超强吸水高分子材料

天然高分子加工产物
Super
其它
淀粉—丙烯腈接枝聚合水解物 淀粉—丙烯酸共聚物 淀粉—丙烯酰胺接枝聚合物 其它 纤维素类 纤维素接枝共聚物 纤维素衍生物交联物 其它 淀粉类 多糖类(琼脂糖、壳多糖)、蛋白质类等
Ab s o rb e nt po lym e r
离子型（多以羧酸盐基团）
亲水基团上分
抗霉解性优
合成系
工艺简单，吸水、
保水能力强 吸
合成工艺复杂，易腐败，耐热性 不佳，吸水后凝胶强度低，长期保水 性差，耐水解性较差。 储量丰富，可不断再生，成本低; 无毒且能微生物分解，可减少对环境
点
别
与 优
水速度较快耐水
解，吸水后凝胶 强度大，保水性 强.抗菌性好.但 可降解性差.适 用于工业生产
点
80年代我国开始了对淀粉系高吸水性树脂的研究。
淀粉结构 支链淀粉 直链淀粉
H OH H O HO H H OH O HO H OH H O HO H H OH O H O H O H OH
O OH
纤维素系超高吸水高分子材料
纤维素结构
O
O O
O O
O O
淀 粉 系
价格低廉、生物降解性能好
区 缺
纤维素系
二、分
类
甲壳质衍生物
淀粉系
SAP
合成高分子系
纤维素系
Super
Ab s o rb e nt po lym e r
纯合成高分子
聚丙烯酸类 聚丙烯酸钠交联物 丙烯酸—乙烯醇共聚物 丙烯腈聚合皂化物、聚丙烯酰胺 其它
Super
聚乙烯醇类
聚乙烯醇交联聚合物 乙烯醇—其它亲水性单体接枝共聚物 其它
Ab s o rb e nt po lym e r
Super
Ab s o rb e nt po lym e r
四、SAP结构
1）从化学结构看：
主链或侧链上含有亲水性基团，如
-ＳＯ3Ｈ、 -ＣＯＯＨ、 -ＣＯＮＨ2、 -ＯＨ等 吸水能力：-ＳＯ3Ｈ>-ＣＯＯＨ>-ＣＯＮＨ2>-ＯＨ
Super
烯酸类）。
2）从物理结构看： 低交联度的三维网络。网络的骨架可以是 淀粉、纤维素等天然高分子，也可以是合成树脂(如聚丙
联
系
的污染。
共 同 点 均是葡萄糖的多聚体，可以采用 相类似的单体、引发剂、交联剂进行 吸水树脂的制备
甲壳质衍生物
合成高吸水分子中一些重要术语
术语 引 发 引发自由 基聚合反应 解释 影 响 用量：一般为单体的0.01~0.8% 用量过多： 网络变小 吸水率 用量过少： 可溶部分增多 吸水率
剂
非离子型（羟基、醚键和氨基）
Super
结构外型分
粉末、纤维、颗粒、薄膜
Biblioteka Baidu
Ab s o rb e nt po lym e r
一、吸 水 原 理
物理吸附
1. 吸 水 实 质 化学吸附
棉花、纸张、海绵等。
毛细管的吸附原理。 有压力时水会流出。
通过化学键的方式把水和亲水
性物质结合在一起成为一个整 体。加压也不能把水放出。
交 联 点
随着吸水量的增大,网络内外的渗透压差趋向于零; 而网络扩张的同时,其弹性收缩力也在增加,逐渐抵 消阴离子的静电排斥,最终达到吸水平衡。
3）交联骨架防止溶解达到平衡
吸水剂微球吸水过程的体积变化示意图
最大吸水量-可用24小时吸水量表示。
1）树脂化学结构的影响
首先要含有大量的强亲水性基团，这样可使水
合成超高吸水高分子材料
目前主要分为聚丙烯酸（盐） ，聚乙烯醇两大类。 其中，聚丙烯酸（盐）类的研究最多，产量最大。
类别 比 较
聚 丙烯酸（盐）类 吸水性强，工艺成
聚乙烯醇类
吸水倍率不及聚丙烯酸 类,但它的特点是吸水速度 熟，合成方法多样。 快,2～3分钟内即可达到饱和 吸水量的一半。
合成超高吸水高分子材料
中和
x
湿料
2HNOC
沉析
烘干
粉碎
纤维素吸水树 脂干料
淀粉与丙烯腈制造实例
原料
糊化
通氮净化
产品
粉碎
调PH 干燥
离心中和
制造SAP的新方法——微波法
纸浆纤维
单体丙烯酸 高效节能，无环境污染 加热速度快、均匀、有选择性、无滞后效应
超强吸水高分子材料 一、吸 水 原 理 二、分类 三、基本结构 四、SAP结构
优点 用途
五、合成高吸水分子中一些重要术语 六、接枝共聚反应实例
高吸水性树脂
高吸水性树脂(Super Absorbent Polymer简称SAP) 也称为高吸水性树脂、超强吸水剂、高吸水性聚合物，
Super
是一种具有优异吸水能力和保水能力的新型功能高分子材料。
交 联 令聚合物 链相互交联 决定了树 用量：一般为0.2～0.8% 用量过多：网络收缩 吸水率
剂
脂空间网络
的大小
用量太少：树脂溶解度
吸水率
天然产物的接枝改性
O
CH2OH O OH O
n
CH2OH
CH2OH O
n
Ce4+
O
O OH H OH
+
O O OH H H O O
n
+ Ce3+
H OH
淀粉自由基
吸水前
吸水后
Ab s o rb e nt po lym e r
超强吸水高分子材料综述
保水能力高:即使受压也不易失水
SAP优点
Super
Ab s o rb e nt po lym e r
超强吸水高分子材料综述
用途
Super
Ab s o rb e nt po lym e r
Super
Ab s o rb e nt po lym e r
2.SAP的吸水原理
吸收大量水而不流失是基于材料的亲水性、溶胀性和保水性。
较慢。通过毛细管吸附和分散作用吸水。 水分子通过氢键与树脂的亲水基团作用, 亲水基团离解, 离子之间的静电排斥力使 树脂的网络扩张。
1）亲水溶胀 （外）
H2O
网络内外产生渗透压, 水份进一步渗入.
2）离子化保持渗透压
（内）
吸水树脂的离子型网络
CH2 CH
CH2
CH CH2 CH CH2 CH CH2 CH CH2 CH COOH COOH COOH COOH COOH
COOH
线型聚丙 烯 酸 结构示意图
淀粉系超高吸水高分子材料
超强吸水剂的研究起源于淀粉系，美国北方农业省研究所从淀粉接枝丙烯腈开始，
接着于1966年完成该项研究，并投入生产。
Ab s o rb e nt po lym e r
超强吸水高分子材料综述
既然安上super这个头衔, 那我们就要看看它们和传统吸水材料的区别
Super
普通吸水材料
SAP
Ab s o rb e nt po lym e r
超强吸水高分子材料综述
SAP优点
吸水能力高:可达自身重量的几百倍至几千倍。
Super
H2C
CH
CN
淀粉
淀粉
OHCH2
CH
接枝聚合
n
CN
水解
CH2
CH
n
COO-
CH2OH
O O
CH2OH
O
活化 17.5%NaOH n-2
mCH2
CHCN K+盐引发剂
O
OH O
CH CH2 n-2 CN m
OH
O
OH
OH
CH2OH
O
水解
NaOH
O
OH
O
CH2 n-2 OH
CH
y
CH2
CH COONa
与聚合物间的作用大于聚合物之间的作用力，因而后者易于吸水而溶胀。 其次，分子中要含有大量的可离子化的基团，从而在溶胀后可以提供较大
渗透压。
2）树脂链段结构的影响 这是为了解决保水的问题，适度的交联度可以
使溶胀不至于溶解，对吸收的水起到封闭作用，使吸水后树脂凝胶保持
一定机械强度。但交联度不能太高，太高将限制树脂的溶胀。 3）外部因素的影响 水中盐浓度、温度（影响水表面张力）和压力。
Ab s o rb e nt po lym e r
3）内部有浓度高的离子性基团，保证内部有高的离子 浓度，从而有高的渗透压。
Super
4）聚合物分子量较高，分子量增加，吸水后的机 械强度会较高，吸水能力也会高一些。
Ab s o rb e nt po lym e r
Super
Ab s o rb e nt po lym e r