ chơi trẻ em; trong y tế và các lĩnh vực khác.
CƠ CHẾ
1.Hydrate
Các ion của chất lỏng và các phân tử của nhóm
chức như COO- và Na+ mà có tương tác lưỡng
cực với các phân tử nước các phân tử nước
2. Liên kết Hydro

Liên kết hydro là tương tác tĩnh điện giữa các phẩn tử xảy ra
trong phân tử có nguyên tử Hydro tương tác với các nguyen tử
như N,F,O.Nguyên tử hydro tương tác với các electron độc
thân của các nguyên tử mang điện âm bên cạnh

Trong nước nguyên tử mang điện âm là oxy sẽ kéo electron
của hydro về phía nó để thiết lập một lưỡng cức phân
tử.Nguyên tử hydro mang điện dương sẽ tương tác với
electron độc thân của oxi trên phân từ nước khác

Hiệu ứng này làm giảm năng lương và tăng etronpy của hệ
thống-> Phân tán Polymer
Tại sao SAP không bị hòa tan trong nước?

Cross-links giữa các mach polymer dưới
dạng mạng 3 chiều chính là nguyên nhân
kéo các mạch polymer lại với nhau,không
làm chúng nở ra và bị hòa tan hoàn

toàn.Lực liên kết này là lực co dãn linh
động của mạng chính là nguyên nhân

Ở đây có 1 sự cân bằng giữa lực kéo của các cross-
linked và khuynh hướng nở ra của mạch

Mức độ cross-linking có tác động trực tiếp đến khả
năng giãn nở của Polymer và độ bền của mạng.Sự
tăng tỷ khối của cross-link = sự giảm của độ giẵn
nở và tăng độ đông đặc
Sự thẩm thấu và áp suất thẩm thấu
Sự thẩm thấu có thể giải thích bằng thí
nghiệm đơn giản sau:

Trong thí dụ trên hai dung dịch được ngăn các bằng một
màng bán thấm mà chỉ cho phép nước thẩm thấu qua.Nước
sẽ di chuyển từ bên trái màng xang bên phải màng cho đến
khi đạt trạng thái cân bằng.Đó là sự thẩm thấu.Ở đây áp
suất thẩm thấu đã thiết lập sự cân bằng này,đó chính là áp
suất cần thiết để ngăn ngừa nước chảy ngược từ bên phải
màng qua bên trái màng

Nếu so sánh SAP với thí dụ trên,lực hấp dẫn chính là lực
ngăn cản nước chuyển động qua màng.Và cross-linking là
yếu tố làm cho polymer ngăn cản sự hòa tan hoặc nở không
giới hạn.Bởi lực thẩm thấu là một lực có thể thắng bởi lực
bằng và ngược chiều no,nếu lưc ép vào SAP đủ lớn,SAP sẽ
không thể nở ra


Các polymer siêu thấm hiện tại có thể nở to và
hấp thụ được lượng nước gấp 800 lần trong lượng
của nó,giữ được lượng nước này rất lâu trong đất
và chống hạn rất tốt cho cây trồng.Vậy cơ chế nào
đã làm polymer siêu thấm có thể nở ra và chứa
được nhiều nước đến như thế ???
Cơ chế giãn nở của Polymer siêu thấm

Với Natri polyacrylate .Có hai nhóm chức quan trọng trên
mạch polymer,nhớm carbonyl(COOH) và nhóm Na.Khi
polymer được tiếp cúc với chât lỏng,natri sẽ tách khỏi
carbonyl để tao thành 2 ion.

Nhóm Carbonyl sẽ đẩy lẫn nhau bởi vì chúng cùng mang điện
âm,từ đó mạch natripolyacrylate sẽ tháo dần ra và giãn nở thể
tích tạo nên trạng thái gel.Sự giãn nở sẽ cho phéo nhiều chất
lỏng liên kết với mạch polymer.

Có 4 yêu tó chính tạo nên khả năng hấp thu của
natripolyacrylate đó là liên kết hydro,lực đẩy tĩnh điện,sự
thấm ướt và cross-links giữa các mạch.
Bốn yếu tố
-Ion trong mạch polymer như nhóm cacbonyl và Na tương
tác với phân tử nước thông qua tạo các liên kết hydro.
-Lực đẩy tĩnh điện giữa các nhớm cacboxyl cho phép polymer
tháo mạch và tương tác với nhiều phân tử nước hơn
-Sư thẩm thấu xuất hiện giữa hai dung dịch khác nhau về tỷ
khối thông qua một màng bán thấm sẽ làm nước chuyển
động qua màng tử nơi có tỷ khối thấp lên cao,cho tơi khi tỷ
khối của chúng bằng nhau.Trong trường hợp của Natri

Polyacrylat,một khi nguyên tử Natri tách khỏi mạch
polymer,nó sẽ chuyển động tự do
-Cross-link giữa mạch polymer sẽ giữ nó khỏi hòa tan trong
nước và các chất lỏng khác
Bốn yếu tố

Ion trong mạch polymer như nhóm cacbonyl và Na tương tác với
phân tử nước thông qua tạo các liên kết hydro.

Lực đẩy tĩnh điện giữa các nhớm cacboxyl cho phép polymer
tháo mạch và tương tác với nhiều phân tử nước hơn

Sư thẩm thấu xuất hiện giữa hai dung dịch khác nhau về tỷ khối
thông qua một màng bán thấm sẽ làm nước chuyển động qua
màng tử nơi có tỷ khối thấp lên cao,cho tơi khi tỷ khối của chúng
bằng nhau.Trong trường hợp của Natri Polyacrylat,một khi
nguyên tử Natri tách khỏi mạch polymer,nó sẽ chuyển động tự do

Cross-link giữa mạch polymer sẽ giữ nó khỏi hòa tan trong nước
và các chất lỏng khác
ỨNG DỤNG TRONG NÔNG
NGHIÊP
Một số sản phẩm tại Việt Nam:

AMS-1

VICHEMSAP4000

BIONET-PS