Synthesis and characterization of superabsorbent hydrogels based on acrylamide and sodium acrylate

MAGALHÃES, A. S. G.; Síntese e caracterização de hidrogeis superabsorventes à base de acrilamida e acrilato de sódio. 2009. 205 f. Tese (Doutorado em Química) - Centro de Ciências, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2009.Superabsorbent hydrogels are materials polymeric that present for three-dimensional crosslinked hydrophilic networks that can absorb large amounts of water. Among the several applications, the use of superabsorbent hydrogels as conditioner soil has shown interest by researchers. The objective of this work is to synthesize hydrogels based on acrylamide (AAM) and sodium acrylate (NaAAC) crosslinkeds with N, N'-methylenebisacrylamide (MBA), to study the effect of synthesis parameters such as: molar ratio (AAM/NaAAC), MBA concentration and monomers concentration in the properties of materials synthesized. The hydrogels were synthesized by polymerization in solution using the redox initiation system potassium per sulfate (KPS) and N, N, N’, N' tetramethylethylenediamine (TMEDA). The hydrogels have been characterized by their swelling behaviour, percentage of gel, drying, mechanical analysis, rheology, atomic absorption, scanning electron microscopy (SEM) and spectroscopy analyses infrared spectroscopy (FTIR) and 13C NMR. The average percentage of gel for hydrogels was 94 ± 3% and small amount of soluble do not modify the swelling of materials. When more acrylate (NaAAC) content the bigger equilibrium water absorbencies. When MBA and monomers content increased, the equilibrium water absorbency decreased. Swelling measurements of the hydrogels in the chloride salt solution (Na+, K+, Ca2+ e Al3) decreased compared with gel/water system. IR spectroscopy and atomic absorption showed that the nominal reason AAM/NaAAC is close to the expected value. The experiments revealed the hydrogels are suitable to be used as cation exchangers. Drying experiments indicate there are two different water in hydrogels. The hydrogels with higher concentration of MBA (0,5 e 0,8 mol%) showed higher values of elastic modulus (80.9 and 204 kPa) because of its greater physical resistance. The elastic behavior of the samples exceed the viscous one, then gels are considered strong. The influence of pH on the swelling of the hydrogel based on 55 mol% of AAM, 45 mol% of NaAAC, 0.1 mol% of MBA and 24% of monomer concentration is the value constant (»450 g H2O/g gel) in pHs from 4 to 8. The hydrogel shows reversible behavior of swelling and contraction in alkaline (pH = 10,4) and acid (pH = 10,4) buffer media, respectively. The hydrogel used in methylene blue adsorption experiments showed a quick reduction in the concentration of dye, holding 89 % of the initial concentration. The high capacity of water absorption of these materials 11 provide to them a possible application as soil conditioners. Other results point to the possibility as delivery systems for drugs or agrochemicals and as agents of color removal from effluent waterHidrogéis superabsorventes são materiais poliméricos constituídos por redes hidrofílicas tridimensionalmente reticuladas que podem reter grandes quantidades de água. Dentre as várias aplicações desses materiais, destaca-se o uso como condicionadores de solo. O objetivo deste trabalho é sintetizar hidrogéis superabsorventes à base de acrilamida (AAM) e acrilato de sódio (NaAAC) reticulados com N,N’-metilenobisacrilamida (MBA), estudar o efeito das variáveis de síntese: razão AAM/NaAAC, concentração de MBA e de monômeros nas propriedades dos hidrogéis e verificar o potencial de aplicação dos materiais. Os hidrogéis foram sintetizados via polimerização em solução, utilizando o par redox iniciador N,N,N',N'–tetrametiletilenodiamina (TMEDA) e persulfato de potássio (KPS). Os hidrogéis foram caracterizados a partir do percentual de gel, intumescimento, secagem, absorção atômica, infravermelho (IR), RMN 13C, análise mecânica, reologia e microscopia eletrônica (MEV). O percentual médio de gel para todos os materiais foi de 94 ± 3% e a pequena porção de solúveis não interferiu no intumescimento dos mesmos. Observou-se um aumento no intumescimento com o percentual de NaAAC. Aumentando a concentração de MBA há uma diminuição no intumescimento, assim como aumentando a concentração de monômeros. A presença dos cloretos de Na+, K+, Ca2+ e Al3+ causaram diminuição no intumescimento comparado ao sistema gel/água. Estudos com absorção atômica e IR indicaram que a razão nominal AAM/NaAAC está próxima do valor real. Os experimentos de absorção atômica revelaram os hidrogéis como possíveis trocadores de cátions. Experimentos de secagem indicam a presença de dois tipos de água nos hidrogéis. Os hidrogéis com maior concentração de MBA (0,5 e 0,8 mol%) apresentaram maiores valores de módulos elásticos (80,9 e 204 kPa), reflexo da maior resistência mecânica. O comportamento elástico das amostras predomina sobre o comportamento viscoso e os hidrogéis são considerados géis fortes. O intumescimento do hidrogel com 55 mol% de AAM, 45 mol% de NaAAC, 0,1 mol% de MBA e 24 % de monômero foi constante (»450 g H2O/g gel) na faixa de pH entre 4 e 8. Esse material apresentou um comportamento reversível de intumescimento e contração respectivamente em função dos pHs tamponados alcalino (10,4) e ácido (1,2). Estudos de adsorção de azul de metileno na matriz desse gel revelaram uma rápida diminuição na concentração do corante com uma retenção de 89 % da 9 concentração inicial. A elevada capacidade de absorção de água de alguns hidrogéis credencia esses materiais como candidatos a condicionadores de solo. Outros resultados apontam para possibilidade de aplicação como sistemas de liberação controlada de fármacos ou agroquímicos e como agentes de remoção de cor em águas de efluente