đồ án môn học tìm hiểu về cấu tạo quy trình sản xuất và ứng dụng của hydrogel

Chúng bao gồm các quy trình một bước như polyme hóa và liên kết ngang song song của các monome đa chức năng, cũng như các quy trình nhiều bước liên quan đến tổng hợp các phân tử polyme c

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN KỸ THUẬT HÓA HỌC

TRUNG TÂM CNVL POLYME & COMPOSITE

Table of Contents

Giới thiệu 3

A Phân loại sản phẩm hydrogel 5

1.Phân loại dựa trên nguồn gốc 5

2.Phân loại theo thành phần polyme 5

3.Phân loại dựa trên cấu hình 5

4.Phân loại dựa trên loại liên kết chéo 5

5.Phân loại dựa trên hình thái 6

6.Phân loại theo điện tích mạng 6

B Ảnh hưởng của điều kiện môi trường tới sản phẩm hydrogel 6

C Các công nghệ được áp dụng trong điều chế hydrogel 7

1.Ghép vào hệ trục 8

2.Trùng hợp khối 9

3.Đồng trùng hợp trong dung dịch - liên kết ngang 9

4.Trùng hợp huyền phù hoặc trùng hợp huyền phù nghịch đảo 10

5.Polyme hóa bằng chiếu xạ 10

D Các chức năng của hydrogel 10

E.Quy trình sản xuất hydrogel 11

1.Chuẩn bị hydrogel poly (axit acrylic) 12

2.Điều chế và tối ưu hóa quy trình hydrogel bằng kỹ thuật trùng hợp dung dịch 12

3.Chuẩn bị và tối ưu hóa quy trình hạt hydrogel bằng kỹ thuật trùng hợp huyền phù 15

4.Chuẩn bị và tối ưu hóa quá trình hydrogel dựa trên tinh bột ghép 18

5.Điều chế acrylamide hydrogel bằng chiếu xạ 23

F.Các sản phẩm hydrogel 24

1.Chuẩn bị hydrogel siêu thấm và siêu xốp 26

2.Vài nét về thiết kế lò phản ứng trùng hợp theo mẻ 30

Giới thiệu

Qua nhiều năm, các nhà nghiên cứu đã định nghĩa hydrogel theo nhiều cách khác nhau Phổ biến nhất trong số này là hydrogel là một mạng polyme trương nước và liên kết chéo được tạo ra bởi phản ứng đơn giản của một hoặc nhiều monome Một định nghĩa khác là nó là một vật liệu polyme thể hiện khả năng trương nở và giữ lạimột phần đáng kể nước trong cấu trúc của nó, nhưng sẽ không hòa tan trong nước Hydrogel đã nhận được sự quan tâm đáng kể trong 50 năm qua do hứa hẹn đặc biệt của chúng trong nhiều ứng dụng Chúng cũng sở hữu một mức độ linh hoạt rất giống với mô tự nhiên do hàm lượng nước lớn Khả năng hấp thụ nước của hydrogel phát sinh từ các nhóm chức ưa nước gắn vào cấu trúc polyme, trong khi khả năng chống hòa tan của chúng phát sinh từ các liên kết chéo giữa các chuỗi mạng Nhiều vật liệu, cả tự nhiên và tổng hợp, phù hợp với định nghĩa về hydrogel.Trong hai thập kỷ qua, Hydrogel tự nhiên dần được thay thế bằng hydrogel tổng hợp có tuổi thọ cao, khả năng hấp thụ nước cao và độ bền gel cao May mắn thay, các polyme tổng hợp thường có cấu trúc được xác định rõ ràng có thể được sửa đổi để mang lại khả năng phân hủy và chức năng phù hợp Hydrogel có thể được tổng hợp từ các thành phần tổng hợp thuần túy Ngoài ra, nó ổn định trong điều kiện nhiệt độ dao động mạnh và đột ngột.

Gần đây, hydrogel được định nghĩa là các hệ thống hai hoặc nhiều thành phần bao gồm một mạng lưới ba chiều gồm các chuỗi polyme và nước lấp đầy khoảng trống giữa các đại phân tử Tùy thuộc vào tính chất của polyme (polyme) được sử dụng, cũng như tính chất và mật độ của các khớp mạng, các cấu trúc như vậy ở trạng thái cân bằng có thể chứa nhiều lượng nước khác nhau; thông thường ở trạng thái trương nở, phần khối lượng của nước trong hydrogel cao hơn nhiều so với phần khối lượng của polyme Trong thực tế, để đạt được độ trương nở cao, người ta thường sử dụng các polyme tổng hợp dễ tan trong nước khi ở dạng không có liên kết ngang

Hydrogel có thể được tổng hợp theo một số cách hóa học “cổ điển” Chúng bao gồm các quy trình một bước như polyme hóa và liên kết ngang song song của các monome đa chức năng, cũng như các quy trình nhiều bước liên quan đến tổng hợp các phân tử polyme có các nhóm phản ứng và liên kết ngang tiếp theo của chúng, cũng có thể bằng cách cho polyme phản ứng với các tác nhân liên kết ngang thích hợp Kỹ sư polyme có thể thiết kế và tổng hợp mạng lưới polyme với khả năng kiểm soát ở quy mô phân tử đối với cấu trúc như mật độ liên kết ngang và với các đặc tính phù hợp, chẳng hạn như phân hủy sinh học, độ bền cơ học và phản ứng hóa học và sinh học đối với các kích thích.

A Phân loại sản phẩm hydrogel

Các sản phẩm hydrogel có thể được phân loại trên các cơ sở khác nhau như chi tiết dưới đây:

1 Phân loại dựa trên nguồn gốc

Hydrogel có thể được phân thành hai nhóm dựa trên nguồn gốc tự nhiên hoặc tổng hợp của chúng.

2 Phân loại theo thành phần polyme

Phương pháp chuẩn bị dẫn đến sự hình thành của một số loại hydrogel quan trọng, được minh họa bằng những sau đây:

a) Hydrogel homopolyme được gọi là mạng polyme có nguồn gốc từ một loại monome duy nhất, là đơn vị cấu trúc cơ bản bao gồm bất kỳ mạng polyme nào Homopolyme có thể có liên kết ngang tùy thuộc vào bản chất của monome và kỹ thuật trùng hợp

b) Hydrogel copolyme bao gồm hai hoặc nhiều loại monome khác nhau với ít nhất một thành phần ưa nước, được sắp xếp theo cấu hình ngẫu nhiên, khối hoặc xen kẽ dọc theo chuỗi của mạng polyme

c) Hydrogel polyme mạng lưới đa polyme (IPN), một loại hydrogel quan trọng, được liên kết chéo bởi hai hoặc nhiều mạng polyme (chẳng hạn như chitosan, alginate, tinh bột, polyacrylamide, axit polyacrylic, rượu polyvinyl, v.v ) Khi chỉ có một polyme trong hệ thống được liên kết ngang, nó được gọi là bán IPN.

3 Phân loại dựa trên cấu hình

Việc phân loại hydrogel phụ thuộc vào cấu trúc vật lý và thành phần hóa học của chúng có thể được phân loại như sau:

a) Vô định hình (không kết tinh).

b) Bán tinh thể: Một hỗn hợp phức tạp của các pha vô định hình và tinh thể.c) Kết tinh.

4 Phân loại dựa trên loại liên kết chéo

Hydrogel có thể được chia thành hai loại dựa trên bản chất hóa học hoặc vật lý của các mối nối liên kết ngang Các mạng liên kết ngang về mặt hóa học có các mối nốivĩnh viễn, trong khi các mạng vật lý có các mối nối tạm thời phát sinh các từ tươngtác vật lý như tương tác ion, liên kết hydro hoặc tương tác kỵ nước.

5 Phân loại dựa trên hình thái

Sự xuất hiện của hydrogel dưới dạng ma trận, màng hoặc kính hiển vi phụ thuộc vào kỹ thuật trùng hợp liên quan đến quá trình điều chế.

6 Phân loại theo điện tích mạng

Hydrogel có thể được phân loại thành bốn nhóm trên cơ sở có hoặc không có điện tích nằm trên các chuỗi liên kết ngang:

a) Không ion (trung tính).b) Ionic (kể cả anion hoặc cation).

c) Chất điện phân lưỡng tính (ampholytic) chứa cả nhóm axit và nhóm bazơ.d) Zwitterionic (polybetaines) chứa cả nhóm anion và cation trong mỗi đơn vị

cấu trúc lặp lại.

Các polyme tự nhiên tạo hydrogel bao gồm các protein như collagen và gelatine và các polysacarit như tinh bột, alginate và agarose Các polyme tổng hợp tạo thành hydrogel được điều chế theo cách truyền thống bằng phương pháp trùng hợp hóa học.

B Ảnh hưởng của điều kiện môi trường tới sản phẩm hydrogel

Hydrogel dưới dạng mạng polyme ưa nước có khả năng trương nở hoặc khử trươngnở thuận nghịch trong nước và giữ lại một lượng lớn chất lỏng ở trạng thái trương nở Hydrogel có thể co lại hoặc giãn ra theo những thay đổi của điều kiện môi trường bên ngoài.

Chúng có thể thực hiện biến đổi thể tích đáng kể để đáp ứng với nhiều kích thích vật lý và hóa học, trong đó các kích thích vật lý bao gồm nhiệt độ, điện trường hoặctừ trường, ánh sáng, áp suất và âm thanh, trong khi các kích thích hóa học bao gồm pH, thành phần dung môi, cường độ ion và loài phân tử (Hình 1).

Mức độ trương nở hoặc giảm trương nở để đáp ứng với những thay đổi trong môi trường bên ngoài của hydrogel có thể mạnh đến mức hiện tượng này được gọi là sựphá vỡ thể tích hoặc chuyển pha

C Các công nghệ được áp dụng trong điều chế hydrogel

Theo định nghĩa, hydrogel là mạng polyme có đặc tính ưa nước Mặc dù hydrogel thường được điều chế dựa trên các monome ưa nước, nhưng các monome kỵ nước đôi khi được sử dụng trong quá trình điều chế hydrogel để điều chỉnh các thuộc tính cho các ứng dụng cụ thể.

Nói chung, hydrogel có thể được điều chế từ polyme tổng hợp hoặc polyme tự nhiên Các polyme tổng hợp có bản chất kỵ nước và mạnh hơn về mặt hóa học so với các polyme tự nhiên Ngoài ra, nó có thể được áp dụng để điều chế hydrogel dựa trên các polyme tự nhiên với điều kiện là các polyme này có các nhóm chức phù hợp hoặc đã được chức năng hóa với các nhóm có khả năng trùng hợp triệt để Theo nghĩa ngắn gọn nhất, hydrogel chỉ đơn giản là một mạng lưới polyme ưa nước được liên kết chéo theo một cách nào đó để tạo ra một cấu trúc đàn hồi Do đó, bất kỳ kỹ thuật nào có thể được sử dụng để tạo ra polyme liên kết ngang đều có thể được sử dụng để sản xuất hydrogel Phản ứng trùng hợp gốc tự do đồng trùng hợp/liên kết ngang thường được sử dụng để sản xuất hydrogel bằng cách phản ứng các monome ưa nước với các liên kết ngang đa chức năng Các polyme tuyến tính hòa tan trong nước có nguồn gốc tự nhiên và tổng hợp được liên kết ngang để tạo thành hydrogel theo một số cách:

1) Liên kết chuỗi polymer thông qua phản ứng hóa học.

2) Sử dụng bức xạ ion hóa để tạo ra các gốc tự do chuỗi chính có thể kết hợp lạidưới dạng các mối nối liên kết ngang.

3) Các tương tác vật lý như vướng víu, tĩnh điện và sự hình thành tinh thể.Bất kỳ kỹ thuật trùng hợp nào cũng có thể được sử dụng để tạo gel, bao gồm trùng hợp khối, dung dịch và huyền phù.

Nói chung, ba phần không thể thiếu của quá trình chuẩn bị hydrogel là monome, chất khởi đầu và chất liên kết chéo Để kiểm soát nhiệt của phản ứng trùng hợp và đặc tính của hydrogel cuối cùng, có thể sử dụng chất pha loãng, chẳng hạn như nước hoặc các dung dịch nước khác Sau đó, khối hydrogel cần được rửa sạch để loại bỏ các tạp chất còn sót lại trong quá trình chuẩn bị Chúng bao gồm monome không phản ứng, chất khởi đầu, chất liên kết chéo và các sản phẩm không mong muốn được tạo ra thông qua các phản ứng phụ (Hình 2).

Điều chế hydrogel dựa trên acrylamide, axit acrylic và muối của nó bằng phản ứng trùng hợp huyền phù nghịch đảo và phản ứng trùng hợp dung dịch pha loãng đã được nghiên cứu ở nhiêu nơi.

Chúng có thể thu được bằng cách trùng hợp ghép, trùng hợp liên kết ngang, hình thành mạng polyme hòa tan trong nước và liên kết ngang bức xạ, v.v Có nhiều loại hydrogel chủ yếu chúng là các chất đồng trùng hợp liên kết ngang của acrylate và axit acrylic, và các polyme ghép tinh bột-axit acrylic được điều chế bằng phương pháp huyền phù nghịch đảo, trùng hợp nhũ tương và trùng hợp dung dịch Các kỹ thuật trùng hợp đã được mô tả dưới đây.

1 Ghép vào hệ trục

Nói chung, hydrogel được điều chế bằng phản ứng trùng hợp số lượng lớn có cấu trúc yếu vốn có Để cải thiện các tính chất cơ học của hydrogel, nó có thể được

ghép trên bề mặt được phủ lên một giá đỡ chắc chắn hơn Kỹ thuật này liên quan đến việc tạo ra các gốc tự do trên một bề mặt hỗ trợ mạnh hơn và sau đó polyme hóa các monome trực tiếp trên bề mặt đó, kết quả là một chuỗi các monome được liên kết cộng hóa trị với chất hỗ trợ Nhiều loại chất mang polyme đã được sử dụng để tổng hợp hydrogel bằng kỹ thuật ghép.

2 Trùng hợp khối

Nhiều monome vinyl có khả năng có thể được sử dụng để sản xuất hydrogel Hydrogel số lượng lớn có thể được hình thành với một hoặc nhiều loại monome Nhiều loại monome cho phép người ta điều chế hydrogel với các tính chất vật lý mong muốn cho một ứng dụng nhất định Thông thường, một lượng nhỏ chất liên kết ngang được thêm vào trong bất kỳ công thức hydrogel nào Phản ứng trùng hợpthường được bắt đầu bằng bức xạ, tia cực tím hoặc chất xúc tác hóa học.

Việc lựa chọn chất khởi tạo phù hợp phụ thuộc vào loại monome và dung môi đượcsử dụng Hydrogel polyme hóa có thể được sản xuất ở nhiều dạng khác nhau bao gồm màng và màng, thanh, hạt và nhũ tương.

Phản ứng trùng hợp khối là kỹ thuật đơn giản nhất chỉ bao gồm các chất khơi mào hòa tan monome và monome Tốc độ trùng hợp và mức độ trùng hợp cao xảy ra do nồng độ monome cao Tuy nhiên, độ nhớt của phản ứng tăng rõ rệt với sự chuyển đổi tạo ra nhiệt trong quá trình trùng hợp Những vấn đề này có thể tránh được bằng cách kiểm soát phản ứng ở độ chuyển hóa thấp Quá trình trùng hợp khối lượng lớn các monome để tạo ra hydrogel đồng nhất tạo ra một ma trận polyme trong suốt, thủy tinh và rất cứng Khi ngâm trong nước, ma trận thủy tinh phồng lêntrở nên mềm và dẻo.

3 Đồng trùng hợp trong dung dịch - liên kết ngang

Trong các phản ứng đồng trùng hợp/liên kết ngang dung dịch, các monome ion hoặc trung tính được trộn với tác nhân liên kết ngang đa chức năng Quá trình trùnghợp được bắt đầu bằng nhiệt bằng cách chiếu tia UV hoặc bằng hệ thống khởi tạo oxi hóa khử Sự có mặt của dung môi đóng vai trò tản nhiệt là ưu điểm chính của quá trình trùng hợp dung dịch so với quá trình trùng hợp khối Các hydrogel đã chuẩn bị cần được rửa bằng nước cất để loại bỏ các monome, oligome, tác nhân liên kết ngang, chất khởi đầu, polyme hòa tan và có thể chiết xuất được cũng như các tạp chất khác Sự tách pha xảy ra và hydrogel không đồng nhất được hình thànhkhi lượng nước trong quá trình trùng hợp nhiều hơn lượng nước tương ứng với độ trương nở cân bằng.

Các dung môi điển hình được sử dụng để trùng hợp dung dịch hydrogel bao gồm nước, ethanol, hỗn hợp nước-ethanol và rượu benzyl Dung môi tổng hợp sau đó cóthể được loại bỏ sau khi hình thành gel bằng cách làm phồng hydrogel trong nước.

4 Trùng hợp huyền phù hoặc trùng hợp huyền phù nghịch đảo

Trùng hợp phân tán là một phương pháp thuận lợi vì các sản phẩm thu được ở dạngbột hoặc vi cầu (hạt), và do đó, không cần nghiền Vì quy trình nước trong dầu (W/O) được chọn thay vì quy trình dầu trong nước (O/W) phổ biến hơn, quá trình trùng hợp được gọi là “ huyền phù nghịch đảo”.

Trong kỹ thuật này, các monome và chất khởi đầu được phân tán trong pha hydrocacbon dưới dạng hỗn hợp đồng nhất Độ nhớt của dung dịch monome, tốc độkhuấy, thiết kế rôto và loại chất phân tán chủ yếu chi phối kích thước và hình dạng hạt nhựa Sự phân tán không ổn định về mặt nhiệt động và đòi hỏi phải khuấy trộn liên tục và bổ sung chất tạo huyền phù cân bằng ưa nước-lipophilic (HLB) thấp ưa nước.

5 Polyme hóa bằng chiếu xạ

Bức xạ năng lượng cao ion hóa, như tia gamma và chùm electron, đã được sử dụng làm chất khởi đầu để điều chế hydrogel của các hợp chất chưa bão hòa Sự chiếu xạcủa dung dịch polyme nước dẫn đến sự hình thành các gốc tự do trên chuỗi polyme.Ngoài ra, sự phóng xạ của các phân tử nước dẫn đến sự hình thành các gốc hydroxyl, các gốc này cũng tấn công các chuỗi polyme, dẫn đến sự hình thành các gốc vĩ mô.

Sự tái tổ hợp của các gốc vĩ mô trên các chuỗi khác nhau dẫn đến sự hình thành cácliên kết cộng hóa trị, do đó, cuối cùng, một cấu trúc liên kết ngang được hình thành Ví dụ về các polyme được liên kết chéo bằng phương pháp bức xạ là poly (rượu vinyl), poly (ethylene glycol) và poly (axit acrylic) Ưu điểm chính của quá trình bắt đầu bằng bức xạ so với quá trình bắt đầu bằng hóa chất là tạo ra hydrogel tương đối tinh khiết và không có chất khởi đầu.

D Các ưu điểm của hydrogel

Các ưu điẻm của vật liệu hydrogel lý tưởng có thể được liệt kê như sau Khả năng hấp thụ cao nhất (độ trương nở cân bằng lớn nhất) trong nước muối.

Tỷ lệ hấp thụ mong muốn (kích thước hạt ưa thích và độ xốp) tùy thuộc vào yêu cầu ứng dụng.

Độ hấp thụ cao nhất dưới tải (AUL).

Hàm lượng chất hòa tan thấp nhất và lượng monome còn lại.Giá thấp nhất.

Độ bền và ổn định cao nhất trong môi trường trương nở và trong quá trình bảo quản.

Khả năng phân hủy sinh học cao nhất mà không hình thành các loài độc hại sau quá trình phân hủy.

Độ pH trung tính sau khi trương nở trong nước.Không màu, không mùi và tuyệt đối không độc hại.Ảnh ổn định.

Khả năng làm ướt lại (nếu cần) hydrogel phải có khả năng cung cấp lại dung dịch đã hấp thụ hoặc duy trì dung dịch đó; tùy thuộc vào yêu cầu ứng dụng (ví dụ: trong các ứng dụng nông nghiệp hoặc vệ sinh).

Rõ ràng, không thể có một mẫu hydrogel đồng thời đáp ứng tất cả các tính năng cần thiết nêu trên Trong thực tế, các thành phần tổng hợp để đạt được mức tối đa của một số tính năng này sẽ dẫn đến sự kém hiệu quả của phần còn lại Do đó, trong thực tế, các biến phản ứng sản xuất phải được tối ưu hóa sao cho đạt được sự cân bằng thích hợp giữa các đặc tính Ví dụ: một sản phẩm hợp vệ sinh của hydrogel phải có tỷ lệ hấp thụ cao nhất, khả năng làm ướt lại thấp nhất và lượng monome còn lại thấp nhất và hydrogel được sử dụng trong phân phối thuốc phải xốp và đáp ứng với độ pH hoặc nhiệt độ.

E Quy trình sản xuất hydrogel

Việc sản xuất hydrogel polyme thường được thực hiện theo một trong hai sơ đồ đã được thiết lập tốt: (a) trùng hợp các monome ưa nước và (b) biến đổi hoặc chức năng hóa các polyme hiện có (tự nhiên hoặc nhân tạo) Công nghệ sản xuất hydrogel sẽ được thảo luận trong các phần sau với sự nhấn mạnh vào các phương pháp và kỹ thuật gần đây.

Các nguồn hydrogel ban đầu thường được chia thành hai loại chính; nhân tạo (dựa trên hóa dầu) và tự nhiên Loại thứ hai có thể được chia thành hai nhóm chính, tức là hydrogel dựa trên polysacarit và nhóm khác dựa trên polypeptide (protein) Các hydrogel có nguồn gốc tự nhiên thường được điều chế thông qua việc bổ sung một số bộ phận tổng hợp vào các chất nền tự nhiên, ví dụ: quá trình đồng trùng hợp ghép các monome vinyl trên polysacarit.

Cần chỉ ra khi thuật ngữ “hydrogel” được sử dụng mà không chỉ định loại của nó; nó thực sự ám chỉ loại hydrogel thông thường nhất, tức là, acrylic anion bao gồm

một mạng lưới copolyme dựa trên axit acrylic trung hòa một phần (AA) hoặc acrylamide (AM).

Khối lượng lớn nhất của hydrogel bao gồm hoàn toàn nhân tạo hoặc có nguồn gốc hóa dầu Chúng được sản xuất từ các monome acrylic Axit acrylic (AA) và muối natri hoặc kali của nó, và acrylamit (AM) được sử dụng thường xuyên nhất trong sản xuất công nghiệp hydrogel Hai con đường chung để chuẩn bị mạng lưới hydrogel acrylic là trùng hợp đồng thời và liên kết chéo bằng một liên kết chéo polyvinyl và liên kết ngang của một chất chuẩn bị hòa tan trong nước bằng một liênkết ngang đa chức năng.

Kỹ thuật phổ biến nhất và linh hoạt nhất để sản xuất hydrogel tổng hợp là các monome vinyl đa chức năng gốc tự do.

Mỗi monome này chứa một liên kết đôi cacbon mà qua đó trung tâm hoạt động có thể lan truyền để tạo ra chuỗi polyme Phương pháp tạo ra các tâm hoạt động phụ thuộc vào các monome cụ thể, dung môi và các điều kiện phản ứng được sử dụng, nhưng có thể dựa trên nhiệt (bộ khởi động nhiệt), ánh sáng (bộ khởi tạo quang), bức xạ γ hoặc chùm electron.

1 Chuẩn bị hydrogel poly (axit acrylic)

Nhiều loại monome, chủ yếu là acrylic, được sử dụng để điều chế hydrogel Axit acrylic (AA) và muối natri hoặc kali của nó thường được sử dụng nhiều nhất trong sản xuất công nghiệp hydrogel Tuy nhiên, AA, một chất lỏng không màu có mùi giấm, có khả năng chuyển đổi thành chất làm mờ (DAA) của nó Về vấn đề này, mức độ DAA phải được giảm thiểu để ngăn chặn sự thiếu hụt của sản phẩm cuối cùng, ví dụ: giảm năng suất, mất phần hòa tan, monome còn lại, v.v Do các vấn đề tiềm ẩn bắt nguồn từ bản chất vốn có của AA là giảm dần theo thời gian, các nhà sản xuất hoạt động đúng với AA, chẳng hạn như đặt hàng kịp thời, giao hàng đúng lúc, loại bỏ độ ẩm và bảo quản được kiểm soát nhiệt độ (thường là 17–18 °C).Như đã đề cập trước đó, các vật liệu hydrogel thường được tổng hợp thông qua phản ứng trùng hợp bắt đầu từ gốc tự do của các monome acrylic Các loại nhựa được điều chế trong môi trường nước bằng cách sử dụng phản ứng trùng hợp dung dịch hoặc trong môi trường hydrocacbon nơi các monome được phân tán tốt Các phương pháp khác nhau này được thảo luận ngắn gọn trong các phần sau.

2 Điều chế và tối ưu hóa quy trình hydrogel bằng kỹ thuật trùng hợp dung dịchPhản ứng trùng hợp bắt đầu từ gốc tự do của axit acrylic (AA) và muối của nó, với một liên kết chéo, thường được sử dụng để điều chế hydrogel Các nhóm axit

cacboxylic của sản phẩm được trung hòa một phần trước hoặc sau bước trùng hợp Sự khởi đầu thường được thực hiện về mặt hóa học với các gốc phân ly nhiệt azo hoặc peroxide gốc tự do hoặc bằng phản ứng của chất khử với chất oxy hóa (hệ thống oxy hóa khử).

Quá trình polyme hóa dung dịch của AA hoặc muối của nó với chất liên kết ngang hòa tan trong nước, ví dụ: methylene bis-acrylamide (MBA) trong dung dịch nước là một quá trình đơn giản Các chất phản ứng được hòa tan trong nước ở nồng độ mong muốn, thường là khoảng 10–70%.

Phản ứng tỏa nhiệt nhanh tạo ra một sản phẩm đàn hồi giống như gel được sấy khô và khối xốp vĩ mô được nghiền thành bột và sàng để thu được kích thước hạt cần thiết Phương pháp điều chế này thường gặp phải sự cần thiết phải xử lý sản phẩm phản ứng dạng cao su/rắn, thiếu khả năng kiểm soát phản ứng đầy đủ, phân bố kíchthước hạt không chính xác và tăng hàm lượng sol chủ yếu do tác dụng không mongmuốn của quá trình phân tách thủy phân và nhiệt Tuy nhiên, để sản xuất chung mộtloại hydrogel có đặc tính trương nở chấp nhận được, kỹ thuật ít tốn kém hơn và nhanh hơn, tức là phương pháp dung dịch thường được các nhà sản xuất ưa chuộng hơn.

Monome AA bị ức chế bởi methoxyhydroquinone (MHC) để ngăn quá trình trùng hợp tự phát trong quá trình bảo quản Trong sản xuất công nghiệp, chất ức chế thường không được loại bỏ do một số lý do kỹ thuật Trong khi đó, AA được chuyển đổi thành một bộ điều chỉnh độ sáng không mong muốn phải được loại bỏ hoặc giảm thiểu Việc giảm thiểu axit acrylic dime (DAA) trong monome là rất quan trọng do tác động bất lợi gián tiếp của nó đối với thông số kỹ thuật của sản phẩm cuối cùng, điển hình là phần hòa tan và monome còn lại Ngay khi AA được tạo ra, axit diacrylic được hình thành một cách tự nhiên trong phần lớn phản ứng của AA Do nhiệt độ, hàm lượng nước và độ pH có tác động đến tốc độ hình thành DAA nên tốc độ này có thể được giảm thiểu bằng cách kiểm soát nhiệt độ của monome được lưu trữ và loại trừ độ ẩm.

Việc tăng nồng độ nước có tác động tương đối nhỏ đến tốc độ hình thành DAA Tuy nhiên, tốc độ tăng khoảng gấp đôi cho mỗi lần tăng nhiệt độ 5 ° C Ví dụ, trongmột mẫu AA có 0,5% nước, tốc độ dime hóa lần lượt là 76 và 1672 ppm/ngày ở 20 °C và 40 °C Tuy nhiên, DAA có thể bị thủy phân trong môi trường kiềm để tạo ra AA và axit diacrylic Vì cái sau không thể bị polyme hóa nên nó vẫn là một phần của phần hòa tan hydrogel.

Javad Alaei et al tuyên bố rằng việc sản xuất hydrogel trong công nghiệp bao gồm dung dịch và trùng hợp nhũ tương đảo ngược và huyền phù đảo ngược Hình 3 thể hiện sơ đồ khối của quy trình trùng hợp dung dịch chung Con số này cung cấp các quy trình chính để sản xuất hydrogel ở quy mô bán thí điểm và quy mô công nghiệp.

Hình 3 Sơ đồ khối điều chế hydrogel (quy trình trùng hợp dung dịch/liên kết ngang).

Bảng lưu lượng ghi lại nhiều yếu tố của việc lắp đặt lò phản ứng đồng trùng hợp gốc tự do thực tế Như thể hiện trong Hình 4, các monome A và B liên tục được bổ sung chất khơi mào, dung môi và chất chuyển chuỗi Ngoài ra, một chất ức chế có thể đi vào cùng với thức ăn tươi dưới dạng tạp chất Các dòng cấp liệu này được kếthợp (dòng 1) với dòng tái chế (dòng 2) và chảy vào lò phản ứng (dòng 3), được giả định là một bể trộn đều có vỏ bọc Một chất làm mát chảy qua áo khoác để loại bỏ nhiệt của quá trình trùng hợp Polyme, dung môi, monome chưa phản ứng, chất khởi đầu và tác nhân chuyển chuỗi chảy ra khỏi thiết bị phản ứng đến thiết bị phân tách (dòng 4), nơi polyme, chất khởi đầu còn lại và tác nhân chuyển chuỗi được loại bỏ Các monome và dung môi chưa phản ứng (dòng 7) sau đó tiếp tục đến điểm thanh lọc (dòng 8), đại diện cho quá trình thoát khí và các tổn thất khác và