高分子材料资料讲解

高分子材料

高吸水性树脂

摘要介绍高吸水性树脂的种类，回顾了国内外高吸水性树脂的发展历程，论述了高吸水性树脂的结构及吸水机理，阐述了高吸水性树脂的制备方法及应用领域，展望了高吸水性树脂的发展方向。

关键字高吸水树脂发展分类制备应用

正文高吸水性树脂也称超强吸水性聚合物(SuperabsorbentPolymers ),简写为SAP。它是一种含有羧基、羟基等强亲水性基团并具有一定交联度的水溶胀型的高分子聚合物，不溶于水也不溶于有机溶剂，能够吸收自身重量的几百倍甚至上千倍的水，且吸水膨胀后生成的凝胶具有良好的保水性和耐候性,一旦吸水膨胀成水凝胶 ,即使加压也难以将水分离出来。同时 ,高吸水性树脂可循环使用。因此 ,越来越受到人们的关注。目前 ,超强吸水树脂已在工业、农业、林业、卫生用品等领域中得到广泛应用 ,并显示出更为广阔的发展前景。

高吸水性树脂发展迅速，品种繁多，可按以下几个方面进行分类。按原料来源主要分为：淀粉系，包括淀粉接枝、羧甲基化淀粉、磷酸酯化淀粉、淀粉黄原酸盐等；纤维素系，包括纤维素接枝、羧甲基化纤维素、羟丙基化纤维素、黄原酸化纤维素等；合成树脂系，包括聚丙烯酸盐类、聚乙烯醇类、聚氧化烷烃类、无机聚合物类等。按亲水基团的种类主要分为：阴离子系，包括羧酸类、磺酸类、磷酸类等；阳离子系，包括叔胺类、季胺类等；两性离子系，包括羧酸-季胺类磺酸-叔胺类等；非离子系，包括羟基类、酰胺基类等；多种亲水基团系，包括羟基-羧酸类、羟基-羧酸基-酰胺基类、磺酸基-羧酸基类等。

高吸水性树脂的制备方法，首先将树叶洗净、烘干、粉碎后用ＮａＯＨ溶液浸泡后水洗至中性并烘干；将烘干后的树叶在通有Ｎ［２］的条件下，加入ＮａＯＨ溶液对烘干后的树叶进行活化处理，再加入引发剂；用ＮａＯＨ溶液中和丙烯酸后与丙烯酰胺溶液混合得到混合溶液；将活化的树叶与混合溶液混合后再加入Ｋ［２］Ｓ［２］Ｏ［８］、交联剂和开孔剂反应；出料放在真空干燥箱中烘干，粉碎即可。由于本发明将树叶粉碎活化并与丙烯酸、烯酰胺进行接枝共聚反应，在不影响树脂优良的吸水、保水等各项性能的情况下，不仅工艺简单，提高了接枝效率，而且降低加工的成本。

高吸水性树脂的制备方法，其特征在于：１）树叶的活化：首先将树叶洗净，放入烘箱中烘干后粉碎过１２０目筛，在室温下用质量浓度为１７．５％的ＮａＯＨ溶液浸泡１５ｈ后用水洗至中性并烘干；将烘干后的树叶在通有Ｎ↓［２］的条件下，加入树叶质量１％的质量浓度为１０％的ＮａＯＨ溶液在９５℃下以１５０～１８０ｒ／ｍｉｎ的搅拌速度对烘干后的树叶进行活化处理１．５小时后降温至４５℃，再加入树叶质量０．７％～１％的引发剂ＮａＨＳＯ［３］与（ＮＨ［４］）［２］Ｓ［２］Ｏ［８］，引发０．５ｈ，ＮａＨＳＯ［３］与（ＮＨ［４］）［２］Ｓ［２］Ｏ［８］的质量比为ＮａＨＳＯ［３］∶（ＮＨ［４］）［２］Ｓ［２］Ｏ［８］＝１∶２；２）单体溶液的配制：用质量浓度为３０％～４０％的ＮａＯＨ溶液中和丙烯酸，使体系中丙烯酸的中和度为７７％得到丙烯酸溶液，然后配制质量分数为６０％～７０％的丙烯酰胺溶液，将配制好的丙烯酸溶液与丙烯酰胺溶液按照单体丙烯酸与丙烯酰胺１～２∶１的质量比混合得到混合溶液；３）４５℃以６０～８０ｒ／ｍｉｎ的转速在活化后的树叶中逐滴加入混合溶液，活化的树叶与单体丙烯酸和丙

烯酰胺的质量比为１∶４～６，然后在８０～８５℃下加入丙烯酸和丙烯酰胺质量１．０％～１．２％的Ｋ［２］Ｓ[２］↓［８］反应４５ｍｉｎ～１ｈ、丙烯酸和丙烯酰胺质量１５％～２０％的交联剂Ｎ，Ｎ－亚甲基双丙烯酰胺反应４５ｍｉｎ～１ｈ、丙烯酸和丙烯酰胺质量３０％的开孔剂甲醇反应１ｈ；４）出料放在６０℃的真空干燥箱中８ｈ烘干，粉碎过１００目筛即可。

5 高吸水性树脂的应用

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。

国外发展

上世纪50年代前，人们使用的吸水材料主要是天然产物和无机物，如多糖类、纤维素、硅胶、氧化钙及磷酸等。50年代，科学家通过大量的实验研究，建立了高分子吸水理论，称为Flory吸水理论，为吸水性高分子材料的发展奠定了理论基础。高吸水性树脂是20世纪60年代发展起来的。最早在1961年由美国农业部北方研究所Russell等[1]从淀粉接枝丙烯腈开始研究，其目的是在农业和园艺中将其用做植物生长和运输时的水凝胶，保持周围土壤的水分；之后，Fanta等于1966年首先发表了关于淀粉改性的物质具有优越的吸水能力的报道。从此世界各国对高吸水性树脂在体系、种类、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。1975年，美国谷物加工公司成功研究出淀粉接枝丙烯腈高吸水性树脂，但

直到1978年才由日本的三洋化成工业公司率先进行了商业化生产，将高吸水性树脂用于一次性尿布[2]，产品远销欧美各国，使其市场潜力和应用研究受到人们的重视。20世纪70年代末，美国UCC公司用放射法交联各种氧化烯烃聚合物，合成了非离子型的高吸水性树脂，其吸水能力高达2 000倍，从而打开了合成非离子型高吸水性聚合物的大门。20世纪80年代出现了以天然化合物及其衍生物（藻酸盐、聚氨基酸、壳聚糖、蛋白质等）为原料制取的高吸水性材料，同时，还出现了高吸水性复合高吸水性树材料，因其能够改善吸水性材料的耐盐性、吸水速度、水凝胶的强度，所以发展迅速。20世纪90年代初，吸水性树脂的研究更是突飞猛进。最新开发了对环境友好的聚氨基酸系高吸水性树脂、可生物降解的复合纤维或无纺布材料、高吸水性树脂泡沫、芳香性卫生用品、室内装饰性凝胶材料等。目前，日本触媒、三洋化成及德国Stockhausen 三大生产集团掌握了全球高吸水性树脂70%的市场[3]。在过去的20年中，世界高吸水性树脂的市场需求持续强劲增长，从1986年世界的高吸水性树脂产量不足0.5万t/a，上升到2001年的125万t/a[4]。目前全球高吸水性树脂的生产和需求几乎都呈直线上升趋势。

2.2 国内发展

我国从上世纪80年代才开始研制高吸水性树脂。1982年，中科院化学研究所的黄美玉等[5]在国内最先合成出聚丙烯酸钠类高吸水性树脂。在80年代后期，由20多个单位与山东省济宁化肥厂联合研制出聚丙烯酸类的高吸水性树脂，建成国内第一套100 t/a的生产装置。1985年，北京化工研究院申请了国内第一项吸水性树脂的专利，到2006年底，