بهینه‌سازی ساخت نیمه شبکه های درهم خلیده پلی (آکریلیک اسید)/ زانتان با استفاده از روش سطح پاسخ

ابرجاذب ها، هیدروژل های آبدوستی هستند که می‌توانند مقادیر زیادی آب را در ساختارهای سه‌بعدی خود جای دهند و کاربردهای گسترده ای در علوم مختلف مانند دارو رسانی، پزشکی و کشاورزی دارند. این مواد پلیمرهای آبدوستی هستند که به صورت فیزیکی و یا شیمیایی شبکه‌ای شده اند. میزان شبکه ای شدن هیدروژل ها و مقدار تورم آن ها در محیط های آبی دو ویژگی متقابل هم هستند. در صورت افزایش اتصالات عرضی در یک هیدروژل، هرچند میزان تبدیل (conversion) و خواص فیزیکی و مکانیکی هیدروژل افزایش می یابد، اما از سوی دیگر میزان تورم آن دچار کاهش می شود. بنابراین تعیین شرایط مناسب پلیمریزاسیون به منظور دستیابی به خواص و تورم بهینه، چالش پیش روی پژوهشگران است. در این پژوهش به منظور بهینه سازی شرایط سنتز نیمه شبکه های درهم خلیده پلی (آکریلیک اسید)/زانتان از روش سطح پاسخ (response surface method) با استفاده از طرح باکس بنکن (boxbehnken design) استفاده شد. متغیرهای این روش، نسبت مولی عامل اتصال عرضی دهنده (x1)، درصد وزنی صمغ زانتان (x2) به عنوان محیط واکنش و مقدار آغازگر (x3) بوده است که تغییرات هر یک در سه سطح در نظر گرفته شد. پاسخ‌های مورد ارزیابی در روش سطح پاسخ، میزان تبدیل (y1) و میزان تورم (y2) هیدروژل ها در آب بوده است. بر اساس 17 آزمایش پیشنهاد شده توسط این طراحی آزمایش، مواد با یکدیگر ترکیب شدند و پلیمریزاسیون رادیکالی درون قالب های سیلیکونی در دمای °c 65 انجام شد. نتایج آنالیز anova نشان داد خطای داده های این پژوهش اندک بوده است و ضریب تعیین (r2) هر دو مدل پیشنهادی برای پاسخ‌ها بالاتر از 0.9 بوده است. 46 آزمایشی که برای نقطه بهینه توسط این نرم‌افزار با درصد مطلوبیت (desirability) بالای 50 درصد پیشنهاد شد، مبین سنتز هیدروژل هایی است که هم از میزان تبدیل مناسبی برخوردار باشند و هم مقدار تورم آنها مطلوب باشد. به عنوان مثال با 12.8 درصد مولی عامل اتصال عرضی، 0.03 گرم آغازگر و محلول 1 درصد وزنی زانتان، هیدروژل هایی با میزان تبدیل 93 درصد و مقدار جذب آب 107 درصد تهیه شد. این هیدروژل ها می‌توانند در زمینه های مختلفی از جمله تصفیه پساب های رنگی کارخانجات، کشاورزی، سامانه های دارو رسانی، جاذب های پزشکی و غیره مورد استفاده قرار بگیرند.

Optimization of the synthesis of poly (acrylic acid)/xanthan semi-IPNs using the response surface methodology

Research subject: Superabsorbents are hydrophilic hydrogels that can accommodate large amounts of water in their threedimensional structures and have wide applications in various sciences such as pharmaceuticals, medicine, and agriculture. These materials are hydrophilic polymers that are physically or chemically crosslinked. Conversion and swelling ratio of synthesized hydrogels are two counter effects. Therefore, determining the appropriate conditions for polymerization to achieve optimal properties and swelling rate of hydrogels is a challenge for researchers.Research approach: In this study, optimizing the synthesis conditions of semiinterpenetrating poly (acrylic acid)/xanthan hydrogels, the response surface methodology (RSM) was used by BoxBehnken design (BBD). The variables of this method were the molar ratio of the crosslinking agent (X1), the weight percentage of xanthan gum (X2) as the reaction medium, and the amount of initiator (X3), each of which was considered at three levels. The evaluated responses in RSM were the rate of polymerization conversion (Y1) and the rate of swelling (Y2) of the hydrogels in the water. Main results: Based on the 17 experiments proposed by RSM (BBD), the crosslinker, xanthan gum, and initiator were combined and radical polymerization was performed into silicone molds at 65 ° C. The results of ANOVA analysis showed that the data error of this study was small and the coefficient of determination (R2) of both proposed models for the responses Y1 and Y2 was higher than 0.9. The 46 experiments proposed for the optimal point by RSM (BBD) with the desirability of more than 50% indicate the synthesis of hydrogels that have both a good conversion rate and an optimal amount of swelling. For example, by 13% of crosslinking agent, 0.043 g of initiator and 1% wt. the solution of xanthan, hydrogels with a 95% conversion rate, and 102% water uptake were prepared. These hydrogels can be used in a variety of fields, including the treatment of colored wastes in factories, agriculture, pharmaceutical systems, medical attractions, and more.