مهندسی شیمی ایران

مهندسی شیمی ایران

سنتز بهینه و بهبود خواص کوپلیمرهای غلظت‌دهندۀ میکروژلی پایه‌آکریلیکی به‌روش پلیمریزاسیون امولسیونی وارون

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
علیرضا سبزواری 1
محمدباقر سبحانی متین 2
کوروش کبیری 3
1 دانشیار مهندسی پلیمر، دانشگاه میبد
2 استادیار مهندسی پلیمر، دانشگاه صنعتی همدان
3 دانشیار مهندسی پلیمر، پژوهشگاه پلیمر و پتروشیمی ایران
10.22034/ijche.2025.507116.1504
چکیده
 
در این پژوهش به سنتز بهینۀ کوپلیمرهای غلظت‌دهندۀ هیدروژلی برپایۀ سدیم آکریلات-آکریلیک اسید، به‌روش پلیمریزاسیون (بَسپارش) امولسیونی وارون پرداخته‌شد. هدف اصلی این مطالعه، افزایش بازده پلیمریزاسیون و بهبود خواص غلظت‌دهندگی و رئولوژیک (روانه‌شناختی) این مواد با شرایط سنتز بهینه، استفاده‌از شبکه‌سازهای نوین دی‌گلیسیدیل اتری، نانوذرات صفحه‌مانند کلوزیت اصلاح‌شده وکومونومر آکریل‌آمید است. در مقادیر برابر 3/0 گرم از دو شبکه‌ساز پلی‌اتیلن‌گلیکول دی‌گلیسیدیل اتر (بلندزنجیر) و دی‌اتیلن‌گلیکول دی‌گلیسیدیل اتر (کوتاه‌زنجیر) استفاده‌از شبکه‌ساز بلندزنجیر نسبت‌به کوتاه‌زنجیر، افزایش 13~ برابری گران‌روی ظاهری (از Pa.s 1/39 به Pa.s 20/2 در سرعت برشی rpm ۱۰) را به‌همراه داشت. استفاده‌از نانوذرات کلوزیت به‌عنوان تقویت‌کننده، تا مقدار بهینۀ 5% وزنی-وزنی، منجربه افزایش7~ برابری مدول ذخیره (از KPa 0/65 به KPa 5/61 در فرکانس Hz ۱۰) و افزایش چشم‌گیر غلظت‌دهندگی کوپلیمرها شد. افزودن مونومر آکریل‌آمید به زنجیرۀ اصلی کوپلیمر اولیه و تشکیل ترپلیمر با 40% مولی‌آکریل‌آمید، افزایش درصد تبدیل پلیمریزاسیون از ۶۲% به ۹۳% و افزایش 4~ برابری در گران‌روی لاتکس مستقیم را درپی‌داشت. این مطالعه، نشان‌داد که ترکیب عوامل شبکه‌ساز نوین، نانوذرات و کومونومرها می‌تواند راه‌کاری مؤثر برای تولید غلظت‌دهنده‌های پلیمری با کارایی بالا باشد.
کلیدواژه‌ها
میکروژل
غلظت‌دهندۀ پلیمری
کوپلیمر آکریلیکی
هیدروژل کامپوزیتی
پلیمریزاسیون امولسیونی وارون

موضوعات

عنوان مقاله English

Optimized Synthesis and Enhancement of Properties of Acrylic -Based Microgel Thickener Copolymers via Inverse Emulsion Polymerization

نویسندگان English

A. R. sabzevari 1
M. B. Sobhanimatin 2
K. Kabiri 3
1 Associate Professor of Polymer Engineering, Meybod University
2 Assistant Professor of Polymer Engineering, Hamedan University of Technology
3 Associate Professor of Polymer Engineering, Iran Polymer and Petrochemical Institute
چکیده English

This study focuses on the optimized synthesis of microgel thickeners derived from sodium acrylate-acrylic acid copolymers through inverse emulsion polymerization. The primary objective was to enhance polymerization efficiency and improve the thickening and rheological properties of these materials by employing optimized synthesis conditions, novel crosslinkers (diglycidyl ether derivatives), modified Cloisite plate-like nanoparticles, and acrylamide comonomers. At equivalent concentrations (0.3 g), the use of a long-chain crosslinker (poly(ethylene glycol) diglycidyl) ether compared to a short-chain counterpart (diethylene glycol diglycidyl ether) resulted in a ~13-fold increase in apparent viscosity (from 1.39 Pa·s to 20.2 Pa·s at a shear rate of 10 rpm). Incorporation of Cloisite nanoparticles as reinforcing agents, up to an optimal concentration of 5 wt%, led to a ~7-fold rise in storage modulus (from 0.65 kPa to 5.61 kPa at 10 Hz) and a significant improvement in copolymer thickening performance. The addition of acrylamide comonomer to the primary copolymer backbone, forming a terpolymer with 40 mol% acrylamide, increased the polymerization conversion yield from 62% to 93% and produced an approximately 4-fold improvement in direct latex viscosity. This study demonstrates that the strategic combination of advanced crosslinkers, nanoparticles, and comonomers represents an effective approach for developing high-performance polymeric thickeners.

کلیدواژه‌ها English

Microgel
Polymeric Thickener
Acrylate Copolymer
Composite Hydrogel
Inverse Emulsion Polymerization
[1]        Ragab, M. M., Hassabo, A. G., & Othman, H. (2021). Synthetic Thickener in Textile Printing. Journal of Textiles, Coloration and Polymer Science, 18(1), 65-74. 
[2]        Wang, M., Zhao, Y., Shen, A. n., Liu, Y., Yao, Y., & Wu, H. (2024). Preparation of polyacrylic acid thickener with electrolyte resistance for carpet ink-jet printing. Progress in Organic Coatings, 194, 108538.
[3]        Xie, Z., Li, K., Tang, W., Yang, S., & Sun, Y. (2022). The suspending appearance of poly (acrylic acid)‐based rheology modifier in high‐content surfactant: The effect of polymer structure and molecular weight on the rheological properties of the complex systems. Journal of Applied Polymer Science, 139(48), e53236.
[4]        Maleki Taleghani, M., & Dadvand Koohi, A. (2025). Copper Cation Removal from Aqueous Solutions Using Carboxymethyl Cellulose/Itaconic Acid/Bentonite Composite hydrogel by A fixed Adsorption Column: Characterization and Kinetic Studies. Iranian Chemical Engineering Journal. doi: 10.22034/ijche.2025.471783.1436, [In Persian].
[5]        Moradi, H., Khadiv-Parsi, P., Karimi Sabet, J., & Esmaeili, M. (2020). Simulation of Release of Vitamin B12 on Hydrogel Drug Delivery Systems. Iranian Chemical Engineering Journal, 18(107), 28-35, [In Persian].
[6]        Afkhami, F., Sabzevari, A., & Eslami, H. (2024). A Review of Thermogel with an Applied Approach in Medical Engineering. Nashrieh Shimi va Mohandesi Shimi Iran, 43(1), 1-26.
[7]        Bidarvandi, N., Sabzevari, A., Kabiri, K., Ghasemzadeh, H., & Moini, N. (2024). Preparation of green-stretchable hydrogel based on succinic acid-based monomer‎ with antibacterial properties. Polymer-Plastics Technology and Materials, , 63(13), 1769-1779.
[8]        Sabzevari, A., Rayat Pisheh, H., Ansari, M., & Salati, A. (2023). Progress in bioprinting technology for tissue regeneration. Journal of Artificial Organs, 26(4), 255-274.
[9]        Shen, Y., Yang, Y., Zhao, Y., Yao, Y., Han, H., Liu, Y., & Wu, H. (2023). Preparation of ammonium polyacrylate thickener via inverse emulsion polymerization: paste forming ability and rheological property. Textile Research Journal, 93(21-22), 4908-4921. 
[10]      Sabzevari, A., Kabiri, K., & Siahkamari, M. (2016). Induced superabsorbency in polyester fiber. Iranian Polymer Journal, 25, 635-646.
[11]      Amiri, F., Sabzevari, A., Kabiri, K., Bouhendi, H., & Siahkamari, M. (2017). Conversion Lignocellulosic Bagasse Biomass into Hydrogel. Iranian Journal of Polymer Science and Technology, 29(5), 453-465.
[12]      Sabzevari, A., & Kabiri, K. (2016). Converting date seed biomass into highly absorbing hydrogel. Iranian Polymer Journal, 25(7), 597-606.
[13]      Hajighasem, A., & Kabiri, K. (2015). Novel crosslinking method for preparation of acrylic thickener microgels through inverse emulsion polymerization. Iranian Polymer Journal, 24(12), 1049-1056.
[14]      Ramazani-Harandi, M., Zohuriaan-Mehr, M., Yousefi, A., Ershad-Langroudi, A., & Kabiri, K. (2006). Rheological determination of the swollen gel strength of superabsorbent polymer hydrogels. Polymer testing, 25(4), 470-474.
[15]      Seyedzadeh, Z. S., Sabzevari, A., Kabiri, K., Ansari, M., & Eslami, H. (2024). Fabrication of Antibacterial and Flexible Hydrogels Based on Citric Acid Containing Tannic Acid for Wound Dressing. Polymers for Advanced Technologies, 35(11), e6636.
[16]      Hossein Rayat Pisheh, Alireza Sabzevari, Mojtaba Ansari, & Kabiri, K. (2024). Development of HEMA-Succinic Acid-PEG Bio-Based Monomers for High-Performance Hydrogels in Regenerative Medicine. Biopolymers, 116(1), e23631.
[17]      Afkhami, F., Eslami, H., Sabzevari, A., & Ansari, M. (2025). Fabrication and Characterization of Injectable Nanocomposite Hydrogel Containing PEG-PCL-PEG Copolymer/Montmorillonite Nanoparticles for Bone Tissue Regeneration. Arabian Journal for Science and Engineering, doi:10.1007/s13369-024-09912-8
[18]      Vargas, G., Acevedo, J., López, J., & Romero, J. (2008). Study of cross-linking of gelatin by ethylene glycol diglycidyl ether. Materials Letters, 62(21-22), 3656-3658.
[19]      Pascault, J.-P., & Williams, R. J. (2009). Epoxy polymers: new materials and innovations. John Wiley & Sons.
[20]      Islam, M. T., Rodriguez-Hornedo, N., Ciotti, S., & Ackermann, C. (2004). Rheological characterization of topical carbomer gels neutralized to different pH. Pharmaceutical research, 21, 1192-1199.
[21]      Agarwal, Y., Kaushik, S., & Kumar, P. (2007). Synthesis and rheological studies of methacrylic acid‐ethyl acrylate–allyl methacrylate terpolymers. Journal of Macromolecular Science, Part A: Pure and Applied Chemistry, 44(8), 877-880.
[22]      Es-Haghi, H., Bouhendi, H., Marandi, G. B., Zohurian-Mehr, M., & Kabiri, K. (2012). Rheological properties of microgel prepared with long-chain crosslinkers by a precipitation polymerization method. Journal of Macromolecular Science, Part B, 51(5), 880-896.
[23]      Panahi, P., Khorasani, S. N., Koochaki, M. S., Dinari, M., Das, O., & Neisiany, R. E. (2021). Synthesis of Cloisite 30B-acrylamide/acrylic acid nanogel composite for self-healing purposes. Applied Clay Science, 210, 106174.
[24]      Hackman, I., & Hollaway, L. (2006). Epoxy-layered silicate nanocomposites in civil engineering. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 37(8), 1161-1170.
[25]      Darvishi, Z., Kabiri, K., Zohuriaan‐Mehr, M., & Morsali, A. (2011). Nanocomposite super‐swelling hydrogels with nanorod bentonite. Journal of Applied polymer science, 120(6), 3453-3459.
[26]      Kabiri, K., Hesarian, S., Zohuriaan-Mehr, M., Jamshidi, A., Boohendi, H., Pourheravi, M., Hashemi, S., Omidian, H., & Fathollahi, S. (2011). Superabsorbent polymer composites: does clay always improve properties? Journal of materials science, 46, 6718-6725.
[27]      Ramazani‐Harandi, M., Zohuriaan‐Mehr, M., Yousefi, A., Ershad‐Langroudi, A., & Kabiri, K. (2009). Effects of structural variables on AUL and rheological behavior of SAP gels. Journal of Applied Polymer Science, 113(6), 3676-3686.
[28]      Eshaghi, H., Marandi, G. B., Boohendi, H., Zohuriaan-Mehr, M., & Kabiri, K. (2010). Crosslinkers of Different Types in Precipitation Polymerization of Acrylic Acid. Science and Technology, 23(1), 75-84.
[29]      Peng, X., & Peng, X. (2006). Water‐soluble copolymers. II. Inverse emulsion terpolymerization of acrylamide, sodium acrylate, and acryloyloxyethyl trimethylammonium chloride. Journal of applied polymer science, 101(3), 1381-1385.
[30]      Bonacucina, G., Martelli, S., & Palmieri, G. F. (2004). Rheological, mucoadhesive and release properties of Carbopol gels in hydrophilic cosolvents. International journal of pharmaceutics, 282(1-2), 115-130.
[31]      Kim, J.-Y., Song, J.-Y., Lee, E.-J., & Park, S.-K. (2003). Rheological properties and microstructures of Carbopol gel network system. Colloid and Polymer Science, 281(7), 614-623.
مهندسی شیمی ایران
دوره 24، شماره 143
بهمن و اسفند 1404
صفحه 124-139