高吸水性树脂的性能及研究进展

2001年第
22卷第
6期华　北　工　学　院　学　报
Vol. 22　No. 6　2001
(总第
80期) JOURNAL OF NORTH CHINA INSTITUTE OF TECHNOLOGY (Sum N o. 80)

文章编号
: 100625431 (2001) 0620430206

高吸水性树脂的性能及研究进展


X阎　辉
,张丽华
,周秀苗
(华北工学院化学工程系
,山西太原
030051)
摘　要
:　目的　介绍高吸水性树脂的性能及其合成和应用的研究进展
.方法　综述了高吸水性树脂的性能
和研究概况
,着重介绍了高吸水性树脂的合成及应用的研究现状
.结果与结论　高吸水性树脂是一类具有
实用价值的功能高分子材料
,应用广泛
,但有一些方面仍有待于发展
.

关键词
:　高吸水性树脂
;性能
;合成
;应用
;研究进展
中图分类号
:　O 631. 2 文献标识码
:A


具有较强的吸水性和保水性能,
但直到1978年日本三洋化成工业首先进行了商业化生产并用于一次性尿布,
对高吸水性树脂的研究我国起步于80年代,
产过不同类型的高吸水性树脂,
与醋酸乙烯共聚类、改性PVA类、聚丙烯酸盐类等
工、日用化工,1974年美国农业部北方研究所研究员
G. F. Fanta最早用淀粉接枝丙烯腈制得了淀粉接枝类高吸
水性树脂
[1] ,它是一种具有一定交联度的新型高分子材料
,而且无毒无
臭.才使其市场潜力和应
用研究受到人们的重视
.已有不少单位和个人研制或试生

如淀粉接枝丙烯酸或丙烯酰胺类、交联纤维素醚类、丙烯酸甲酯均聚或
.它们广泛应用于生理卫生用品、土木建筑、石油化
近年来其应用逐步扩展到了医用材料、高效缓释农药、化肥以及缓释药品、土壤保湿剂、
食品干燥剂、空气清洁剂等领域
,并越来越受到人们的重视
.

1　高吸水性树脂的性能


1. 1　吸液性能
高吸水性树脂的吸液性能是指树脂在溶液中溶胀形成凝胶后吸收液体的能力
.吸液性主要与其化学
结构和聚集态中极性基团的分布状态有关
,常用吸液率表征
.吸液率与聚合物和水的亲和力、基团的极
性、被吸收液的离子浓度、树脂本身的交联度有关
[ 1 ] .吸水性能是吸液性能的一种
,也是人们最关心的
性能之一
. P. J. Florry提出的吸液率的总关系式可以简化为
[3～
5]

离子渗透压
+对水的亲和力

吸液率
=交联密度

吸液率的测定方法有过筛法、水层高度法、茶袋法
[2, 5]、过滤法等
,但目前仍没有一个统一的方式
.
其测定方法的基本公式为
吸液率
=凝胶质量
-干树脂质量=所吸收液体的量
(质量或体积
)
干树脂质量
干树脂质量


1. 2　保水性能
高吸水性树脂吸水膨胀后就形成凝胶
,即使加压也不易失水
,这一点与

海绵和纸浆不同
,交联合成


收稿日期
: 2001211209
X　基金项目
:山西省教委回国留学人员基金资助项目
　作者简介
:阎　辉
(1978-) ,男,硕士生
1从事专业
:功能高分子材料
1




(总第
80期)高吸水性树脂的性能及研究进展
(阎　辉等
)

树脂在加压下几乎不失水
,其基本情况如图
1,图
2所示
[1, 6, 7] .


图
1　保水率与放置时间的关系
图
2　保水率与压力变化的关系
F ig.1　Ratio of retained water with laying timeF ig.2　Ratio of retained water with changing pressure
据报道
,高吸水性树脂吸收的水在
150℃以上仍有
50%的水封闭在凝胶网络中
,达
200℃以上时
水分子因其热运动方可摆脱网络的束缚而挥发出来
.保水性能主要取决于树脂的交联密度
[8, 9] .交联密
度大
,保水性能提高而吸水能力下降
.保水性能可以通过测量不同压力下的吸水率进行表征
,也可以用
某一温度
(如
80 ℃)下吸水率随放置时间的变化来表示
.另外高吸水性树脂的吸水性能还与网络链上的
离子密度和所吸附的介质等因素有关
.

1. 3　吸水速率
可利用
1. 1中所述方法测定不同时间的吸水率得出吸水速率,也可用另一方法测定:往烧杯中加入
一定量的水
(如
50 mL )后置于电动磁力搅拌仪的托盘上
,然后将转子加入烧杯内
,调节电压使转子旋转
但注意转子不可碰壁
),准确称量一定量的树脂
(如
0. 1g)放入

烧杯中并开始记时,
此过程所用的时间也可表征吸水速率.树脂的比表面积越大
,吸水速率越快
[ 10～
12 ] ,但如果速率太大
,树
脂在加入水中时又容易结团
.一般说来
,吸水率大的树脂吸水速率也就越快
.高吸水性树脂吸水速率很
高,一般在几分钟到
30 m in内吸收的液体已经达到饱和吸液量
.在特定的应用场合并不一定吸水速率越
快越好
,有时为了特殊需要
,还特意想方设法延缓树脂的吸水速率
[ 7 ] .

达到一定的转速(如使电压恒定在120 V ,
由于树脂吸水体系粘度迅速增加,
转子转速逐渐降低
,直到停止旋转时停止记时
.

1. 4　吸氨能力
对于含有羧基等阴离子物质的高吸水性树脂
,残存的羧基
(合成时的
pH值为
6. 0左右
)往往使树脂
具有弱酸性
,可吸收氨类等弱碱性物质
.这一特性有利于一次性尿布、尿不湿、卫生巾等的除臭
,并可将
土壤中的氮肥的利用率提高
10% [8, 13, 14] .

1. 5　盐和
pH对最大吸水量的影响
盐和
pH对高吸水性树脂最大吸水量的影响较大
.一般认为
pH在
6～
9的范围内时树脂的吸水能
力最强
.盐的存在影响吸水能力
,大大降低了树脂的使用效果
.日本的朝香弘康已开发出

耐盐的高吸水
性树脂
[ 15 ] .

1. 6　其他主要性能
高吸水性树脂还有其它一些主要性能
,如增稠性、重复吸液性、粘着性、膨胀性、选择吸液性、缓释
性等
,与尼龙、橡胶等有较好的相容性
,与其混合可制得复合材料
[4, 7, 10] .

2　高吸水性树脂的合成研究进展

高吸水性树脂的合成大体上可分为三条路线
:一是用天然高分子与小分子接枝共聚
;二是由高分子




华　北　工　学　院　学　报
2001年第
6期

432

物质改性制得
;三是完全由一种或多种小分子单体经聚合后交联而得
.高吸水性树脂中的亲水基团大体
上也有三种形式
: (1)离子型
(以丙烯酸盐聚合物为主
),此种树脂吸收去离子水的能力较好
,但吸收含离
子水的能力不好
; (2)非离子型
(如用淀粉、纤维素、聚乙烯醇经交联而制得的
),此种树脂吸收去离子水
的能力不好
,但吸收含离子水的能力较好
; (3)介于离子型与非离子型之间
,此种树脂吸收去离子水和
含离子水的能力均较好
.

2. 1　接枝共聚类
[ 16～
20 ]
利用乙烯类单体与淀粉或纤维素等含多羟基的天然高分子化合物进行接枝共聚是近年来研究较多的
合成高吸水性树脂的方法
.

该类吸水性树脂最早是由美国农业部北方研究所研制的淀粉接枝物
:将淀粉在
90℃糊化后
,冷却
至
25 ℃,再加入丙烯腈单体用硝酸铈铵作引发剂
,在
(35～
50)℃下接枝共聚
,然后将产物在强碱加压
下水解
,干燥后即得产品
.淀粉与丙烯酰胺在铈盐或
60Co辐射引发下进行接枝共聚可得非离子型吸水型
树脂
,具有很强的吸水能力
,如将得到的产物进行皂化处理
,可进一步制得含羧基和酰胺基的吸水性树
脂.

纤维素接枝共聚是由
Parsonal Products公司开发的
,与淀粉接枝很相似
.乙烯类等也可以按类似办
法与淀粉和纤维素接枝聚合制得高吸水性树脂
.

2. 2　高分子改性类
2. 2. 1　羧甲基化类
纤维素、淀粉等多糖类经羧甲基化可以制备高吸水性树脂,目前多以纤维素为原料. Hercules公司、
Ckey
经加热进行不溶化处理或用表氯醇等进行交联制得高吸水性树脂
2　聚氧化乙烯基醚[20, 21]
Cellulose公司、
SCA公司、
U nilever公司都已进行了工业化生产
,主要是用羧甲基化后的纤维素
.


2. 2.
该类是把聚环氧乙烯交联即可得到吸水倍率不高的吸水性树脂
,但由于其是非电解质
,故其耐盐性
强,对盐水也几乎不降低其吸水能力
.

2. 2. 3　改性
PVA [7, 14, 20]
Ku raray公司开发了用
PVA与粉状酸酐反应制备改性
PVA系列的高吸水性树脂的方法
.该方法是
将顺丁烯二酸酐溶解在有机溶剂中
,

加入
PVA粉末
,采用非均相反应
,使
PVA上的羟基酯化并引入羧
基,最后用碱处理即可得到产品
.

2. 2. 4　聚丙烯腈类
[ 7, 14, 20, 22, 23 ]
武汉大学是将聚丙烯腈废丝在
90℃的氢氧化钠水溶液中水解
9 h,水解液用强极性离子交换树脂
处理
,使其
pH值达
4. 5～
6,过滤后用
A l (OH ) 3作交联剂
,在
95℃下反应
1 h,过滤、加热、干燥得到
高吸水性树脂
.日本也研制出了类似的制备方法
.

2. 3　交联合成类
2. 3. 1　聚丙烯酸系列
甲基丙烯酸甲酯
2醋酸乙烯酯共聚物在碱的作用下
,加压水解转换成相应的羧基及羟基
,可以制备高
吸水性树脂
.
采用氢氧化钠中和丙烯酸的溶液为单体
,以环己烷为分散剂
, Span80作乳化剂
, N,N 2二甲基双丙
烯酰胺作交联剂
, K2S2O 8作引发剂
,采用反相悬浮聚合法可制得高吸水性树脂
.
路建美、朱秀林等采用微波法合成聚丙烯酸钠高吸水性树脂
,单体可在
3m in之内聚合
,吸水倍率
为
920 g.g[25, 26] .现在已有人研究加入无机填料来降低生产成本、改换交联剂提高其高吸水性能力的研
究工作
[ 27～
29 ] .

2. 3. 2　聚丙烯酰胺系列
[ 17, 20 ]

(总第
80期)高吸水性树脂的性能及研究进展
(阎　辉等
)

采用水溶液连续聚合工艺
,主要原料有丙烯酰胺、交联剂、聚合引发剂
.该工艺包括丙烯酰胺、交联
剂连续进料
,加引发剂于
(50～
70)℃下发生聚合反应
,生成含水胶质聚合物
,用搅拌轴搅拌将其剪切
成分散的含水胶质聚合物
,干燥后即得产品
.

2. 3. 3　共聚系列
何培新、肖卫东等将丙烯酸钠
2丙烯酰胺、甲基丙烯酸羟乙酯单体用
K2S2O 8作引发剂、
N,N 2二甲基
双丙烯酰胺作交联剂
,采用反相悬浮共聚合合成了吸水倍率在
2000以上的高吸水性树脂
,该树脂由于
非离子体的引入
,显著改善了共聚物吸水的抗盐性能
,可显著提高土壤的保水性能
[ 30, 31 ] .

周勤、郑邦乾以丙烯酸和醋酸乙烯酯为单体
,经聚合水解制得高吸水性树脂
.该树脂吸水能力强
,
抗盐性好
[ 32～
34 ] .

Kuaray Isop rence公司成功地开发了异丁烯
2顺酐共聚树脂
,再交联成高吸水性树脂
,其特点是耐热
性、耐候性良好
[ 20 ] .

3　高吸水性树脂的应用研究进展

高吸水性树脂因具有较强的吸水能力
,较好的保水性能
,在个人用品、农业生产、农林园艺、生物医
药、日用化工等领域中得到了广泛的应用
.目前的应用研究主要在以下几个方面
.

3. 1　农业生产
[8]
尤其是今年,
面临的最大问题首先是水的缺乏,
中国农科院和河北农林科学院一起就高吸水性树脂应用于农业,
际种

植为期两年的试验,其结果表明,
并减小土壤的容重,
我国是一个农业大国
,而且长江以北的广大地区缺水日趋严重,
有的部分地区小麦减产达60%～70%.
研究高吸水性树脂在农业中的应用对于当前有着极其重
河南、内蒙古、新疆、
宁夏、甘肃等省份干旱更为严重
,现在我国又启动了西部大开发
战略
,为此
,
要的意义
.进行了从实验田到大田的实

高吸水性树脂可以有效地抑制水分的蒸发
,防止土壤中的水分流
失,加入旱田中可将农作物的产量提高
20%左右
[ 35, 36 ] .

用沥青铺底
,上面撒上一些高吸水性树脂
,再铺上一层十几厘米厚的土层
,种植上几年农作物以后
就可以将沙漠绿化
.这是治理沙漠的一个重要途径
,在撒哈拉沙漠已经取得了成功
.这对沙漠化越来越
严重的我国来说有着极其重要的意义
[ 10 ] .

3. 2　生物医药
[7, 10]
制造卫生及医用材料是高吸水性树脂应用较为成熟的领域
.有的国家
90%左右的高吸水性树脂用
于生产卫生及医用材料
.高吸水性树脂作为吸水剂
,已用于能保持部分被测溶液的医用检验试片
,含水
量大、使用舒适的外用药膏
,能耐吸收浸出液并可防止化脓的治伤绷带及人工皮肤、缓释药剂等
.最近有
人研制出含有高吸水性树脂的抗血栓材料
.

在甲基丙烯酸羟乙酯
2丙烯酸甲酯共聚物的凝胶中分散氟化钠
,可以控制氟离子缓慢放出
,达到延长
保护牙齿的作用
,制成药膏可以达到有效地防止伤口感染的目的
.

3. 3　土木建筑
[ 10, 37, 38 ]
利用高吸水性树脂在水中膨胀的性能
,可以制备水膨胀性密封件、管路施工润滑剂、防结露墙纸、
止水板等
,达到“以水治水”的目的
;加入混凝土中
,可以通过它吸收碱性析出水
,以防止水泥地面产生
裂缝、麻点和白化等
;在隧道工程中
,在含有大量水的泥浆中加入吸水树脂使其凝胶化
,使泥浆容易排
出,在隧道内使用高吸水性树脂则可以防止地下水流入隧道
.

3. 4　日用化工
[7, 10, 39]
在制造雪花膏、香粉、花露水等化妆品的过程中加入
0. 5%～
1%的高吸水性树脂代替强碱
,既可以




华　北　工　学　院　学　报
2001年第
6期

434

防止刺激皮肤及香料和酒精的挥发
,又可以保持香味持久
,还能起到保水增稠
,防止贮存变干
,滋润皮
肤的作用
,使皮肤润滑、不干裂
.

在染发剂中加入聚丙烯酸盐高吸水性树脂
,可以提高染色效果
;在洗发水中加入高吸水性树脂既可
以利用增稠性适当提高其粘度又可以对头发和头皮起到一定的保护作用
,不会造成头皮过度的脱脂干
燥,且泡沫少容易冲洗干净
,洗

后头发既光滑又柔软
;在头发定型剂中加入高吸水性树脂后
,在使用时
易清洗
,使用后易于梳理
,无粘滞感
,且可使泡沫稳定
.

把香料加入到高吸水性树脂中后得到的固体香料剂可保持香味持久且不变
.最近几年留香材料发展
很快
,现在已有空气新鲜胶、飘香纸
,已广泛应用于挂历、台历、广告画、食品包装以及各种香料薄膜
中.

将高吸水性树脂与乙酸共聚物混合
,用吹塑成型法可以吹塑成儿童玩具
.用高吸水性树脂的凝胶作
冷冻剂可用于食品加工
.

4　展　望

(3)开发新的种类
,进一步提高吸水性和吸水速率
,尤其是提高含离子水的吸水能力
;
高吸水性树脂是一类具有实用价值的功能高分子材料
,应用广泛
.随着高吸水性树脂的不断开发、
新工艺的不断出现
(4)加快关于高吸水性树脂应用于农业方面的研究;
(5)加快高吸水性树脂的其他应用领域的开拓;
(6)加快基础理论的研究;
(7)降低生产成本
,高吸水性树脂今后必将以独具的优异性受到人们的青睐
使各类树脂可以进行优劣比较;
.根据国内外研究和有关文
献资料
,高吸水性树脂今后的发展应着重以下几个方面
:

(2)尽快使高吸水性树脂的实验室合成技术向工业化生产转化
;
(1)应尽快使吸水率、吸水速率测定的方法标准化
,
.

参考文献
:

[1]　林润雄
,黄毓礼
.吸水性树脂吸水性及保水性的研究
[J ].高分子材料与工程
, 1999, (4): 117～
118.
[2]　邹新禧
.超强吸水剂
[M ].北京
:化学工业出版社
, 1991: 205～
207.
[3]　Florry PJ.Principle of polymer chemistry[M]. Ithaca,New York Corhell Press, 1952. 589.
[4]　刘廷栋
,刘京
.高吸水性树脂的吸水机理
[J ].高分子通报
, 1994, (3): 181～
185.
[5]　张林栋
,李佐邦
,任志宽
.高吸水性树脂性能分析的研究
[J ].精细化工
, 1993, (6) : 10～
13.
[6]　杨艳春
,于秦
.高吸水性树脂的吸水能力的测定方法探讨
[J ].河南化工
, 1999, (2): 29～
30.
[7]　季鸿渐
,张万喜
,潘振远
.高吸水性树脂的合成和应用
[J ].高分子通报
, 1992, (2) : 111～
115.
[8]　王锡臣
,赵华
.高吸水性树脂的性能与应用
[J ].现代塑料加工与应用
, 1999, (3): 30～
32.
[9]　金林生
.高吸水性树脂的特性、合成方法及应用
[J ].杭州化工
, 1998, (1): 13～
20.
[ 10 ]　赵华
,范瑞生
.高吸水性聚合物的应用发展
[J ].中国塑料
, 1999, (4) : 11～
14.
[ 11 ]　柳明珠
,吴靖嘉
.超高吸水性高分子材料的性能及应用
[J ].甘肃化工
, 1991, (4) : 23～
26.
[ 12 ]　王贵公
.高吸水性树脂的工业生产及应用开发
[J ].辽宁化工
, 1990, (4): 13～
15.

[ 13 ]　郑邦乾
.高吸水性树脂
[J ].功能高分子学报
, 1993, 3(6): 329～
331.
[ 14 ]　杨俊华
.国内外高吸水性树脂的发展概况
[J ].化工新型材料
, 1992, (2): 1～
9.
[ 15 ]　特开昭
. 60-30329[P ], 1985.
[ 16 ]　刘廷栋
,李佐邦
.淀粉接枝改性制备高吸水性树脂
[J ].精细化工
, 1993, (5) : 51～
55.
[ 17 ]　特开昭
. 51-144476[P ], 1985
[ 18 ]　蒋文伟
.高吸水性树脂研究进展
[J ].化学世界
, 1996, (1): 3～
5.

(总第
80期)高吸水性树脂的性能及研究进展
(阎　辉等
)

[ 19 ]　殷树梅
,李博
,李明
.高吸水性树脂的合成
[J ].精细石油化工
, 1994, (5): 74～
77.
[ 20 ]　李万捷
,沈敬之
,赵彦生
.甲醛改性高吸水性树脂的合成和性能研究
[J ].太原工业大学学报
, 1993, (12): 64～
67.
[ 21 ]　王直刚
.高吸水性树脂的合成与应用
[J ].石油化工
, 1996, 25 (9) : 667～
671.
[ 22 ]　特开昭
58-105915[P ], 1983
[ 23 ]　特开昭
58-681744[P ], 1983
[ 24 ]　季鸿渐
,潘振远
,张万喜
.含膨润土的部分水解交联聚丙烯酰胺高吸水性树脂的研究
[J ].高分子学报
, 1993, (5):
595～
599.
[ 25 ]　路建美
,朱秀林
,顾梅
.微波法合成聚丙烯酸高吸水性树脂
[J ].高分子材料科学与工程
, 1996, (4): 55～
58.
[ 26 ]　路建美
,朱秀林
,王丽华
,等.微波法合成两性高吸水性树脂
[J ].石油化工
, 1997, (4) : 152～
155.
[ 27 ]　蒋笃孝
,宋龄英
,罗新祥
.高吸水性树脂的制备及交联剂对吸水性能的影响
[J ].化学与粘合
, 1998, (1) : 1～
3.
[ 28 ]　蒋笃孝
,宋龄英
.聚乙二醇双马来酸酯作交联剂制备高吸水性树脂的研究
[J ].化学与粘合
, 1999, (3): 115～
117.
[ 29 ]　路建美
,顾梅
,赵峰
.高岭土
2聚丙烯酸钠高吸水性复合树脂的合成及性能研究
[J ].高分子材料科学与工程
, 1994,
(5): 46～
49.
[ 30 ]　何培新
,肖卫东
,黄鹤
.高吸水性三元共聚树脂的合成及性能研究
[J ].高分子材料科学与工程
, 1994, 15 (6): 65～
68.
[ 31 ]　何培新
,肖卫东
,罗晓峰
.丙烯酸
2丙烯酰胺的反相悬浮聚合及吸水性能的研究
[J ].高分子材料科学与工程
, 1999,
14 (4): 23～
27.
[ 35 ]　张林栋
,李佐邦
,任志宽
Isobeda I[J ]. Zairyo,
.1995, 15 (2): 64～
66.
[ 32 ]
[ 37 ]　TsajiM , ShitamaK,
[38]　L evy R.
1999.
　周勤
,郑邦乾
.高吸水性
高吸水HP (MA 2VA c)树脂的制备与性质[J ].
高吸水性树脂在农业中的应用试验[J ].精细化工,
高吸水性树脂用于水土保持和节水农业的新思路[J ].
H (MA 2VA c)树脂的结构与性能
[J ].成都科技大学学报
9～16
高分子材料科学与工程,
, 1990, (1) : .
[ 33

]　蒋序林
,郑邦乾
,张洁辉
,等.吸水
HP (MA 2VA c2MMA ) .PV C共混物的研究
[J ].1993,
(2): 96～
101.
[ 34 ]　郑邦乾
,张洁辉
.高分子材料科学与工程
, 1991, (4) : 82～
86.
[ 36 ]　贾朝霞
,郑焰
.
农业环境与发展
, 1999, 16 (3) : 38～
41.
48 (11): 1308～
1315.
Environmental cleanup using superabsorbent polymers and contam inant2reducing agents[M ]. U S5, 885,
602,

1999,
[ 39 ]　刘廷栋
,刘京
.高吸水性树脂在日用化学工业中的应用
[J ].日用化学工业
, 1995, (1) : 22～
24.
Properties and Research Advance of
Super Absorbent Polymers


YAN Hui, ZHANGLi2hua, ZHOU Xiu2m iao

(Dept. of Chem ical Engineering, North China Institute of Technology, Taiyuan 030051, China)

Abstract: A im　To introduce the properties and research advance of super absorbent poly2 mers in synthesis and application. M ethods　The properties and development of super ab2 sorbent polymers a reviewed. The state of synthesis and application research of super ab2 sorbentpolymersa introducedemphatically. Results and Conclusion　Super absorbent poly2

mersarea kindoffunctionalpolymermaterialwhich havepracticalvalueand can beapplied
widely, but there are still some aspectswhich need to be developed.
Key words: superabsorbentpolymer; properties; synthesis; application; researchadvance