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DE19640329A1 - Zwitterionic hydrogels useful as water reservoirs, soil improvers etc - Google Patents

Zwitterionic hydrogels useful as water reservoirs, soil improvers etc

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DE19640329A1
DE19640329A1 DE19640329A DE19640329A DE19640329A1 DE 19640329 A1 DE19640329 A1 DE 19640329A1 DE 19640329 A DE19640329 A DE 19640329A DE 19640329 A DE19640329 A DE 19640329A DE 19640329 A1 DE19640329 A1 DE 19640329A1
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gel
polymer gels
cationic
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DE19640329A
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THORSON CHEMICAL GMBH, 40217 DUESSELDORF, DE
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TRINOVA CHEMIE GmbH
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Abstract

Zwitterionic hydrogels are claimed, and their preparation by mixing together and reacting crosslinked cationic polymer gels (CPG) and crosslinked anionic polymer gels (APG).

Description

Die Erfindung betrifft neuartige synthetische zwitterionische hydrophile Gele, die Verfahren zu ihrer Herstellung und Beispiele für ihre Verwendung.The invention relates to novel synthetic zwitterionic hydrophilic gels, the process on their manufacture and examples of their use.

Lange bekannt sind natürliche Hydrogele, disperse Systeme aus einem festen, kolloid verteilten Stoff mit Wasser als Dispersionsmittel. Ihre Teilchen haften durch Neben- oder Hauptvalenzen aneinander, ausgehend von stark polaren Atomgruppen wie -OH, -NH, CONH- und -SH.Natural hydrogels, disperse systems made of a solid, colloid, have long been known distributed substance with water as a dispersant. Their particles adhere through secondary or Main valences to one another, starting from strongly polar atomic groups such as -OH, -NH, CONH- and -SH.

Säureanionen oder Ammoniumkationen kommen in den natürlichen Hydrogelen als strukturbildende Gruppen nur selten vor, z. B. in den Eiweißen an den Kettenenden; natürliche Hydrogele sind Gelatine, Kollagen oder die Polysaccharide Agar-Agar, Carragen oder die sogenannten Phykokolloide aus Algeninhaltsstoffen, welche Mannose, Fucose, Glucose, Fructose und Galactose enthalten. Die natürlichen Hydrogele haben in der Nahrungsgüterwirtschaft und in der Kosmetik ihre Anwendungsbereiche; technische Verwendung, Verwendung als Bodenverbesserungsmittel oder Feuchtigkeitsspender finden die natürlichen Hydrogele bisher nicht, da sie leicht bacteriell abbaubar sind und deshalb ihre hydrophile Geleigenschaft rasch verlieren.Acid anions or ammonium cations occur in the natural hydrogels as structure-building groups are rare, e.g. B. in the proteins at the chain ends; natural hydrogels are gelatin, collagen or the polysaccharides agar-agar, carragen or the so-called phycocolloids from algae ingredients, which are mannose, fucose, Contain glucose, fructose and galactose. The natural hydrogels have in the Food industry and in cosmetics their areas of application; technical Find use, use as a soil conditioner or moisturizer So far, the natural hydrogels have not been, since they are easily biodegradable and therefore theirs Lose hydrophilic gel properties quickly.

Für den technischen Einsatz als aufsaugende oder flüssigkeitsspeichernde Mittel oder als Bodenverbesserungsmittel werden synthetische ionische Polymere hergestellt; man erhält aus ungesättigten Alkylammomiumsalzen durch radikalische Polymerisation unter Zusatz von polyfunktionell ungesättigten Vernetzern polymere kationische Gele (DD-PS 291.448), die sich als feuchthaltendes Prinzip in der Kosmetik (DD-PS 206.878), als Bodenverbesserungsmittel mit wasserspeicherndem Effekt (DD-PS 201.455, DD-PS 209.644, A. Kullmann et al, Arch. Acker- u. Pflanzenbau und Bodenkunde Berlin 27 (1983) S. 491-497) oder im technischen Bereich als temporär blockierende Mittel in der Erdgasindustrie einsetzen lassen (DD-PS 159.015, DD-PS 213.942).For technical use as absorbent or liquid storage agent or as Soil improvers are made from synthetic ionic polymers; one gets out unsaturated alkylammomium salts by radical polymerization with the addition of polyfunctionally unsaturated crosslinkers polymeric cationic gels (DD-PS 291.448), the as a moisturizing principle in cosmetics (DD-PS 206.878), as Soil improver with water-storing effect (DD-PS 201.455, DD-PS 209,644, A. Kullmann et al, Arch. Acker- u. Crop production and soil science Berlin 27 (1983) pp. 491-497) or in the technical field as temporary blocking agents in the Have the natural gas industry used (DD-PS 159.015, DD-PS 213.942).

Aus Acrylnitril oder Acrylamiden erhält man Polymere, welche durch teilweise Verseifung ihrer Nitril- oder Amidgruppe zu Carboxylatgruppen stark hydrophil und quellbar werden. Durch direkte Synthese, durch Copolymerisation von Acrylamiden mit Acrylsäuren erhält man diese Produkte mit gezielt vorgegebenem Anionengehalt, wodurch sich die Eigenschaften der synthetischen Hydrogele vorbestimmen lassen. Diese anionischen Polyacrylamidgele werden ebenfalls als aufsaugende oder feuchthaltende Mittel verwendet und dienen wie die kationischen Polypyrrolidiniumgele (H. Benkenstein et al., Wiss. Z. Humboldt-Univ. Mat. Nat. R. 36(1987) S. 330) als wasserspeichernde Substanzen zur Bodenverbesserung.Polymers are obtained from acrylonitrile or acrylamides by partial saponification their nitrile or amide group to carboxylate groups become highly hydrophilic and swellable. Obtained by direct synthesis, by copolymerization of acrylamides with acrylic acids these products with a specified anion content, which makes the Have the properties of the synthetic hydrogels predetermined. This anionic Polyacrylamide gels are also used as absorbents or moisturizers and serve like the cationic polypyrrolidinium gels (H. Benkenstein et al., Wiss. Z. Humboldt University Mat. Nat. R. 36 (1987) p. 330) as water-storing substances Soil improvement.

Ein bekanntes Beispiel ist ihr Einsatz beim KALLIDENDRON-Verfahren, bei welchem sie die Rolle des Wasserspeichers bei der Auspflanzung von Jungbäumen unter ungünstigen Trockenbedingungen übernehmen (G. Kallistratos, Naturwissenschaftliche Rundschau (1987) 300-302, G. Kallistrator und I. M. G. Kallistratos, Journal of Oriental und African Studies Vol. 3, (1991), 194-208).A well-known example is their use in the KALLIDENDRON process, in which they the role of water storage in the planting of young trees under unfavorable Take over dry conditions (G. Kallistratos, Naturwissenschaftliche Rundschau (1987) 300-302, G. Kallistrator and I.M.G. Kallistratos, Journal of Oriental and African Studies Vol. 3, (1991), 194-208).

Die Wasseraufnahme der synthetischen kationischen und anionischen Gele ist von der Zahl der ionischen Gruppen im Gel einerseits und von der Salzkonzentration des umgebenden Wassers andererseits bestimmt, d. h. mit destiliertem Wasser werden höhere Quellungsgrade als mit Leitungswasser erzielt; nimmt man nach der Ausquellung einen oder mehrere Wasserwechsel zum Auswaschen von synthesebedingten Begleitsalzen vor, so können ionische Hydrogele Quellungsgrade von 1 : 400 erreichen. Quellungsgrade unter Praxisbedingungen - vor allem im Boden - liegen in der Regel weit unter diesen labormäßig erzielbaren Quellungsgraden. Zum Vergleich verschiedener Gele, verschiedener Synthesechargen und Ladungsdichten im Polymeren werden jedoch die Quellungsgrade mit destilliertem Wasser angegeben, da ein anderer objektiver Vergleichsmaßstab fehlt. The water absorption of the synthetic cationic and anionic gels is of a number the ionic groups in the gel on the one hand and the salt concentration of the surrounding Water, on the other hand, d. H. with distilled water there are higher degrees of swelling than achieved with tap water; you take one or more after the swelling Water changes to wash out synthesis-related accompanying salts, so you can Ionic hydrogels achieve swelling levels of 1: 400. Degree of swelling below Practical conditions - especially in the soil - are usually far below these in laboratory terms achievable degrees of swelling. To compare different gels, different ones Synthesis batches and charge densities in the polymer, however, also increase the degree of swelling distilled water because there is no other objective benchmark.  

Anionische Polymergele unterscheiden sich von kationischen Gelen in einem weiteren Punkt: ihr Quellungsgrad ist nicht nur von Salzkonzentrationen abhängig, sondern in besonders starkem Maße auch vom pH-Wert. Niedrige pH-Werte wirken durch Protonierung von Carboxylatgruppen vermindernd auf die Zahl der Ladungsträger, so daß durch pH-Wert- Erniedrigung der Quellungsgrad von anionischen Polymergelen stark zurückgeht.Anionic polymer gels differ from cationic gels in another point: their degree of swelling is not only dependent on salt concentrations, but in particular to a large extent also from the pH value. Low pH values work through protonation of Reducing carboxylate groups to the number of charge carriers, so that pH Lowering the degree of swelling of anionic polymer gels declines sharply.

Ionische Polymergele sind neben der reversiblen Wasseraufnahme auch zum Austausch von Ionen befähigt; bei den kationischen Polymergelen sind die quartären Ammoniumionen in der Gelmatrix festgelegt - die zugehörigen Anionen sind wie in jedem Ionenaustauscher beweglich und können ausgetauscht werden. In den anionischen Polymergelen sind demgegenüber die Kationen beweglich und austauschbar.In addition to reversible water absorption, ionic polymer gels are also used to exchange Ion-enabled; in the case of the cationic polymer gels, the quaternary ammonium ions are in the gel matrix - the associated anions are like in any ion exchanger flexible and can be exchanged. In the anionic polymer gels are in contrast, the cations are mobile and interchangeable.

Kationische Polymere, die wegen fehlender Vernetzung noch löslich sind und keine Gelphase bilden, reagieren mit ebenfalls noch löslichen anionischen Polymeren unter Absättigung ihrer positiven bzw. negativen Ladungen zu wasserunlöslichen Polymerverbindungen (Simplexe), die weder löslich noch in Wasser quellbar sind (B. Philipp und G. Reinisch, Grundlagen der makromolekularen Chemie, Akademie-Verlag Berlin 1976, Seite 342). Diese intermolekulare Reaktion von anionischen mit kationischen Gruppen in Polyelektrolyten zu Simplexen findet auch statt, wenn Kation und Anion Bestandteil einer (genügend großen) Kette sind, so daß bei dem Versuch, kationische Monomere mit anionischen Monomeren der Copolymerisation zu unterwerfen, immer schwerlösliche, wenig quellbare Polymere resultieren, welche als Hydrogele und Ionenaustauscher unbrauchbar sind.Cationic polymers that are still soluble due to the lack of crosslinking and none Form gel phase, react with also still soluble anionic polymers Saturation of their positive or negative charges to water-insoluble ones Polymer compounds (simplexes) that are neither soluble nor swellable in water (B. Philipp and G. Reinisch, Fundamentals of Macromolecular Chemistry, Akademie-Verlag Berlin 1976, page 342). This intermolecular reaction of anionic with cationic groups in polyelectrolytes to simplexes also takes place when cation and anion are part of a (sufficiently large) chain, so that when trying to use cationic monomers subjecting anionic monomers to copolymerization, always poorly soluble, less swellable polymers result, which act as hydrogels and ion exchangers are unusable.

Es ist Aufgabe und Ziel der vorliegenden Erfindung, diese Schwierigkeit zu überwinden und Gelstrukturen herzustellen, welche gleichermaßen kationische und anionische Gruppen enthalten und trotzdem hydrophile Eigenschaften, starke Quellung mit Wasser und Austauschvermögen für Kationen und Anionen zeigen.It is the object and aim of the present invention to overcome this difficulty and To produce gel structures, which are both cationic and anionic groups contain and nevertheless hydrophilic properties, strong swelling with water and Show exchange capacity for cations and anions.

Die Aufgabe wird gelöst, indem zunächst ein vernetztes kationisches oder anionisches Polyelektrolyt-Gel hergestellt wird und das kationische anschließend mit einem vernetzten anionischen Polyelektrolytgel oder das vernetzte anionische Polymer anschließend mit einem vernetzten kationischen Polymer vereinigt wird.The problem is solved by first creating a cross-linked cationic or anionic Polyelectrolyte gel is produced and the cationic is then crosslinked anionic polyelectrolyte gel or the crosslinked anionic polymer then with a cross-linked cationic polymer is combined.

Es wurde gefunden, daß anionische Polymergele in ihrer hydratisierten Gelform mit kationischen hydratisierten Gelen Verbindungen eingehen, derart, daß hinsichtlich der Morphologie im molekularen Bereich der Grenzflächen der dispersen anionischen und kationischen Gelteilchen ein statistischer Ladungsaustausch über größere Strukturbereiche erfolgt, wahrscheinlich mit fluktuierenden ionischen Brücken und nicht als geordnete Strukturen zwischen jeweils zwei entgegengesetzt geladenen Gruppen. Solche "Überstrukturen" zwischen dispersen Polyelektrolyt-Gelteilchen unterscheiden sich in ihren Eigenschaften von den jeweils Homopolymergelen; es entsteht ein disperses "Polyampholytgelteilchen" welches nach wie vor hyrophil, reversibel quellbar und zum Ionenaustausch befähigt ist, jedoch eine andere Gelstruktur und aufgrund anderer Bindungsverhältnisse z. B. eine andere Festigkeit und Elastizität der Gelpartikel zeigt. Typische Merkmale für Polyelektrolyte, wie Quellbarkeit, starker Einfluß des pH-Wertes, der Ionenstärke und Art des niedermolekularen Gegenions auf Molekülform und Transportvorgänge sind in den Überstrukturen qualitativ erhalten, quantitativ werden sie jedoch von den starken Wechselwirkungen an den Grenzflächen der entgegengesetzt geladenen Oberflächen der die Überstruktur bildenden dispersen Gelteilchen bestimmt.It has been found that anionic polymer gels in their hydrated gel form cationic hydrated gels enter into compounds such that in terms of Morphology in the molecular area of the interfaces of the disperse anionic and cationic gel particles a statistical charge exchange over larger structural areas occurs, probably with fluctuating ionic bridges and not as ordered Structures between two oppositely charged groups. Such "Superstructures" between disperse polyelectrolyte gel particles differ in their Properties of the respective homopolymer gels; a disperse arises "Polyampholyte gel particles" which are still hydrophilic, reversibly swellable and Ion exchange is capable, however, a different gel structure and due to different Binding relationships z. B. shows a different strength and elasticity of the gel particles. Typical characteristics for polyelectrolytes, such as swellability, strong influence of the pH value, the ionic strength and type of the low molecular counterion on molecular form and Transport processes are qualitatively preserved in the superstructures, they become quantitative however, opposed to the strong interactions at the interfaces of the charged surfaces of the disperse gel particles forming the superstructure.

Erfindungsgemäß verfährt man so, daß makroskopisch stöchiometrisch anionische und kationische Ladungen einander entsprechen, vor allem dann, wenn es ein Ziel der Gelbildung ist, ein "Austauscher-Gel" für Kationen und Anionen zur Verfügung zu haben. Stöchiometrie der Ladungen ist jedoch zur Verbindungsbildung nicht unbedingt erforderlich, da ja ein annähernd stöchiometrischer Ladungsausgleich nur durch Reaktion an den Grenzflächen der dispersen Gelteilchen erfolgt, im Inneren der Gelteilchen jedoch nach wie vor homopolymere Strukturen mit ihren frei wählbaren beweglichen, d. h. austauschbaren Gegenionen bestehen. Deshalb kann man auch Strukturen bilden, bei denen makroskopisch entweder das anionische oder andererseits das kationische Polymergel überwiegt; dies kann dann von anwendungstechnischem Vorteil sein, wenn z. B. mehrwertige Anionen oder mehrwertige Kationen ausgetauscht oder partiell fixiert werden sollen; in diesen Fällen kann bei mehrwertigen Metallionen auch eine komplexe Bindung am anionischen Polymergelbereich eintreten. Neben der Möglichkeit, kationisches und anionisches Hydrogel zu mischen und zur Reaktion zu bringen, kann man erfindungsgemäß technisch z. B. mit Vorteil so verfahren, daß man ein ungesättigtes Ammoniumsalz, z. B. Dimethyl­ diallylammoniumchlorid in Gegenwart von herkömmlichen Vernetzern, wie Methyltriallyl­ ammoniumchlorid, Tetraallylammoniumchlorid, Fumarsäurediallylester, Methylenbis­ acrylamid (oder Gemischen dieser Vernetzer) polymerisiert und kurz vor Erreichen des Gelzustands das anionische Polyelektrolytgel zusetzt und innig vermischt, in diesem Falle tritt die Reaktion an den Grenzflächen vorhandener Gelteilchen schon ein, während der Gelbildungsprozeß der vernetzenden Polymerisation des ungesättigten Ammoniumsalzes noch fortschreitet und zu Ende geführt wird. Für praktische Zwecke ist es weiterhin auch möglich, zu Pulver getrocknete reine Kationgele mit pulvertrockenen Anionengelen zu mischen, die Gelbildung zu den überstrukturierten "Ampholytgelen" erfolgt dann automatisch bei Kontakt mit Wasser, der ja in jedem Anwendungsfalle stattfinden muß.The procedure according to the invention is such that macroscopic stoichiometric anionic and cationic charges correspond to each other, especially if it is a target of the Gel formation is to have an "exchange gel" available for cations and anions. However, stoichiometry of the charges is not absolutely necessary to form the connection,  since an almost stoichiometric charge balance only by reaction to the Interfaces of the disperse gel particles occur, but still inside the gel particles in front of homopolymeric structures with their freely selectable movable, d. H. interchangeable Counterions exist. Therefore, one can also form structures that are macroscopic either the anionic or, on the other hand, the cationic polymer gel predominates; This can then be of application technology advantage if, for. B. polyvalent anions or polyvalent cations are to be exchanged or partially fixed; in these cases can with polyvalent metal ions also a complex bond on the anionic Enter the polymer gel area. In addition to the possibility of cationic and anionic hydrogel to mix and bring to reaction, you can technically z. B. with Advantage so proceed that an unsaturated ammonium salt, for. B. Dimethyl diallylammonium chloride in the presence of conventional crosslinking agents such as methyltriallyl ammonium chloride, tetraallylammonium chloride, fumaric acid diallyl ester, methylenebis acrylamide (or mixtures of these crosslinkers) polymerized and shortly before reaching the In the gel state, the anionic polyelectrolyte gel is added and mixed intimately, in this case occurs the reaction at the interfaces of gel particles already present during the Gelling process of the crosslinking polymerization of the unsaturated ammonium salt is still progressing and is being completed. For practical purposes, it is also still possible to add powder-dried pure cation gels with powder-dried anion gels mix, the gel formation to the superstructured "ampholyte gels" then takes place automatically upon contact with water, which must take place in every application.

Man kann auch pulvertrockenes Aniongel, z. B. ein Acrylamid-acrylat-copolymer, in einem Granulator, Mischer oder in einem Wirbelschichttrockner mit in Wasser dispergiertem kationischen Gel - z. B. einem vernetzt polymeren Dimethyldiallylamoniumchlorid - durch Aufsprühen umsetzen und das Produkt gemeinsam trocknen, dies kann auch in Gegenwart weiterer Feststoffpartikel erfolgen. Auf diese Weise können feste Stoffe mit Hydrogelen gemischt oder beschichtet werden, was ihnen hydrophile, wasserspeichernde und ionenaustauschende Eigenschaften verleiht.You can also use powder-dry anion gel, e.g. B. an acrylamide-acrylate copolymer, in one Granulator, mixer or in a fluidized bed dryer with water dispersed cationic gel - e.g. B. a cross-linked polymeric dimethyldiallylamonium chloride - by Apply spray and dry the product together, this can also be done in the presence further solid particles take place. In this way, solids can be combined with hydrogels can be mixed or coated, which makes them hydrophilic, water-storing and gives ion exchange properties.

Verwendung finden zwitterionische Hydrogele z. B. in der Kosmetik als feuchthaltendes Basisgel, die Austauschbarkeit - vor allem der Anionen - eröffnet Möglichkeiten des Anionenaustauschs gegen Anionen mit Wirkstoffcharakter - so daß die Hydrogele auch als Wirkstoffdepot eingesetzt werden können. Ihr wichtigstes Anwendungsgebiet finden zwitterionische Hydrogele als Bodenverbesserungsmittel. Sie sind wohlfeil herstellbar und bei geringem Masseeinsatz kann die 100- bis 400fache Menge Wasser reversibel aufgenommen werden. Trockenperioden können so überbrückt und Jungpflanzen in der Anwachsphase unterstützt werden. Es ist sowohl das direkte Einbringen in den Boden als auch die Kombination mit anderen Bodenwertstoffen, z. B. Komposterden, Bentoniten, Mergel, Kalk, Ton, NPK-Düngern und Kombination dieser Bodenwertstoffe, möglich. Für das Pflanzenwachstum so wichtige Spurenelemente (Zn, Cu, Mn, usw. sowie besonders die 3wertigen Übergangsmetalle werden an den anionischen Gruppen des Hydrogels gespeichert. Andererseits besteht auch eine erwünschte Austauschkapazität für die Düngerkationen K⁺, NH₄⁺, Ca++, Mg++. Düngende Anionen wie Phosphat, Nitrat oder Wirkstoffanionen, wie z. B. Thiocyanat, können temporär gespeichert werden. Die Austauschkapazität für Anionen und Kationen macht die zwitterionischen Hydrogele überlegen gegenüber bisher bekannten Gelarten.Use zwitterionic hydrogels z. B. in cosmetics as a moisturizing base gel, the interchangeability - especially the anions - opens up possibilities for anion exchange for anions with active substance character - so that the hydrogels can also be used as an active substance depot. Zwitterionic hydrogels find their most important field of application as soil improvers. They are inexpensive to manufacture and with low mass use, 100 to 400 times the amount of water can be reversibly absorbed. Dry periods can be bridged and young plants can be supported during the growing phase. It is both the direct introduction into the soil and the combination with other soil materials, e.g. B. compost, bentonites, marl, lime, clay, NPK fertilizers and a combination of these soil materials, possible. Trace elements that are so important for plant growth (Zn, Cu, Mn, etc., and especially the trivalent transition metals are stored in the anionic groups of the hydrogel. On the other hand, there is also a desired exchange capacity for the fertilizer cations K⁺, NH₄⁺, Ca ++ , Mg + +. fertilizing anions such as phosphate, nitrate or Wirkstoffanionen such. as thiocyanate can be stored temporarily. the exchange capacity for anions and cations makes the zwitterionic hydrogels superior to previously known types of gel.

Gelgaben können auch bei anwachsenden Pflanzen in Trockengebieten der im Anwachsstadium nachteiligen Versalzung des Bodens durch Bewässern mit Flußwasser entgegenwirken. Wasseraufnahme und Wasserabgabe sind mit starken Volumenänderungen der Gelpartikel verbunden, so daß dieser sich ständig wiederholende Vorgang im Boden zu einer pflanzendienlichen Bodenlockerung führt.Giving can also be given to growing plants in dry areas of the Stage of unfavorable salinization of the soil by irrigation with river water  counteract. Water absorption and water discharge are associated with large volume changes the gel particles connected, so that this constantly repeating process in the soil results in soil loosening that is beneficial to the crop.

Gelöste Düngemittel können mit dem Gießwasser verabreicht werden und stehen der Pflanze infolge der Austauschvorgänge länger und damit effektiver zur Verfügung. Gleichzeitig wird die Belastung des Grundwassers durch nach unten ausgewaschene, von den Pflanzen nicht mehr erreichbare Düngekomponenten vermindert. Es besteht ferner die Möglichkeit, Kombinationen mit Schädlingsbekämpfungsmitteln oder Wuchststoffen herzustellen. Hydrogele mit ausgewählten Begleitstoffen können mit Vorteil auch zur Saatgutbehandlung und Saatgutbeschichtung eingesetzt werden, wobei man die wasserbindende Eigenschaft und z. B. schädlingsbekämpfende Mittel gezielt nur am Samenkorn einsetzen kann, ohne den Ackerboden breitflächig mit unnötigen höheren Dosierungen zu belasten.Dissolved fertilizers can be administered with the irrigation water and are available to the plant available longer and therefore more effectively due to the exchange processes. At the same time the pollution of the groundwater by washed down, not from the plants more accessible fertilizer components reduced. There is also the possibility To produce combinations with pesticides or growth agents. Hydrogels with selected accompanying substances can also be used for seed treatment and seed coating can be used, the water-binding property and e.g. B. pesticides can be used only on the seed, without the Spreading arable soil over large areas with unnecessarily higher doses.

Durch den kationischen Gelanteiil wird eine Resistenz gegenüber abbauenden Mikroorganismen erreicht, so daß bei zwitterionischen Hydrogelen kostengünstig eine lange, mehrjährige Wirksamkeit im Boden besteht.The cationic gel part makes it resistant to degrading Microorganisms reached, so that a long, inexpensive with zwitterionic hydrogels The soil is effective for several years.

Ausführungs- und AnwendungsbeispieleExecution and application examples Beispiel 1example 1

6 kg eines durch Copolymerisation von Dimethyldiallyl-ammoniumchlorid mit 1,78 Mol% Methyltriallylammoniumchlorid hergestellten Polypyrrolidinium-Gels mit 50% Wassergehalt wurden mit 6 kg Wasser gequollen und unter Rühren in einem dampfbeheizten offenen Rührkessel auf 90°C erwärmt. Unter weiterem Rühren wurden anschließend 9 kg eines mit N,N-Methylenbisformamid vernetzten Copolymerisats aus 3 Molen Acrylamid und 1 Mol Kaliumacrylat eingetragen. Die erhaltene, schon weitgehend trockene krümelige Gelstruktur wird durch weiteres Erwärmen (ca. 1 Stunde) unter Rühren zu einem zwitterionischen Mischgel getrocknet und verfestigt.6 kg of a by copolymerization of dimethyldiallyl ammonium chloride with 1.78 mol% Methyltriallylammonium chloride produced polypyrrolidinium gel with 50% water content were swollen with 6 kg of water and stirred in a steam heated open Stirred kettle heated to 90 ° C. With further stirring, 9 kg were then added N, N-methylene bisformamide crosslinked copolymer of 3 moles of acrylamide and 1 mole Potassium acrylate entered. The obtained, largely dry, crumbly gel structure becomes a zwitterionic by further heating (approx. 1 hour) with stirring Mixed gel dried and solidified.

Der Quellungsgrad betrug zuerst 1 : 100, nach einer zweiten Behandlung mit frischem entionisiertem Wasser 1 : 150.The degree of swelling was first 1: 100, after a second treatment with fresh deionized water 1: 150.

Das Gel kann 1 : 100 mit Erde gemischt als Wasserspeicher dienen.The gel can serve as a water reservoir 1: 100 mixed with soil.

Beispiel 2Example 2

Man verfuhr wie in Beispiel 1 beschrieben und setzte während der Trocknungsphase unter Rühren 100 ml einer 1 : 10 aufkonzentrierten HOAGLANDschen Spurenelemente-Lösung sowie je 200 g Thomasmehl und 50 g eines Langzeit-N-Düngers auf Basis Harnstoff/Aldehyd zu; der Quellungsgrad dieser mit Düngesubstanz ausgerüsteten Mischelprobe betrug 1 : 90.The procedure was as described in Example 1 and the reaction was carried out during the drying phase Stir 100 ml of a 1:10 concentrated HOAGLAND trace element solution as well as 200 g of Thomas flour and 50 g of a long-term N-based fertilizer Urea / aldehyde too; the degree of swelling of these equipped with fertilizer Mischel sample was 1:90.

Das Gel kann in Mischung mit Erde als Wasserdepot dienen, welches gleichzeitig Spurenelemente und Stickstoffdünger für eine gesunde Pflanzenentwicklung bereitstellt.The gel can be used as a water depot when mixed with soil Provides trace elements and nitrogen fertilizer for healthy plant development.

Beispiel 3Example 3

5 kg eines aus Dimethyl-diallyl-ammoniumchlorid und Methylenbisacrylamid als Vernetzer erhaltenen Gels mit 50% Restfeuchte wurden ohne Wasserzugabe auf 90° erwärmt und mit 7,5 kg eines feinpulvrigen, vernetzten Arylamid/Acrylsäure-Copolymerisats unter Rühren und Erwärmen versetzt. Man erhielt rascher als in Beispiel 1 beschrieben ein zwitterionisches Mischgel von krümeliger bis pulverförmiger Konsistenz. Die gröberen Gelanteile waren von solcher Härte, daß sie in einer Scheibenmühle zerkleinert werden konnten.5 kg of one made of dimethyl-diallyl-ammonium chloride and methylenebisacrylamide as crosslinker gels obtained with 50% residual moisture were heated to 90 ° without addition of water and with  7.5 kg of a finely powdered, crosslinked arylamide / acrylic acid copolymer with stirring and heating offset. A zwitterionic was obtained more quickly than described in Example 1 Mixed gel of crumbly to powdery consistency. The coarser gel fractions were from so hard that they could be crushed in a disk mill.

Der Quellungsgrad betrug 1 : 100.The degree of swelling was 1: 100.

Ein Teil des Produktes wurde wie in Beispiel 2 beschrieben, mit Pflanzennährstoffen und Spurenelementen vermischt.Part of the product was as described in Example 2, with plant nutrients and Mixed trace elements.

Beispiel 4Example 4

161,7 g 50%ige wäßrige Dimethyl-diallyl-ammoniumchlorid-Lösung werden mit 1,52 g (2,2 Mol%) Kaliumcarbonat, gelöst in 5 ml Wasser, versetzt. In dieser Lösung werden 2,38 g (2 Mol%) Natriumperoxodisulfat und 0,462 g (0,6 g Mol%) N,N-Methylenbisacrylamid gelöst. Die Polymerisation beginnt, wobei innerhalb von 45 Minuten die Temperatur von 25° auf 31,5°C ansteigt.161.7 g of 50% aqueous dimethyl diallyl ammonium chloride solution are mixed with 1.52 g (2.2 mol%) potassium carbonate, dissolved in 5 ml of water. In this solution 2.38 g (2 mol%) sodium peroxodisulfate and 0.462 g (0.6 g mol%) N, N-methylenebisacrylamide solved. The polymerization begins, the temperature of. Within 45 minutes 25 ° rises to 31.5 ° C.

Nach 12 Stunden wird durch allmähliches Erwärmen auf 90°C die Polymerisation zu Ende geführt.After 12 hours, the polymerization is ended by gradually warming to 90 ° C. guided.

Das erhaltene kationische Gel hat einen Quellungsgrad von 1 : 78.The cationic gel obtained has a degree of swelling of 1:78.

Unter Rühren werden gleich anschließend 210 g eines trockenen Acrylamid/Acrylat-Gels zugesetzt, welches dem kationischen Gel unter Reaktion zum zwitterionischen Mischgel Wasser entzieht, wobei ein krümeliges, leicht weiter verarabeitbares Produkt erhalten wird, welches durch weiteres Nachheizen getrocknet wird.
Quellungsgrad: 1 : 105
With stirring, 210 g of a dry acrylamide / acrylate gel are added immediately, which removes water from the cationic gel by reaction to the zwitterionic mixed gel, a crumbly, easily processable product being obtained, which is dried by further reheating.
Degree of swelling: 1: 105

Beispiel 5Example 5

Man verfährt nach Beispiel 4, setzt aber das Acrylamid/Acrylat-Polymer schon zu, während die Polymerisation des kationischen Polymergels durch Erwärmen zu Ende geführt wird.The procedure of Example 4 is followed, but the acrylamide / acrylate polymer is already added during the polymerization of the cationic polymer gel is brought to an end by heating.

Man erhält ein zwitterionisches Gel mit weitgehend gleichen Eigenschaften, aber mit einem geringeren Quellungsgrad (1 : 68).A zwitterionic gel with largely the same properties but with one is obtained lower degree of swelling (1:68).

Beispiel 6Example 6

Man läßt ein kationisches Polymergel auf Basis Dimethyl-diallyl-ammoniumchlorid sowie ein anionisches Acrylamid/Acrylatgel jeweils getrennt mit Wasser vorquellen (Faktor 50-100), mischt die Gelproben in dem Mengenverhältnis, daß sich Kationgehalt und Aniongehalt im Äquivalentverhältnis entsprechen und mischt und verrührt zur gequollenen Form des zwitterionischen Gels, welches sich durch Reaktion der Oberflächen der Gelpartikel miteinander in wenigen Minuten ausbildet. Durch (mehrmaligen) Wasserwechsel kann man entsalzen und den Quellungsgrad auf1 : 200 und darüber erhöhen.A cationic polymer gel based on dimethyldiallylammonium chloride and a Pre-swell anionic acrylamide / acrylate gel separately with water (factor 50-100), mixes the gel samples in the ratio that the cation content and anion content in the Equivalent ratio and mixes and blends to the swollen form of the zwitterionic gels, which result from reaction of the surfaces of the gel particles with each other in a few minutes. By (repeated) water changes you can desalt and increase the degree of swelling to 1: 200 and above.

Entsprechend können durch Mischen von unstöchiometrischen Kation- und Anion- Gelanteilen zwitterionische Hydrogele mit Anionüberschuß oder Kationüberschuß erzeugt werden, wenn die angestrebte Verwendung mit spezieller Fähigkeit zum Ionenaustausch dies erfordert.Accordingly, by mixing unstoichiometric cation and anion Gel contents zwitterionic hydrogels generated with excess anion or excess cation if the intended use with special ability for ion exchange is required.

Der Ionenaustausch kann nachgewiesen werden, in dem das ausgequollene und weitgehend salzfreie Gel mit einer verdünnten Calciumnitratlösung bekannten Gehaltes in Kontakt gebracht wird. Analyse des Calciumgehaltes vor und nach der Gelbehandlung der Lösung zeigt, daß der Calciumgehalt der Lösung zugunsten des Calciumgehaltes des Gels abnimmt.The ion exchange can be demonstrated by the swollen and extensive salt-free gel in contact with a dilute calcium nitrate solution of known content brought. Analysis of the calcium content before and after the gel treatment of the solution shows that the calcium content of the solution decreases in favor of the calcium content of the gel.

Claims (8)

1. Zwitterionische Hydrogele und Verfahren zu ihrer Herstellung und Verwendung, dadurch gekennzeichnet, daß man vernetzte kationische Polymergele mit vernetzten anionischen Polymergelen vermischt und miteinander zur Umsetzung bringt.1. Zwitterionic hydrogels and processes for their preparation and use, characterized in that cross-linked cationic polymer gels are mixed with cross-linked anionic polymer gels and reacted with one another. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man vernetzte kationische Polymergele mit vernetzten anionischen Polymergelen in ihrer hydratisierten Form mischt und zur Reaktion bringt.2. The method according to claim 1, characterized in that cross-linked cationic Mixes polymer gels with cross-linked anionic polymer gels in their hydrated form and react. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man ein vernetztes, anionisches, pulverförmiges Polymergel dem Reaktionsgemisch einer fortschreitend polymerisierenden Lösung eines kationischen Monomers zusetzt.3. The method according to claim 2, characterized in that a networked, anionic, powdery polymer gel progressing to the reaction mixture polymerizing solution of a cationic monomer is added. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man vernetzte kationische Polymergele mit vernetzten anionischen Polymergelen in trockener Pulverform mischt und anschließend durch Zusatz von Wasser zur Reaktion bringt.4. The method according to claim 1, characterized in that cross-linked cationic Mixes polymer gels with cross-linked anionic polymer gels in dry powder form and then reacted by adding water. 5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man die vernetzten kationischen Polymergele mit den vernetzten anionischen Polymergelen - bezogen auf ihre ladungstragenden Gruppen - in stöchiometrischem oder unterstöchiometrischem Verhältnis mischt und zur Reaktion bringt.5. The method according to claim 1 to 3, characterized in that the crosslinked cationic polymer gels with the crosslinked anionic polymer gels - based on their charge-bearing groups - in stoichiometric or sub-stoichiometric ratio mixes and makes them react. 6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß man in einer der Komponenten oder dem Gemisch Feststoffe, wie Komposterden, Mergel, Bentonit, Kalk, Ton, Dünger oder Spurenelemente, zusetzt.6. The method according to claim 1 to 4, characterized in that one of the Components or the mixture of solids, such as compost, marl, bentonite, lime, Clay, fertilizer or trace elements. 7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß man das Mischen in Reaktoren, Granulatoren oder Wirbelschichttrocknern vornimmt.7. The method according to claim 1 to 6, characterized in that the mixing in Reactors, granulators or fluid bed dryers. 8. Verwendung zwitterionischer Hydrogele als Wasserspeicher, Bodenverbesserungsmittel, Basisgel für kosmetische Zubereitungen, Ionenaustauscher sowie als Wirkstoffdepot.8. Use of zwitterionic hydrogels as water reservoirs, soil improvers, Base gel for cosmetic preparations, ion exchangers and as an active ingredient depot.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE10084261B3 (en) * 1999-04-16 2013-07-25 Kimberly-Clark Worldwide, Inc. (N.D.Ges.D. Staates Delaware) Process for the preparation of superabsorbent-containing composites

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