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功能吸附高分子材料发展现状与应用

李伟

（太原工业学院环境与安全工程系环境工程132066326）

摘要：功能高分子材料是20 世纪60 年代发展起来的新兴领域，是高分子材料渗透到电子、生物、能源等领域后涌现出的新材料。该类材料一般指在原有力学性能基础上，还具有化学反应活性、光敏性、导电性、催化性、生物相容性、药理性、选择分离性、能量转换性、磁性等功能的高分子及其复合材料。由于其具有轻、强、耐腐蚀、原料丰富、种类繁多、制备简便、易于分子设计等特点，其研究和发展十分迅速。目前的研究主要集中以下方面: 光功能材料、电功能材料、反应型功能材料、吸附分离功能材料、生物医用功能材料、液晶材料、功能膜材料、环境敏感材料、智能材料等。

介绍了吸附性高分子材料的种类、特点及结构与吸附性能的关系，综述了高分子吸附剂在水处理、医药、机械加工等不同领域的研究进展情况。

关键词：高分子吸附剂；结构；性能；应用

0 前言

随着科学研究和生产技术的不断发展，吸附性高分子材料正迅速进人人们的生产和生活领域中，目前已经成为重要的有机功能材料之一。吸附性高分子材料主要是指那些对某些特定离子或分子有选择性亲和作用的高分子材料。

1 种类和特点

功能吸附高分子材料主要是指那些对某些特定离子或分子有选择性亲和作用的高分子材料。这类高分子材料具有较大的表面积和适当的孔径，可从气相和溶液中吸附某些物质，从而实现复杂物质的分离与各种成分的富集与纯化及检验。从外观形态上

看，主要有微孔型、大孔型、米花型和大网状树脂几种。其吸附性不仅受到结构和形态等内在因素的影响，还与使用环境关系密切。如：温度因素和周围介质等。在吸附树脂出现之前，用于吸附目的的吸附剂已经广泛使用，例如活性氧化铝、硅藻土、白土和硅胶、分子筛、活性炭等。而吸附树脂出现之后，作为吸附剂的一大分支，是吸附集中品种最多，应用最晚的一个类别。

吸附树脂出现在上世纪六十年代，我过于1980年以后才开始有工业规模的生产和应用。目前吸附树脂的应用已经遍及许多领域，形成一种独特的吸附分离技术。由于结构上的多样性，吸附树脂可以根据实际用途进行选择或设计，因此发展了许多有针对性用途的特殊品种。这是其他吸附剂所无法比拟的，也正是由于这种原因，吸附树脂发展速度很快，新品种新用途不断出现，吸附树脂及其吸附分离技术在各个领域中的重要性越来越突出。

当然，无论是大孔性离子交换树脂还是吸附功能树脂来说，都具有很大表面积，根据表面化学的原理，表面具有吸附能力，原则上任何物质均可被表面所吸附，虽表面性质、表面立场的不同，吸附具有一定的选择性。吸附功能不同于离子交换功能，吸附量大小和吸附的选择性，决定与诸多因素，其中最主要决定于表面的极性和吸附物质的极性。

1.1 按照吸附性高分子材料的性质和用途,可将其分为以下几类。

1.1.1 非离子型高分子吸附树脂:对该材料非极性和弱极性有机物具有特殊的吸附作用,主要应用于分析化学和环境保护领域中,用于吸附和分离处在气相和液相(主要是水相)中的有机分子。

1.1.2 亲水性高分子吸水剂:具有亲水性分子结构，可以被水以较大倍数溶胀,广泛用于土壤保湿和生理卫生用品等方面。

1.1.3 金属阳离子配位型吸附剂:这种高分子材料的骨架上带有配位原子或配位基团,能与特定金属离子进行络合反应，生成配位键而结合。这种材料也称为高分子螯合剂,多用于吸附和分离水相中的各种金属离子。

1.1.4 离子型高分子吸附树脂:当高分子骨架中含有某些酸性或碱性基团时,在溶液中解离后具有与一些阳离子或阴离子相互以静电引力生成盐的趋势，因而产生吸附作用。

1.2 按照使用条件和外观形态，吸附性高分子材料主要分为以下4类。

1.2.1 微孔型吸附树脂:外观呈颗粒状,在干燥状态下树脂内的微孔很小,当作为吸附剂使用时,必须用一定溶剂进行溶胀,溶胀后树脂的三维网状结构被扩展,内部空间被溶剂填充形成凝胶,因此也称为凝胶型树脂。

1.2.2 大孔型吸附树脂口:特点是在干燥状态下树脂内部就有较高的孔隙率、大量的孔洞和较大的孔径.这种树脂不仅可以在溶胀状态下使用,也可在非溶胀状态下使用.因这种树脂具有足够的比表面积,其孔洞是永久性的。

1.2.3 米花状吸附树脂:外观为白色透明颗粒,具有多孔性、不溶解性和较低的体积密度.由于这种树脂在大多数溶剂中不溶解不溶胀，因此，只能在非溶胀的条件下使用,树脂中存在的微孔可允许小分子通过。

1.2.4 交联网状吸附树脂:外观呈颗粒状,是三维交联的网状聚合物.由于网状结构,其机械稳定性较差,使用受到一定限制.交联网状吸附树脂是通过制备线性聚合物,引入所需的功能基团,然后加人交联剂进行交联反应制得。

1.3 按照功能高分子吸附材料的吸附机理可以分为以下两类

1.3.1 化学吸附高功能分子包括离子交换树脂，其主要应用是再：清除离子，离子交换，酸碱化学催化反应等方面，整合树脂可通过选择性螯合作用而实现对各种金属离子的浓缩和富集，因此，其广泛地运用与分析检测。污染治理，环境保护和工业生产等领域。物理吸附功能高分子根据其极性大小可分为非极性，中极性和强极性三类。该类的功能高分子的吸附主要靠氢键和偶极作用进行。主要应用与：水的脱盐精制、药物提取纯化、稀土元素的分离纯化、蔗糖及葡萄糖溶液的脱盐脱色等。例如：离子

交换树脂是具有分离、提纯、净化功能的高分子，但其选择分离性能不高。如果在高分子上引进像乙二胺四乙酸、羟胺等能与某些金属络合的基团，则可进一步提高选择分离性能，这种高分子称为螯合树脂。由离子交换树脂发展出来的每克树脂具有上百平方米表面积和适当孔径的大孔树脂，可以用作高分子吸附剂，从极性或非极性溶液中吸附非极性或极性溶质,可从水中吸附以ppb计的微量杂质。由离子交换膜发展出来的选择性分离膜，广泛用于分离、提纯和医疗上。

在某种程度上来看，功能高分子的独特功能和不可替代性的特性已经带来了各个领域的技术进步，甚至质的飞跃，且在各个行业已经产生相当高的紧急和社会效益，并导致许多新产品的出现。因此，各个发达国家投入了大量人力财力对功能高分子材料进行研究开发，且进展迅速。同时，我国也在大力加大对功能高分子材料的研究开发支持，加入到这场激烈的竞争中去，其主要原因是我国电子，国防，医药和许多尖端技术部门都需要运用到不少功能高分子。

2 结构与吸附性能之间的关系

物质化学性能和物理结构不同，其吸附作用也不同。吸附树脂表现出的吸附能力与其结构具有特定的对应关系。

2.1 化学组成与功能基团

在高分子吸附剂中，聚合物的化学组成与功能基团是最基本，也是最重要的结构因素。(1)元素组成的影响：当聚合物分子中含有O，N，S及P等配位原子时，聚合物具有潜在的络合能力，可作为高分子螯合剂。(2)功能基团的影响：聚合物中功能基团的性质决定了吸附树脂的选择性。当聚合物链上连接强酸性基团时，解离后的高分子酸根能够与阳离子结合成盐，具有对阳离子交换和吸附能力；当连接季基团时，可以与阴离子结合，具有阴离子交换和吸附能力。由于不同离子型基团与各种离子的结合能力及稳定性不同，各种离子型树脂呈现出选择性离子交换能力。(3)分子极性的影响：当吸附树脂的化学结构中不含极性基团时，其适合于从极性溶剂如水中吸附非极性有机物。当引入极性基团时，如引入氰基，将会使其转化成中等极性或强极性吸附树脂，适合于从非极性有机溶剂中吸附不同极性的物质。

2.2 聚合物的链结构

聚合物的链结构包括主链结构、分支结构(分支的数目、长度及化学结构)及交联度等。聚合物带有支链与否及支链所占比例、聚合物的交联与否及交联的程度，直接影响聚合物的溶解度和溶胀度。而溶胀度和溶胀后形成网状结构的孔径大小是影响树脂吸附量及吸附选择性的重要因素。

2.3 吸附树脂的宏观结构

吸附树脂的宏观结构主要对吸附剂的吸附量、机械强度及吸附度等性能有影响。吸附树脂的宏观结构对吸附过程产生的影响主要有两方面：一方面是树脂的有效吸附面积和表面性质，主要是热力学影响，影响吸附树脂的吸附量、选择性及稳定性；另一方面是孔径大小、孑L 的长度、孔径分布及树脂的外观形状等，主要是动力学影响，影响被吸附物的扩散过程和吸附速度，孔径大小决定被吸附物的范围和吸附速度，孔径分布直接影响选择性高低。