Maleinsäure als wichtiges Monomer bei der Reizsynthese

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 3511 (2023) Diesen Artikel zitieren

Das superabsorbierende Polymer Poly(acrylsäure-co-acrylamid-co-maleinsäure) (p(AA-co-AM-co-MA)) wurde aus Acrylsäure (AA), Acrylamid (AM) und Maleinsäure (MA) synthetisiert. durch freie radikalische Copolymerisation. Die Ergebnisse zeigten, dass das Vorhandensein von Maleinsäure in der Struktur des Superabsorbers die entscheidende und überlegene Rolle bei der Schaffung eines intelligenten Superabsorbers spielt. Die Struktur, Morphologie und Festigkeit des Superabsorbers wurden mithilfe von FT-IR-, TGA-, SEM- und Rheologieanalysen charakterisiert. Um die Wasseraufnahmefähigkeit des Superabsorbers zu bestimmen, wurde der Einfluss verschiedener Faktoren untersucht. Unter optimierten Bedingungen betrug die Wasseraufnahmekapazität des Superabsorbers in destilliertem Wasser (DW) 1348 g/g und in einer Lösung mit 1,0 Gew.-% NaCl (SCS) 106 g/g. Auch das Wasserrückhaltevermögen des Superabsorbers wurde untersucht. Die kinetische Quellung von Superabsorbern wurde durch Fickian-Diffusion und Schotts Pseudo-Modell zweiter Ordnung identifiziert. Darüber hinaus wurde die Wiederverwendbarkeit von Superabsorbern in destilliertem Wasser und Kochsalzlösung untersucht. Die Fähigkeit von Superabsorbern wurde in simulierten Harnstoff- und Glucoselösungen untersucht und es wurden sehr gute Ergebnisse erzielt. Die Reaktionsfähigkeit des Superabsorbers wurde durch Quell- und Schrumpfverhalten gegenüber Änderungen der Temperatur, des pH-Werts und der Ionenstärke bestätigt.

Eines der wichtigsten Industriematerialien der Welt sind superabsorbierende Polymere (SAPs). Die weltweite Nachfrage nach der Herstellung von SAPs ist sehr groß, da sie in Krankenhausbetteinlagen, Baby- und Erwachsenenwindeln1 sowie in der Landwirtschaft2, der Lebensmittelverarbeitung3, der Wasser-/Abwasseraufbereitung3, der Gewebetechnik4, Sensoren5 und der Arzneimittelverabreichung6 verwendet werden. SAPs sind eine Art hydrophile Hydrogele, die große Mengen Wasser oder andere wässrige Lösungen bis zum Hundertfachen ihres Trockengewichts absorbieren und speichern können. Diese dreidimensionalen Polymernetzwerke lösen sich aufgrund chemischer oder physikalischer Vernetzungen nicht in Wasser und physiologischen Lösungen7. Obwohl der Herstellung von Superabsorbern aus natürlichen Materialien große Aufmerksamkeit geschenkt wurde, wurde sie aufgrund des hohen Preises dieser Materialien noch nicht industrialisiert. Dennoch sind AA und AM aufgrund ihrer einfachen Herstellung, geringen Kosten, Verfügbarkeit und schnellen Polymerisation die besten Monomere in der Branche zur Synthese von Superabsorbern8,9. AA und AM weisen eine hohe Hydrophilie, ausgezeichnete Flexibilität, Chelateigenschaften und biologische Abbaubarkeit auf10. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass die Copolymerisation von AA und AM in einem Polymernetzwerk die Festigkeit des Gels verbessern kann11. Andererseits ist Maleinsäure (MA) die andere industriell synthetische Verbindung, die aufgrund ihrer geringeren Kosten, guten Verträglichkeit und Ungiftigkeit in letzter Zeit bei der Herstellung von Polymeren an Popularität gewonnen hat12,13. Daher ist die Herstellung eines neuartigen Superabsorbers mit diesen günstigen Molekülen und wertvollen Eigenschaften von entscheidender Bedeutung.

Empfindliche Hydrogele haben aufgrund ihrer Absorption/Freisetzung von Materialien und ihres Quell-/Entquellverhaltens als Reaktion auf physikalische, chemische und biologische Reize große Aufmerksamkeit auf sich gezogen14,15,16. Dabei sind Temperatur, pH-Wert und Ionenstärke sehr wichtig, da sie einfach sind und keine komplexen Geräte und teuren Materialien erforderlich sind17. Bei der Herstellung temperaturempfindlicher Hydrogele wurde nachgewiesen, dass das Vorhandensein hydrophiler und hydrophober funktioneller Gruppen eine entscheidende Rolle spielt18. Wenn hydrophile Monomere mit N-Isopropylacrylamid (mit hydrophobem Isopropylanteil) copolymerisiert werden, entsteht ein temperaturempfindliches Hydrogel19. Auch Chitosan, Cellulose, Gelatine und Poloxamere sowie deren Derivate sind geeignete Ausgangsmaterialien für die Synthese thermoresponsiver Hydrogele20. Andererseits wurde angegeben, dass das Vorhandensein anionischer und kationischer funktioneller Gruppen eine entscheidende Rolle bei der Synthese pH-empfindlicher Hydrogele spielt21,22,23. Wenn Acrylsäurederivate mit natürlichen Polymeren wie Carboxymethyldextran, Albumin, Gelatine, Alginat und Chitosan reagieren, werden pH-responsive Hydrogele synthetisiert21,22,23. Daher kann es bei der Herstellung intelligenter Hydrogele sehr wichtig sein, eine neue Monomerstruktur in der Produktion zu finden. Thermo- und pH-empfindliche Eigenschaften können daher sehr wichtig sein. Es gibt keinen intelligenten Superabsorber aus AA-, AM- und MA-Monomeren.

Daher wird in diesem Artikel nicht nur die Synthese eines hochwertigen Superabsorbers unter Verwendung billiger und verfügbarer Ausgangsmaterialien beschrieben (Schema 1), sondern auch MA als wichtiges Monomer bei der Herstellung eines intelligenten Superabsorbers eingeführt, der auf verschiedene Reize wie Temperatur reagieren kann , pH- und Ionenstärkemedien.

Synthese von p (AA-co-AM-co-MA) und seine vorgeschlagene Struktur.

N,N'-Methylenbisacrylamid (98 %) (MBA), Acrylamid (99,9 %), Maleinsäure (99 %), Acrylsäure (99 %), Natriumhydroxid und Ammoniumpersulfat (98 %) (APS) wurden bereitgestellt Analysequalität von Merck.

Zur Herstellung des intelligenten Superabsorbers (p(AA-co-AM-co-MA)) wurden AA (1,80 g, 25 mmol), AM (0,73 g, 10 mmol) und MA (1,47 g, 12 mmol) vollständig gelöst in 13 mL DW im Becherglas mit einem Magnetrührer mischen. Anschließend wurden NaOH (2,00 g, 50 mmol) und MBA (0,0045 g, 0,029 mmol) zur Reaktionsmischung gegeben. Anschließend ließ man die Lösung auf über 60 °C erhitzen. Anschließend wurden (0,018 g, 0,079 mmol) APS in die vorherige Lösung gegossen und die Polymerisationsreaktion 2 Stunden lang durchgeführt. Anschließend wurde der vorbereitete Superabsorber bei Raumtemperatur getrocknet. Anschließend wurde der erhaltene Superabsorber in DW eingetaucht, um Homopolymere und nicht reagierte Materialien zu entfernen. Abschließend wurde der erhaltene Superabsorber im Ofen bei 60 °C getrocknet.

Alle Reaktionen der Optimierungsstufen wurden auf die gleiche Weise durchgeführt, jedoch mit unterschiedlichen Mengen an AM, AM, MA, APS, NaOH und MBA. Darüber hinaus wurde der p(AA-co-AM)-Superabsorber mit dieser Methode ohne Verwendung des MA-Monomers hergestellt.

FT-IR-Spektren wurden bei Raumtemperatur unter Verwendung der KBr-Scheibenmethode mit einem JASCO FT/IR-6300-Spektrometer erhalten, um funktionelle Gruppen in Polymerketten zu identifizieren. Zur Bestimmung der Festigkeit des Superabsorbers wurde eine rheologische Charakterisierung mit Maschinen vom Typ Anton-Paar Physica MCR 301 durchgeführt. Die thermische Stabilität wurde durch thermogravimetrische Analyse (TGA-Perkin Elmer) von 25 bis 800 °C mit einer Heizrate von 10 °C/min unter N2-Fluss bewertet. Zur Untersuchung der Morphologie des Superabsorbers wurde ein DME Dualscop C-26-Mikroskop verwendet. Zur Kontrolle des pH-Werts der Lösungen wurde ein Metrohm-pH-Meter (827 pH lab) verwendet. Zur Durchführung dieser Analysen (FT-IR, Rheologie, TGA und FE-SEM) wurde ein Gefriertrockner FD-5005-BT verwendet, um die Superabsorber p(AA-co-AM-co-MA) und p(AA) zu lyophilisieren -co-AM), bei −75 °C für 48 h.

Für die Berechnungen wurden drei gleiche Proben verwendet und die Ergebnisse als Durchschnitt ausgedrückt.

Eine bestimmte Menge des Superabsorbers wurde 24 Stunden lang in verschiedene Lösungen (einschließlich Lösungen mit unterschiedlichem pH-Wert und verschiedene Arten von Salzlösungen) bei 25 °C eingetaucht. Anschließend wurde der gequollene Superabsorber aus der Lösung entnommen und das Wasserabsorptionsvermögen nach Gl. berechnet. (1).24

In dieser Gleichung sind Q (g/g), W1 und W0 die Wasserabsorptionskapazität bzw. das Quell- bzw. Trockengewicht des Superabsorbers.

Das Quell-/Schrumpfverhalten des Superabsorbers wurde mit der typischen gravimetrischen Methode gemessen. Zunächst wurde die getrocknete Probe in einem wässrigen Medium mit klaren Merkmalen und besonderen Bedingungen (hinsichtlich Ionenkonzentration, pH-Wert und Temperatur) gequollen. Als nächstes wurde der gequollene Superabsorber vom Medium getrennt und zu bestimmten Zeitpunkten gewogen. Anschließend wurde der gequollene Superabsorber zur Beobachtung des Ausmaßes der Schrumpfung in ein anderes Medium mit anderen Eigenschaften und Bedingungen gegeben. Dann wurde sein Gewicht gemessen, solange es geschwollen war. Diese Quell- und Schrumpfungsuntersuchungen wurden über drei Zyklen durchgeführt.

Um die Kinetik der Wasserabsorptionsfähigkeit zu bestimmen, wurde ein Gramm des Superabsorbers in überschüssigem DW oder SCS eingeweicht und die Menge an Q berechnet. Diese kinetischen Daten wurden bei gleichen Zeitabständen aufgezeichnet. In den nachfolgenden Studien wurden ein Fickian-Diffusionsmodell (Gleichung 2) und ein kinetisches Modell pseudo-zweiter Ordnung (Gleichung 3) angewendet, um die Q-Mengen zu verschiedenen Zeiten (t) anzupassen9,24.

In der obigen Gleichung beträgt die Wasserabsorptionsfähigkeit des Superabsorbers zum Zeitpunkt t und nach Erreichen des Gleichgewichts Qt (g/g) bzw. Qe (g/g). In Gl. (2) K und n entsprechen der charakteristischen Konstante bzw. dem Diffusionsexponenten des Superabsorbers. K2 ist die Geschwindigkeitskonstante der Quellung in Gl. (3).

Um die Menge der superabsorbierenden Wasserretention zu ermitteln, wurden die Proben bei Äquilibrierung (Qe) in DW oder SCS gewogen. Im folgenden Schritt wurden die Proben bei verschiedenen Temperaturen von 25 und 50 °C in einen Ofen gegeben. Danach wurde jede Probe neun Stunden lang einmal pro Stunde (Qt) gewogen. Die Wasserretention (Wr) wurde nach Gleichung berechnet. (4)25.

Um bei der Synthese von ap(AA-co-AM-co-MA)-Superabsorbern eine überlegene Bedingung mit maximaler Wasserabsorptionsfähigkeit zu finden, wurden verschiedene Parameter in DS oder SCS berücksichtigt. Um die gewünschte Menge an Ausgangsmaterialien zu finden, wurden die Mengen an AA, AM, MA, APS, NaOH und NMBA geändert. Um die optimale Menge einer Substanz zu erhalten, wurden die Mengen der anderen Materialien konstant gehalten. Die Ergebnisse verschiedener Parameter sind wie folgt:

Die Variation der Menge an AA-Monomer auf die Fähigkeit der Wasseraufnahmefähigkeit wurde untersucht (Abb. 1a). Es wurde festgestellt, dass die maximale Wasserabsorptionskapazität in DW 816 ± 79 g/g und in einem SCS 78 ± 4 g/g bei einer Menge von 1,80 g AA-Monomer betrug. Zunächst wird die Wasseraufnahmefähigkeit durch die Zugabe des AA-Gehalts erhöht. Acrylsäure ist ein Monomer, das die Flexibilität des Superabsorbers bewirkt. Mit zunehmender Flexibilität nimmt die Wasseraufnahmemenge des Superabsorbers zu. Die Wasserabsorptionskapazität nimmt nach Erreichen des Maximums ab, da durch die Erhöhung der Konzentrationen von AA eine Homopolymerisation mit größerer Geschwindigkeit erreicht wurde und die restlichen Moleküle nicht an der Reaktion teilnehmen26. Dadurch wurden synergistische Effekte anderer funktioneller Gruppen reduziert. Danach nimmt durch die Zugabe von AA der Anteil von MA sofort ab und bei 3,6 g von AA entfällt die Rolle von MA vollständig. Anschließend erfolgt die Polymerisation zwischen AA und AM, und durch erneute Erhöhung der AA-Anzahl durch Hinzufügen von Flexibilität entlang der Ketten wird die Menge der Wasserabsorption auf bis zu 556 g/g Wasserabsorptionsfähigkeit bei 5,67 g AA (die zweitmaximale Wasserabsorptionsfähigkeit) verbessert ). Danach nimmt die Wasseraufnahmefähigkeit aufgrund der AA-Homopolymerisation und der Bildung von Vernetzern zwischen Säuregruppen wieder ab.

Die Wasserabsorptionskapazität des p(AA-co-AM-co-MA)-Superabsorbers unter dem Einfluss der folgenden Variablen: (a) Menge an AA. (b) Menge an AM. (c) Menge an APS-Initiator. (d) Menge an MBA-Vernetzer. (e) Neutralisierungsbetrag. (f) Reaktionszeit. Daten für DW (blaue Farbe), Daten für SCS (rote Farbe).

AM wurde als nichtionisches Monomer verwendet und optimiert, da es eine hervorragende Salzbeständigkeit aufweist27. Abb. 1b zeigt die Auswirkung der AM-Mengen auf die Wasseraufnahmekapazität. Die Ergebnisse zeigten, dass die maximale Absorptionskapazität bei DS 1348 ± 153 g/g erreichte und bei SCS mit 0,73 g AM um 106 ± 10 g/g zunahm. Der anfängliche Anstieg bis zum ersten Maximum ist auf die hydrophile Natur des AM-Monomers zurückzuführen. Nach dem Maximum verringert sich, ähnlich wie bei zunehmendem AA, der Anteil von MA (das das Hauptmaterial im Absorptionsfaktor darstellt) durch Zugabe von AM. Wenn die AM-Menge 1,35 g erreicht hat, wird MA vollständig entfernt. Dann erhöht sich die Menge an Wasserabsorptionsfähigkeit wieder durch die Akkumulation der Menge an AM, was auf die Hydrophilie der Amidgruppen zurückzuführen ist. Doch der Anstieg setzte sich nicht fort. Der Rückgang der Wasseraufnahmefähigkeit nach 1,59 ist auf die zunehmende Viskosität des Mediums zurückzuführen, die die Bewegung freier Radikale und aktiver Reaktantenspezies im Medium verhindert28.

Änderungen der MSA-Konzentration zeigten, dass diese Verbindung mit 1,47 g die maximale Wasseraufnahmemenge aufweist. Aber bei einer geringeren Menge als dieser Menge verringerte sich die Wasseraufnahmefähigkeit, und bei einer höheren Menge blieb der Wert der Wasseraufnahmefähigkeit konstant.

Die Veränderung der APS-Menge in Abhängigkeit von der Wasseraufnahmefähigkeit ist in Abb. 1c dargestellt. Den Ergebnissen zufolge beträgt die maximale Wasserabsorptionskapazität in DS 1348 ± 153 g/g und in SCS 106 ± 10 g/g bei einer Menge von 0,018 g APS. Studien von Allcock und Frederick zufolge verringert die erhöhte Menge des Initiators das Molekulargewicht des Polymers bei der radikalischen Polymerisation. Diese Abnahme des Molekulargewichts führt zu einer Zunahme der Polymerkettenenden25. Es scheint, dass mit zunehmendem Initiatorgehalt die Vernetzungsdichte zunimmt, was sich auf die Wasseraufnahmefähigkeit auswirkt. Die Wasserabsorptionsfähigkeit des Superabsorbers nahm ab, wenn der Initiatorgehalt weniger als 0,45 Gew.-% betrug. Möglicherweise ist dies auf den verringerten Gehalt an freien Radikalen zurückzuführen, die durch den Initiator erzeugt werden, sodass das Netzwerk nicht effektiv gebildet werden kann29.

Gemäß der Netzwerktheorie von Flory ist der Vernetzer ein wesentlicher Faktor, der die Netzwerkdichte und die Wasseraufnahmefähigkeit des Superabsorbers beeinflusst. In dieser Theorie erhöhen die zunehmenden Vernetzer die Netzwerkknoten und die Dichte30. Folglich erhöht eine höhere Menge an Vernetzer die Steifigkeit der Struktur und begrenzt die Wasseraufnahmefähigkeit30. Gemäß Abb. 1d beträgt die maximale Absorptionsfähigkeit in DS 1744 ± 87 g/g, wobei die Vernetzermenge im Bereich von 0,0030–0,0040 g liegt. Diese Menge wurde jedoch nicht als optimale Menge ausgewählt, da die Dimensionsstruktur des Superabsorbers instabil war und die mechanischen Eigenschaften vernachlässigbar waren. Bei Mengen unter 0,0030 g entsteht nur zähes Gel. Entsprechend der aus der Rheologieanalyse erhaltenen mechanischen Festigkeit wurde der hergestellte Superabsorber mit 0,0045 g Vernetzer als optimale Menge ausgewählt. Die Wasserabsorptionskapazität dieser Menge betrug in DW 1348 ± 153 g/g und in SCS 106 ± 10 g/g.

Der Neutralisationsgrad ist ein wichtiger Parameter der Polymerisationsgeschwindigkeit und der Ladungsdichte des dreidimensionalen Netzwerks. Dadurch wird die Wassermenge, die vom Superabsorber aufgenommen werden kann, erheblich beeinflusst. Der Neutralisationsgrad wurde als der Molprozentsatz der Carboxylgruppen in AA und MA definiert, die durch NaOH29 neutralisiert wurden. Die maximale Wasserabsorptionskapazität ist in Abb. 1e mit 2 g Neutralisation dargestellt und betrug 1348 ± 153 g/g bzw. 106 ± 10 g/g in DW und SCS. Die Fähigkeit, Wasser zu absorbieren, nimmt aufgrund der aktiveren Carboxylatgruppen der AA und MA mit zunehmender Neutralisationsmenge bis zu 2 g zu. Dies kann auf die Abstoßung elektrostatischer Kräfte zwischen Carboxylatgruppen zurückgeführt werden, die durch die Neutralisierung von Acrylsäure entstehen, sowie auf die Anzahl der osmotisch aktiven ionischen Carboxylatgruppen im Copolymer31. Wenn der Neutralisationsgrad mehr als 2 g beträgt, verringert sich die Wasseraufnahmefähigkeit. Dies kann auf die Hydrolyse von Vernetzern und die zunehmende Löslichkeit des Produkts aufgrund der höheren Anzahl an Carboxylatgruppen zurückzuführen sein29.

Wie in Abb. 1f gezeigt, wurde der Einfluss der Reaktionszeit auf die Wasseraufnahmefähigkeit des Superabsorbers untersucht. Nach 2 Stunden betrug die maximale Kapazität in DW 1348 ± 153 g/g und die SCS 106 ± 10 g/g. In kürzeren Zeiten ist die Polymerisation vermutlich unvollständig, was zu einer erhöhten Löslichkeit der Polymerfraktion und einer unzureichenden Bildung von Vernetzern führt. Längere Reaktionszeiten führen zu einer hohen Anzahl an Vernetzern im Polymernetzwerk, was die Dehnung der Polymerketten im Netzwerk hemmt und die Wasseraufnahmefähigkeit verringert29,32.

Den erhaltenen Ergebnissen zufolge umfassen AA (1,80 g), AM (0,73 g) und MA (1,47 g) die besten Bedingungen für die Synthese von p(AA-co-AM-co-MA)-Superabsorber mit maximaler Wasserabsorptionskapazität. und NaOH (2 g), 2 h Reaktionszeit und 60–70 °C Reaktionstemperatur. Um die Wirkung von MA zu beweisen, wurde der Superabsorber p(AA-co-AM) unter optimalen Bedingungen ohne MA synthetisiert und auch seine Wasserabsorptionskapazität gemessen (866 ± 41 g/g). Somit bestätigten die Ergebnisse die Wirksamkeit von Äpfelsäure in der Struktur des p(AA-co-AM-co-MA)-Superabsorbers.

Das FT-IR-Spektrum des p(AA-co-AM-co-MA)-Superabsorbers ist in Abb. 2a dargestellt. Die Breitbandigkeit bei 3411,5 cm−1 wird der Streckschwingung der NH-Gruppe der AM-Einheit zugeschrieben. Außerdem hat es sich mit der Streckschwingung der –OH-Gruppe der Carboxylateinheiten überlagert33. Die Bande bei etwa 2946,7 cm−1 hängt mit der C-H-Absorptionsbande der Methylengruppen von p(AA-co-AM-co-MA) zusammen. Die Absorptionsbanden bei 1723 cm−1 und 1677,7 cm−1 werden den C=O-Streckschwingungen von Carboxyl- bzw. Amidgruppen zugeordnet34,35. Außerdem hat sich die –N–H-Biegung des Amids mit dem C=O der Amidgruppen überlappt. Die Bande bei 1452,1 cm−1 wird der symmetrischen Streckschwingung −CH=CHCOO−Na+ und den asymmetrischen Streckschwingungen der Gruppen COO− bei 1569,7 cm−136 zugeschrieben. Darüber hinaus entsprechen die Banden bei 1405,8 cm−1 und 1172,5 cm−1 der C-N- und CO-Streckung der -CONH2- bzw. COOH-Einheiten37,38. Die FT-IR-Ergebnisse bewiesen eindeutig, dass der Superabsorber p(AA-co-AM-co-MA) erfolgreich hergestellt wurde. Auch der Vergleich der Änderungen der Peakintensitäten der beiden Superabsorber weist auf die erfolgreiche Copolymerisation von MA in der Struktur des Polymernetzwerks hin.

(a) FT-IR-Spektren von p(AA-co-AM-co-MA) und p(AA-co-AM) und (b) TGA und dTG von p(AA-co-AM-co-MA) und p(AA-co-AM)-Superabsorber.

Abbildung 2b zeigt die TGA- und DTG-Kurven der Superabsorber p(AA-co-AM-co-MA) und p(AA-co-AM). Die Kurven des Superabsorbers p(AA-co-AM-co-MA) zeigen eine fünfstufige Zersetzung. Der erste Schritt des Gewichtsverlusts erfolgt bei etwa 40–170 °C aufgrund des Wasserverlusts, der an der Oberfläche und in den Netzwerkporen absorbiert wird. Der zweite Schritt wurde im Bereich von 175 bis 290 °C beobachtet, was auf die Wasserabspaltung aus zwei Carboxylgruppen der MA-Einheiten und die Bildung zyklischer Anhydride zurückzuführen ist39. Im dritten Schritt, im Bereich von 260 bis 384 °C, wurden die Amidgruppen der AM-Einheiten und die Vernetzer an den Polymerketten zersetzt. Der vierte Schritt, zwischen 394 und 520 °C, erfolgt durch die Entfernung von Carboxylat- und Anhydridgruppen an der Polymerkette. Der letzte Schritt (über 520 °C) ist das Aufbrechen der Hauptpolymerketten und die Zerstörung des Polymernetzwerks40,41,42. Die Kurven des p(AA-co-AM)-Superabsorbers zeigen dagegen eine vierstufige Zersetzung. Der erste Schritt zur Gewichtsreduzierung liegt ähnlich wie beim p(AA-co-AM-co-MA)-Superabsorber aufgrund des Oberflächen- und Netzwerkwasserverlusts im Bereich von 50–218 °C. Im zweiten Schritt im Bereich von 230 bis 352 °C werden die Amidgruppen der AM-Einheiten und die Vernetzer aus den Polymerketten entfernt. Der dritte Schritt im Bereich von 360 bis 537 °C hängt mit der Zerstörung der Carboxylgruppen der AA-Einheiten aus der Polymerkette zusammen. Der vierte Zersetzungsschritt über 540 °C wird auf den Abbau der Hauptkette und der organischen Reste zurückgeführt40,41,42. Daher bestätigen die TGA- und DTG-Analysen, dass der Superabsorber p(AA-co-AM) eine Stufe weniger aufweist als der Superabsorber p(AA-co-AM-co-MA), was auf das Vorhandensein von Maleinsäure zurückzuführen ist.

Das Aussehen des Superabsorbers p(AA-co-AM-co-MA) im getrockneten und gequollenen Zustand ist in Abb. 3a,b dargestellt. Es gab einen erheblichen Unterschied zwischen getrockneten und gequollenen Superabsorbern. Die Form gequollener Superabsorber ist im Gegensatz zur flachen Form des getrockneten Superabsorbers vollständig kugelförmig.

Digitale Fotos von p(AA-co-AM-co-MA) im trockenen (a) bzw. geschwollenen Modus (b). SEM-Mikroaufnahmen von p(AA-co-AM-co-MA)-Superabsorber (c,d) und SEM-Mikroaufnahmen von p(AA-co-AM)-Superabsorber (e,f).

Abbildung 3c,d zeigt die REM-Aufnahme des Superabsorbers. Die Struktur des hergestellten Superabsorbers aus AA, AM und MA sorgte aufgrund der großen miteinander verbundenen Poren für hervorragende Oberflächen- und Absorptionsfunktionen43. Außerdem haben diese miteinander verbundenen Poren die Form großer Hohlkanäle, die die schnelle Bewegung von Wasser oder anderen Lösungsmitteln erleichtern können. Außerdem sind in Abb. 3e, f REM-Aufnahmen des Superabsorbers p(AA-co-AM) dargestellt. Dies weist darauf hin, dass Struktur und Größe der Poren im Verhältnis zur Oberfläche des p(AA-co-AM-co-MA)-Superabsorbers unterschiedlich sind. Dies kann auf die Beteiligung des MA-Monomers zurückgeführt werden.

Mittels rheologischer Analyse wurden die viskoelastischen Eigenschaften der hergestellten Superabsorber untersucht. Zu diesem Zweck wurde zunächst der lineare viskoelastische Bereich des Superabsorbers, LVE (linear viskoelastisch), durch Stress-Sweep-Tests bestimmt. In diesem Bereich hängen der Speichermodul (G‘) und der Verlustmodul (G‘‘) nicht von der angelegten Spannung ab (Abb. 4a). Außerdem zeigt diese Abbildung, dass der Superabsorber mit geringerer Absorptionsfähigkeit (1347,72 ± 153,09 g/g in DW) eine größere kritische Spannung (σc) aufweist als der Superabsorber mit höherer Absorptionsfähigkeit (1743,59 ± 86,83 g/g in DW). Dies weist auf eine größere Widerstandsfähigkeit gegenüber äußeren Belastungen hin. Ein weiterer wichtiger rheologischer Parameter zur Bestimmung der Festigkeit des Gels ist der Dämpfungskoeffizient (tan δ). Abbildung 4b zeigt die Darstellung des Schubspannungsdämpfungskoeffizienten. Ein Anstieg des tan δ weist auf flüssiges Verhalten hin (tan δ größer als 1), während eine Abnahme des Werts auf feststoffartiges (gelartiges) Verhalten hinweist (tan δ kleiner als 1)44. Kleinere tan δ-Werte weisen auf stärkere Wechselwirkungen innerhalb des Polymersystems hin45. Wie in Abb. 4b gezeigt, lag der tan δ-Wert des Superabsorbers mit hoher Saugfähigkeit eher nahe bei 1, was darauf hindeutet, dass er ein eher flüssigkeitsähnliches Verhalten (geringere Gelstärke) aufwies. Daher zeigte sich, dass die Wasserabsorptionskapazität und die Gelstärke in einem umgekehrten Zusammenhang stehen44, außerdem wurden die Phasenwinkel von zwei Superabsorbern untersucht. Der Phasenwinkel eines perfekt elastischen Materials beträgt 0° (0 π rad) und der eines perfekt viskosen Materials beträgt 90° (π/2 rad)46. Aus den Ergebnissen ist ersichtlich, dass der Ablenkungswinkel des Superabsorbers mit geringerer Saugfähigkeit (1347,72 ± 153,09 g/g) in einem Spannungsbereich (0,1–1) nahe dem von vollständig elastischem Material liegt (Abb. 4c). Im Gegensatz dazu liegt der Superabsorber mit höherer Saugfähigkeit nahe am viskosen Material.

Viskoelastische Eigenschaften der in DW gequollenen Superabsorber: (a) G' und G" als Funktion der Scherspannung, (b) tan δ gegenüber der Scherspannung, (c) Ablenkungswinkel gegenüber der Scherspannung und (d) G' und G " versus Häufigkeit für die quellenden Superabsorber.

Im Anschluss an die Stress-Sweep-Experimente wurden die Frequenz-Sweep-Tests im Bereich von 0,1 bis 1000 rad/s durchgeführt. Abbildung 4d zeigt die Ergebnisse dieser Experimente. Die G′-Werte des Superabsorbers mit geringerer Absorptionsfähigkeit waren bei allen Frequenzen deutlich höher als die G″-Werte, was auf ein eher feststoffartiges (gelartiges) Verhalten hinweist. Somit hatte das Gel dieses Superabsorbers mit geringerer Saugfähigkeit eine größere Festigkeit als das Gel des Superabsorbers mit höherer Saugfähigkeit44. In Gelen des Superabsorbers mit geringerer Saugfähigkeit ist G′ größer als G″, was zeigt, dass das elastische Verhalten das viskoelastische Verhalten überwiegt. Darüber hinaus sind die Proben bei höheren Frequenzen tendenziell steifer, da ihre Flexibilität abnimmt47.

Wie in Abb. 5a, b gezeigt, sind die Quellkinetikkurven in DW und SCS für den Superabsorber p(AA-co-AM-co-MA) ähnlich. Wie dargestellt, steigt die Wasseraufnahmefähigkeit sowohl bei DW als auch bei SCS in den ersten Schritten schnell an und steigt dann allmählich an, um ein Gleichgewicht zu erreichen. Dieses Schwellungsverhalten kann durch Schwankungen der osmotischen Druckunterschiede erklärt werden. In der Struktur des p(AA-co-AM-co-MA)-Superabsorbers ist der osmotische Druckunterschied zunächst aufgrund des Vorhandenseins hydrophiler Gruppen sowie der elektrostatischen Abstoßung zwischen funktionellen Carboxylatgruppen (anionischen Gruppen) von Bedeutung. Dadurch können die Wassermoleküle leicht in das superabsorbierende Polymernetzwerk eindringen, was die Quellgeschwindigkeit erhöht. Dennoch wird der osmotische Druckunterschied durch die Erhöhung der Wassermoleküle im Netzwerk verringert. Dadurch verlangsamt sich die Schwellungsrate allmählich und erreicht ein Gleichgewicht48.

Quellkinetik des Superabsorbers p(AA-co-AM-co-MA) (a,b). Es werden zwei klassische kinetische Theoriemodelle untersucht (c) die ln t-Abhängigkeit von ln f und (d) Beziehungen von t/Qt mit t für p(AA-co-AM-co-MA)-Superabsorber.

Das Fickian-Diffusionsmodell wurde auch angewendet, um den Mechanismus des Eindringens von Wassermolekülen in den Superabsorber in DW und SCS im ersten Schritt zu erklären. Zu diesem Zweck wurde ln (f) gegen ln (t) aufgetragen, um die Beträge von n (Steigung) und k (Achsenabschnitt) basierend auf Gleichung zu ermitteln. (2) (Tabelle 1). In Abb. 5c zeigen die Kurven gute lineare Korrelationen. Basierend auf der Kategorie des Diffusionsmechanismus7,24 wird das Wasserabsorptionsverhalten von Superabsorbern in DW sowohl durch die Ficksche Diffusion als auch durch die Polymerkettenrelaxation (Nicht-Ficksche Diffusion) bestimmt. Dagegen wird die Wasseraufnahmefähigkeit in SCS durch die Ficksche Diffusion dominiert.

Zur Untersuchung des kinetischen Mechanismus wurde ein Pseudo-Modell zweiter Ordnung angewendet. Unter Verwendung von Gl. (3) Die Auftragung von t/Qt gegen die Zeit wurde in DS und SCS erstellt (Abb. 5d). Tabelle 1 listet auch die berechneten kinetischen Parameter auf. Aufgrund der hohen Korrelationskoeffizienten (R2) in DW und SCS ist das kinetische Modell pseudo-zweiter Ordnung geeignet, das kinetische Verhalten von Superabsorbern zu beschreiben. Auch die experimentellen Ergebnisse für dieses kinetische Modell wurden durch die Verwendung der berechneten Qe, cal-Beträge nahezu bestätigt.

Für die praktische Anwendung von Superabsorbern ist die Messung ihres Wasserrückhalteverhaltens von großer Bedeutung. Daher ist die Wasserretentionszeit von p(AA-co-AM-co-MA) in DW und SCS bei verschiedenen Temperaturen (25 und 50 °C) in Abb. 6 dargestellt Superabsorber waren unter verschiedenen Bedingungen unterschiedlich. Als der Superabsorber in Kochsalzlösung bei zwei Temperaturen und in DW bei 50 °C gegeben wurde, ging schnell eine große Menge Wasser verloren. Dieses Verhalten wurde jedoch für DW bei 25 °C nicht beobachtet. Die Ergebnisse zeigen, dass die Wasserretention des Superabsorbers 63,54 % bzw. 9,36 % im DW bei 25 bzw. 50 °C beträgt. Auch Wassereinlagerungen in der 1wt. Die prozentuale NaCl-Lösung beträgt 11,98 % bzw. 0,96 % bei 25 bzw. 50 °C für 9 Stunden. Die Wasserrückhaltung kann auf die Wasserstoffbrückenbindung und die Van-der-Waals-Kraft zwischen den Wassermolekülen und dem Superabsorber zurückgeführt werden49. Aus diesen Ergebnissen ist ersichtlich, dass mit steigender Temperatur das Wasserrückhaltevermögen stark abnimmt. Die Ursache für dieses Verhalten hängt wahrscheinlich mit der Schwächung der H-Bindungen und ihrem Zusammenbruch bei hohen Temperaturen zusammen50.

Die Wasserretentionsrate von p(AA-co-AM-co-MA) Superabsorber bei (a) 25 °C und (b) 50 °C in DW (blaue Farbe) und SCS (rote Farbe).

Die Wiederverwendbarkeit und das Wiederaufquellen des Superabsorbers sind wesentliche Faktoren für seine Effizienz. Zu diesem Zweck wurde ein Gramm des Superabsorbers entweder in DW oder SCS getränkt, um ein Gleichgewicht zu erreichen. Anschließend wurde die Probe getrocknet und für nachfolgende Messungen verwendet. Abbildung 7 zeigt die Wiederverwendbarkeit des Superabsorbers p(AA-co-AM-co-MA) in DW und SCS. Dementsprechend wurde recycelter Superabsorber durchgehend in fünf Zyklen unter gleichen Bedingungen eingesetzt. Nach jeder Wiederverwendung nimmt die Wasseraufnahmefähigkeit des Superabsorbers ein wenig ab und er kann nach fünf Wiederquellzeiten 876 g/g bzw. 48 g/g Lösungen (DW und SCS) absorbieren. Diese hohe Saugfähigkeit nach fünf Zyklen ist möglicherweise auf sein stabiles Polymernetzwerk zurückzuführen51. Der Zusammenbruch der physikalischen Vernetzung in der superabsorbierenden Struktur kann zu einer schwachen Wasserretention führen und letztendlich die Wasseraufnahmekapazität verringern52.

Wiederverwendbarkeit von p(AA-co-AM-co-MA) in (a) DW und (b) SCS.

Um die mögliche Anwendung des vorbereiteten Superabsorbers zu erweitern, wurde deren Absorptionskapazität in vier Arten simulierter biologischer Flüssigkeiten untersucht, darunter synthetischer Urin, physiologische Kochsalzlösung, Harnstofflösung und D-Glucose. Unter den simulierten physiologischen Flüssigkeiten war die Kapazität des Superabsorbers in Harnstofflösung im Vergleich zum DW-Medium größer. Außerdem war die Absorptionskapazität des Superabsorbers in der D-Glucose-Lösung und im DW gleich. Die Saugfähigkeit von Superabsorbern in synthetischem Urin und physiologischem Salzwasser war verringert (Abb. 8). Diese Ergebnisse zeigten den Ladungsscreening-Effekt von Kationen (Na+, K+, Mg2+ und Ca2+) in physiologischem Salzwasser und synthetischem Urin. Dieses Ereignis führt zu einer Verringerung der elektrostatischen Anion-Anion-Abstoßung (Carboxylatgruppen auf dem Superabsorber-Rückgrat). Infolgedessen verringert sich der Unterschied im osmotischen Druck zwischen dem Polymernetzwerk und dem externen Medium53. Basierend auf dem osmotischen Druckgleichgewicht nach Donnan ist der Unterschied im osmotischen Druck umso geringer, je mehr bewegliche Kationen in einer Lösung vorhanden sind. Dadurch schrumpft der Superabsorber54.

Die Wirkung simulierter biologischer Flüssigkeiten auf die Wasseraufnahmefähigkeit von Superabsorbern.

Die Reihenfolge der Saugfähigkeit des Superabsorbers in verschiedenen biologischen Flüssigkeiten ist wie folgt: Harnstofflösung > D-Glucose-Lösung > physiologisches Salzwasser > synthetischer Urin. Darüber hinaus war die Absorptionskapazität in der Harnstofflösung höher als der in DW gemessene Wert. Darüber hinaus war die Saugfähigkeit des Superabsorbers in synthetischem Urin ähnlich wie in physiologischem Salzwasser. Dieses Phänomen wird auf das Vorhandensein von NaCl zurückgeführt, das einen wichtigen Beitrag zur Saugfähigkeit des Superabsorbers55 darstellt.

Abbildung 9a zeigt die Fähigkeit des p(AA-co-AM-co-MA)-Superabsorbers, Wasser in zwei verschiedenen Konzentrationen verschiedener Salzlösungen, einschließlich NaCl, MgCl2 und FeCl3, zu absorbieren. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass in Salzlösungen die Wasseraufnahmefähigkeit von Superabsorbern abnimmt. Der Grund kann auf die Schutzwirkung der Kationen in Salzlösungen zurückgeführt werden. Salzlösungen verhindern durch den Schutz der Carboxylatgruppen mit Kationen wirksame elektrostatische Abstoßungen. In dieser Situation verringert sich der osmotische Druckunterschied zwischen dem Polymernetzwerk und den Salzlösungen und infolgedessen verringert sich die Wasseraufnahmefähigkeit des Superabsorbers. Abbildung 9a zeigt, dass die Wasserabsorptionskapazität bei Lösungen mit höherer Salzkonzentration abnimmt. Das Phänomen resultiert aus überschüssigen Kationen in Lösungen mit höheren Konzentrationen. Darüber hinaus nimmt bei gleicher Konzentration der Salzlösung mit zunehmender kationischer Ladung die Fähigkeit des Superabsorbers zur Wasseraufnahme ab. Das Ereignis steht im Einklang mit der Theorie der Flory-Gleichung (kationische Ladung: einwertig > zweiwertig > dreiwertig)33.

(a) Salzempfindlichkeitsfaktor (f) und Wasserabsorptionskapazität des Superabsorbers p(AA-co-AM-co-MA), (b) Das reversible salzgesteuerte Ein-Aus-Schalten für die Superabsorber in DW und SCS. Der Zeitabstand zwischen den Änderungen betrug 1 Stunde.

Darüber hinaus gilt Gl. (5) wurde zur Berechnung des dimensionslosen Salzempfindlichkeitsfaktors (f) verwendet. Die f-Werte des Superabsorbers für die drei Salze mit unterschiedlichen Kationenladungen sind in Abb. 9a26 dargestellt. Die Ergebnisse zeigen, dass die Salzkationenempfindlichkeit des Superabsorbers jeweils Na+ < Mg2+ < Fe3+ beträgt56.

Die Modulation der Superabsorber p(AA-co-AM-co-MA) und p(AA-co-AM) wurde durch Einweichen der Probe in DW bzw. SCS untersucht. Die Superabsorber wurden eine Stunde lang in DW gequollen, dann eine Stunde lang in SCS eingeweicht und anschließend wurde die Wasserabsorptionskapazität des Superabsorbers als Funktion der Zeit bestimmt. Regelmäßige Zeitintervallstudien zeigen, dass Superabsorber in DW aufquellen, während sie in Salzlösung schrumpfen (Abb. 9b). Dieses Ein-Aus-Schalten ist auch nach drei Quell-Schrumpf-Zyklen noch vorhanden, wohingegen p(AA-co-AM)-Superabsorber eine geringe Reaktion auf die Ionenstärke zeigt und diese Eigenschaft nach jedem Mal abnimmt (Abb. 9b). Durch die Zugabe von Salz verringert sich der osmotische Druckunterschied zwischen dem Außenmedium und dem Superabsorber-Netzwerk. Dadurch verlassen Wassermoleküle den Superabsorber und schrumpfen57.

Die Empfindlichkeit gegenüber dem pH-Wert wurde durch Analyse der Wasserabsorptionskapazitäten des p(AA-co-AM-co-MA)-Superabsorbers in verschiedenen pH-Lösungen bestimmt (Abb. 10a). Da die Wasseraufnahmekapazität des Superabsorbers durch die Ionenstärke der Lösung beeinflusst wird, wurden keine Pufferlösungen verwendet. Daher wurden NaOH-Lösung (alkalischer pH-Wert), HCl-Lösung (saurer pH-Wert) und DW verwendet, um den pH-Wert der Endlösung einzustellen. Die Änderungen in der aufgenommenen Wassermenge können durch die Abstoßung von –NH3+-Gruppen in sauren Medien und –COO-Gruppen in basischen Medien erklärt werden. Mit steigendem pH-Wert von 2 auf 7 steigt die Wasseraufnahmekapazität stark an, nimmt dann von 7–8 ab und ist bei pH 8 bis 9 nahezu konstant, und von pH 9 auf 14 nimmt sie stark ab. Bei sauren Bedingungen ist die Wasseraufnahmefähigkeit vernachlässigbar gering zur Protonierung der meisten –COO−-Gruppen und Umwandlung in –COOH-Gruppen. Dadurch wird die Anion-Anion-Abstoßungskraft schwächer und das Netzwerk schrumpft. Darüber hinaus werden die Wasserstoffbrückenbindungswechselwirkungen aufgrund der stärkeren Protonierung verstärkt und es kommt zu einer zusätzlichen physikalischen Vernetzung im Polymernetzwerk, was zu einer Verringerung der Wasserabsorptionskapazität führt56. Ebenso wie unter sauren Bedingungen schirmte der ladungsabschirmende Effekt der Cl-Gegenionen die Ammoniumkationen im Polymernetzwerk ab und verhinderte eine wirksame Abstoßung56. Mit steigendem pH-Wert nahm die Wasseraufnahmefähigkeit zu, da die elektrostatischen Abstoßungen zwischen den Carboxylatgruppen zunahmen. Dadurch wird das Polymernetzwerk erweitert und die Wasseraufnahmekapazität erreicht ihren Maximalwert bei pH = 6. Allerdings liegen die meisten sauren Gruppen (–COOH) und basischen Gruppen (–CONH2) im pH-Bereich von 7–9 nichtionisiert vor. Daher bewirken Wasserstoffbrückenbindungen zwischen Carbonsäure- und Amidgruppen wahrscheinlich eine Art Vernetzung und als Folge davon verringert sich die Fähigkeit, Wasser aufzunehmen. In stark alkalischen Lösungen (pH > 10,0) nimmt die Wasseraufnahmekapazität ab, da die überschüssigen Na+-Kationen elektrostatische Abstoßungswechselwirkungen verhindern58.

(a) Wasserabsorptionskapazität von p(AA-co-AM-co-MA)-Superabsorbern bei verschiedenen pH-Lösungen. (b) Das reversible pH-gesteuerte Ein- und Ausschalten der Superabsorber in Lösungen mit pH 6 und 3. Das Zeitintervall zwischen den pH-Änderungen betrug 15 Minuten.

Die Modulation der pH-Werte, bei denen der Superabsorber einen schrumpfenden/quellenden Zustand aufweist, kann für kontrollierte Arzneimittelabgabesysteme genutzt werden. Wie in Abb. 10b gezeigt, schrumpft der p(AA-co-AM-co-MA) gequollene Superabsorber in einer Lösung mit pH 6,0 schnell in Lösung mit pH 3,0 und ein hervorragender reversibler Ein-/Ausschalter wird innerhalb von 15 Minuten erreicht. Dieses Ein-Aus-Schalten erfolgte auch nach drei Quell-Schrumpf-Zyklen, aber der p(AA-co-AM)-Superabsorber reagierte nicht auf pH-Medien59.

Die Untersuchung des Modulationsverhaltens ist für den möglichen Einsatz von Superabsorbern in verschiedenen Anwendungen von wesentlicher Bedeutung. Abbildung 11a,b zeigt das Quell-Schrumpf-Verhalten des vorbereiteten Superabsorbers, wenn er 24 Stunden lang zwei Temperaturen von 25 und 50 °C entweder in DW oder SCS ausgesetzt wird. Aus den Ergebnissen geht hervor, dass die Wasseraufnahmefähigkeit in beiden Lösungen bei 25 °C höher als 50 °C war, wohingegen der p(AA-co-AM)-Superabsorber nicht auf Temperaturreize reagierte. Diese Verringerung der Wasserabsorptionsfähigkeit kann auf die Zerstörung von Wasserstoffbrückenbindungen zwischen Hydroxyl- und Carboxylgruppen in einer superabsorbierenden Netzwerkstruktur durch Wassermoleküle zurückgeführt werden25. Es kann auch sein, dass sich die Wassermoleküle durch die Ausdehnung der Polymerketten im gequollenen Zustand leicht aus der Polymernetzwerkstruktur entfernen können7.

Das reversible T-gesteuerte Ein-Aus-Schalten für die Superabsorber in (a) DW und (b) SCS. Der Zeitabstand zwischen den Änderungen betrug 24 Stunden.

Das Ziel dieser Arbeit war die Herstellung eines effizienten intelligenten p(AA-co-AM-co-MA)-Superabsorbers unter Einführung von Maleinsäure als neue Struktur in die Synthese intelligenter Superabsorber. Die verschiedenen Analysen bestätigten genau den Ablauf des Copolymerisationsprozesses. Wichtige Faktoren bei jedem Superabsorber sind Absorptionsfähigkeit, -geschwindigkeit, -festigkeit und Retentionszeit. Bei diesem Superabsorber sind diese Faktoren im Vergleich zu anderen berichteten Superabsorbern sehr gut. Die maximale Wasseraufnahmekapazität in DW und SCS beträgt 1348 g/g bzw. 106 g/g. Die Absorptionskapazität, insbesondere in physiologischen Lösungen wie Harnstoff (1627) und D-Glucose (1127), ist weitaus höher als die meisten in der Literatur angegebenen Mengen. Der Superabsorber zeigte sowohl in DW- als auch in Salzlösungen eine gute Absorptionsrate. Das kinetische Modell der Wasserabsorption im ersten Schritt in DW und SCS folgte dem Mechanismus des Nicht-Fickschen Typs bzw. der dominanten Fickschen Diffusion. Außerdem stimmten die experimentellen Ergebnisse gut mit den kinetischen Modellen pseudo-zweiter Ordnung überein. Die Rheologieanalyse bestätigte die Beibehaltung der Form und Festigkeit des Superabsorbers. In Bezug auf die Verantwortungseigenschaften des Superabsorbers zeigten die Ergebnisse ein gutes An-Aus-Umschalt-Reversibilitätsverhalten in Salz-, pH- und Temperaturlösungen. Außerdem wurde der Superabsorber fünfmal recycelt und wiederverwendet, ohne dass die Wasseraufnahmekapazität wesentlich abnahm. Dieser Superabsorber mit schnellerer Quellung, der Fähigkeit, eine große Menge Wasser zurückzuhalten und auf Mehrfachreize zu reagieren, könnte für eine Vielzahl von Anwendungen nützlich sein, von der Landwirtschaft bis hin zu biomedizinischen Bereichen.

Alle während dieser Studie generierten oder analysierten Daten sind in diesem veröffentlichten Artikel [seinen ergänzenden Informationsdateien] enthalten.

Chawla, P., Ranjan Srivastava, A., Pandey, P. & Chawla, V. Hydrogele: Eine Reise von Windeln bis zur Genabgabe. Mini Rev. Med. Chem. 14, 154–167 (2014).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Wang, X. et al. Hocheffiziente Adsorption von Ammonium an Palygorskit-Nanokomposit und Bewertung seiner Rückgewinnung als multifunktionaler Dünger mit langsamer Freisetzung. Chem. Ing. Wissenschaft. 252, 404–414 (2014).

Artikel CAS Google Scholar

Paulino, AT, Belfiore, LA, Kubota, LT, Muniz, EC & Tambourgi, EB Effizienz von Hydrogelen auf Basis natürlicher Polysaccharide bei der Entfernung von Cd2+-Ionen aus wässrigen Lösungen. Chem. Ing. Wissenschaft. 168, 68–76 (2011).

Artikel CAS Google Scholar

Stalling, SS, Akintoye, SO & Nicoll, SB Entwicklung photovernetzter Methylcellulose-Hydrogele für die Rekonstruktion von Weichgewebe. Acta Biomater. 5, 1911–1918 (2009).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Dalida, MLP et al. Adsorptive Entfernung von Cu(II) aus wässrigen Lösungen mithilfe von unvernetzten und vernetzten Chitosan-beschichteten Bentonitkügelchen. Entsalzung 275, 154–159 (2011).

Artikel CAS Google Scholar

Singh, B., Chauhan, N. & Kumar, S. Strahlenvernetzte Hydrogele auf Flohsamen- und Polyacrylsäurebasis zur Verwendung bei der kolonspezifischen Arzneimittelabgabe. Kohlenhydrat. Polym. 73, 446–455 (2008).

Artikel CAS Google Scholar

Huang, Y., Zhang, B., Xu, G. & Hao, W. Quellverhalten und mechanische Eigenschaften von Seidenfibroin-Polyurethan-Verbundhydrogelen. Kompositionen. Wissenschaft. Technol. 84, 15–22 (2013).

Artikel CAS Google Scholar

Anil, I., Gunday, ST, Alagha, O. & Bozkurt, A. Synthese, Charakterisierung und Quellverhalten von superabsorbierenden Poly(acrylsäure-co-acrylamid)/Puzzolan-Polymeren. J. Polym. Umgebung. 27, 1086–1095 (2019).

Artikel CAS Google Scholar

Zhang, M. et al. Synthese, Charakterisierung und Quellverhalten von salzempfindlichem Maiskleie-Poly(acrylsäure)-Superabsorber-Hydrogel. J. Agrar. Lebensmittelchem. 62, 8867–8874 (2014).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Joshi, SJ & Abed, RM Biologischer Abbau von Polyacrylamid und seinen Derivaten. Umgebung. Verfahren. 4, 463–476 (2017).

Artikel Google Scholar

Ilgin, P., Durak, H. & Gür, A. Ein neuartiges pH-responsives p (AAm-co-METAC)/MMT-Verbundhydrogel: Synthese, Charakterisierung und seine Absorptionsleistung bei Schwermetallionen. Polym. Plast. Technol. Ing. 54, 603–615 (2015).

Artikel CAS Google Scholar

Tuncel, AT et al. Maleinsäure – jedoch nicht strukturell verwandte Methylmalonsäure – unterbricht den Energiestoffwechsel durch eine gestörte Calciumhomöostase. PLoS ONE 10, e0128770 (2015).

Artikel PubMed PubMed Central Google Scholar

Alpaslan, D., Erşen Dudu, T., Kubilay, Ş & Aktaş, N. Synthese und Charakterisierung biokompatibler Poly(maleinsäure-co-zitronensäure)-Mikropartikel als intelligenter Träger für Thiamin. Polym. Stier. 78, 6305–6320 (2021).

Artikel CAS Google Scholar

Samal, SK, Dash, M., Dubruel, P. & Van Vlierberghe, S. (2014). Intelligente Polymerhydrogele: Eigenschaften, Synthese und Anwendungen. In Smart Polymers und ihre Anwendungen 237–270

Peppas, NA & Khare, AR Vorbereitung, Struktur und Diffusionsverhalten von Hydrogelen bei kontrollierter Freisetzung. Adv. Drogenlieferung Rev. 11, 1–35 (1993).

Artikel CAS Google Scholar

Sikdar, P. et al. Aktuelle Fortschritte bei der Synthese intelligenter Hydrogele. Mater. Adv. 2, 4532–4573 (2021).

Artikel CAS Google Scholar

Li, L., He, Y., Zheng, X., Yi, L. & Nian, W. Fortschritte bei der Herstellung pH-/temperaturempfindlicher intelligenter Hydrogele und Anwendungen beim Zieltransport und der kontrollierten Freisetzung von Arzneimitteln. Int. J. Polym. Wissenschaft. https://doi.org/10.1155/2021/1340538 (2021).

Artikel Google Scholar

Katono, H., Sanui, K., Ogata, N., Okano, T. & Sakurai, Y. Arzneimittelfreisetzungsverhalten und Entschwellungskinetik von thermoresponsiven IPNs, bestehend aus Poly(acrylamid-co-butylmethacrylat) und Poly ( Acrylsäure). Polym. J. 23, 1179–1189 (1991).

Artikel CAS Google Scholar

Lue, SJ, Chen, C.-H. & Shih, C.-M. Abstimmung der unteren kritischen Lösungstemperatur (LCST) von Poly(N-isopropylacrylamid-co-acrylsäure)-Hydrogelen. J. Macromol. Wissenschaft. B. 50, 563–579 (2011).

Artikel CAS Google Scholar

Klouda, L. & Mikos, AG Thermoresponsive Hydrogele in biomedizinischen Anwendungen. J. Pharm. Biopharm. 68, 34–45 (2008).

Artikel CAS Google Scholar

Kocak, G., Tuncer, C. & Bütün, V. pH-responsive Polymere. Polym. Chem. 8, 144–176 (2017).

Artikel CAS Google Scholar

Reyes-Ortega, F. (2014). pH-responsive Polymere: Eigenschaften, Synthese und Anwendungen. In Smart Polymers und ihre Anwendungen 45–92

Dai, S., Ravi, P. & Tam, KC pH-responsive Polymere: Synthese, Eigenschaften und Anwendungen. Soft Matter 4, 435–449 (2008).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

Dai, H. & Huang, H. Verbesserte Quell- und Reaktionseigenschaften des superabsorbierenden Hydrogels aus Ananasschalen-Carboxymethylcellulose-G-Poly (Acrylsäure-Co-Acrylamid) durch die Einführung von Carclazyte. J. Agrar. Lebensmittelchem. 65, 565–574 (2017).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Wu, Y. et al. Ein grüner Weg zur Herstellung eines fluoreszierenden und absorbierenden Nano-Hybrid-Hydrogels zur Wassererkennung. Wissenschaft. Rep. 7, 1–11 (2017).

ADS Google Scholar

Makhado, E., Pandey, S., Nomngongo, PN & Ramontja, J. Schnelle mikrowellenunterstützte grüne Synthese von mit Xanthangummi gepfropfter Acrylsäure zur verbesserten Entfernung von Methylenblau-Farbstoff aus wässriger Lösung. Kohlenhydrat. Polym. 176, 315–326 (2017).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Er, G. et al. Herstellung und Eigenschaften von superabsorbierenden Hydrogelen aus quaternärem Ammonium-Chitosan-g-poly (Acrylsäure-Co-Acrylamid). Reagieren. Funktion. Polym. 111, 14–21 (2017).

Artikel CAS Google Scholar

Sawut, A., Yimit, M., Sun, W. & Nurulla, I. Photopolymerisation und Charakterisierung von maleyliertem Cellulose-g-Poly (Acrylsäure) superabsorbierendem Polymer. Kohlenhydrat. Polym. 101, 231–239 (2014).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Liu, M., Liang, R., Zhan, F., Liu, Z. & Niu, A. Synthese eines langsam freisetzenden und superabsorbierenden Stickstoffdüngers und seine Eigenschaften. Polym. Adv. Technol. 17, 430–438 (2006).

Artikel CAS Google Scholar

Pourjavadi, A., Barzegar, S. & Mahdavinia, G. MBA-vernetztes Na-Alg/CMC als intelligente superabsorbierende Vollpolysaccharid-Hydrogele. Kohlenhydrat. Polym. 66, 386–395 (2006).

Artikel CAS Google Scholar

Hebeish, A., Elrafie, M., Rabie, A., Aly, A. & Refaat, D. Synthese und Eigenschaften von superabsorbierendem Carboxymethylcellulose-Pfropfpoly (Acrylsäure-Co-Acrylamid). Ägypten J. Chem. 58, 721–739 (2015).

Artikel Google Scholar

Liu, M., Liang, R., Zhan, F., Liu, Z. & Niu, A. Herstellung von superabsorbierendem Stickstoffdünger mit langsamer Freisetzung durch inverse Suspensionspolymerisation. Polym. Int. 56, 729–737 (2007).

Artikel CAS Google Scholar

Wu, F., Zhang, Y., Liu, L. & Yao, J. Synthese und Charakterisierung eines neuartigen superabsorbierenden Cellulose-G-Poly (Acrylsäure-Co-Acrylamid)-Verbundstoffs auf Basis von Flachsgarnabfällen. Kohlenhydrat. Polym. 87, 2519–2525 (2012).

Artikel CAS Google Scholar

Murali Mohan, Y., Sudhakar, K., Keshava Murthy, P. & Mohan Raju, K. Quelleigenschaften von chemisch vernetzten Poly(acrylamid-co-maleinsäure)-Hydrogelen. Int. J. Polym. Mater. 55, 513–536 (2006).

Artikel Google Scholar

Cheng, D. et al. Herstellung eines kostengünstigen superabsorbierenden Hydrogels aus Harnstoff und Acrylsäure. Mater. Lette. 204, 16–18 (2017).

Artikel CAS Google Scholar

Mizuguchi, M., Nara, M., Kawano, K. & Nitta, K. FT-IR-Studie der Ca2+-Bindung an bovines α-Lactalbumin: Beziehungen zwischen der Art der Koordination und den Eigenschaften der Banden aufgrund des Asp-COO − Gruppen in der Ca2+-Bindungsstelle. FEBS Lett. 417, 153–156 (1997).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Xie, L., Liu, M., Ni, B. & Wang, Y. Verwendung von Weizenstroh zur Herstellung von beschichtetem Dünger mit kontrollierter Freisetzung und der Funktion der Wasserretention. J. Agrar. Lebensmittelchem. 60, 6921–6928 (2012).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Zou, W. et al. Auswirkungen des Amylose/Amylopektin-Verhältnisses auf stärkebasierte superabsorbierende Polymere. Kohlenhydrat. Polym. 87, 1583–1588 (2012).

Artikel CAS Google Scholar

Świtała-Żeliazkow, M. Thermischer Abbau von Copolymeren von Styrol mit Dicarbonsäuren – II: Copolymere, die durch radikalische Copolymerisation von Styrol mit Maleinsäure oder Fumarsäure erhalten werden. Polym. Degrad. Stechen. 91, 1233–1239 (2006).

Artikel Google Scholar

Liu, Z., Miao, Y., Wang, Z. & Yin, G. Synthese und Charakterisierung eines neuartigen Superabsorbers auf Basis von chemisch modifiziertem pulverisiertem Weizenstroh und Acrylsäure. Kohlenhydrat. Polym. 77, 131–135 (2009).

Artikel CAS Google Scholar

Wang, W. & Wang, A. Herstellung, Charakterisierung und Eigenschaften von superabsorbierenden Nanokompositen auf Basis von natürlichem Guarkernmehl und modifiziertem Rektorit. Kohlenhydrat. Polym. 77, 891–897 (2009).

Artikel CAS Google Scholar

Wen, P. et al. Schnelle Synthese eines langsam freisetzenden Stickstoffdüngers mit einem halbinterpenetrierenden Polymernetzwerk auf Maiskolbenbasis durch Mikrowellenbestrahlung zur Kontrolle von Wasser- und Nährstoffverlusten. Araber. J. Chem. 10, 922–934 (2017).

Artikel CAS Google Scholar

Guilherme, MR et al. Morphologie und Wasseraffinität superabsorbierender Hydrogele aus methacryliertem Cashewgummi und Acrylamid mit guten mechanischen Eigenschaften. Polymer 46, 7867–7873 (2005).

Artikel CAS Google Scholar

Seetapan, N., Wongsawaeng, J. & Kiatkamjornwong, S. Gelstärke und Quellung von superabsorbierenden Acrylamid-Protonensäure-Copolymeren. Polym. Adv. Technol. 22, 1685–1695 (2011).

Artikel CAS Google Scholar

Pourjavadi, A. & Hosseinzadeh, H. Synthese und Eigenschaften von teilweise hydrolysiertem superabsorbierendem Acrylnitril-Co-Acrylamid-Hydrogel. Stier. Koreanische Chem. Soc. 31, 3163–3172 (2010).

Artikel CAS Google Scholar

Parvathy, PC & Jyothi, AN Rheologische und thermische Eigenschaften von superabsorbierenden Polymeren aus verseifter Maniokstärke-g-poly (Acrylamid) mit unterschiedlichen Pfropfparametern und Absorptionsvermögen. J. Appl. Polym. Wissenschaft. 131, 40368 (2014).

Artikel Google Scholar

Ramazani-Harandi, M., Zohuriaan-Mehr, M., Yousefi, A., Ershad-Langroudi, A. & Kabiri, K. Rheologische Bestimmung der gequollenen Gelstärke von superabsorbierenden Polymerhydrogelen. Polym. Prüfen. 25, 470–474 (2006).

Artikel CAS Google Scholar

Li, Q. et al. Synthese, Charakterisierung und Quellverhalten von superabsorbierenden Weizenstroh-Pfropfcopolymeren. Bioresour. Technol. 118, 204–209 (2012).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Zhou, Y., Fu, S., Zhang, L. & Zhan, H. Superabsorbierende Nanokomposit-Hydrogele aus carboxylierten Cellulose-Nanofibrillen und CMC-gp (AA-co-AM). Kohlenhydrat. Polym. 97, 429–435 (2013).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Etminani-Isfahani, N., Mohammadbagheri, Z. & Rahmati, A. 4-(6-Aminohexyl)amino-4-oxo-2-butensäure als neuartiges hydrophiles Monomer für die Synthese von Superabsorbern auf Zellulosebasis mit hoher Wasseraufnahmekapazität . Kohlenhydrat. Polym. 250, 116959 (2020).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Xu, . Ind. Eng. Chem. Res. 54, 3268–3278 (2015).

Artikel CAS Google Scholar

Tanan, W., Panichpakdee, J. & Saengsuwan, S. Neuartiges biologisch abbaubares Hydrogel auf Basis natürlicher Polymere: Synthese, Charakterisierung, Quellung/Wiederquellung und biologische Abbaubarkeit. EUR. Polym. J. 112, 678–687 (2019).

Artikel CAS Google Scholar

Zhao, Y., Kang, J. & Tan, T. Salz-, pH- und temperaturresponsives semiinterpenetrierendes Polymernetzwerk-Hydrogel auf Basis von Poly(asparaginsäure) und Poly(acrylsäure). Polymer 47, 7702–7710 (2006).

Artikel CAS Google Scholar

Barbucci, R., Magnani, A. & Consumi, M. Quellverhalten von Carboxymethylcellulose-Hydrogelen in Bezug auf Vernetzung, pH-Wert und Ladungsdichte. Macromolecules 33, 7475–7480 (2000).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Kim, SJ, Shin, SR, Shin, DI, Kim, IY & Kim, SI Synthese und Eigenschaften von semiinterpenetrierenden Polymernetzwerk-Hydrogelen auf Basis von Chitosan und Poly(hydroxyethylmethacrylat). J. Appl. Polym. Wissenschaft. 96, 86–92 (2005).

Artikel CAS Google Scholar

Mahdavinia, GR, Zohuriaan-Mehr, MJ & Pourjavadi, A. Modifiziertes Chitosan III, Superabsorptionsfähigkeit, Salz- und pH-Empfindlichkeit intelligenter ampholytischer Hydrogele aus Chitosan-g-PAN. Polym. Adv. Technol. 15, 173–180 (2004).

Artikel CAS Google Scholar

Pass, G., Phillips, G. & Wedlock, D. Wechselwirkung einwertiger und zweiwertiger Kationen mit Carrageenanen in wässriger Lösung. Macromolecules 10, 197–201 (1977).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Lee, WF & Wu, RJ Superabsorbierende Polymermaterialien. I. Quellverhalten von vernetztem Poly(natriumacrylat-co-hydroxyethylmethacrylat) in wässriger Salzlösung. J. Appl. Polym. Wissenschaft. 62, 1099–1114 (1996).

3.0.CO;2-1" data-track-action="article reference" href="https://doi.org/10.1002%2F%28SICI%291097-4628%2819961114%2962%3A7%3C1099%3A%3AAID-APP16%3E3.0.CO%3B2-1" aria-label="Article reference 58" data-doi="10.1002/(SICI)1097-4628(19961114)62:73.0.CO;2-1">Artikel CAS Google Scholar

Shi, J. Appl. Polym. Wissenschaft. 132, 42027 (2015).

Artikel Google Scholar

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Diese Arbeit wurde mit Unterstützung des Forschungsrates der Universität Isfahan durchgeführt.

Fakultät für Chemie, Universität Isfahan, Postfach 81746-73441, Isfahan, Iran

Fatemeh Jamali, Negar Etminani-Esfahani und Abbas Rahmati

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FJ: Durchführung von Experimenten, Schreiben des Originalentwurfs, formale Analyse.NE-E.: Untersuchung, Schreiben des Originalentwurfs, Ressourcen, Software, Zeichnen aller Formen, Zeichnen von Tabellen.AR: Überprüfung und Bearbeitung, Überwachung, Konzeptualisierung. Alle Autoren haben das endgültige Manuskript überprüft.

Korrespondenz mit Abbas Rahmati.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Jamali, F., Etminani-Esfahani, N. & Rahmati, A. Maleinsäure als wichtiges Monomer bei der Synthese des auf Reize reagierenden superabsorbierenden Poly(acrylsäure-co-acrylamid-co-maleinsäure)-Polymers. Sci Rep 13, 3511 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-30558-3

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Eingegangen: 27. Oktober 2022

Angenommen: 24. Februar 2023

Veröffentlicht: 02. März 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-30558-3

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