高吸水性树脂的性能及应用

高吸水性树脂的性能及应用

叶良隐 02300021

[摘 要]综述了高吸水树脂的制备、结构及吸水机理，介绍了高吸水树脂在各方面的应用，并提出了目前的主要研究趋势。

[关键词]高吸水树脂；吸水机理；发展；制备；应用。

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[1]。

1.SAR的结构与吸水机理

1.1 SAR的交联网络结构

SAR 与传统的吸水材料不同，它可以吸收比自身重几百倍甚至几千倍的水。在处于吸水状态时其保水性好，在压力下水也不会从中溢出。而传统的吸水材料只能吸收自身重量的 20倍的水。树脂的高吸水性主要与它的化学结构和聚集态中极性基团的分散状态有关，它具有低交联度亲水性的三维空间网络结构[2]。它是由化学交联和聚合物分子链间的相互缠绕物理交联构成。吸水前，高分子链相互缠绕在一起，彼此交联成网状结构，从而达到整体上的紧固程度；吸水后，聚合物可以看成是高分子电解质组成的离子网络和水的构成物。在这种离子网络中存在可移动离子对，它们是由高分子电解质离子组成的[3]。

1.2 SAR的吸水机理

关于SAR的吸水机理存在不同的说法。其中有两种占主要地位，金益芬等[3]认为SAR吸水有3个原动力：水润湿、毛细管效应和渗透压。高吸水能力主要由这3个方面的因素决定。水润湿是所有物质吸水的必要条件，聚合物对水的亲和力大，必须含有多个亲水基团（如—

OH，—COOH等）；毛细管效应的作用则是让水容易迅速地扩散到聚合物中去；渗透压可以使水通过毛细管扩散、渗透到聚合物内部或者渗透压以水连续向稀释聚合物固有的电解质浓度方向发动。刘廷栋等[2]则认为当水与高分子表面接触时主要有3种相互作用：一是水分子与高分子电负性强的氧原子形成氢键；二是水分子与疏水基团相互作用；三是水分子与亲水基团的相互作用。上述两种理论虽然表述不相同，但二者的理论都是建立在高吸水聚合物的主体网络结构基础之上的，实质是相同的。

2.高吸水性树脂的发展

高吸水性树脂是一种具有特殊功能的高分子化合物 ,其起源也是在高分子化合物出现以后。1961年美国农业部北方研究中心的Russell等人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,这种树脂的最大特点是高吸水性和很强的保水性,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,吸水后形成的凝胶膨润体保水性很强,且具有吸湿放湿性。这些特性超过了以往的高 吸水性树脂。该产品最初在HenkelCorporation公司工业化获得成功,其商品名为SGP(Starch Graft Polymer) ,至1981年已达年产几千吨StarchGraftPol的生产能力。首次开发成功后 ,紧接着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。1976年,ChatterjeeP.等人用含羧基和酰胺基的单体接枝纤维素,得到的高吸水性树脂应用于尿布、吸血巾等卫生用品领域中。

1977年,Lindsay等人用淀粉接枝丙烯腈,得到的接枝共聚物可以大大减小卫生用品的体积,并研究了这种高吸水性树脂加压下的保水性。1978年,日本三洋化成公司考虑到丙烯腈单体残留在聚合物中有毒性,卫生上不安全 ,所以提出了不同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了1000t/a的生产设备,随后,又研究了将丙烯酰胺、含磺酸基单体在淀粉链上进行接枝共聚合成超强吸水剂的方法。

我国高吸水性树脂的研究从20世纪80年代初开始,如中国科学院兰州化学物理研究所、吉林石油化工研究所和航天部101所等研究制备出了吸水倍率为1000倍的高吸水性树脂。中国科学院北京化学所、新疆化学研究所、湖北化学研究所、北京化工大学等也相继开展了这方面的研究工作,多数研究吸水类型为淀粉接枝丙烯腈皂化水解物,淀粉接枝丙烯酸、丙烯腈水解物、聚丙烯酸盐、聚乙烯醇衍生物等。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,制备出了淀粉接枝丙烯腈水解物、淀粉接枝丙烯酸盐、淀粉与丙烯酸及丙烯酰胺、顺丁烯二酸酐等四元接枝共聚物、纤维素接枝丙烯酸盐、聚乙烯醇变性物、聚丙烯酸盐交联物等三大系列8个品种,其吸蒸馏水性能从40～2000g/g,吸盐水的能力从15～160g/g不等,具有优越的性能。兰州大学也从20世纪80年代对淀粉接枝丙烯腈、丙烯酸盐、丙烯酰胺、醋酸乙烯酯等制备超强吸水剂进行了系统地研究 ,产品的性能也非常优异。

20世纪90年代至今,超强吸水剂的合成研究和应用就更为广泛,在吸水剂的性能改进和提高、制备方法的简化实用、应用领域的不断拓宽上进展很快。欣凯等人以过硫酸铵为引发剂,环氧氯丙烷为交联剂,先将丙烯酸钠、丙烯酰胺进行预聚,再加入淀粉的二步聚合法制备超强吸水剂,所得产品对去离子水及0.9%食盐水的吸水率最高分别为2800g/g和160g/g,且吸水速度快,可用作农用保水剂、土壤改良剂和增粘剂,更适用于生理卫生用品和纸尿布。

森政雄在橡胶类粘合剂中分散由内藏有药物的水溶性的囊壁物质形成的微囊及淀粉接枝丙烯酸共聚物的吸水性树脂制成药物控制释放型透皮吸收制剂。伊藤喜一等人将丙烯酸系单体在惰性烃溶剂中,以HLB=2～12 的山梨糖醇酐脂肪酸酯和C—20～50的烷烃和/或烯烃与 α、β—不饱和多元羧酸酐的共聚物或其衍生物作表面活性剂进行油包水型反相悬浮聚合制备超强吸水剂。张林栋等人[5]把高吸水性树脂施入土壤中,不仅可使土壤具有良好的吸水和保水性能,还可降低土壤容重、调节空气及热量的分布,在玉米田中施入高吸水性树脂,可增产 20.36%。刘延栋等人[2]以丙烯酸盐为原料,过硫酸盐为引发剂,N,N—亚甲基双丙烯酰胺为交联剂,司班为悬浮剂,轻油为分散介质,采用反相悬浮聚合法和共沸脱水法合成球状聚丙烯酸盐类高吸水性树脂,并对合成条件进行了筛选。杨通在等人[4]将淀粉和丙烯酸辐射接枝共聚制备高吸水性树脂,并对辐射剂量率、单体浓度、单体配比、单体中和度和淀粉种类对树脂吸水率的影响进行了研究。苏州大学的朱秀林等人[6]侧重于提高吸盐水能力和吸水速率等方面的研究,主要采用反相悬浮聚合法,此工艺适用于实验室中高吸水性树脂的制备,但不易工业化,即使工业化也有有机溶剂回收处理等问题。兰州大学柳明珠等人以简单的生产工艺、较低的生产成本开发出性能良好的“福民牌吸水保水剂”,该产品已得到国家科技部等的肯定 ,并被列为全国重点科技成果在全国推广。其合成工艺为在不通氮的情况下采用水溶液聚合法,该工艺较悬浮聚合法容易工业化。同时,他们还对耐盐性高吸水性树脂进行了大量的研究。用反相悬浮聚合法制备了聚丙烯酸钠高吸水性树脂,对0.9%食盐水的吸收倍率为75倍[7]。

3 高吸水性树脂的分类