高吸水性树脂(10页).doc

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1、-第 1 页高吸水性树脂高吸水性树脂-第 2 页高吸水性高分子材料高吸水性高分子材料材料学材料学吕岩吕岩14110930041411093004摘要：摘要：在这篇综述中，探究的领域是高吸水性高分子材料，其中主要指的是高吸水性树脂。大体概述了其发展、结构，分类，吸水原理等；及几类简单的高吸水性树脂的制备方法。如淀粉类、纤维素类、共聚合类等。高吸水性树脂是一种新型功能高分子材料，由于它能吸收自身质量几百至上千倍的水,且吸水膨胀后生成的凝胶具有优良的保水性,因而广泛地应用于农业、医疗卫生、园艺、建筑材料、食品加工等多个领域。关键词：高吸水性树脂关键词：高吸水性树脂原理原理性能性能制备制备广泛应用广泛

2、应用Super absorbent polymer materialsMaterial sciencelvyan1411093004Abstract:In this review,I explore the area about super absorbent polymer materials,mainlyreferstothesuperabsorbentresin.Generallyoverviewofitsdevelopment,structure,classification,principle of absorbing water,etc.;Andatthesametimeintro

3、ducesomesimplemethodofpreparationofsuperabsorbent resin.Such as starch,cellulose,copolymerization,etc.Superabsorbent resin is a kind of new functional polymer material,because it canabsorb hundreds to thousands of times the mass of the water,and it has goodwater retention.So it has been widely used

4、in agriculture,health care,gardening,building materials,food processing and other fields.Keywords:SuperabsorbentresinPrinciplePerformancePreparationSuperextensiveapplications引言引言高吸水性高分子材料(Super Absorbent Polymer 简称 SAP)主要指高吸水性树脂，也称为超强吸水剂、高吸水性聚合物一种具有优异吸水能力和保水能力的-第 3 页新型功能高分子材料。它首先由美国和日本于 60 年代中期研制成功。

5、它不同于以往的普通的吸水性材料,如海绵、吸水纸、脱脂棉等,吸水量最大也只能达到自身重量的 20 倍左右,且在受挤压后吸附的水易被挤出。而高分子吸水树脂是一类高分子电解质,如交联聚丙烯酸钠吸水剂,其结构中因含有羧基、羰基、羧酸根、亚氨基等极性基团,故其亲水性极强,且聚合物的骨架又是一个适度交联的网状结构,带有负电荷,因而属高分子电解质。其它高分子吸水剂的结构中同样都含有极性基团及阴离子或阳离子,如聚丙烯酸盐树脂、聚丙烯腈类树脂、淀粉丙烯酸共聚物树脂、羧甲基纤维素交联物等等,因而它们在吸水过程中会发生电离而引起同类电荷基团的相互排斥,树脂骨架膨胀,同时与水发生化学反应,最终生成凝胶状物质。所以,吸

6、水后的高分子树脂在受压后,水不会从高分子中释放出来,且其吸水速度相当快,吸水量可在几分钟甚至几秒内达自身重量的几百倍。如淀粉丙烯腈接枝共聚物,其吸水量可达自身重量的 3001200 倍,淀粉丙烯酸共聚物的可达 3001400 倍,聚丙烯酸盐树脂的可达 3001000 倍。另外,高分子吸水树脂还具有缓释作用、吸附作用、吸湿放湿作用及能够成膜、稳定性好的特点,使其在日用化学工业中有着独特的作用。因而自研制成功以来,高分子吸水树脂受到了世界各国的高度重视,发展极为迅速,世界范围内的需求量逐年递增,其应用领域也在逐步扩大,过去主要用在个人卫生用品方面,而今已扩展到医用材料、缓释农药、土壤保湿剂、食品干

7、燥剂、保鲜剂及化妆品中,其开发应用前景十分广阔。一高吸水性树脂的概述一高吸水性树脂的概述1.11.1 高吸水性树脂的发展历史高吸水性树脂的发展历史高吸水性树脂作为一种具有特殊功能的高分子化合物，它的起源在高分子化合物出现以后。1961 年美国农业部北方研究中心从淀粉接枝丙烯腈首先开始研究，其后 Fanta 等人在前人研究工作的基础上开始继续进行了淀粉接枝丙烯腈的研究，发现接枝产物加碱水解后生成的产物具有优良的吸水性能，并于 1966 年首先发表了淀粉改性物质具有优越的吸水能力的论文，指出淀粉衍生物具有优越的吸水能力，吸水后形成的凝胶的保水性很强。首次开发成功后，世界各国对高吸水性树脂在体系、种

8、类、制备方法、性能改进、应用领域等方面进行了大量的研究工作，并取得了一系列的 研究成果。1978 年，日本三洋化成公司考虑到丙-第 4 页烯腈单体残留在聚合物中有毒性，卫生上不安全，所以提出了不痛的方法来制备高吸水性树脂，提出了淀粉丙烯酸，交联性的单体接枝共聚反应的合成方法，并于 1979 年在日本名古屋投产。我国高吸水性树脂的研究从 20 世纪 80 年代初开始，如湖南湘潭大学自 1981 年开展了合成吸水剂的研究，先后对淀粉系、纤维系、合成系的吸水剂性能和合成方法进行了研究，制备了淀粉接枝共聚丙烯腈皂化水解物、纤维素接枝丙烯酸盐、聚乙烯醇变性物，都具有优越的性能。1.21.2 高吸水性树脂

9、的分类高吸水性树脂的分类高吸水性树脂从其原料角度出发主要分为两类，即天然高分子改性高吸水性树脂和全合成高吸水性树脂。前者是指对淀粉、纤维素、甲壳质等天然高分子进行结构改造得到的高吸水性材料。其特点是生产成本低、材料来源广泛、吸水能力强，而且产品具有生物降解性，不造成二次环境污染，适合作为一次性使用产品。但是产品的机械强度低，热稳定性差，特别是吸水后性能较差，不能应用到诸如吸水性纤维、织物、薄膜等场合。淀粉和纤维是具有多糖结构的高聚物，最显著的特点是分子中具有大量羟基作为亲水基团，经过结构改造后还可以引入大量离子化基团，增加吸水性能。后者主要指对聚丙烯酸或聚丙烯腈等人工合成水溶性聚合物进行交联改

10、造，使其具有高吸水树脂的性质。特点是结构清晰、质量稳定、可以进行大工业化生产，特别是吸水后机械强度较高，热稳定性好。但是生产成本较高，而吸水率偏低。在材料的外形结构上来说，目前已经有粉末型、颗粒型、薄膜型、纤维型等高吸水性产品，其中纤维型和薄膜型材料具有使用方便，便于在特殊场合使用的特点。高吸水性树脂由于采用原料不同，制备方法各异，产品牌号繁多，单从产品名称上不易判断其结构归属。1.31.3 高吸水性树脂的结构特征与性质高吸水性树脂的结构特征与性质高吸水性高分子材料之所以能够吸收高于自身重量数百倍，甚至上千倍的水分，其特殊结构特征起到了决定性的作用。作为高吸水性树脂从化学结构上来说主要具有以下

11、的特点：1）树脂分子中具有强亲水基团，如羟基、羧基等。这类聚合物分子都能够与水分子形成氢键，因此对水有很高的亲和性，与水接触后可以迅速吸收并被水所溶胀。-第 5 页2）树脂具有交联结构，这样才能在与水相互作用时不被溶解成溶液。3）聚合物内部应该具有浓度较高的离子性基团，大量离子性基团的存在可以保证体系内部具有较高的离子浓度，从而在体系内外形成较高的指向体系内部的渗透压，在此渗透压作用下，环境中的水具有向体系内部扩散的趋势，因此，较高的离子性基团浓度将保证吸水能力的提高。4）聚合物应该具有较高的分子量，分子量增加，吸水后的机械强度增加，同时吸水能力也可以提高。高吸水性树脂作为一种功能材料应用，其

12、应用领域不同，对它的性能也有各种各样的要求。高吸水性树脂主要有以下几项性能：1）吸水性高吸水性树脂的吸水性可从两个方面反映：一是其吸水溶胀的能力，以吸水率表示，目前报道的最大吸水率是 5000 倍;另一个是其保水性。其吸水能力不仅决定于聚合物的组成，结构，形态，分子量，交联度等内在因素，外界条件对其影响也很大.高吸水性树脂吸水性的测定方法很多,有筛网法，茶袋法，抽吸法，离心法等，因测定方法的不同而有差异,只能作为参考。2）凝胶强度高吸水性树脂吸水后，其凝胶需具有一定的强度，以维持良好的保水性和加工性能。聚合物本身的结构及组成直接决定了高吸水性树脂吸水后的强度，而且强度与吸水能力，吸水速度三者有

13、相互依赖和相互矛盾的关系。所以在制造高吸水性树脂时，应根据不同的使用要求，进行合理的分子设计，采用适宜的单体结构，选择合理的合成方法，制造出具有恰当的聚合度和交联密度的产品，以达到强度，吸水能力及速度都能满足使用要求的吸水性树脂.。高吸水性树脂凝胶强度测试难度相对较大，Brandt 等人通过振荡应力流变计测定树脂凝胶粒的剪切模量，用以表征凝胶强度。3）保水性高吸水性树脂不但吸水能力强，而且保水能力也非常强，所谓保水能力指的是吸水后的膨胀体能保持其水溶液不离析的状态的能力。众所周知，含有大量水的一般水凝胶都具有加压难脱水，蒸发慢，对水的保持能力高的特点。高吸水性树脂是水凝胶，当然具有这些性质。通

14、常物质的脱水主要有加热蒸发脱水和加力脱水两种。因此，高吸水性树脂也有自然条件保水性，热保水性和加压保水性等几种保水性能。4）稳定性高吸水性树脂作为吸水性材料使用必然会受到外界条件，-第 6 页如光，热，化学物质以及其它条件的影响，使其吸水性能发生改变。因此，高吸水性树脂的稳定性主要包括热稳定性，光稳定性和储存稳定性等。不同种类的高吸水性树脂吸水后，其稳定性有差异，如聚丙烯酸盐类树脂随交联度增加热稳定性也增大，常温下，高吸水性树脂可在密闭容器内储存 35 年，其吸水能力不变，稳定性很好。5）增稠性高吸水性树脂凝胶具有特殊的流变性能，增稠性是其显著特性，很少量的树脂就可使溶液粘度大大提高。Tayl

15、or 研究了高吸水性树脂凝胶的增稠机理，发现由于高吸水性树脂在水中可高度溶胀，吸收溶剂，溶液体系被溶胀的树脂颗粒紧密填充，而变得稠密，溶液粘度显著增加。除以上性能外，高吸水性树脂还具有吸氨性，扩散性，安全性，相溶性等特殊性能。1.41.4 高吸水性树脂的吸水原理高吸水性树脂的吸水原理吸水机制可分为两类：一类是物理吸附类，像传统的吸水性材料如棉花等，其吸水机制主要是毛细血管吸附原理，所以这类物质的吸水能力不高，只能吸收自重的几十倍的水，且一旦施压，所吸收的水分就逸出，保水性能差。另一类是化学吸附类，通过化学键的方式把水和亲水物质结合在一起成为一个整体。此种吸附结合很牢，加压也不易失去所吸收的水分

16、。高吸水性树脂是具有三维空间网络结构的高聚物，所吸收的水分既有物理吸附，又有化学吸附。因此具有神奇的吸水能力，可吸收成百上千倍的水。当水与高聚物表面接触时，有三种相互作用：一是水分子与高分子中电负性强的氧原子间的氢键作用；二是水分子与疏水基团间的相互作用；三是水分子与亲水基团间的相互作用。高吸水性树脂处于凝胶状态时，胶体内外存在有三种状态的水，即结合水、束缚水、自由水。结合水被束缚在高分子凝胶网络中，不易脱离网络而去，因此，高吸水性树脂有很高分保水性。高吸水性树脂在结构上是轻度交联的空间网络结构，由化学交联和树脂分子链间的相互缠绕的物理交联构成。吸水前，高分子长链相互靠拢缠在一起，彼此交联形成

17、网状结构，从而达到整体上的紧固程度。高吸水性树脂的吸水过程是一个很复杂的过程。吸水前，高分子网络是固态网束，未电离成离子对。当遇水时，亲水基与水分子的水合作用使高分子网束张展，产生网络内外离子浓度差。如高分子网络结构中有一定数量的亲水离子，就会在网络结构内外产生渗透压，水分-第 7 页子因渗透压作用向网络结构内渗透。同理，被吸附水中含有盐时，渗透压降低，吸水能力随之下降。由此可见，高分子网结构的亲水基离子是不可缺德。亲水离子对高吸水性树脂能够完成吸水全过程得动力因素。高分子网结构持有大量的水和离子，是影响高吸水性树脂吸水能力，加快吸水速度的另一个因素。二高吸水性树脂的制备二高吸水性树脂的制备2

18、.12.1 天然高分子的接枝天然高分子的接枝通过天然高分子的接枝改性合成的高吸水性树脂的优点是成本较低、产物超过使用周期可以分解，缺点是工艺复杂、产品易腐败，强度较差。天然高分子的接枝主要有以下几种方法。淀粉-丙烯腈接枝共聚物：淀粉-丙烯腈接枝共聚物的水解产物是世界上第一个开发的高吸水性树脂。特点是吸水倍数高(1000-3000 倍)、成本低。缺点是水解工艺比较复杂，干燥效率低。合成所用的硝酸铈铵是至今淀粉接枝不饱和单体最有效的引发剂，其工艺过程为：淀粉糊化冷却接枝共聚加压水解冷却酸化离心分离中和干燥成品包装。如果采用三价锰盐-硫酸亚铁铵双氧水组成的复合引发体系，则接枝效率可达 95%。合成时

19、需要控制引发剂用量、加入方式、温度、淀粉种类和丙烯腈用量等。但关键是控制共聚物的皂化方法和皂化程度。淀粉-混合单体的接枝共聚物：即在淀粉上除了接枝丙烯腈外，还可以接枝丙烯、甲基丙烯酸、丙烯酸、丙烯酰胺等单体。其优点是进一步提高产物的吸水倍数，此外，如采用颗粒淀粉，可省去糊化工序，缩短皂化时间，产品容易过滤、分离、清洗、贮存。淀粉-聚丙烯酸钠的接枝共聚物优点是将淀粉和聚丙烯酸钠水溶液在加热条件下进行混炼，即过程力化学接枝形成产物。纤维素的接枝共聚物：即将丙烯腈等单体分散在纤维素浆液中，在铈盐引发剂的作用下进行接枝共聚，再加压水解。其优点是：虽然吸水倍数不如淀粉类共聚物，但可制成高吸水性织物，可与

20、纤维混纺，改善最终产品的吸水性能。天然高分子羧甲基化：特点是控制羧甲基化的程度，交联后可得吸水性不同的产物。2.22.2 交联水溶性合成树脂交联水溶性合成树脂-第 8 页以水溶性合成树脂为原料合成高吸水树脂是目前的主导，其优点是克服了天然高分子接枝后改性的不足，并且原料丰富，缺点是成本偏高。具体合成方法为：聚乙烯醇的交联改性：主要通过酸酐的交联，并引入-COONa 基团。特点是吸水性能可调。聚丙烯酰胺的交联改性：主要通过辐射引发或引发剂引发磷酸、马来酸酐、邻苯二甲酸酐等与聚丙烯酰胺交联，如采用丙烯酸钠与丙烯酰胺共聚交联，可得吸水量可达 2000g/g 的高吸水性树脂。聚丙烯腈的改性：主要是通过

21、丙烯腈与甲基丙烯酸、N-羟甲基丙烯酰胺进行共聚、纺丝、再硫酸浸渍制得纤维状吸水树脂。三高吸水性树脂的广泛应用三高吸水性树脂的广泛应用高吸水性树脂由于其优良的吸水性和保水性，应用范围在不断扩展，已广泛应用于卫生材料，农林园艺，脱水剂，化学蓄冷剂，蓄热剂，污泥固化剂，防露水用壁材，食品保鲜剂，水膨胀涂料和复合吸水材料等方面。因此，其生产能力迅速增加,特别是美国和日本发展最快，年产量已超过 20 万 t.。3.13.1 农林、园艺方面的应用农林、园艺方面的应用我国土地辽阔，有大面积的沙漠及干旱，半干旱西北，改造治理沙漠，防止水土流失，提高干旱半干旱地带，为高吸水性树脂绿化祖国再造山川秀美的大地区的作

22、物产量提供了用武之地。研究者发现，在农业上应用高吸水性树脂可以减少灌溉水的损耗，降低植物的死亡率，提高土壤的肥力，加快作物的生长速度，增加作物的产量.而且可使土壤形成团粒结构，可以增加土壤的透水性，透气性，降低壤的昼夜温差。同时与肥料，农药作用可使它们缓慢释放，增加肥料和农药的利用率和有效性。用于耕作的高吸水性树脂可以是薄膜状，凝胶状和泡沫状，其用途是用于正在生长的蔬菜和花的种子，以增加生产的稳定性和产量，节省劳动力。高吸水性树脂吸水后，保存在苗床下面的适当位置，利用毛细作用，逐渐供给植物水分，这样可以达到缓释水分的作用。对我国特别是西北，华北干旱，半干旱地区而言，高吸水性树脂的节水，保水，抗

23、旱保苗，改良土壤，促进植物生长的特殊性能，无疑是一个福音，越来越受到广大农民和科技工作者的关注。3.23.2 医药卫生用品方面的应用医药卫生用品方面的应用-第 9 页在医疗卫生用品领域，人们利用高吸水性树脂的吸收尿液，血液，药物等特性作为吸收材料，如卫生巾，尿布，餐巾纸，失禁片，医用药棉等。高吸水性树脂的超强吸水能力和保水能力使得生理卫生方面的产品大大轻便化，小型化，舒适化，消除了人们很多苦恼。近年来，高吸水性树脂已被广泛应用于医药医疗的各个方面：超强吸水性材料可用于制备能吸收手术及外伤出血和分泌液，并可防止化脓的医用绷带、棉球和纱布等；用于接触眼镜、人体埋入材料、保温保冷材料等医疗用品的生产

24、和制造中；用于制造人工玻璃体、人工角膜、人工皮肤、人工血管、人工肝脏、人工肾脏等人工器官；用于保持部分被测液的医用检验试片；用于制备含水量大、使用舒适的外用软膏：另外，高吸水性树脂还在缓释药物基材等制造中得到应用，能通过调节含水率改变药剂的释放速度，避免随时间推移，释放速度逐渐降低。3.33.3 建筑材料方面的应用建筑材料方面的应用随着现代化建设的发展，各行各业都在突飞猛进地发展，水是建设中须考虑的重要因素。在各项建设中节水保水，综合治理水资源是当务之急。研究开发超强吸水剂是加快建设，治理的重要措施之一。目前，高吸水性树脂在建材工业中主要应用于止水堵漏，防结露，调湿除湿，建材涂料，提高建筑工效

25、等方面。3.43.4 其它方面的应用其它方面的应用除以上几个方面外，高吸水性树脂在日用化工，石油工业，环保工业，纤维工业，电子工业等方面同样具有广阔的应用前景。高吸水性树脂在日常生活中也得到很好的应用。如食品保鲜剂，化妆品添加剂，香水缓释剂，油田处理剂等方面高吸水性树脂均发挥了巨大的作用。四前景展望：四前景展望：高吸水性树脂具有众多的用途和广泛的应用领域，随着生活水平的提高和石油资源的日益匮乏，人们对其要求也在不断提高，高性能化、复合化、对环境友好是其未来发展的主要方向。参考文献参考文献1 邹新禧.超强吸水剂 M.北京:化学工业出版社，19912李武宏，李弘化学法制备高分子水凝胶的研究进展J离

26、子交换与吸附，2003，19(6):567-573-第 10 页3Sina Naficy,Hugh R.Brown,Joselito M.Razal,Geoffrey M.Spinks,Philip G.Whitten.Progress Toward Robust Polymer Hydrogels.Aust.J.Chem.2011,64,1007-10254翟茂林，哈鸿飞 水凝胶的合成、性质及应用J 大学化学，2001，16(5):22-265王正辉，高琼芝.高吸水树脂 P(AAAMG MA)的合成 J.合成化学，2006，14(1):77-79.6褚建云.半互穿网络聚丙烯酸高吸水树脂的合成及性能 J.四川大学学报，2004，36(2):62-68.7刘德荣，颜杰等.高分子学报，1996,4(8):490493.8龙剑英,宋湛谦.淀粉类高吸水性树脂的研究进展J.精细化工，2002，19(9):54 1-5 4 3 9 崔英德，郭建维等.可生物降解超强吸水剂及其制备技术进展J.化工进展，2003，22(8):8 4 5-8 4 9.10张俊平，刘瑞风，李安等丙烯酰胺凹凸棒复合吸水性树脂的制备及溶胀行为 J.高分子材料科学与工程，2005，21(3)：1 6 9-1 7 2