高吸水性高分子

高吸水性高分子材料之所以能夠吸收高于自身重量數(shù)百倍，甚至上千倍的水分，其特殊的結(jié)構(gòu)特征起到了決定性的作用。作為高吸水性樹脂從化學(xué)結(jié)構(gòu)上來說主要具有以下特點(diǎn)。

(1)樹脂分子中具有強(qiáng)親水性基團(tuán)，如羥基、羧基等。這類聚合物分子都能夠與水分子形成氫鍵，因此對(duì)水有很高的親和性，與水接觸后可以迅速吸收并被水所溶脹。

(2)樹脂具有交聯(lián)型結(jié)構(gòu)，這樣才能在與水相互作用時(shí)不被溶解成溶液。事實(shí)上用于制備高吸水性樹脂的原料多是水溶性的線型聚合物，如果不經(jīng)過交聯(lián)處理，吸水后將部分成為流動(dòng)性的水溶液，或者形成流動(dòng)性糊狀物，達(dá)不到保水的目的。而經(jīng)過適度交聯(lián)后，吸水后樹脂僅能夠迅速溶脹，不能溶解。由于水被包裹在呈凝膠狀的分子網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部，在液體表面張力的作用下不易流失與揮發(fā)。

(3)聚合物內(nèi)部應(yīng)該具有濃度較高的離子性基團(tuán)，大量離子性基團(tuán)的存在可以保證體系內(nèi)部具有較高的離子濃度，從而在體系內(nèi)外形成較高的指向體系內(nèi)部的滲透壓，在此滲透壓作用下，環(huán)境中的水具有向體系內(nèi)部擴(kuò)散的趨勢(shì)，因此，較高的離子性基團(tuán)濃度將保證吸水能力的提高。

(4)聚合物應(yīng)該具有較高的分子量，分子量增加，吸水后的機(jī)械強(qiáng)度增加，同時(shí)吸水能力也可以提高。

高吸水性樹脂之所以能夠吸收大量水分而不流失主要是基于材料親水性、溶脹性和保水性等性質(zhì)的綜合體現(xiàn)。具有較高吸水能力的高吸水性樹脂均含有強(qiáng)親水性基團(tuán)并具有比較高的離子濃度，而且經(jīng)過一定程度的交聯(lián)。其吸水過程主要經(jīng)過以下幾個(gè)步驟。

(1)首先由于樹脂內(nèi)親水性基團(tuán)的作用，水分子與親水性基團(tuán)之間形成氫鍵，產(chǎn)生強(qiáng)相互作用進(jìn)入樹脂內(nèi)部將樹脂溶脹，并且在樹脂溶脹體系與水之間形成一個(gè)界面，這一過程與其他交聯(lián)高分子的溶脹過程相似。

(2)進(jìn)入體系內(nèi)部的水將樹脂的可解離基團(tuán)水解離子化，產(chǎn)生的離子(主要是可移動(dòng)的反離子)使體系內(nèi)部水溶液的離子濃度提高，這樣在體系內(nèi)外由于離子濃度差別產(chǎn)生滲透壓，此時(shí)，滲透壓的作用促使更多的水分子通過界面進(jìn)入體系內(nèi)部。由于聚合物鏈上離子基團(tuán)對(duì)可移動(dòng)反離子的靜電吸引作用，這些反離子并不易于通過擴(kuò)散轉(zhuǎn)移到體系外部，因此，滲透壓得以保持。

(3)一方面隨著大量水分子進(jìn)人體系內(nèi)部，聚合物溶脹程度不斷擴(kuò)大，呈現(xiàn)被溶解趨勢(shì)；另一方面，聚合物交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)聚力促使體系收縮，這種內(nèi)聚力與滲透壓達(dá)到平衡時(shí)水將不再進(jìn)入體系內(nèi)部，吸水能力達(dá)到最大化。水的表面張力和聚合物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)共同作用，吸水后體系形成類似凝膠狀結(jié)構(gòu)，吸收的水分呈固化狀態(tài)，即使在輕微受壓時(shí)吸收的水分也不易流失。在這一點(diǎn)上與常規(guī)吸水材料的外部吸水模式明顯不同。

高吸水樹脂達(dá)到平衡時(shí)的吸水量被稱為最大吸水量。為了便于測(cè)量，有時(shí)也用24h吸水量來代替最大吸水量，用來衡量樹脂的吸水能力。單位時(shí)間進(jìn)入體系內(nèi)部的水量被稱為吸水速度，是衡量吸水樹脂工作效率的指標(biāo)。

高吸水性高分子材料是指其吸水能力至少超過自身重量數(shù)百倍的特殊吸附性樹脂，能夠表現(xiàn)出超強(qiáng)的吸水能力，是一種重要的功能高分子材料。最早的高吸水性高分子材料是在1974年由美國農(nóng)業(yè)部的研究人員首先研制的，并首先用于農(nóng)業(yè)上的保水和制造紙尿褲和婦女衛(wèi)生巾。高吸水性樹脂已經(jīng)開發(fā)出淀粉衍生物系列、纖維素衍生物系列、甲殼質(zhì)衍生物系列、聚丙烯酸系列和聚乙烯醇系列等。近年來由于其重要的應(yīng)用價(jià)值，各國都在研究和開發(fā)方面投入大量人力和物力，在科研和生產(chǎn)方面都取得了快速發(fā)展，到2000年為止，全世界的年產(chǎn)量已經(jīng)超過百萬噸，我國國內(nèi)的市場需求量在2005年也將達(dá)到3萬噸以上。當(dāng)前高吸水性樹脂已經(jīng)成為重要的工業(yè)產(chǎn)品，已經(jīng)有各種商品出售。高吸水樹脂的研究開發(fā)以美國和日本處于領(lǐng)先地位，我國在這方面的研制工作起步較晚，但是已有一些科研單位和高等院校在這一領(lǐng)域取得一批研究成果。

高吸水性樹脂從其原料角度出發(fā)主要分為兩類，即天然高分子改性高吸水性樹脂和全合成高吸水性樹脂。前者是指對(duì)淀粉、纖維素、甲殼質(zhì)等天然高分子進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造得到的高吸水性材料。其特點(diǎn)是生產(chǎn)成本低、材料來源廣泛、吸水能力強(qiáng)，而且產(chǎn)品具有生物降解性，不造成二次環(huán)境污染，適合作為一次性使用產(chǎn)品。但是產(chǎn)品的機(jī)械強(qiáng)度低，熱穩(wěn)定性差，特別是吸水后的性能較差，不能應(yīng)用到諸如吸水性纖維、織物、薄膜等場合。淀粉和纖維素是具有多糖結(jié)構(gòu)的高聚物，最顯著的特點(diǎn)是分子中具有大量羥基作為親水基團(tuán)，經(jīng)過結(jié)構(gòu)改造后還可以引入大量離子化基團(tuán)，增加吸水性能。后者主要指對(duì)聚丙烯酸或聚丙烯腈等人工合成水溶性聚合物進(jìn)行交聯(lián)改造，使其具有高吸水樹脂的性質(zhì)。特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)清晰、質(zhì)量穩(wěn)定、可以進(jìn)行大工業(yè)化生產(chǎn)，特別是吸水后的機(jī)械強(qiáng)度較高，熱穩(wěn)定性好。但是生產(chǎn)成本較高，而吸水率偏低。常見的合成高吸水樹脂類主要有聚丙烯酸體系、聚丙烯腈體系、聚丙烯酰胺體系和改性聚乙烯醇等。在結(jié)構(gòu)上多以羧酸鹽基團(tuán)作為親水官能團(tuán)，聚合物具有離子性質(zhì)，吸水能力受水中鹽濃度的影響較大。以羥基、醚基、氨基等作為親水官能團(tuán)的樹脂屬于非離子型，吸水能力基本不受鹽濃度的影響，但其吸水性能較離子型低很多。

從材料的外型結(jié)構(gòu)上來說，已經(jīng)有粉末型、顆粒型、薄膜型、纖維型等高吸水產(chǎn)品，其中纖維型和薄膜型材料具有使用方便，便于在特殊場合使用的特點(diǎn)。高吸水樹脂由于采用原料不同，制備方法各異，產(chǎn)品牌號(hào)繁多，單從產(chǎn)品名稱上不易判斷其結(jié)構(gòu)歸屬。

(1)樹脂化學(xué)結(jié)構(gòu)的影響作為高吸水性樹脂，結(jié)構(gòu)中含有親水性基團(tuán)是首要條件，只有含有強(qiáng)親水性基團(tuán)才能使水與聚合物分子間的相互作用大于聚合物分子間的相互作用，使聚合物容易吸收水分而被水溶脹。多數(shù)高吸水性樹脂在結(jié)構(gòu)內(nèi)部都含有大量的羥基和羧基等親水性基團(tuán)就是基于上述理由。不過要使樹脂能夠吸收超過自身重量幾百倍甚至上千倍的水，僅靠親水性基團(tuán)是不夠的。第二個(gè)結(jié)構(gòu)因素是分子內(nèi)要含有大量可離子化的基團(tuán)，從而在溶脹后可以提供較大滲透壓，這也是制備高吸水量樹脂的必備條件。以纖維素類高吸水性樹脂為例，經(jīng)過堿性處理后可以使大量羥基和衍生化后引入的羧基離子化就是出于上述目的。因此可以說，高吸水性樹脂具有強(qiáng)親水性和可離子化基團(tuán)等化學(xué)結(jié)構(gòu)是高吸水的重要前提條件。通常情況下高吸水性樹脂中含有上述基團(tuán)的數(shù)目與其吸水性能成正比。

(2)聚合物鏈段結(jié)構(gòu)的影響 僅僅有上述兩個(gè)結(jié)構(gòu)條件還不能構(gòu)成高吸水性高分子，因?yàn)檫€必須解決如何保水的問題，才能夠?qū)⒋罅课盏乃植灰琢魇?。事?shí)上大量的含有上述結(jié)構(gòu)的水溶性聚合物和水溶性小分子沒有大量吸水能力就是證據(jù)。適度交聯(lián)結(jié)構(gòu)使親水性樹脂在水溶液中僅能溶脹不能溶解是高吸水性樹脂的第二個(gè)必要條件。所有的高吸水性樹脂都是由線型水溶性聚合物經(jīng)過適度交聯(lián)制備的。交聯(lián)主要起兩方面的作用，首先是保證聚合物不被水所溶解，其次是為保持吸收的水分提供封閉條件，并為溶脹后的水凝膠提供一定機(jī)械強(qiáng)度。一般來說，交聯(lián)度越高，機(jī)械強(qiáng)度越好。但是，在一定范圍內(nèi)，高交聯(lián)度將限制溶脹程度，因此交聯(lián)度與最大吸水量成反比。如何平衡上述兩個(gè)因素是制備高吸水性樹脂考慮交聯(lián)度時(shí)的主要目的。

(3)外部影響因素 對(duì)于高吸水性樹脂吸水性能的外部影響因素主要是水溶液的組成和溫度、壓力等。水的組成中最重要的是鹽的濃度，因?yàn)閺纳厦娣治鲋形覀円呀?jīng)知道，最大吸水量是聚合物網(wǎng)絡(luò)內(nèi)聚力與體系內(nèi)外滲透壓之間平衡的結(jié)果。水中如果存在鹽成分，鹽濃度將直接降低滲透壓差，導(dǎo)致最大吸水量下降。鹽濃度越高，最大吸水量下降越大。雖然對(duì)于耐鹽型高吸水型樹脂的研究也取得了一定進(jìn)展，主要采用黃膠原與丙烯酸酰胺共聚，對(duì)于0.9%食鹽水的吸附能力可達(dá)623倍，但是仍大大小于對(duì)純水的吸附量。此外，由于某些高吸水性樹脂易于水解，因此，考慮到樹脂的穩(wěn)定性，水溶液的酸堿度也是重要的影響因素。溫度和壓力對(duì)吸水指標(biāo)的影響是可以預(yù)見的，因?yàn)橥饨鐗毫⒅苯盈B加到聚合物網(wǎng)絡(luò)內(nèi)聚力上，壓力增加顯然對(duì)最大吸水量不利。環(huán)境溫度會(huì)影響水的表面張力，將對(duì)樹脂的保水能力產(chǎn)生影響。

第一章 高吸水性樹脂概述

第一節(jié) 基本概念

第二節(jié) 高吸水性樹脂的應(yīng)用

第三節(jié) 高吸水性樹脂的復(fù)合化及功能化改性

第四節(jié) 國內(nèi)外高吸水性樹脂發(fā)展?fàn)顩r

第二章 高吸水性樹脂的吸水機(jī)理

第一節(jié) 基本概況

第二節(jié) 平衡吸濕理論

第三節(jié) 高吸水性樹脂吸水能力的測(cè)定方法

第三章 高吸水性樹脂制備原料

第一節(jié) 高吸水性樹脂原料簡介

第二節(jié) 高吸水性樹脂的主要原料

第四章 淀粉類吸水性高分子

第一節(jié) 淀粉高吸水性樹脂的基本概念

第二節(jié) 淀粉接枝丙烯酸類高吸水性樹脂

第三節(jié) 淀粉接枝丙烯酰胺類高吸水性樹脂

第四節(jié) 淀粉接枝丙烯腈類高吸水性樹脂

第五節(jié) 淀粉接枝其他類單體高吸水性樹脂

第五章 纖維素類高吸水性樹脂

第一節(jié) 纖維系類接枝丙烯酸高吸水性樹脂

第二節(jié) 纖維素類接枝丙烯酰胺高吸水性樹脂

第三節(jié) 纖維素類接枝丙烯腈高吸水性樹脂

第四節(jié) 纖維素類其他高吸水性樹脂

第六章 其他天然高分子吸水性材料

第七章 合成高分子吸水性樹脂

第一節(jié) 合成高分子吸水性樹脂基本概念

第二節(jié) 溶液聚合制備高吸水性樹脂

第三節(jié) 反相懸浮聚合制高吸水性樹脂

第四節(jié) 輻射法制高吸水性樹脂

第五節(jié) 交聯(lián)法制高吸水性樹脂

第六節(jié) 以蔗糖酯作保護(hù)膠體制吸水性樹脂

第七節(jié) 丙烯酸類合成高分子高吸水性樹脂

第八節(jié) 丙烯酸類制高吸水性樹脂

第九節(jié) 丙烯酰胺制高吸水性樹脂

第十節(jié) 丙烯腈及其共聚物類高吸水性樹脂

第十一節(jié) 其他合成高分子高吸水性樹脂

第八章 高吸水性樹脂的應(yīng)用

第一節(jié) 高吸水性樹脂在農(nóng)業(yè)、園林上的應(yīng)用

第二節(jié) 高吸水性樹脂在醫(yī)療衛(wèi)生材料中的應(yīng)用

第三節(jié) 高吸水性樹脂在建筑與工程上的應(yīng)用

第四節(jié) 高吸水性樹脂在涂料中的應(yīng)用

第五節(jié) 高吸水性樹脂在日用化妝品上的應(yīng)用

第六節(jié) 高吸水性樹脂在其他領(lǐng)域的應(yīng)用

參考文獻(xiàn)

特性

1.高吸水性：能吸收自身重量的數(shù)百倍或上千倍的無離子水。

2.高吸水速率：每克高吸水樹脂能在30秒內(nèi)就吸足數(shù)百克的無離子水。

3.高保水性：吸水后的凝膠在外加壓力下，水也不容易從中擠出來。

4.高膨脹性：吸水后的高吸水樹脂凝膠體體積隨即膨脹數(shù)百倍。

5.吸氨性：低交聯(lián)型聚丙烯酸鹽型高吸水性樹脂其分子結(jié)構(gòu)中含有羧基陰離子，遇氨可將其吸收，有明顯的去臭作用。 2100433B

高吸水性聚合物用途甚廣。加入土壤中可以保水；用于栽花、種菜、育苗，可以調(diào)節(jié)和保持水分；制成醫(yī)用繃帶、棉球、紗條、海綿，可用于吸水手術(shù)和外傷止血等；加入紙漿制成超吸水紙，可用作婦女衛(wèi)生巾、兒童尿布等，亦可作為水果、蔬菜的保鮮和保水的包裝紙；摻入水泥灰漿，可以改良水泥預(yù)制品性能；用以吸收農(nóng)藥、肥料，可以起到控制釋放作用，達(dá)到提高藥效、肥效的目的。