BR102013003667A2 - SUPERABSorbent HYDROGELS COMPOSITE ACRYLAMIDE, ACRYLATES AND THEIR COPOLYMERS CONTAINING MINERAL CARBONATE CLASS - Google Patents

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HIDROGÉIS SUPERABSORVENTES COMPÓSITOS DE ACRILAMIDA, ACRILATOS E SEUS COPOLÍMEROS CONTENDO MINERAL DA CLASSE DOS CARBONATOS. Hidrogéis superabsorventes de acrilamida, acrilato ou seus copolímeros (Pam Acril) e compósitos desses copolímeros com mineral da classe dos carbonatos (dolomita, calcita, aragonita, magnesita, ankerita, dentre outros) foram sintetizados a partir de reação de polimerização em solução via radical livre. Persulfato de potássio e N,N,N',N'-tetrametiletilenodiamino foram utilizados como iniciador e acelerador, respectivamente e o N,N'-metilenobisacrilamida foi o agente reticulante, empregado na concentração de 0,05 a 0,5% m/m (em relação a massa total dos monômetros). Variou-se a porcentagem de mineral (5 a 50% m/m) em relação aos monômetros, de modo a obter uma série de hidrogéis compósitos superabsorventes. O estudo do efeito da concentração de mineral na absorção de água dos hidrogéis foi feito a partir da comparação das cinéticas de intumescimento dos compósitos, em água destilada, com a do Pam Acril. Os resultados obtidos mostram que a incorporação de mineral na matriz polimérica aumenta a capacidade de absorção de água dos materiais. Considerando que os minerais são matéria prima mais barata do que os monômetros de partida, o hidrogel com maior teor de mineral é o que apresentará menor custo, sendo, portanto o mais indicado para produção comercial.SUPERABSORBENT HYDROGEN COMPOSITES OF ACRYLAMIDE, ACRYLATES AND THEIR COPOLYMERS CONTAINING MINERAL CARBONATE CLASSES. Superabsorbent hydrogels of acrylamide, acrylate or their copolymers (Pam Acril) and composites of these copolymers with mineral of the carbonate class (dolomite, calcite, aragonite, magnesite, ankerite, among others) were synthesized from polymerization reaction in solution via free radical . Potassium persulfate and N, N, N ', N'-tetramethylethylenediamine were used as initiator and accelerator, respectively, and N, N'-methylenebisacrylamide was the crosslinking agent, used in the concentration of 0.05 to 0.5% m / m (in relation to the total mass of the monometers). The mineral percentage was varied (5 to 50% w / w) in relation to the monometers, in order to obtain a series of superabsorbent composite hydrogels. The study of the effect of mineral concentration on water absorption of hydrogels was done by comparing the swelling kinetics of the composites, in distilled water, with that of Pam Acril. The results obtained show that the incorporation of mineral in the polymeric matrix increases the water absorption capacity of the materials. Considering that minerals are cheaper raw material than starting monometers, the hydrogel with the highest mineral content is the one with the lowest cost, and is therefore the most suitable for commercial production.

Description

“HIDROGEIS SUPERABSORVENTES COMPÓSITOS DE ACRILAMIDA, ACRILATOS E SEUS COPOLÍMEROS CONTENDO MINERAL DA CLASSE DOS CARBONATOS”“SUPERABSorbent HYDROGELS COMPOSITE OF ACRYLAMIDE, ACRYLATES AND THEIR COPOLYMERS CONTAINING MINERAL CARBONATE CLASS”

CAMPO DA INVENÇÃO A presente invenção refere-se a polímeros compósitos superabsorventes deFIELD OF THE INVENTION The present invention relates to superabsorbent composite polymers of

água e soluções aquosas, constituídos por uma matriz copolimérica de acrilamida e acrílatos, na qual as partículas de um mineral da classe dos carbonatos encontram-se dispersas. A metodologia descrita nesse documento é rápida e economicamente viável, e possibilitará sintetizar hidrogéis de rápida superabsorção para aplicação em diversos 10 setores, especialmente no agrícola, onde esses materiais atuarão como condicionadores de solo, absorvendo rapidamente uma grande quantidade de água que será liberada gradativamente para a planta conforme a sua necessidade.water and aqueous solutions consisting of a copolymeric matrix of acrylamide and acrylates in which the particles of a carbonate class mineral are dispersed. The methodology described in this document is fast and economically viable, and will make it possible to synthesize fast-absorbing hydrogels for application in several 10 sectors, especially in agriculture, where these materials will act as soil conditioners, rapidly absorbing a large amount of water that will be gradually released to the plant as per your need.

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃOBACKGROUND OF THE INVENTION

Hidrogéis superabsorventes são materiais constituídos por redes poliméricas hidrofílicas, tridimensionalmente reticuladas, capazes de absorver e reter grandes volumes de água e soluções aquosas em sua estrutura sem se dissolver (KABIRI e colaboradores, European Polymer Journal, 2003, 39, 1341).Superabsorbent hydrogels are materials made up of three-dimensionally cross-linked hydrophilic polymer networks capable of absorbing and retaining large volumes of water and aqueous solutions in their structure without dissolving (KABIRI et al., European Polymer Journal, 2003, 39, 1341).

A maior utilização de materiais superabsorventes é para a fabricação de produtos de higiene pessoal descartáveis, tais como absorventes femininos e 20 principalmente fraldas, que foram responsáveis por mais de 85 % do total de material superabsorvente vendido em 2002 (OHMURA, Nonwovens Industry, 2003, 34, 24). Outra aplicação importante é no setor agrícola, como condicionadores de solo, onde os hidrogéis precisam ter alta capacidade de absorção de água em um curto intervalo de tempo.The largest use of superabsorbent materials is for the manufacture of disposable toiletries such as women's pads and mainly diapers, which accounted for over 85% of the total superabsorbent material sold in 2002 (OHMURA, Nonwovens Industry, 2003, 34, 24). Another important application is in the agricultural sector, such as soil conditioners, where hydrogels need to have high water absorption capacity in a short time.

A principal característica de um hidrogel é sua capacidade de absorver água.The main feature of a hydrogel is its ability to absorb water.

O grau de intumescimento, W (g de água/g de gel seco), é definido como a razão da massa do hidrogel intumescido e a massa do hidrogel seco. O intumescimento de uma rede polimérica hidrofílica ocorre em conseqüência das interações entre as moléculas de água e os grupos hidrofílicos fixos na rede, através de ligações de hidrogênio. Os grupos 30 hidrofílicos presentes na rede polimérica dos hidrogéis são hidratados em meio aquoso, e a reticulação evita a dissolução das cadeias poliméricas hidrofílicas. Quando intumescidas, as redes poliméricas encontram-se mais elásticas. A força osmótica que auxilia na condução do solvente para dentro da rede polimérica é contrabalanceada por uma força elástica retrativa. Assim, quando as forças osmóticas e elásticas forem iguais, o hidrogel terá atingido o estado de equilíbrio de intumescimento 5 obtendo o valor máximo de absorção de água (Weq) em um denominado tempo de equilíbrio (teq).The degree of swelling, W (g water / g dry gel), is defined as the ratio of the swollen hydrogel mass to the dry hydrogel mass. The swelling of a hydrophilic polymer network occurs as a result of interactions between water molecules and hydrophilic groups attached to the network through hydrogen bonds. Hydrophilic groups present in the polymer network of hydrogels are hydrated in aqueous medium, and crosslinking prevents dissolution of hydrophilic polymer chains. When swollen, the polymeric networks are more elastic. The osmotic force that assists in driving the solvent into the polymer network is counterbalanced by a retracting elastic force. Thus, when the osmotic and elastic forces are equal, the hydrogel will have reached the state of swelling equilibrium 5 obtaining the maximum water absorption value (Weq) in a so-called equilibrium time (teq).

Hidrogéis superabsorventes têm sido utilizados como condicionadores de solo desde a década de 80, motivados pelas melhorias significativas nas propriedades do solo. Um condicionador de solo é definido como todo material orgânico, sintético, 10 natural ou quimicamente modificado que, adicionado ao solo, altera favoravelmente suas propriedades físicas e estruturais (KÃMPF e FERMINO, Genesis, Porto Alegre, 1999).Superabsorbent hydrogels have been used as soil conditioners since the 1980s, motivated by significant improvements in soil properties. A soil conditioner is defined as any organic, synthetic, natural or chemically modified material that, added to the soil, favorably alters its physical and structural properties (KÃMPF and FERMINO, Genesis, Porto Alegre, 1999).

Com o crescimento da população mundial e conseqüente aumento da demanda na produção de alimentos tomam-se necessárias a criação e a aplicação de novas técnicas que favoreçam a produção agrícola aliada à preservação dos recursos naturais, principalmente hídricos.With the growth of the world population and the consequent increase in the demand for food production, it is necessary to create and apply new techniques that favor agricultural production combined with the preservation of natural resources, especially water.

A água é um dos principais fatores que influencia no aumento da produtividade das lavouras e consequentemente, no aumento da produção de alimentos. Um estudo realizado pela Organização das Nações Unidas para a Agricultura e Alimentação destaca que 69 % da água utilizada no mundo (2.500 km3/ano) estão direcionados à atividade agrícola.Water is one of the main factors that influences the increase of crop productivity and, consequently, the increase of food production. A study by the United Nations Food and Agriculture Organization points out that 69% of the water used in the world (2,500 km3 / year) is directed to agricultural activity.

Uma alternativa para a solução do problema da escassez de água no setor agrícola é a utilização de polímeros superabsorventes, na forma de hidrogéis, que possibilitam a retenção de uma grande quantidade de água e sua posterior liberação para a planta, proporcionando um melhor aproveitamento das águas.An alternative to solve the problem of water scarcity in the agricultural sector is the use of superabsorbent polymers, in the form of hydrogels, which allow the retention of a large amount of water and its subsequent release to the plant, providing a better use of water. .

Em regiões áridas e semi-áridas, como grande parte do território nordestino, caracterizadas pela escassez de recursos hídricos superficiais e pela elevada evapotranspiração, os hidrogéis absorvem a água fornecida pela irrigação e/ou chuva e a libera para as plantas, de modo gradativo, possibilitando o emprego de turnos de rega 30 mais espaçados. Além disso, atuam na diminuição do potencial osmótico de solos salinos em decorrência do aumento da disponibilidade de água dos mesmos. Os polímeros superabsorventes podem ainda aumentar a capacidade de armazenamento de água e reduzir perdas por percolação em solos arenosos, aumentando assim a eficiência do uso da água e dos fertilizantes pelas plantas.In arid and semi-arid regions, such as much of northeastern territory, characterized by scarcity of surface water resources and high evapotranspiration, hydrogels absorb water supplied by irrigation and / or rain and gradually release it to plants. allowing the use of more spaced 30 watering shifts. In addition, they act to decrease the osmotic potential of saline soils due to their increased water availability. Superabsorbent polymers can further increase water storage capacity and reduce percolation losses in sandy soils, thereby increasing the efficiency of plant water and fertilizer use.

Dentre outros benefícios conseguidos com o uso de hidrogéis, pode-se destacar a redução da frequência de irrigação (diminuindo os custos com essa 5 atividade), a recuperação mais rápida de solos erodidos, degradados de áreas em processo de desertificação, o aumento do rendimento das culturas em regiões semiáridas, o aumento da capacidade de retenção de água e de nutrientes móveis pelo solo, e o aumento da permeabilidade do solo e da infiltração de água.Among other benefits achieved with the use of hydrogels, we can highlight the reduction of irrigation frequency (reducing the costs of this activity), faster recovery of eroded, degraded soils from desertification areas, increased yields. of crops in semiarid regions, increased retention capacity of water and mobile nutrients by soil, and increased soil permeability and water infiltration.

Experimentos desenvolvidos com hidrogéis superabsorventes de 10 poliacrilamida e/ou poliacrilato mostram que esses materiais podem melhorar as propriedades de solo seco para o cultivo, visto que eles armazenam uma grande quantidade de água, diminuindo a frequência de irrigação das plantas e melhorando a retenção de água do solo, resultando num aumento do crescimento e desempenho da planta (SHI e colaboradores, Scientia Horticulturae, 2010, 124,268).Experiments developed with polyacrylamide and / or polyacrylate superabsorbent hydrogels show that these materials can improve the properties of dry soil for cultivation as they store a large amount of water, decreasing the frequency of plant irrigation and improving water retention. resulting in increased plant growth and performance (SHI et al., Scientia Horticulturae, 2010, 124,268).

A adição de hidrogel ao solo arenoso pode prolongar a sobrevivência deThe addition of hydrogel to sandy soil may prolong the survival of

mudas sujeitas à seca. HUTERMANN, ZOMMORO e REISE (Soil and Tillage Research, 1999, 50, 295) testaram à aplicação ao solo de um hidrogel comercial (Stockosorb K-400), à base de poliacrilamida altamente reticulada e com 40 % de hidrólise. Eles observaram que a retenção de água aumentou exponencialmente com o 20 aumento da quantidade de hidrogel adicionado e que as mudas tratadas com 0,4 % de hidrogel sobreviveram duas vezes mais do que às não tratadas com o gel.seedlings subject to drought. HUTERMANN, ZOMMORO and REISE (Soil and Tillage Research, 1999, 50, 295) tested the application to the soil of a highly cross-linked polyacrylamide 40% hydrolysis commercial hydrogel (Stockosorb K-400). They observed that water retention increased exponentially with increasing amount of added hydrogel and that 0.4% hydrogel-treated seedlings survived twice as long as non-gel-treated seedlings.

Dentre os superabsorventes aplicados na agricultura, poliacrilamidas, poliacrilatos ou copolímeros desses com ligações cruzadas são responsáveis pela maioria dos hidrogéis, uma vez que além de possuírem excelentes propriedades hidrofílicas, esses materiais ainda permanecem ativos no solo por um longo tempo (WANG e XIE, Journal of Polymer Research, 2009,16,143).Among the superabsorbents applied in agriculture, cross-linked polyacrylamides, polyacrylates or copolymers are responsible for most hydrogels, since in addition to having excellent hydrophilic properties, these materials still remain active in the soil for a long time (WANG and XIE, Journal of Polymer Research, 2009,16,143).

As poliacrilamidas não são degradadas biologicamente, portanto, uma vez aplicada ao solo, sofrem degradação ou dissociação por ação do cultivo, dos raios ultravioletas do sol e um contínuo fracionamento, em tomo de 10 % ao ano. Os produtos finais da dissociação dos hidrogéis são: CO2, H2O e NH3 (AZEVEDO, BERTONHA e GONÇALVES, Acta Scientiarum Agronomy, 2006, 28, 287). Para a síntese de hidrogéis superabsorventes emprega-se uma variedade de monômeros. O ácido acrílico e seus sais de sódio ou potássio, além da acrilamida, são os mais frequentemente empregados na produção industrial desses materiais, como é o caso dos hidrogéis disponíveis no mercado brasileiro: Luquasorb®, Hysorb®, Stockosorb® e Aquasorb®.Polyacrylamides are not biologically degraded, so once applied to the soil, they are degraded or dissociated by cultivation, ultraviolet rays from the sun and continuous fractionation, around 10% per year. The final products of hydrogel dissociation are: CO2, H2O and NH3 (AZEVEDO, BERTONHA and GONÇALVES, Acta Scientiarum Agronomy, 2006, 28, 287). For the synthesis of superabsorbent hydrogels a variety of monomers are employed. Acrylic acid and its sodium or potassium salts, in addition to acrylamide, are the most frequently used in the industrial production of these materials, as is the case with hydrogels available in the Brazilian market: Luquasorb®, Hysorb®, Stockosorb® and Aquasorb®.

Luquasorb® e Hysorb® são produzidos pela BASF Corporation. O Hysorb® é um poliacrilato de sódio utilizado em fraldas descartáveis é que, segundo o fabricante, possui uma absorção máxima em água deionizada e em solução de NaCl 0,9 % de 550 e 50 g de água/g de hidrogel seco, respectivamente. O Luquasorb® é um 10 hidrogel para aplicação agrícola, à base de poliacrilato de potássio, que possui a capacidade de absorver até 1000 g de água deionizada/g de hidrogel seco, segundo o fabricante. O Stockosorb® é um hidrogel copolimérico para aplicação agrícola, produzido pela empresa alemã Stockhausen GmbH Krefeld. Ele é constituído de acrilamida-acrilatos, e possui uma capacidade máxima de absorção em água deionizada 15 de 300 g de água/g de hidrogel seco.Luquasorb® and Hysorb® are produced by BASF Corporation. Hysorb® is a sodium polyacrylate used in disposable diapers which, according to the manufacturer, has a maximum absorption in deionized water and 0.9% NaCl solution of 550 and 50 g of water / g of dry hydrogel, respectively. Luquasorb® is a potassium polyacrylate-based hydrogel for agriculture which has the capacity to absorb up to 1000 g of deionized water / g of dry hydrogel, according to the manufacturer. Stockosorb® is a copolymer hydrogel for agricultural application produced by the German company Stockhausen GmbH Krefeld. It is made up of acrylamide acrylates, and has a maximum absorption capacity in deionized water of 300 g of water / g of dry hydrogel.

O hidrogel Aquasorb® é um copolímero da acrilamida-acrilato de potássio, produzido pela empresa francesa SNF Floerger. É um material para aplicação agrícola e que, segundo o fabricante, pode absorver até 400 g de água/g de hidrogel seco quando imerso em água deionizada necessitando para isso permanecer em contato com a água 20 um tempo superior a 240 minutos. Ainda segundo o fabricante, esse material quando usado no solo poderia absorver um máximo de 150 g de água/g de hidrogel seco e manter-se ativo por mais de 5 anos.Aquasorb® hydrogel is a potassium acrylamide-acrylate copolymer produced by the French company SNF Floerger. It is a material for agricultural application and which, according to the manufacturer, can absorb up to 400 g of water / g of dry hydrogel when immersed in deionized water needing to remain in contact with water 20 longer than 240 minutes. According to the manufacturer, this material when used in soil could absorb a maximum of 150 g of water / g of dry hydrogel and remain active for more than 5 years.

No mercado mundial existem atualmente mais de 100 marcas comerciais de hidrogéis e - apesar de todos os benefícios que podem ser conseguidos com a utilização desse produto, o Brasil pouco o utiliza na agricultura, devido ao custo e a pouca disponibilidade no mercado nacional, uma vez que são todos importados.In the world market there are currently over 100 trademarks of hydrogels and - despite all the benefits that can be obtained from the use of this product, Brazil does not use it in agriculture, due to the cost and the low availability in the national market, once which are all imported.

O desenvolvimento de um hidrogel com tecnologia nacional com certeza trará enormes benefícios. Além do mais, o produto da presente invenção apresenta-se mais eficiente do que os citados anteriormente, visto que ele possui uma maior capacidade de absorver água (até 1200 g de água/g de hidrogel seco) em um pequeno tempo, atingindo o intumescimento máximo e equilíbrio em menos de 8 minutos. Existem algumas tecnologias nacionais depositadas no Instituto Nacional da Propriedade Industrial (INPI) para produção de hidrogéis voltados para o setor agrícola. Como exemplo pode-se citar o produto desenvolvido na Universidade Estadual de Maringá (BR/PR), sintetizado a partir de acrilatos, acrilamida e goma arábica. Segundo 5 os inventores, um hidrogel de rápida superabsorção foi desenvolvido, possuindo uma capacidade máxima de absorção de 300 g de água/g de hidrogel seco em pouco mais de uma hora de imersão em água destilada (PI 0506316-7 A).The development of a hydrogel with national technology will surely bring huge benefits. Furthermore, the product of the present invention is more efficient than those mentioned above, as it has a greater capacity to absorb water (up to 1200 g of water / g of dry hydrogel) in a short time, reaching swelling. maximum and balance in less than 8 minutes. There are some national technologies deposited with the National Institute of Industrial Property (INPI) for the production of hydrogels for the agricultural sector. As an example we can mention the product developed at the State University of Maringá (BR / PR), synthesized from acrylates, acrylamide and gum arabic. According to the inventors, a fast-absorbing hydrogel has been developed having a maximum absorption capacity of 300 g water / g dry hydrogel in just over an hour of immersion in distilled water (PI 0506316-7 A).

Outro hidrogel também desenvolvido na Universidade Estadual de Maringá (BR/PR) à base de acrilamida hidrolisada e goma do cajueiro modificada apresenta grau 10 de intumescimento entre 300 e 2000 g de água/g de hidrogel seco, dependendo do tempo de hidrolise, tempo de imersão em água e da concentração de goma do cajueiro no hidrogel. O valor máximo de 2000 g de água/g de hidrogel seco foi alcançado com um tempo de hidrolise de 4,5 horas necessitando que o hidrogel permanecesse imerso em água destilada por 35 horas (PI 0404265-4).Another hydrogel also developed at the State University of Maringá (BR / PR) based on hydrolyzed acrylamide and modified cashew gum presents swelling degree 10 between 300 and 2000 g water / g dry hydrogel, depending on hydrolysis time, immersion in water and the concentration of cashew gum in the hydrogel. The maximum value of 2000 g water / g dry hydrogel was reached with a hydrolysis time of 4.5 hours requiring the hydrogel to remain immersed in distilled water for 35 hours (PI 0404265-4).

Polímero superabsorvente constituído de amido e poli(álcool vinílico) foiSuperabsorbent polymer consisting of starch and polyvinyl alcohol was

desenvolvido para uso na agricultura com capacidade de absorção de 50 g de água/g de hidrogel seco em um tempo de imersão em água destilada de 2 semanas. Segundo os inventores, ensaios realizados em solo simulado mostram que esse hidrogel é biodegradado em 180 dias (PI 0904733-6 A2).developed for use in agriculture with an absorption capacity of 50 g water / g dry hydrogel in a distillation time of 2 weeks. According to the inventors, simulated soil tests show that this hydrogel is biodegraded within 180 days (PI 0904733-6 A2).

Existem varias tecnologias para produção de hidrogéis voltados para o setorThere are several technologies for the production of hydrogels aimed at the sector.

agrícola, protegidas por patentes depositadas em institutos/órgãos de proteção, em todas as partes do mundo. Dentre elas, pode-se citar o hidrogel superabsorvente à base de poliacrilamida hidrolisada que possui uma capacidade de absorção de 300 g de água/ g de hidrogel seco em um tempo de 24 horas de imersão em água destilada (Fr 9104600). O desenvolvimento de hidrogéis compósitos a partir de matrizes poliméricasprotected by patents filed with institutes / protection bodies in all parts of the world. These include hydrolysed polyacrylamide-based superabsorbent hydrogel which has an absorption capacity of 300 g of water / g of dry hydrogel over a 24 hour immersion time in distilled water (Fr 9104600). The development of composite hydrogels from polymeric matrices

reforçadas com materiais inorgânicos pode, não apenas, oferecer uma alternativa para melhorar as propriedades mecânicas e reológicas dos materiais, como também disponibilizar produtos de alto desempenho a um custo viável pela adição de cargas volumosas e mais baratas do que o polímero puro (WO 2004/018005; WO 30 2005/030279; US 3.935.363; JP 10-244249; US 5.489.469; US 4.500.670; US 4.454.055; US 6.124.391; US 5.419.956; US 6.175.055; US 2004018006 Al; US 6.376.011). Hidrogéis compósitos superabsorventes obtidos a partir de materiais inorgânicos como a caulinita (WU, WEI e LIN, Polymer, 2003, 44, 6513), montmorilonita (BULUT e colaboradores, Journal of Hazardous Materials, 2009, 171, 717), atapulgita (WANG, ZHENG e WANG, Polymer Advanced and Technology, 5 2008, 19, 1852), diatomita (QI e colaboradores, Polymer for Advanced Technology, 2007, 18, 184), vermiculita (ZHANG e WANG, Reactive and Functional Polymers, 2007, 67, 737), laponita (ZHANG e colaboradores, Biomaterials, 2009, 30, 1309), mica (LEE e TSAO, European Polymer Journal, 2005, 41, 1605), dentre outros, apresentam melhorias em suas propriedades mecânicas e/ou aumento da capacidade de absorção de 10 água em relação ao hidrogel sem acréscimo de mineral.reinforced with inorganic materials can not only offer an alternative to improve the mechanical and rheological properties of materials, but also provide high performance products at a viable cost by adding bulky fillers that are cheaper than pure polymer (WO 2004 / WO 30 2005/030279; US 3,935,363; JP 10-244249; US 5,489,469; US 4,500,670; US 4,454,055; US 6,124,391; US 5,419,956; US 6,175,055; US 2004018006 Al; US 6,376,011). Superabsorbent composite hydrogels obtained from inorganic materials such as kaolinite (WU, WEI and LIN, Polymer, 2003, 44, 6513), montmorillonite (BULUT et al., Journal of Hazardous Materials, 2009, 171, 717), attapulgite (WANG, ZHENG and WANG, Polymer Advanced and Technology, 5 2008, 19, 1852), diatomite (IQ et al., Polymer for Advanced Technology, 2007, 18, 184), vermiculite (ZHANG and WANG, Reactive and Functional Polymers, 2007, 67, 737), laponite (ZHANG et al., Biomaterials, 2009, 30, 1309), mica (LEE and TSAO, European Polymer Journal, 2005, 41, 1605), among others, show improvements in their mechanical properties and / or increased capacity. absorption rate of 10 water in relation to the hydrogel without mineral addition.

Pesquisadores da Universidade Federal de Lavras (BR/MG) depositaram patente de um hidrogel compósito, constituído pelo polissacarídeo presente no integumento de Magonia pubenscens e o argilomineral vermiculita desidratado, para absorção de água e remoção de metais em soluções aquosas. Esse material possui uma 15 capacidade de absorção máxima de 300 g de água/g de hidrogel seco, quando imerso em água destilada por 24 horas (PI 0705575-7 A2).Researchers at the Federal University of Lavras (BR / MG) filed a patent for a composite hydrogel, consisting of the polysaccharide present in Magonia pubenscens integument and dehydrated argilomineral vermiculite, for water absorption and metal removal in aqueous solutions. This material has a maximum absorption capacity of 300 g water / g dry hydrogel when immersed in distilled water for 24 hours (PI 0705575-7 A2).

Pesquisadores desenvolveram na Universidade Federal do Rio de Janeiro (BR/RJ) nanocompósitos superabsorventes reticulados obtidos a partir da enxertia de amido de milho no ácido acrílico adicionados de uma pequena quantidade de argila 20 montmorilonita naturalmente sódica (MMTNa). Todos os hidrogéis obtidos apresentaram capacidade de absorção máxima inferior a 500 g de água/g de hidrogel seco quando imersos em água destilada e 30 g de água/g de hidrogel seco quando em solução de NaCl 0,9 % (PI 0904295-4 A2).Researchers have developed at the Federal University of Rio de Janeiro (BR / RJ) cross-linked superabsorbent nanocomposites obtained from grafting cornstarch on acrylic acid added with a small amount of naturally sodium montmorillonite clay (MMTNa). All hydrogels obtained had a maximum absorption capacity of less than 500 g water / g dry hydrogel when immersed in distilled water and 30 g water / g dry hydrogel when in 0.9% NaCl solution (PI 0904295-4 A2 ).

Na literatura não há relatos do desenvolvimento de hidrogéis compósitos à base de acrilamida e acrilatos contendo minerais da classe dos carbonatos, incluindo a dolomita. Portanto, não há produto similar oferecido ao mercado ou patenteado que atenda os requisitos e propriedades do hidrogel descrito nesse documento.There are no reports in the literature of the development of acrylamide-based composite hydrogels and carbonate-class mineral-containing acrylates, including dolomite. Therefore, there is no similar product offered to the market or patented that meets the requirements and properties of the hydrogel described in this document.

A incorporação de dolomita (ou de qualquer outro mineral da classe dos carbonatos) na matriz polimérica obtida a partir de materiais sintéticos (acrilamida, acrilato e seus copolímeros) pode reforçar algumas das propriedades originais do hidrogel ou mesmo fornecer ao compósito nova funcionalidade, influenciando em suas propriedades físicas, químicas, e, certamente, no custo. Os carbonatos são uma classe de minerais que possuem em sua fórmulaThe incorporation of dolomite (or any other carbonate grade mineral) into the polymer matrix obtained from synthetic materials (acrylamide, acrylate and their copolymers) may enhance some of the original properties of the hydrogel or even provide the composite with new functionality, thus influencing the composite. their physical, chemical properties, and certainly in cost. Carbonates are a class of minerals that have in their formula

ΛΛ

química o íon CO3As rochas sedimentares carbonáticas (calcários e dolomitos) são, provavelmente, a matéria-prima mineral que mais tem sido utilizada na indústria. Essas rochas, constituídas predominantemente pelos minerais calcita (CaCOs) e/ou dolomita 5 (CaMg(C03)2), são encontradas em todos os continentes. O Brasil possui extensa reserva geológica desses bens minerais (Anuário Mineral Brasileiro, Departamento Nacional da Produção Nacional, Brasil, 2001).chemistry the ion CO3Carbonate sedimentary rocks (limestone and dolomites) are probably the most used mineral raw material in the industry. These rocks, consisting predominantly of the minerals calcite (CaCOs) and / or dolomite 5 (CaMg (C03) 2), are found on all continents. Brazil has an extensive geological reserve of these mineral goods (Brazilian Mineral Yearbook, National Department of National Production, Brazil, 2001).

A abundância, o baixo custo e a não toxidez são algumas das características dos minerais da classe dos carbonatos, por exemplo, a dolomita, favoráveis a sua escolha para a obtenção de hidrogéis compósitos superabsorventes. O desenvolvimento de hidrogéis para aplicações em solo, utilizando-se dolomita, por exemplo, é uma alternativa química, toxicológica, ecológica e economicamente vantajosa.Abundance, low cost and non-toxicity are some of the characteristics of carbonate class minerals, eg dolomite, which are favorable for their choice to obtain superabsorbent composite hydrogels. Developing hydrogels for soil applications using dolomite, for example, is a chemical, toxicological, ecologically and economically advantageous alternative.

DESCRIÇÃO DAS FIGURASDESCRIPTION OF THE FIGURES

As Figuras anexas espelham exemplos não limitativos, compreendendo um modo preferido de realizar o processo descrito nesse documento utilizando um mineral da classe dos carbonatos, como exemplo, a dolomita.The accompanying Figures mirror non-limiting examples, comprising a preferred embodiment of the process described therein using a carbonate class mineral, such as dolomite.

A Figura 1 ilustra o sistema utilizado no estudo de intumescimento dos hidrogéis, denominado método da imersão, composto por um becker de vidro com capacidade para 250 mL (A) e um cadinho de GOOCH com capacidade para 50 mL possuindo placa filtrante de vidro sinterizado com porosidade 0 (160 a 250 micras) (B). O nível de água (C) e o hidrogel intumescido (D) também estão ilustrados na figura.Figure 1 illustrates the system used in the hydrogel swelling study, called the immersion method, consisting of a 250 mL (A) glass becker and a 50 mL GOOCH crucible having a sintered glass filter plate with porosity 0 (160 to 250 microns) (B). The water level (C) and the swollen hydrogel (D) are also illustrated in the figure.

A Figura 2 mostra curvas obtidas a partir das cinéticas de intumescimento do hidrogel copolímerico de acrilamida-acrilato de potássio (Pam Acril) e do hidrogel compósito de acrilamida-acrilato de potássio acrescido com 20 % do mineral dolomita 25 (DolG20). As cinéticas de intumescimento são realizadas a partir de medidas do grau de intumescimento (W) em função do tempo de imersão do hidrogel em água destilada utilizando o sistema ilustrado na Figura 1.Figure 2 shows curves obtained from the swelling kinetics of the potassium acrylamide-acrylate copolymer hydrogel (Pam Acril) and the potassium acrylamide-acrylate composite hydrogel added with 20% dolomite 25 (DolG20). Swelling kinetics are performed from swelling degree (W) measurements as a function of immersion time of the hydrogel in distilled water using the system illustrated in Figure 1.

A Figura 3 apresenta a variação do grau de intumescimento no equilíbrio (Weq) dos hidrogéis com a concentração do mineral dolomita.Figure 3 shows the variation of the degree of swelling in the equilibrium (Weq) of hydrogels with the concentration of dolomite mineral.

A Figura 4 apresenta a variação do grau de intumescimento no equilíbrioFigure 4 shows the variation in the degree of swelling in the balance.

(Weq) do hidrogel copolímerico de acrilamida-acrilato de potássio (Pam Acril) e dos hidrogéis compósitos de acrilamida-acrilato de potássio acrescidos com teores do mineral dolomita entre 5 e 50 % (DolG5, DolGl0, DolGl5, DolG20, DolG30, DolG40, DolG50) nos diferentes meios de imersão estudados.(Weq) potassium acrylamide-acrylate copolymer hydrogel (Pam Acril) and potassium acrylamide-acrylate composite hydrogels with dolomite mineral content between 5 and 50% (DolG5, DolG10, DolGl5, DolG20, DolG30, DolG40, DolG50) in the different immersion media studied.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃODETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

As formulações que serão descritas são apenas exemplos não limitativos da invenção, compreendendo um modo preferido de realizar o processo descrito nesse documento, tomando como exemplo de mineral da classe dos carbonatos, a dolomita. Preparação do acrilato de potássio (KAc)The formulations to be described are only non-limiting examples of the invention, comprising a preferred embodiment of the process described therein, taking as an example carbonate mineral, dolomite. Preparation of Potassium Acrylate (KAc)

O sal acrilato de potássio foi preparado a partir da neutralização do ácido acrílico (Ac), sob refrigeração e agitação magnética, com hidróxido de potássio (KOH) até pH = 7,0.Potassium acrylate salt was prepared by neutralizing acrylic acid (Ac) under refrigeration and magnetic stirring with potassium hydroxide (KOH) to pH = 7.0.

Síntese do hidrogel de acrilamida e/ou de acrilato de potássio (Pam Acril)Synthesis of acrylamide and / or potassium acrylate hydrogel (Pam Acril)

Em um reator de fundo redondo adicionou-se de 10 a 100 mL de água destilada, preferencialmente 27 mL, entre a temperatura ambiente e 80 °C, sob agitação e fluxo de gás nitrogênio. A seguir foram adicionados os monômeros acrilamida (massa 15 entre 0,5 a 5 g, preferencialmente 1,05 g) e/ou acrilato de potássio na forma de solução (1 a 15 mL de solução entre 1 a 6 mol/L, preferencialmente 3 mL de 5 mol/L). Passados alguns minutos, acrescentou-se à solução entre 5 a 50 mg do iniciador persulfato de potássio (KPS), preferencialmente 16,2 mg. Em seguida, foram adicionadas à mistura reacional entre 2 e 20 mg do reticulante Ν,Ν'-metilenobisacrilamida (MBA), 20 preferencialmente 9 mg, e entre 10 e 200 μΕ do acelerador da reação Ν,Ν,Ν',Ν'tetrametiletilenodiamino (TEMED) na concentração de 0,1 a 2 mol/L, preferencialmente 50 μί de 0,6 mol/L. O sistema foi fechado e mantido sob agitação e fluxo de N2 até a formação de um gel firme.In a round bottom reactor was added 10 to 100 mL of distilled water, preferably 27 mL, between room temperature and 80 ° C under stirring and nitrogen gas flow. Then the acrylamide monomers (mass 15 0.5 to 5 g, preferably 1.05 g) and / or potassium acrylate in solution form (1 to 15 ml solution 1 to 6 mol / L, preferably 3 mL of 5 mol / L). After a few minutes, 5 to 50 mg of potassium persulphate initiator (KPS), preferably 16.2 mg, was added to the solution. Then, 2 to 20 mg of the crosslinker Ν, en'-methylenobisacrylamide (MBA), 20 preferably 9 mg, and between 10 and 200 μΕ of the reaction accelerator Ν, Ν, Ν ', Ν'tetramethylethylenediamine were added to the reaction mixture. (TEMED) at a concentration of 0.1 to 2 mol / L, preferably 50 μί of 0.6 mol / L. The system was closed and kept under stirring and N 2 flow until a firm gel formed.

Após a formação do gel, o sistema ficou em repouso por 1 a 48 h, melhor 24 h, para que se completasse a reação. O gel resultante foi retirado do sistema, cortado em pequenos pedaços e lavado com água destilada para a retirada de solúveis. O material obtido foi seco em estufa à temperatura entre 40 a 80 0C, melhor 70 0C, macerado e separado por granulometria.After gel formation, the system was at rest for 1 to 48 h, better 24 h, to complete the reaction. The resulting gel was removed from the system, cut into small pieces and washed with distilled water to remove solubles. The obtained material was oven dried at 40 to 80 ° C, better 70 ° C, macerated and separated by particle size.

Síntese dos compósitos acrilamida-acrilato de potássio e dolomita (DolG)Synthesis of the potassium acrylamide-dolomite acrylate (DolG) composites

Na síntese da série DolG, manteve-se as mesmas condições utilizadas para aIn the synthesis of the DolG series, the same conditions used for

preparação do Pam Acril, quais sejam: o volume total de água e as quantidades de acrilamida, acrilato, KPS, TEMED e de MBA. A metodologia também foi a mesma empregada para o Pam Acril, com a diferença que os monômeros foram dissolvidos em uma dispersão do mineral em água. A concentração de dolomita no copolímero variou de 5 a 50 % m/m em relação aos monômeros, obtendo-se a seguinte série de materiais: 5 DolG5; DolGlO; DolG15; DolG20; DolG30, DolG40 e DolG50 correspondendo, respectivamente, a 5; 10; 15; 20; 30, 40 e 50 % em massa de dolomita em relação a massa dos monômeros.Pam Acril, namely: the total volume of water and the amounts of acrylamide, acrylate, KPS, TEMED and MBA. The methodology was also the same employed for Pam Acril, except that the monomers were dissolved in a dispersion of the mineral in water. The concentration of dolomite in the copolymer ranged from 5 to 50% w / w in relation to the monomers, obtaining the following series of materials: 5 DolG5; DolG10; DolG15; DolG20; DolG30, DolG40 and DolG50 corresponding respectively to 5; 10; 15; 20; 30, 40 and 50% by weight of dolomite in relation to the mass of monomers.

Intumescimento dos hidrogéis em água destiladaSwelling of hydrogels in distilled water

As propriedades hidrofílicas dos hidrogéis foram estudadas a partir de 10 medidas do grau de intumescimento (W) em função do tempo de imersão em água destilada. Em um cadinho filtrante de 50 mL (porosidade n° 0) umedecido previamente e com a parede externa seca colocou-se aproximadamente 20 mg de hidrogel com granulometria na faixa de 24-35 mesh. Este conjunto foi imerso em água de modo que o gel ficasse totalmente submerso. O conjunto cadinho/gel foi retirado em vários 15 intervalos de tempo, a parede externa do cadinho seca e o sistema pesado em balança analítica. Cada experimento foi realizado em triplicata. A Figura 1 ilustra o sistema utilizado, denominado método da imersão.The hydrophilic properties of hydrogels were studied from 10 measurements of the degree of swelling (W) as a function of immersion time in distilled water. In a pre-moistened 50mL (porosity # 0) filter crucible and with the dry outer wall was placed approximately 20 mg of hydrogel with 24-35 mesh size. This set was immersed in water so that the gel was completely submerged. The crucible / gel set was removed at various time intervals, the outer crucible wall dried and the system weighed on an analytical balance. Each experiment was performed in triplicate. Figure 1 illustrates the system used, called the immersion method.

A partir da equação 1, onde Wt é o ganho de massa de água por grama de gel seco em um determinado tempo t, mt a massa do material intumescido em t e mo a massa do material seco inicial, foi possível realizar a cinética de intumescimento em todos os meios de imersão estudados.From equation 1, where Wt is the water mass gain per gram of dry gel at a given time t, mt the mass of the swollen material and t the mass of the initial dry material, it was possible to perform the swelling kinetics in all immersion media studied.

Wt = (mt-mo/mo) (1)Wt = (mt-mo / mo) (1)

O efeito da incorporação do mineral dolomita na matriz do copolímero de acrilamida-acrilato de potássio foi avaliado a partir de cinéticas de intumescimento dos hidrogéis em água destilada, onde se comparou a capacidade de absorção de água do copolímero com e sem mineral, bem como o efeito causado pelo aumento gradativo da concentração de dolomita na capacidade de intumescimento dos hidrogéis.The effect of incorporation of dolomite mineral in the potassium acrylamide-acrylate copolymer matrix was evaluated from the hydrogels swelling kinetics in distilled water, where the water absorption capacity of the copolymer with and without mineral was compared, as well as the effect caused by the gradual increase of dolomite concentration in the swelling capacity of hydrogels.

A Figura 2 mostra o efeito do acréscimo de 20 % de dolomita na capacidade de absorção de água do copolímero, a partir da comparação das cinéticas de intumescimento do compósito (DolG20) com à do hidrogel sem mineral (Pam Acril). As curvas obtidas a partir das cinéticas de intumescimento para os hidrogéis sintetizados são semelhantes, mostrando uma rápida absorção inicial seguida de um patamar de equilíbrio (Weq)5 cujo valor depende do gel, como exemplificadas na Figura 2.Figure 2 shows the effect of the 20% increase in dolomite on the copolymer's water absorption capacity by comparing the swelling kinetics of the composite (DolG20) with that of the mineral-free hydrogel (Pam Acril). The curves obtained from swelling kinetics for the synthesized hydrogels are similar, showing a rapid initial absorption followed by an equilibrium threshold (Weq) 5 whose value depends on the gel, as exemplified in Figure 2.

Para os géis que possuem dolomita observa-se o aumento do Weq com o aumento da quantidade de mineral até a concentração de 10 %. Depois disso, ocorre 5 diminuição na capacidade de absorção de água dos compósitos, como mostra a Figura 3. Os hidrogéis que possuem de 5 a 20 % de dolomita apresentam os maiores valores de Weq. A Tabela 1 mostra algumas características dos géis, obtidas através das curvas de intumescimento, onde o teq é o tempo necessário para alcançar o equilíbrio.For gels that have dolomite, weq increase with increasing the amount of mineral up to 10% concentration. After that, there is a decrease in the water absorption capacity of the composites, as shown in Figure 3. Hydrogels with 5 to 20% dolomite have the highest Weq values. Table 1 shows some characteristics of the gels, obtained through the swelling curves, where teq is the time required to reach equilibrium.

Tabela 1. Parâmetros obtidos a partir das cinéticas de intumescimento em água destilada para os hidrogéis com grau de reticulação 0,33 % m/m.Table 1. Parameters obtained from distilled water swelling kinetics for hydrogels with cross-linking degree 0.33% w / w.

Hidrogel Weq (g de água/g de gel seco) teq (min) Weq (DolG)/Weq (Pam Acril) Pam Acril 731 ±37 6,1 DolG5 1183 ±45 7,1 1,62 DolGlO 1195 ±70 7,8 1,63 DolGl 5 1120 ±11 8,6 1,53 DolG20 1109 ±40 6,5 1,52 DolG30 924 ± 46 10,6 1,26 DolG40 838 ± 90 11,4 1,15 DolG50 738 ±91 13,5 1,00 Todos os hidrogéis sintetizados são caracterizados como superabsorventes, pois possuem Weq superior a 100 g de água/g de gel seco (OMIDIAN, ROCCA e PARK, Journal of Controlled Release, 2005, 102, 3). Todos os géis sintetizados possuem baixo valor de teq, indicando uma rápida velocidade de absorção, visto que altos valores de Weq são alcançados em poucos minutos.Hydrogel Weq (g water / g dry gel) teq (min) Weq (DolG) / Weq (Pam Acril) Pam Acril 731 ± 37 6.1 DolG5 1183 ± 45 7.1 1.62 DolG10 1195 ± 70 7, 8 1.63 DolGl 5 1120 ± 11 8.6 1.53 DolG20 1109 ± 40 6.5 1.52 DolG30 924 ± 46 10.6 1.26 DolG40 838 ± 90 11.4 1.15 DolG50 738 ± 91 13 .5 1.00 All synthesized hydrogels are characterized as superabsorbents because they have Weq greater than 100 g water / g dry gel (OMIDIAN, ROCCA and PARK, Journal of Controlled Release, 2005, 102, 3). All synthesized gels have a low teq value, indicating a fast absorption rate, as high Weq values are reached within a few minutes.

O aumento no valor do Weq para o DolGlO é de 63 % em relação ao Weq do gel sem dolomita. A dolomita atua no gel como suporte entre as cadeias do polímero, aumentando a quantidade de carga do material e a hidrofílicidade do compósito. Outro 20 feito é o aumento na reticulação causada pela presença do mineral, o que provoca diminuição na elasticidade do gel e na capacidade de absorção de água. Os dois efeitos ocorrem simultaneamente. Até 10 % de dolomita o aumento da hidrofílicidade prevalece. A partir daí, a reticulação vai tornando-se gradativamente mais importante, provocando a diminuição no Weq, bem caracterizado nos géis com 30, 40 e 50 % de mineral.The increase in Weq value for DolG10 is 63% over the Weq for gel without dolomite. Dolomite acts on the gel as a support between polymer chains, increasing the amount of material charge and the hydrophilicity of the composite. Another achievement is the increase in crosslinking caused by the presence of the mineral, which causes a decrease in gel elasticity and water absorption capacity. Both effects occur simultaneously. Up to 10% dolomite increase in hydrophilicity prevails. From then on, cross-linking gradually becomes more important, causing a decrease in Weq, well characterized in gels with 30, 40 and 50% mineral.

Intumescimento dos hidrogéis em soluções salinasSwelling of hydrogels in saline solutions

Tem-se confirmado através de considerações teóricas e experimentais que a 5 presença de íons tem um grande efeito no intumescimento de hidrogéis. O balanço entre a pressão osmótica do sistema e a resposta elástica do gel é um os fatores que controlam a capacidade de absorção de água. A pressão osmótica resulta da diferença entre a concentração de íons no interior do gel e a concentração de íons na solução externa (BAJPAI e GIRI, Reactive and Functional Polymers, 2002, 53,125).It has been confirmed through theoretical and experimental considerations that the presence of ions has a great effect on the swelling of hydrogels. The balance between the osmotic pressure of the system and the elastic response of the gel is one of the factors controlling water absorption capacity. Osmotic pressure results from the difference between the concentration of ions inside the gel and the concentration of ions in the external solution (BAJPAI and GIRI, Reactive and Functional Polymers, 2002, 53,125).

Desprezando as interações íon-íon, íon-solvente e íon-polímero, a pressãoDisregarding ion-ion, ion-solvent and ion-polymer interactions, the pressure

osmótica é dada por: Jijon = RTZ (Cig - Cis) (2)osmotic is given by: Jijon = RTZ (Cig - Cis) (2)

onde C é a concentração de íons moveis da espécie “i”, enquanto “g” e “s” representam o gel e solução, respectivamente. Isso significa que quanto maior a diferença entre a concentração iônica do gel e a solução, maior será Weq.where C is the concentration of mobile ions of the species “i”, while “g” and “s” represent the gel and solution, respectively. This means that the greater the difference between the ionic concentration of the gel and the solution, the greater will be Weq.

O efeito da presença de íons na capacidade de absorção de água dosThe effect of the presence of ions on the water absorption capacity of

hidrogéis foi testado pela adição individual de cloretos de metais alcalinos e alcalinos terrosos, todos na concentração 0,001 mol/L e os resultados são mostrados na Tabela 3. O intumescimento foi realizado utilizando o mesmo procedimento adotado para os ensaios em água destilada.Hydrogels were tested by the individual addition of alkali and alkaline earth metal chlorides, all at a concentration of 0.001 mol / L and the results are shown in Table 3. Swelling was performed using the same procedure adopted for distilled water testing.

Tabela 3. Exemplo de Weq (g de água/g de gel seco) obtidos para os hidrogéis com reticulação 0,33% m/m em diferentes soluções salinas a 0,001 mol/L.Table 3. Example of Weq (g water / g dry gel) obtained for 0.33% w / w cross-linked hydrogels in different saline solutions at 0.001 mol / l.

Hidrogel Weq (g de água/g de gel seco) NaCl KCl CaCl2 Pam Acril 517 ± 4,1 486 ± 2,3 117 ±3,8 DolG5 664 ± 0,6 632 ± 3,5 134 ± 1,4 DolGlO 649 ± 0,8 658 ± 12 137 ±3,7 DolGl 5 680 db 16 648 ± 4,3 158 ±4,5 DolG20 616 ±5,5 605 ± 21 149 ±2,0 DolG30 496 ± 8,0 496 ± 3,2 130 ±9,6 DolG40 457 ±8,5 457 ± 2,4 94 ± 4,3 DolG50 437 ± 8,0 420 ± 15 122 ±1,0 Os valores indicam que o gel sem mineral sofre menos a influência da presença de sais do que os compósitos, apresentando uma menor perda da capacidade de absorção com a mudança do meio de imersão (de água para soluções salinas). No entanto, hidrogéis que possuem entre 5 e 20 % de dolomita apresentam os maiores valores de Weq em qualquer um dos meios de imersão estudado.Weq Hydrogel (g water / g dry gel) NaCl KCl CaCl2 Pam Acryl 517 ± 4.1 486 ± 2.3 117 ± 3.8 DolG5 664 ± 0.6 632 ± 3.5 134 ± 1.4 DolG10 649 ± 0.8 658 ± 12 137 ± 3.7 DolGl 5 680 db 16 648 ± 4.3 158 ± 4.5 DolG20 616 ± 5.5 605 ± 21 149 ± 2.0 DolG30 496 ± 8.0 496 ± 3 , 2 130 ± 9.6 DolG40 457 ± 8.5 457 ± 2.4 94 ± 4.3 DolG50 437 ± 8.0 420 ± 15 122 ± 1.0 The values indicate that the gel without mineral is less influenced by presence of salts than composites, showing a lower loss of absorption capacity with the change of the immersion medium (from water to saline solutions). However, hydrogels that have between 5 and 20% dolomite have the highest Weq values in any of the immersion media studied.

Metais divalentes e trivalentes podem diminuir drasticamente a capacidade de intumescimento dos hidrogéis. Isso se deve à habilidade de complexação dos grupos carboxamida ou carboxilatos e formação de complexos inter e intra molecular, justificando assim, os baixos valores de Weq obtidos em solução de CaCl2. O DolGl5 e o DolG20 foram aqueles que apresentaram um melhor desempenho.Divalent and trivalent metals can dramatically decrease the swelling capacity of hydrogels. This is due to the ability of complexation of carboxamide or carboxylate groups and formation of inter and intra molecular complexes, thus justifying the low Weq values obtained in CaCl2 solution. DolGl5 and DolG20 performed best.

A Figura 4 mostra o efeito do teor de dolomita sobre o intumescimento máximo nos diversos meios de imersão estudados. Observa-se que não há variação significativa no Weq com a porcentagem de dolomita entre 5 e 20 % em todos os meios estudados. Observa-se, também, que houve uma melhoria substancial na capacidade de 15 absorção de água dos hidrogéis por efeito da adição do mineral (DolG5 a DolG20). Quando são adicionados 30, 40 ou 50 % do mineral a absorção diminui bastante, chegando a ser inferior ao hidrogel sem mineral, em alguns meios de imersão.Figure 4 shows the effect of dolomite content on maximum swelling in the various immersion media studied. There is no significant variation in Weq with dolomite percentage between 5 and 20% in all studied media. It is also noted that there was a substantial improvement in the water absorption capacity of hydrogels by the effect of mineral addition (DolG5 to DolG20). When 30, 40 or 50% of the mineral is added the absorption decreases greatly, being inferior to the hydrogel without mineral, in some immersion media.

Os resultados obtidos indicam que os hidrogéis com 0,33 % m/m de reticulação contendo dolomita, especialmente àqueles entre 5 e 20 % do mineral, 20 apresentam características de absorção de água adequadas para uso como superabsorventes em solo. Considerando que a dolomita é uma matéria prima mais barata do que os monômeros de partida, aquele hidrogel com maior teor de dolomita (20 %), dentre os que apresentaram maior Weq, menor teq e menor efeito de soluções salinas sobre a quantidade de água absorvida, é o que apresentará menor custo, sendo, portanto 25 o mais indicado para produção comercial.The results indicate that hydrogels with 0.33% w / w crosslinking containing dolomite, especially those between 5 and 20% of mineral, 20 have water absorption characteristics suitable for use as soil superabsorbents. Considering that dolomite is a cheaper raw material than the starting monomers, that hydrogel with higher dolomite content (20%), among those with higher Weq, lower teq and lower saline effect on the amount of water absorbed. , is the one that will present the lowest cost and is therefore the 25 most suitable for commercial production.

Em relação a tudo o que foi citado anteriormente incluindo o estado da arte, pode-se afirmar que o produto descrito nesse documento apresenta muitas vantagens, tais como: tecnologia nacional; síntese rápida e simples; utilização pioneira do mineral dolomita em hidrogéis; viabilidade econômica; rápida superabsorção de água.In relation to all the above, including the state of the art, it can be said that the product described in this document has many advantages, such as: national technology; quick and simple synthesis; pioneering use of dolomite mineral in hydrogels; economic viability; fast water superabsorption.

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Claims (20)

1.“HIDROGÉIS SUPERABSORVENTES COMPÓSITOS DE ACRILAMIDA, ACRILATOS E SEUS COPOLÍMEROS CONTENDO MINERAL DA CLASSE DOS CARBONATOS”, caracterizados por serem constituídos por acrilamida, acrilatos ou seus copolímeros contendo mineral pertencente à classe dos carbonatos (dolomita, calcita, aragonita, magnesita, ankerita, dentre outros), apresentando propriedades de rápida superabsorção, podendo absorver até 1200 g de água/g de hidrogel em menos de 8 minutos.1. “COMPOSITE SUPERABSorbent HYDROGELS OF ACRILAMIDE, ACCILYLES AND THEIR COPOLYMERS CONTAINING MINERAL CLASS OF CARBONATES”, characterized in that they are composed of acrylamide, acrylates or their copolymers containing minerals belonging to the class of carbonates (dolomite, magnesite, calcite, magnesite, carbonite among others), presenting fast superabsorption properties, and can absorb up to 1200 g of water / g of hydrogel in less than 8 minutes. 2.“HIDROGÉIS SUPERABSORVENTES COMPÓSITOS DE ACRILAMIDA, ACRILATOS E SEUS COPOLÍMEROS CONTENDO MINERAL DA CLASSE DOS CARBONATOS”, de acordo com a reivindicação 1, caracterizados pela presença de acrilamida, de acrilatos e de seus copolímeros, por meio de uma reação de polimerização em solução (utilizando água destilada como solvente) em presença de um agente de reticulação e utilizando-se reação de oxido redução como sistema de iniciação.2. "COMPOSITE SUPERABSorbent HYDROGELS OF ACRILAMIDE, ACRYLATES AND THEIR COPOLYMERS CONTAINING THE CARBONATE CLASS" according to claim 1, characterized by the presence of acrylamide, acrylates and their copolymers by means of a polymerization reaction in a polymerization reaction (using distilled water as solvent) in the presence of a crosslinking agent and using oxide reduction reaction as the initiating system. 3.“HIDROGÉIS SUPERABSORVENTES COMPÓSITOS DE ACRILAMIDA, ACRILATOS E SEUS COPOLÍMEROS CONTENDO MINERAL DA CLASSE DOS CARBONATOS”, de acordo com as reivindicações 1 e 2, caracterizados pelo fato de que a matriz polimérica pode ser obtida por acrilamida, acrilato ou pela mistura de acrilamida, ácido acrílico e acrilatos em quaisquer proporções.3. "COMPOSITE SUPERABSorbent HYDROGELS OF ACRYLAMIDE, ACRYLATES, AND THEIR COPOLYMERS CONTAINING THE CARBONATE CLASS" according to claims 1 and 2, characterized in that the polymeric matrix may be obtained by acrylamide, acrylate or by admixture of acrylate , acrylic acid and acrylates in any proportions. 4.“HIDROGÉIS SUPERABSORVENTES COMPÓSITOS DE ACRILAMIDA, ACRILATOS E SEUS COPOLÍMEROS CONTENDO MINERAL DA CLASSE DOS CARBONATOS”, de acordo com a reivindicação 1, caracterizados pelo fato de se preferir a utilização de acrilato de potássio obtido a partir da neutralização total do acido acrílico pela base hidróxido de potássio.4. "COMPOSITE SUPERABSorbent HYDROGELS OF ACRYLAMIDE, ACRYLATES, AND THEIR COPOLYMERS CONTAINING THE CARBONATE CLASS" according to claim 1, characterized in that the use of potassium acrylate obtained from the total neutralization of acrylic acid is preferred. potassium hydroxide base. 5.“HIDROGÉIS SUPERABSORVENTES COMPÓSITOS DE ACRILAMIDA, ACRILATOS E SEUS COPOLÍMEROS CONTENDO MINERAL DA CLASSE DOS CARBONATOS”, de acordo com as reivindicações 1 e 2, caracterizados pelo uso de um agente de reticulação, preferencialmente o Ν,Ν’-metilenobisacrilamida (MBA) em uma concentração de 0,05 a 0,5% m/m em relação a massa total de monômero.5. "COMPOSITE SUPERABSorbent HYDROGELS OF ACRYLAMIDE, ACRYLATES AND THEIR CARBONATE-CLASS MINERAL COPOLYMERS" according to Claims 1 and 2, characterized by the use of a cross-linking agent, preferably o, Ν'-methylenobisacryl (MB) at a concentration of 0.05 to 0.5% w / w relative to total monomer mass. 6. “HIDROGÉIS SUPERABSORVENTES COMPÓSITOS DE ACRILAMIDA, ACRILATOS E SEUS COPOLÍMEROS CONTENDO MINERAL DA CLASSE DOS CARBONATOS”, de acordo com as reivindicações 1 e 2, caracterizados por utilizar-se para a sua obtenção um sistema de iniciação redox, preferencialmente persulfato de potássio (KPS) e uma base nitrogenada como acelerador da reação, preferencialmente a Ν,Ν,Ν’,Ν’-tetrametiletilenodiamina (TEMED).6. "COMPOSITE SUPERABSorbent HYDROGELS OF ACRYLAMIDE, ACRYLATES AND THEIR CARBONATE-CONTAINING MINERAL COPOLYMERS" according to claims 1 and 2, characterized in that a redox initiation system, preferably potassium persulfate, is used to obtain it. KPS) and a nitrogenous base as a reaction accelerator, preferably Ν, Ν, Ν ', Ν'-tetramethylethylenediamine (TEMED). 7. “HIDROGÉIS SUPERABSORVENTES COMPÓSITOS DE ACRILAMIDA, ACRILATOS E SEUS COPOLÍMEROS CONTENDO MINERAL DA CLASSE DOS CARBONATOS”, de acordo com as reivindicações 1 e 2, caracterizados pelo fato de que a reação de copolimerização com a presença da base nitrogenada ocorre na temperatura ambiente e na ausência dela na temperatura entre 40 a 80 0C, preferencialmente a 60 0C.7. "COMPOSITE SUPERABSorbent HYDROGELS OF ACRYLAMIDE, ACRYLATES, AND THEIR CARBONATE-CONTAINING MINERAL COPOLYMERS" according to claims 1 and 2, characterized in that the copolymerization reaction with the presence of the nitrogenous base occurs at room temperature and in the absence thereof at 40 to 80 ° C, preferably to 60 ° C. 8. “HIDROGÉIS SUPERABSORVENTES COMPÓSITOS DE ACRILAMIDA, ACRILATOS E SEUS COPOLÍMEROS CONTENDO MINERAL DA CLASSE DOS CARBONATOS”, de acordo com as reivindicações 1, 2 e 3, caracterizados pelo fato de que os monômeros são adicionados a uma dispersão do mineral, obtida pela mistura de um mineral da classe dos carbonatos à água, em particular, os minerais dolomita e calcita (individualmente ou mistura deles), dentre outros, sem restringir.8. "COMPOSITE SUPERABSorbent HYDROGELS OF ACRYLAMIDE, ACRYLATES, AND THEIR COPOLYMERS CONTAINING THE CARBONATE CLASS", according to claims 1, 2 and 3, characterized in that the monomers are added to a mineral dispersion obtained by the mixture. of a mineral of the carbonate class to water, in particular dolomite and calcite minerals (individually or a mixture thereof), among others, without restriction. 9. “HIDROGÉIS SUPERABSORVENTES COMPÓSITOS DE ACRILAMIDA, ACRILATOS E SEUS COPOLÍMEROS CONTENDO MINERAL DA CLASSE DOS CARBONATOS”, de acordo com a reivindicação 7, caracterizados pela incorporação à matriz polimérica de um mineral da classe dos carbonatos, em particular, do mineral dolomita, na concentração de 0,1 a 50 % m/m, em relação a massa total de monômero.9. "COMPOSITE SUPERABSorbent HYDROGELS OF ACRILAMIDE, ACRYLATES AND THEIR COPOLYMERS CONTAINING THE CARBONATE CLASS", according to claim 7, characterized by the incorporation into the polymer matrix of a carbonate class mineral, in particular, of dolomite mineral concentration of 0.1 to 50% w / w, relative to the total monomer mass. 10. “HIDROGÉIS SUPERABSORVENTES COMPÓSITOS DE ACRILAMIDA, ACRILATOS E SEUS COPOLÍMEROS CONTENDO MINERAL DA CLASSE DOS CARBONATOS”, de acordo com a reivindicação 9, caracterizados pelo fato de que o mineral incorporado tratar-se de uma matéria prima de baixo custo e de alta disponibilidade no Brasil.10. "COMPOSITE SUPERABSorbent HYDROGELS OF ACRYLAMIDE, ACRYLATES AND THEIR COPOLYMERS CONTAINING THE CARBONATE CLASS", according to claim 9, characterized in that the incorporated mineral is a low cost and highly available raw material. in Brazil. 11. “HIDROGÉIS SUPERABSORVENTES COMPÓSITOS DE ACRILAMIDA, ACRILATOS E SEUS COPOLÍMEROS CONTENDO MINERAL DA CLASSE DOS CARBONATOS”, de acordo com as reivindicações 1 a 10, caracterizados pelo fato de que os materiais obtidos são hidrogéis de rápida superabsorção, podendo absorver até 1200 g de água/g de hidrogel seco em um pequeno tempo, atingindo o intumescimento máximo e equilíbrio em menos de 8 minutos.11. "COMPOSITE SUPERABSorbent HYDROGELS OF ACRYLAMIDE, ACRYLATES, AND THEIR COPOLYMERS CONTAINING THE CARBONATE CLASS" according to claims 1 to 10, characterized in that the materials obtained are rapidly overabsorbing hydrogels and may absorb up to 1200 g of water / g hydrogel dried in a short time, reaching maximum swelling and balance in less than 8 minutes. 12. “HIDROGÉIS SUPERABSORVENTES COMPÓSITOS DE ACRILAMIDA, ACRILATOS E SEUS COPOLÍMEROS CONTENDO MINERAL DA CLASSE DOS CARBONATOS”, de acordo com a reivindicação 11, caracterizados pelo uso dos hidrogéis obtidos no setor agrícola, como condicionador de solo, absorvedor/armazenador de água, sistema de liberação controlada/prolongada de água, preservador de umidade do solo, dentre outros, sem restringir.12. "COMPOSITE SUPERABSorbent HYDROGELS OF ACRYLAMIDE, ACRYLATES, AND THEIR COPOLYMERS CONTAINING MINERAL CARBONATE CLASS" according to claim 11, characterized by the use of hydrogels obtained in the agricultural sector as soil conditioner, water absorber / storage system controlled / prolonged release of water, preservative of soil moisture, among others, without restricting. 13. “HIDROGÉIS SUPERABSORVENTES COMPÓSITOS DE ACRILAMIDA, ACRILATOS E SEUS COPOLÍMEROS CONTENDO MINERAL DA CLASSE DOS CARBONATOS”, de acordo com a reivindicação 12, caracterizados pelo fato de que os hidrogéis obtidos serem aplicados na agricultura como carreador/veículo para a liberação controlada/prolongada de insumos agrícolas, tais como: fertilizantes, agentes de crescimento, pesticidas, herbicidas, fungicidas, qualquer agente ativo que promova o aumento da produtividade agrícola, dentre outros, sem restringir.13. "COMPOSITE SUPERABSorbent HYDROGELS OF ACRYLAMIDE, ACRYLATES AND THEIR CARBONATE-CONTAINING MINERAL COPOLYMERS" according to claim 12, characterized in that the hydrogels obtained in agriculture are applied as a carrier / vehicle for controlled / extended release agricultural inputs, such as: fertilizers, growth agents, pesticides, herbicides, fungicides, any active agent that promotes increased agricultural productivity, among others, without restricting. 14. “HIDROGÉIS SUPERABSORVENTES COMPÓSITOS DE ACRILAMIDA, ACRILATOS E SEUS COPOLÍMEROS CONTENDO MINERAL DA CLASSE DOS CARBONATOS” de acordo com a reivindicação 11, caracterizados pelo uso dos hidrogéis obtidos na manufatura de produtos sanitários descartáveis de uso pessoal, tais como: absorventes íntimos e fraldas, dentre outros, sem restringir.14. "COMPOSITE SUPERABSorbent HYDROGELS OF ACRYLAMIDE, ACRYLATES, AND THEIR CARBONATE-CONTAINING MINERAL COPOLYMERS" according to claim 11, characterized by the use of hydrogels obtained in the manufacture of disposable sanitary napkins such as: intimate absorbents and diapers , among others, without restricting. 15. “HIDROGÉIS SUPERABSORVENTES COMPÓSITOS DE ACRILAMIDA, ACRILATOS E SEUS COPOLÍMEROS CONTENDO MINERAL DA CLASSE DOS CARBONATOS”, de acordo com a reivindicação 11, caracterizados pelo uso na área biomédica como bandagens e tampões cirúrgicos, curativos cutâneos, dentre outros, sem restringir.15. "COMPOSITE SUPERABSorbent HYDROGELS OF ACRYLAMIDE, ACRYLATES AND THEIR COPOLYMERS CONTAINING THE CARBONATE CLASS", according to claim 11, characterized by the use in the biomedical area as bandages and surgical buffers, without restricting skin dressings. 16. “HIDROGÉIS SUPERABSORVENTES COMPÓSITOS DE ACRILAMIDA, ACRILATOS E SEUS COPOLÍMEROS CONTENDO MINERAL DA CLASSE DOS CARBONATOS”, de acordo com a reivindicação 11, caracterizados pelo uso como veículo de fármacos, agentes terapêuticos cutâneos, agentes cosméticos, agentes de distribuição de princípios ativos na pele, dentre outros, sem restringir.16. "COMPOSITE SUPERABSorbent HYDROGELS OF ACRYLAMIDE, ACRYLATES, AND THEIR COPOLYMERS CONTAINING THE CARBONATE CLASS", according to claim 11, characterized by their use as a vehicle for drugs, skin therapeutic agents, cosmetic agents, active ingredient delivery agents skin, among others, without restricting. 17. “HIDROGÉIS SUPERABSORVENTES COMPÓSITOS DE ACRILAMIDA, ACRILATOS E SEUS COPOLÍMEROS CONTENDO MINERAL DA CLASSE DOS CARBONATOS”, de acordo com a reivindicação 11, caracterizados pelo uso como elemento adsorvedores de metais, íons, compostos orgânicos, dentre outros, sem restringir.17. "COMPOSITE SUPERABSorbent HYDROGELS OF ACRILAMIDE, ACRYLATES, AND THEIR COPOLYMERS CONTAINING THE CARBONATE CLASS" according to claim 11, characterized by the use as an adsorbing element of metals, ions, organic compounds, among others, without restriction. 18. “HIDROGÉIS SUPERABSORVENTES COMPÓSITOS DE ACRILAMIDA, ACRILATOS E SEUS COPOLÍMEROS CONTENDO MINERAL DA CLASSE DOS CARBONATOS”, de acordo com a reivindicação 17, caracterizados pela sua utilização para procedimentos de descontaminação de efluentes industriais, águas contaminadas com insumos agrícolas provenientes da agricultura, águas naturais, dentre outros, sem restringir.18. "COMPOSITE SUPERABSIVE HYDROGELS OF ACRILAMIDE, ACRYLATES, AND THEIR CARBONATE-CONTAINING MINERAL COPOLYMERS" according to claim 17, characterized by their use for industrial effluent decontamination procedures, waters contaminated with agricultural inputs, among others, without restricting. 19. “HIDROGÉIS SUPERABSORVENTES COMPÓSITOS DE ACRILAMIDA, ACRILATOS E SEUS COPOLÍMEROS CONTENDO MINERAL DA CLASSE DOS CARBONATOS”, de acordo com a reivindicação 17, caracterizados pelo uso como elemento filtrante evitando a contaminação de águas superficiais e dos lençóis freáticos.19. "COMPOSITE SUPERABSorbent HYDROGELS OF ACRYLAMIDE, ACRYLATES, AND THEIR COPOLYMERS CONTAINING MINERAL CARBONATE CLASS" according to claim 17, characterized by use as a filter element to prevent contamination of surface water and groundwater. 20. “HIDROGÉIS SUPERABSORVENTES COMPÓSITOS DE ACRILAMIDA, ACRILATOS E SEUS COPOLÍMEROS CONTENDO MINERAL DA CLASSE DOS CARBONATOS”, caracterizados pelo fato de poderem ser utilizados em qualquer aplicação a que se destina um hidrogel superabsorvente.20. “SUPERABSorbent HYDROGELS COMPOSITE ACRYLAMIDE, ACRYLATES AND THEIR COPOLYMERS CONTAINING MINERAL CARBONATE CLASS”, characterized in that they can be used in any application for which a superabsorbent hydrogel is intended.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN105348430A (en) * 2015-12-11 2016-02-24 河南省有色金属地质矿产局第三地质大队 Sanitary dolomite clay composite absorption resin and preparation method thereof

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