INFLUENCIA DE LA CONCENTRACIÓN INICIAL DE

N,N’-METILENBISACRILAMIDA EN EL COMPORTAMIENTO

DE ABSORCIÓN DE POLÍMEROS SUPERABSORBENTES

BASADOS EN EL ÁCIDO ACRÍLICO

F. Santiagoa, A.E. Mucientesb y A.M. Delgadoa

aDepartamento de Química Física, Escuela Universitaria Politécnica, Universidad de Castilla-La Mancha, Plaza de Manuel Meca s/n, 13400 Almadén, España. Francisca.Santiago@uclm.es bDepartamento de Química Física, Facultad de Químicas, Universidad de Castilla-La Mancha, Avda Camilo José Cela 10, 13071 Ciudad Real, España. Antonio.Mucientes@uclm.es

INTRODUCCIÓNLos polímeros superabsorbentes son polímeros hidrofílicos entrecruzados capaces de absorber y retener (incluso bajo presión) grandes cantidades de fluidos acuosos en comparación con los absorbentes tradicionales1.

APLICACIONES DE POLÍMEROS SUPERABSORBENTES

Productos para la higiene personal2 (pañales, toallitas húmedas, compresas higiénicas,...).

Otras aplicaciones3: retención de agua en agricultura y horticultura, protectores contra incendios, preparación de nieve artificial, “músculos artificiales” en robótica, sistemas de liberación controlada de drogas terapeúticamente activas, control de escapes y vertidos tóxicos, etc.

1Riccardo, P., J. Macromol. Sci., Rev. Macroml. Chem. Phys. 1994, C34, 607.2Shiga, T., Hirose, Y., Okada, A. and Kurauchi, T., J. Appl. Polym. Sci. 1992, 44, 249.3Kobayashi, T., Kobunshi 1987, 36, 612.

OBJETIVOS Síntesis de polímeros superabsorbentes a base de ácido acrílico parcialmente neutralizado, capaces de absorber y retener agua, y con una rigidez y velocidad de absorción adecuadas.

Estudio de la influencia de la concentración de agente entrecruzante en el comportamiento de absorción de los polímeros en agua desionizada y en disolución salina (0,2 % en peso de NaCl).

Deducción de un modelo para la cinética de absorción de dichos polímeros.

Estudio del proceso de difusión del agua en los polímeros entrecruzados de ácido acrílico parcialmente neutralizado.

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTALCopolimerización del ácido acrílico parcialmente neutralizado

La disolución de ácido acrílico parcialmente neutralizado es adicionada al reactor junto con el iniciador y el entrecruzante, manteniéndose burbujeo de nitrógeno y agitando durante toda la reacción.

• El reactor estuvo conectado a un baño termostático que mantenía la temperatura constante e igual a 60 ºC.

• La reacción se continuó durante dos horas. El hidrogel resultante es cortado en trozos de 2-5 mm. Los copolímeros se aislan mediante precipitación en exceso de metanol.

Preparación de las muestras de polímero para las pruebas de absorción

• Filtrado y secado del polímero a T = 40 ºC.

• Molienda y tamizado del polímero hasta un tamaño de partícula de 250-300 µm.

• Mezcla de 0,200 g de polímero y 400 ml de agua.

• Medida de la absorción.

RESULTADOS EXPERIMENTALES

Figura 1: Absorción de equilibrio para diferentes concentraciones de entrecruzante.

Tamaño de partícula = 250 – 300 µm; [AA] = 2 M; [I] = 1/1000 de monómero; %

neutralización = 50 y T = 60 ºC. (·) disolución salina de NaCl 0,2 % y (-) agua desionizada.

0

100

200

300

400

500

600

700

0 0.25 0.5 0.75 1 1.25 1.5

[NMBA] (%)

Abs

orci

ón d

e eq

uilib

rio (g

/g)

Figura 2:Cinéticas de absorción en agua desionizada.

0 250 500 750 1000 1250 1500 1750 20000

100

200

300

400

500

600

(f)(e)(d)

(c)

(b)

(a)

Ab

so

rció

n (

g/g

)

Tiempo (s)

Tamaño de partícula = 250 – 300 µm; [AA] = 2 M; [I] = 1/1000 de monómero; % neutralización = 50 y T = 60 º C. (a) [NMBA] = 0,025 mol%; (b) 0,050 mol%; (c) 0,25 mol%; (d) 0,50 mol%; (e) 1,00 mol% and (f) 1,40 mol%.

Figura 3: Cinéticas de absorción en disolución salina.

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 16000

20

40

60

80

100

(d)

(c)

(f)

(e)

(b)

(a)

Ab

sorc

ión

(g

/g)

Tiempo (s)

Tamaño de partícula = 250 – 300 µm; [AA] = 2 M; [I] = 1/1000 de monómero; % neutralización = 50 y T = 60 º C. (a) [NMBA] = 0,025 mol%; (b) 0,050 mol%; (c) 0,25 mol%; (d) 0,50 mol%; (e) 1,00 mol% and (f) 1,40 mol%.

APLICACIÓN DEL MODELO DE VOIGT A LAS

VELOCIDADES DE ABSORCIÓN

ε (t) = σo/E (1 – e (to – t)/τo)

ε = Grado de absorción.

σo/E = Resistencia del absorbente a la expansión.

τo = Resistencia a la permeación.

[NMBA](%)[NMBA](%) 0,0250,025 0,0500,050 0,100,10 0,250,25 0,500,50 1,01,0 1,41,4

σσoo/E (g/g)/E (g/g) 597,50597,50 404,61404,61 237,13237,13 158,09158,09 78,2178,21 64,7964,79 39,5839,58

ττoo (s)(s) 93,4693,46 71,9471,94 70,4270,42 23,7523,75 12,1112,11 10,0310,03 9,529,52

[NMBA](%)[NMBA](%) 0,0250,025 0,0500,050 0,100,10 0,250,25 0,500,50 1,01,0 1,41,4

σσoo/E (g / g)/E (g / g) 96,7896,78 80,2380,23 72,5172,51 77,7577,75 54,3954,39 45,0945,09 36,1036,10

ττoo (s)(s) 24,3924,39 16,9516,95 18,8018,80 20,9620,96 9,649,64 8,208,20 11,4011,40

Tabla 1: Parámetros σo/E y τo para las cinéticas de absorción de agua desionizada.

Tabla 2: Parámetros σo/E y τo para las cinéticas de absorción de una disolución salina (0,2 % en peso de NaCl).

Tamaño de partícula = 250 – 300 µm; [AA] = 2 M; [I] = 1/1000 de monómero; % de neutralización = 50 y T = 60 ºC.

ESTUDIO DEL PROCESO DE DIFUSIÓN DEL AGUA EN LOS POLÍMEROS ENTRECRUZADOS DE ÁCIDO ACRÍLICO

[NMBA[NMBA]]

0,025%0,025% 0,05%0,05% 0,1%0,1% 0,25%0,25% 0,5%0,5% 1,0%1,0% 1,4%1,4%

t (s)t (s) Porcentajes de absorción de agua desionizadaPorcentajes de absorción de agua desionizada

ττo o /8/8 11,82%11,82% 11,21%11,21% 11,70%11,70% 11,47%11,47% 11,21%11,21% 11,19%11,19% 11,34%11,34%

ττo o /4/4 22,25%22,25% 21,11%21,11% 22,03%22,03% 21,59%21,59% 21,09%21,09% 21,07%21,07% 21,34%21,34%

ττoo 63,54%63,54% 60,32%60,32% 62,98%62,98% 61,69%61,69% 60,29%60,29% 60,24%60,24% 61,02%61,02%

22 τ τoo 86,98%86,98% 82,51%82,51% 86,15%86,15% 84,38%84,38% 82,47%82,47% 82,38%82,38% 83,47%83,47%

[NMBA][NMBA]

0,025%0,025% 0,05%0,05% 0,1%0,1% 0,25%0,25% 0,5%0,5% 1,0%1,0% 1,4%1,4%

t (s)t (s) Porcentajes de absorción de la disolución salinaPorcentajes de absorción de la disolución salina

ττo o /8/8 11,37%11,37% 11,78%11,78% 10,92%10,92% 11,42%11,42% 11,62%11,62% 11,78%11,78% 12,11%12,11%

ττo o /4/4 21,41%21,41% 22,18%22,18% 20,56%20,56% 21,48%21,48% 21,87%21,87% 22,16%22,16% 22,83%22,83%

ττoo 61,18%61,18% 63,38%63,38% 58,77%58,77% 61,42%61,42% 62,51%62,51% 63,33%63,33% 65,20%65,20%

22 τ τoo 83,68%83,68% 86,71%86,71% 80,38%80,38% 84,03%84,03% 85,51%85,51% 86,64%86,64% 89,18%89,18%

Tamaño de partícula = 250 – 300 µm; [AA] = 2 M; [I] = 1/1000 de monómero; % de neutralización = 50 y T = 60 ºC.

CONCLUSIONESPRIMERA:

Se ha observado que la absorción de equilibrio disminuye a medida que aumenta la concentración de agente entrecruzante para todos los polímeros sintetizados. Este hecho puede explicarse teniendo en cuenta que la cantidad de líquido que un superabsorbente puede absorber depende de la densidad de entrecruzamiento de tal manera que una menor densidad de entrecruzamiento da lugar a una mayor capacidad de hinchamiento.

SEGUNDA:Los resultados experimentales muestran que la absorción de equilibrio en la

disolución salina es menor que en agua desionizada, siendo esta diferencia en la absorción mayor a menor concentración de NMBA. Este decrecimiento en la absorción puede ser explicado por la disminución en la diferencia de presión osmótica entre el polímero y la solución externa.

TERCERA:En los polímeros sumergidos en agua desionizada se observa que la velocidad de

absorción inicial disminuye a medida que aumenta la concentración de entrecruzante. Sin embargo, en los polímeros introducidos en la disolución salina, la velocidad de absorción inicial no tiene una dependencia clara con la densidad de entrecruzamiento.

CUARTA:Los resultados obtenidos para la velocidad inicial de absorción indican que Vo depende de

la naturaleza de la solución externa de tal forma que se obtienen velocidades mayores para la absorción de agua desionizada que para la absorción de la disolución salina.

QUINTA:El error medio (6,36 %) encontrado indica que las velocidades de absorción se ajustan

apreciablemente bien a la relación exponencial de Voigt para los geles sumergidos en la disolución salina.

SEXTA:Para los polímeros en agua desionizada se obtienen errores mayores (9,88 %). La

diferencia entre el valor experimental y el teórico es tanto más elevada cuanto menor es el tiempo de absorción. También se observó que las discrepancias entre el valor experimental y el teórico se minimizan considerablemente con el aumento de la concentración de entrecruzante a cualquier tiempo de absorción.

SÉPTIMA:

Finalmente se ha comprobado que el mecanismo de transporte del agua o de la disolución salina a través de los hidrogeles cambia del tipo II en los estados iniciales al tipo I hacia los estados finales del proceso de absorción.