高吸水性材料的研究

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高吸水性樹脂（簡稱SAR）是一種典型的功能高分子材料。它能吸收其自身重量數(shù)百倍、甚至上千倍的水，并具有很強的保水能力的高分子材料，所以它又成為超強吸水劑或高保水劑。從化學結構上來講，高吸水性樹脂是具有許多親水基團的低交聯(lián)度或部分結晶的高分子聚合物。[1]

　　1、高吸水性樹脂的吸水機理

　　1.1 高吸水性樹脂的吸水結構

　　高吸水性樹脂是一種三維網(wǎng)絡結構，它不溶于水而大量吸水膨脹形成高含水凝膠。高吸水性樹脂的主要性能是具有吸水性和保水性。要具有這種特性，其分子中必須含有強吸水性基團和一定的網(wǎng)絡結構，即具有一定的交聯(lián)度。實驗表明：吸水性基團極性越強，含量越多，吸水率越高，保水性也越好。而交聯(lián)度需要適中，交聯(lián)度過低則保水性差，尤其在外界有壓力時水很容易脫去；交聯(lián)度過高，雖然保水性好，但由于吸水空間減少，使吸水率明顯降低。

　　1.2 高吸水性樹脂吸水量的計算

　　高吸水性樹脂的吸水量可以量化。Flory[4]考慮聚合物中固定離子對吸水能力的貢獻，從聚合物凝膠內外離子濃度差產(chǎn)生的滲透壓出發(fā)，導出了高吸水性樹脂溶脹平衡時的最大吸水性公式：

　　Q3/5=[（i/2VuS﹡1/2）2+(1/2-x1)/V1]/（Ve/Vo）

　　1.3 高吸水性樹脂與水的作用方式

　　當水與高聚物表面接觸時，有三種相互作用：一是水分子與高分子中的電負性強的氧原子間的氫鍵作用；二是水分子與疏水基團間的相互作用；三是水分子與親水基團間的相互作用。[6]

　　高吸水性樹脂本身具有的親水基和疏水基與水分子相互作用形成水合狀態(tài)。樹脂的疏水基團部分由于疏水基團作用而易于折向內側，形成不溶性的粒狀結構，疏水基團周圍的水分子形成與普通水不同的結構水。[7]

　　2、高吸水性樹脂的制備方法

　　2.1 淀粉型高吸水性樹脂的制備

　　2.1.1 淀粉接枝共聚

　　合成淀粉型高吸水性樹脂，所使用的原料為淀粉和單體。此外還利用引發(fā)劑（或催化劑）、交聯(lián)劑、堿、分散劑、表面活性劑、洗滌劑等助劑。

　　目前以淀粉為原料制備高吸水性樹脂的合成方法主要通過自由基引發(fā)聚合將乙烯基單體接枝到淀粉上。引發(fā)的方法以化學引發(fā)為主，也采用輻射引發(fā)接枝。聚合方法主要有溶液聚合和反相懸浮聚合。

　　2.1.2 淀粉經(jīng)羧甲基化可制備高吸水性樹脂

　　該方法制備的高吸水性樹脂大多以纖維素為原料，以淀粉為原料不常用。

　　2.2 纖維素型高吸水性樹脂的制備

　　天然纖維及其衍生物是制備高吸水性樹脂的重要原料。通過醚化、酯化、交聯(lián)、接枝共聚等一種或幾種方法，人們現(xiàn)已制備出一系列高吸水性樹脂。由于纖維素來源廣，易于獲取且價廉，因此以纖維素為原料制備高吸水性樹脂日益受到重視。[11]

　　2.2.1 醚化-交聯(lián)法

　　該方法是制備纖維素基高吸水性樹脂的一類常用方法。一般有以下三種方法：先交聯(lián)后醚化、先醚化后交聯(lián)、醚化與交聯(lián)同時進行。

　　2.2.2 直接酯化法

　　利用纖維素或其衍生物分子中羥基易通酸酐或氯酐起反應的特征，可制備纖維素基高吸水性樹脂，被開發(fā)的材料有兩種。

　　（1）纖維素黃原酸鹽吸水材料，該材料耐鹽性、耐堿性較好。

　　（2）羧甲基化纖維素碳酸鹽吸水性材料。[10]

　　2.2.3 直接交聯(lián)法

　　直接交聯(lián)法雖不是常用方法，但可用于對一些商品纖維素作進一步加工而制備高吸水性樹脂。其中日本學者在這方面進行詳細的研究，制得的產(chǎn)品吸水能力很高。制備方法如下：[12]

　　取代度0.55的羧甲基纖維素125g，氫氧化鈉36.5g，水1292g混合呈均勻溶液，加入環(huán)氧氯丙烷37.5g。在40℃反應20h。用含90％甲醇溶液脫水、脫鹽得白色粒狀羧甲基纖維素交聯(lián)的鈉鹽137g。其吸鹽水（0.9％NaCl）達97g/g,吸血液達63g/g。

　　2.2.4 接枝共聚法

　　是以纖維素為原料制高吸水性樹脂的主要途徑。其原料可以是天然纖維及其衍生物，人造纖維等。天然纖維接枝共聚是發(fā)展的重要方向，因為不需要制成衍生物，利于降低成本。

　　2.3 合成聚合物類

　　在這一類高吸水性樹脂中，聚丙烯酸鹽以其吸水率高，吸水速度快，不易霉變成為高吸水性樹脂中最重要的品種之一，其制備方法如下：[13]

　　在反應瓶中計量加入丙烯酸，開動攪拌機，逐漸加入20％氫氧化鈉溶液，使其中和度為60％～80％，再加入去離子水稀釋至單體濃度為30％～60％，再加入N，N-二甲基雙丙烯酰胺。將反應瓶置于恒溫水浴中加熱并通氮氣驅氧，再加入過硫酸鉀進行反應。反應物料粘度增大至攪拌困難時停止攪拌，繼續(xù)通氮氣到反應物為粘稠凝膠體。將其取出，壓成薄片后進行干燥，再粉碎至10目以上。其吸水鹽（0.9％NaCl）150g/g。吸去離子水1400g/g，吸水速率快，保水性較好。

　　3、高吸水性樹脂的應用[14-18]

　　3.1 日常生活中的應用

　　目前高吸水性樹脂主要用于制尿布和婦女衛(wèi)生巾，其用量約占用量的80％～90％。由于高吸水性能吸收大量的液體，所以每片尿布只需要6～7g，而每片衛(wèi)生巾只需0.5～1g，其它為紡織材料或塑料。

　　3.2 醫(yī)療方面的應用

　　近年來高吸水性樹脂（凝膠）在醫(yī)療方面的應用取得了明顯進展。研究表明，高吸水性凝膠可抑制血漿蛋白質和血小板粘著，使其難以形成血栓，把尿激酶等活性酶固定在凝膠表面，則能溶解初期形成的血栓，為研究抗血栓藥劑提供了新的途徑。

　　3.3 工業(yè)方面的應用

　　在包裝方面，高吸水性樹脂可用于危險品、高中級實驗室用化學品、花卉和植物類的包裝運輸；也可用于食品類的包裝，還可用于油類、樹脂添加劑、填料和溶劑脫水，以及吸收蓄冷劑、空氣過濾、防靜電密封等方面。

　　3.4 農(nóng)林業(yè)方面的應用

　　為使沙漠地區(qū)綠化，可用高吸水性樹脂吸收水分和植物養(yǎng)分后置于土壤中，在長時間里逐漸提供給植物，以滿足其生長需要。此外還可用于維持屋頂花園、陽臺花草、草坡、苗圃、花盆的水分平衡。同時還可起到緩和土壤溫度變化，提高土壤溫度變化，提高土壤通氣性的作用

　　4、結語

　　在短短的近三十年來，高吸水性樹脂已經(jīng)品種繁多，用途極廣，已深入國民生產(chǎn)的各個領域，成為很有價值的重要材料。近年來，我國對高吸水性高分子材料的需求逐年增大，對其質量也日益提高。所以，加快高吸水性高分子材料的研究對我國有著非常重要的意義。

　　參考文獻：

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　　[2]許曉秋、劉延棟：高吸水性樹脂的工藝與配方[M].北京：化學工業(yè)出版社，2004[1]：1。

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　　[16]江鎮(zhèn)海：化工科技動態(tài),1997,12:25～26。