高吸水性高分子

高吸水性高分子的应用研究

淮海工学院材料102 周淑楠 051002237

摘要：高吸水性高分子基本上是具有与水亲和性高之离子基的高分子，高分子的分子间具架构结合的构造。其中具羧酸钠基的丙烯酸钠聚合体的架桥物，因产业生产轻易、成本低，故为最适用的吸水性高分子。

关键字：高吸水性、架桥、网状化、亲水性、混合高分子。

高吸水性高分子（Superabsorbent polymers，简称SAP，也叫高吸水性树脂，超强吸水机，高吸水性聚合物），是一种能够吸收并保留相对于其本身质量要大得很多的液体的新型功能高分子材料。吸水高分子，属于水凝胶，能够通过和水分子连接的氢键吸收溶液。因此，高吸水性高分子吸水能力受溶液离子浓度影响。在去离子水和蒸馏水中，高吸水性高分子可以吸收500倍于本身重量（30-60倍于本身体积），但是如果放入0.9%盐水中，吸收能力下降到50倍于本身重量。溶液中的价态阳离子的出现会妨碍高分子与水分子形成价键的能力。总吸收性和膨胀能力由和高分子的交联类型和交联度所控制。低密度交联高吸水性高分子通常具有较高吸水能力，并膨胀到比较大的程度。高交联密度的高分子显示出来低吸收能力和膨胀能力。胶的强度较强，能在适当的压力下保持颗粒的形状。

高吸水性高分子最大的用途是一次性个人卫生用品，比如小孩儿尿布，成人安全内裤和卫生巾。上个世纪80年代，由于担心和中毒性休克症有关，卫生棉条中不再使用高吸水性高分子。高吸水性高分子也被也可用于阻止水或地下电力通信电缆，园艺保水剂，以及废物的泄漏控制水的渗透液，以及电影或者舞台剧中人工造雪。高吸水性高分子是指其吸水能力超过自身质量数百倍甚至几千倍的吸附树脂，它属于功能高分子范畴。

在吸水前，高分子的长链相互交缠，且分子链间以架桥结合形成三次元网目构造，故成一整体。但因高分子链上的羧酸钠基为亲水性，

且易解离（于水中分解为离子与(离子），故吸水后即如溶解般扩大。高分子链网目内被水侵入后，羧酸钠基(－coo(na)中的离子即解离、离开，剩下羧酸基留在高分子链上，这些同带负电荷的羧酸基会互相排斥，于是使高分子链的网目进一步扩大，因此可吸收并保持更多的水。

同时因三次元网目内保持很多离子与(离子，此高离子浓度的吸水的三次元网目构造产生的橡胶弹性力）之作用，当两种力量平衡时，水的吸收及高分子链的扩张均停止，形成安定水凝胶。

一、制造高吸水性高分子时的架桥、不溶化方式

使用架桥剂使网状化

架桥剂具有二个以上可与羧基反应的官能基，故可形成分子间的架桥。

导入架桥性单体使网状化

导入divinyl化合物与高分子合成，可使网状化

自行架桥使网状化

丙烯酸盐聚合时，增大单体浓度使急速聚合，即可得不溶于水的高分子。使用此原理，经逆相乳化聚合即得自架桥型聚丙烯酸盐凝胶。

光放射线照射网状化

疏水性单体的共聚合使不溶化(架桥)

长链烷基(c10~30)丙烯酸酯与短链烷基(c1~9)丙烯酸酯行三次元共聚合，则虽无化学架桥也可得凝胶。

结晶性高分子中导入团块(block)使不溶化(架构)

使用多价金属阳离子来架桥

聚丙烯酸形成的阴离子性高分子电解质在低ph范围可与多价金属阳离子以离子结合生物复合物。金属阳离子有铝、铁、镉等，常用添加剂有a1(oh)3、a12so4、a1(ch3coo)3、cac12等。

导入氢键结合使架桥

pva水凝胶的冻结、解冻、干燥，可形成弹性体、明胶等天然胶。

以聚丙烯酸钠系高吸水性高分子为例，在其制程中，以丙烯酸为单位的高分子要在碱中行中和处理，使变成以亲水性高的丙烯酸钠为单位的高分子，藉由中和处理，高分子的分子链亦架桥而形成三次元网目

制造聚丙烯酸钠架桥体的高吸水性高分子之途径有四，产业生产上，为获得高效率，高质量且安定的高吸水性高分子，多采用第二途径。

欲获得高质量的高吸水性高分子，聚合时基本聚合物的分子量、分子量分布要严密控制，架桥点要均一，聚合粒子的表面状态，粒径也是调整要点，因此聚丙烯酸钠系高吸水性高分子的合成，是用逆相悬浮聚合法（在有机溶剂中将含单体原的水溶液以粒状分散后再聚合），聚合条件要小心控制。

二、高吸水性高分子材料从结构上来说主要具有以下特点：

1 ）分子中具有强亲水性基团，如羟基、羧基等，聚合物分子能与水分子形成氢键或其他化学键，因此对水等强极性物质有一定表面吸附能力；

2 ）聚合物为交联型高分子，在溶剂中一般不溶解，吸水后迅速溶胀，体积增大许多倍，由于水被包裹在呈凝胶状的分子网络内部，不易流失与挥发；

3 ）高吸水性高分子材料一般具有特殊的立体结构，有利于吸水后保持一定的机械强度，保持水分；

4 ）聚合物应该具有较高的分子量，分子量的增加，溶解度下降，吸水后的机械强度也增加，同时吸水能力也可以提高。

三、近代高吸水性高分子的合成：

共聚物化学

高吸水性高分子通常在引发剂的存在下由丙烯酸和氢氧化钠混合进行聚合来生成聚合丙烯酸钠盐（有时指的是丙烯腈钠）。这种聚合物是现在世界上高吸水性高分子中最普通的类型。其他材料也被用来生产高吸水性高分子，诸如聚丙烯酰胺共聚物，乙烯与马来酸酐共聚物，交联羧甲基纤维素，聚乙烯醇共聚物，交联聚环氧乙烷和淀粉接枝聚丙烯腈共聚物。淀粉接枝聚丙烯腈共聚物是最早的高吸水性高分子形态。

现在高吸水性高分子主要用下面两种方法中的一种生产：溶液聚合或悬浮聚合。两种过程和其他的比起来都有优点，也能产出质量一致的产品。

1、溶液聚合

溶液聚合物以溶液的形式提供粒状聚合物的吸水性，在用前可以将溶液和密封罐蒸馏。管子上可以涂上大多数底物，用来饱和。在特定温度下干燥一定时间，结果是底层附上具有高吸水性的物质。比如，这个化学可以直接用在电线或电缆上，尽管这个过程针对辊状物体或者层状底物组分进行特别的优化。

溶液聚合现在是高吸水性高分子生产最普通的过程。这一过程有效，通常耗费较低。溶液过程采用水基单体来生产一定量的反应聚合胶。聚合的反应能（放热）被用来驱动这一过程，来减少生产成本。反应物聚合物胶然后被粉碎，干燥并研磨到最终的粒径。任何提高高吸水性高分子性能的措施通常在最终粒径完成后进行。

2、悬浮聚合

有些公司实践了悬浮液过程，因为在聚合过程中，它可以提供较高的生产控制和产品工程水平。这一过程，将水基反应物悬浮在烃基溶液。最终的结果是悬浮聚合能够在反应器中生成初级高分子颗粒而不是在反应后机械粉碎。在反应阶段中或者后也可以进行性能增强。

高吸水性材料在生产生活中的应用: