吸水聚合物

定义

高吸水性树脂（Super Absorbent Resin ）简称SAR，又称高吸水性聚合物（SAP）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高分子聚合物。它不溶于水，也不溶于有机溶剂，却有着奇特的吸水性能和保水能力，同时又具备高分子材料的优点，与传统的吸水材料相比具有更大的优势：与海绵、棉花、纤维素、硅胶相比，高吸水性树脂的吸水量大，可以吸收比自身重几百倍甚至上千倍的水，并且保水性强，即使在受热、加压条件下也不易失水，对光、热、酸、碱的稳定性好，具有良好的生物降解性能。

吸水性能

高吸水树脂一般为含有亲水基团和交联结构的高分子电解质。吸水前，高分子链相互靠拢缠在一起，彼此交联成网状结构，从而达到整体上的紧固。与水接触时，水分子通过毛细作用及扩散作用渗透到树脂中，链上的电离基团在水中电离。由于链上同离子之间的静电斥力而使高分子链伸展溶胀。由于电中性要求，反离子不能迁移到树脂外部，树脂内外部溶液间的离子浓度差形成反渗透压。水在反渗透压的作用下进一步进入树脂中，形成水凝胶。同时，树脂本身的交联网状结构及氢键作用，又限制了凝胶的无限膨胀。

当水中含有少量盐类时，反渗透压降低，同时由于反离子的屏蔽作用，使高分子链收缩，导致树脂的吸水能力大大下降。通常，高吸水树脂在0.9% NaCl溶液中的吸水能力只有在去离子水中的1/10左右。

吸水和保水是一个问题的两个方面，林润雄等对此进行了热力学探讨。在一定温度和压力下，高吸水树脂能自发地吸水，水进入树脂中，使整个体系的自由焓降低，直到平衡。若水从树脂中逸出，使自由焓升高，则不利于体系的稳定。差热分析表明，高吸水树脂吸收的水在150°C以上仍有50%封闭在凝胶网络中。因此，常温下即使施加压力，水也不会从高吸水树脂中逸出，这是由高吸水树脂的热力学性质决定的.

SAP的吸水机理

与传统的吸水材料不同, SAP先通过毛细管吸附和分散作用吸收水分,接着树脂的亲水基团通过氢键与水分子作用,离子型的亲水基团遇水开始解离,阴离子固定在高分子链上,阳离子为可移动离子。随着亲水基团的解离,阴离子数目增多,静电斥力增大,使树脂网络扩张。同时为了维持电中性,阳离子不能向外部溶剂扩散,而使其浓度增大,导致树脂网络内外的渗透压随之增加,水分子进一步渗入。随着吸水量的增大,网络内外的渗透压差趋向于零,并且随网络扩张其弹性收缩力也在增加,逐渐抵消了阴离子的静电斥力,最终达到吸水平衡。P. J. Flory在1953年从热力学的角度出发,运用弹性凝胶理论,提出了SAP吸水率的数学表达式,该式可简化为:吸水率(离子的渗透压+水的亲和力) /交联密度。由此, P. J. Flory提出的吸水关系式可以描述为, SAP的吸水率与离子的渗透压及离子与水的亲和力之和成正比,与树脂的交联密度成反比。

结构

应用

由于SAR 具有许多优异的性能，从而被广泛应用于农业、林业、园艺、医药、医疗、生理卫生、石油、化工、环境保护、美容化妆、建材、生化技术和食品等众多领域，并越来越受到人们的关注和青睐。卫生用品卫生用品是最早使用SAR 且应用研究比较成规模的一个领域。由于SAR 具有吸水率高、保水性强、安全无毒、重量轻、吸液量大等优点，一问世就受到卫生用品厂家的重视，被制成一次性婴儿尿布、妇女卫生巾、宇航员尿袋、餐巾、手帕、母乳垫片、手术衬垫等。目前，卫生用品是SAR 的主要应用领域，占其消费总量的80％～95％。农林园艺SAR 在农业、林业、园艺领域的应用也非常广泛，作为土壤的改良剂和保水剂，可以改善土壤的团粒结构，增加土壤的透气性和透水性，现已被许多国家用来治理沙漠。SAR 可作种子保水剂，提高发芽率；涂于植物根部，可防止根部干燥，减少移植休克，提高成活率。此外，还可用作水果保鲜、农用薄膜防雾、农药和化肥的缓释剂等。医用材料SAR 也广泛用于医疗卫生，如用于保持医用检验切片中的被检液；制作含水量大、使用舒适的外用软膏；制作能吸收浸出液、防止化脓、杀菌消臭的治伤绷带。另外，SAR 在释放性药物、微胶囊、软膏、乳剂、纱布、抗血栓药物、人造皮肤、避孕药、人造脏器、软接触透镜、热敷剂等方面的应用也受到越来越高的重视。工业助剂SAR 可用作食品包装材料、保鲜材料，保鲜效果比聚烯烃薄膜要好得多。由于SAR 吸水不吸油，故可用于油水分离剂、灭火剂、灭火布、耐用碱性电池。用于造纸，可以提高纸张的质量，降低生产成本。在纺织印染中可以保持一定湿度，防止静电。用于污水处理，可吸附、回收重金属离子。建筑材料SAR 可用作建筑用光纤电缆的防漏剂，目前已成功应用于英、法两国之间的海底隧道。还可用作填充材料，修补混凝土的龟裂或作其模型框架，或用作溜冰场的人造雪、空气清新剂等。