In this work polymer nanofibers have been produced through electrospinning, aimed at create a superabsorbent membrane able to absorb a large quantity of water. Nanofiber structure could guarantee robustness and flexibility, and avoid gel blockage issues with respect to hydrogel structure. Among all existing polymers, we focus our attention on SAPs (superabsorbent polymers) a particular class of highly hydrophilic polymers that are able to effectively absorb water, thanks to the presence of specific functional groups in the macromolecular chain. In this thesis work, cellulose acetate and acrylic acid polymers were considered. Since the absorption capacity of the membrane strongly depends in the first instance on the surface area, we start from a methodical analysis to find the solution and electrospinning conditions to obtain best fibers in term of diameter and homogeneity. The goal was to obtain the thinnest fibers to have the highest surface area per unit mass of the membrane while maintaining homogeneous fibers without defects. Indeed, inhomogeneities, in terms not only of dimensional dispersion of fiber diameters but also of fibers defects, like beads, are undesired for industrial application and production, since they are related to an unstable and poorly controlled process. Defect-free fibers of each polymer or polymer blend as thin as around 300-350 nm were finally obtained. Depending on the polymer used, the electrospun membranes have been crosslinked to guarantee the structural stability of the mat during water absorption. The crosslinking process has been systematically varied in order to determine the optimal conditions. In this framework, vibrational spectroscopy – and in particular IR spectroscopy – is a suitable technique to analyse the molecular structure and the presence of specific functional groups. Therefore, it was here used to determine the effectiveness of the crosslinking process following the absorbance of a characteristic peak in the IR spectrum at different crosslinking conditions. Since water absorption is often accompanied by polymer swelling, all the produced membranes were dipped in water and the possible releasing of polymer in water and the water absorption were determined. This allows for find the best crosslinking degree to optimize the water absorption capability. This study has the final goal to clarify if it is possible to obtain a superabsorbent SAP nanofibrous membrane able to compete in term of absorbance capacity with SAP hydrogel, sponge or micro particles present on the market today.

In questo lavoro di tesi nanofibre polimeriche sono state prodotte attraverso il metodo dell’elettrospinning, con lo scopo di creare una membrana super assorbente la quale fosse in grado di assorbire una grande quantità di acqua. Una struttura nanofibrosa, rispetto a una struttura di idrogel, può garantire maggiore robustezze e flessibilità, ed evitare il problema di gel blockage. Tra tutti i polimeri esistenti, abbiamo concentrato la nostra attenzione sui SAPs (superabsorbent polymers) una particolare categoria di polimeri altamente idrofili, in grado effettivamente di assorbire acqua, grazie alla presenza di specifici gruppi funzionali nella propria catena macromolecolare. In questo lavoro di tesi, sono stati presi in considerazione acetato di cellulosa e polimeri a base di acido acrilico. Dal momento che la capacità di assorbimento della membrana in primo luogo dipende fortemente dall’area superficiale, abbiamo iniziato da una metodica analisi, al fine di trovare le condizioni di soluzione ed elettrospinning, per ottenere le migliori fibre in termini di diametro e omogeneità. Infatti, le disomogeneità, in termini non solo di dispersione dimensionale dei diametri delle fibre, ma anche di difetti delle fibre, come beads, sono indesiderate per applicazioni e produzioni industriali, dal momento che legate ad un processo instabile e incontrollato. Alla fine, sono state ottenute fibre prive di difetti per ciascun polimero o miscuglio di polimeri con dimensione intorno a 300-350 nm. A seconda del polimero usato, la membrana elettrofilata è stata reticolata per garantire la stabilità strutturale del tappetino durante l’assorbimento dell’acqua. Il processo di reticolazione è stato sistematicamente variato con l’obiettivo di determinare le condizioni ottimali. In questo quadro, la spettroscopia vibrazionale – e in particolare la spettroscopia IR – è una tecnica adatta per analizzare la struttura macromolecolare e la presenza di specifici gruppi funzionali. Di conseguenza, qui è stata usata per determinare l’efficacia del processo di reticolazione e a seguire l’assorbimento di un picco caratteristico nello spettro IR a differenti condizioni di reticolazione. Poiché l’assorbimento di acqua è spesso seguito dal rigonfiamento del polimero, tutte le membrane prodotte sono state immerse in acqua, e sono stati determinati il possibile rilascio di polimero nell’acqua e la capacità di assorbimento dell’acqua. Questo consente di trovare il migliore grado di reticolazione al fine di ottimizzare la capacità di assorbimento dell’acqua. Questo studio ha lo scopo finale di chiarire se sia possibile ottenere una membrana nanofibrosa super assorbente a base di SAP capace di competere in termini di capacità di assorbimento con gli idrogel, spugne o microparticelle presenti ad oggi sul mercato.

A study for the production of a superabsorbant nanofibrous membrane by electrospinning

MARTI, SIMONE ANTONIO
2018/2019

Abstract

In this work polymer nanofibers have been produced through electrospinning, aimed at create a superabsorbent membrane able to absorb a large quantity of water. Nanofiber structure could guarantee robustness and flexibility, and avoid gel blockage issues with respect to hydrogel structure. Among all existing polymers, we focus our attention on SAPs (superabsorbent polymers) a particular class of highly hydrophilic polymers that are able to effectively absorb water, thanks to the presence of specific functional groups in the macromolecular chain. In this thesis work, cellulose acetate and acrylic acid polymers were considered. Since the absorption capacity of the membrane strongly depends in the first instance on the surface area, we start from a methodical analysis to find the solution and electrospinning conditions to obtain best fibers in term of diameter and homogeneity. The goal was to obtain the thinnest fibers to have the highest surface area per unit mass of the membrane while maintaining homogeneous fibers without defects. Indeed, inhomogeneities, in terms not only of dimensional dispersion of fiber diameters but also of fibers defects, like beads, are undesired for industrial application and production, since they are related to an unstable and poorly controlled process. Defect-free fibers of each polymer or polymer blend as thin as around 300-350 nm were finally obtained. Depending on the polymer used, the electrospun membranes have been crosslinked to guarantee the structural stability of the mat during water absorption. The crosslinking process has been systematically varied in order to determine the optimal conditions. In this framework, vibrational spectroscopy – and in particular IR spectroscopy – is a suitable technique to analyse the molecular structure and the presence of specific functional groups. Therefore, it was here used to determine the effectiveness of the crosslinking process following the absorbance of a characteristic peak in the IR spectrum at different crosslinking conditions. Since water absorption is often accompanied by polymer swelling, all the produced membranes were dipped in water and the possible releasing of polymer in water and the water absorption were determined. This allows for find the best crosslinking degree to optimize the water absorption capability. This study has the final goal to clarify if it is possible to obtain a superabsorbent SAP nanofibrous membrane able to compete in term of absorbance capacity with SAP hydrogel, sponge or micro particles present on the market today.
ING - Scuola di Ingegneria Industriale e dell'Informazione
29-apr-2020
2018/2019
In questo lavoro di tesi nanofibre polimeriche sono state prodotte attraverso il metodo dell’elettrospinning, con lo scopo di creare una membrana super assorbente la quale fosse in grado di assorbire una grande quantità di acqua. Una struttura nanofibrosa, rispetto a una struttura di idrogel, può garantire maggiore robustezze e flessibilità, ed evitare il problema di gel blockage. Tra tutti i polimeri esistenti, abbiamo concentrato la nostra attenzione sui SAPs (superabsorbent polymers) una particolare categoria di polimeri altamente idrofili, in grado effettivamente di assorbire acqua, grazie alla presenza di specifici gruppi funzionali nella propria catena macromolecolare. In questo lavoro di tesi, sono stati presi in considerazione acetato di cellulosa e polimeri a base di acido acrilico. Dal momento che la capacità di assorbimento della membrana in primo luogo dipende fortemente dall’area superficiale, abbiamo iniziato da una metodica analisi, al fine di trovare le condizioni di soluzione ed elettrospinning, per ottenere le migliori fibre in termini di diametro e omogeneità. Infatti, le disomogeneità, in termini non solo di dispersione dimensionale dei diametri delle fibre, ma anche di difetti delle fibre, come beads, sono indesiderate per applicazioni e produzioni industriali, dal momento che legate ad un processo instabile e incontrollato. Alla fine, sono state ottenute fibre prive di difetti per ciascun polimero o miscuglio di polimeri con dimensione intorno a 300-350 nm. A seconda del polimero usato, la membrana elettrofilata è stata reticolata per garantire la stabilità strutturale del tappetino durante l’assorbimento dell’acqua. Il processo di reticolazione è stato sistematicamente variato con l’obiettivo di determinare le condizioni ottimali. In questo quadro, la spettroscopia vibrazionale – e in particolare la spettroscopia IR – è una tecnica adatta per analizzare la struttura macromolecolare e la presenza di specifici gruppi funzionali. Di conseguenza, qui è stata usata per determinare l’efficacia del processo di reticolazione e a seguire l’assorbimento di un picco caratteristico nello spettro IR a differenti condizioni di reticolazione. Poiché l’assorbimento di acqua è spesso seguito dal rigonfiamento del polimero, tutte le membrane prodotte sono state immerse in acqua, e sono stati determinati il possibile rilascio di polimero nell’acqua e la capacità di assorbimento dell’acqua. Questo consente di trovare il migliore grado di reticolazione al fine di ottimizzare la capacità di assorbimento dell’acqua. Questo studio ha lo scopo finale di chiarire se sia possibile ottenere una membrana nanofibrosa super assorbente a base di SAP capace di competere in termini di capacità di assorbimento con gli idrogel, spugne o microparticelle presenti ad oggi sul mercato.
Tesi di laurea Magistrale
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A STUDY FOR THE PRODUCTION OF A SUPERABSORBANT NANOFIBROUS MEMBRANE BY ELELECTROSPINNING.pdf

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Utilizza questo identificativo per citare o creare un link a questo documento: https://hdl.handle.net/10589/153369