超强吸水高分子的发展与应用

1超强吸水高分子的发展与应用姓名：肖文班级：090561学号090561342摘要：综述了高吸水树脂(SAP)的分类、制备及吸水机理。介绍了高吸水树脂国内外发展现状及其在各方面的应用，并讨论了改进高吸水树脂性能的方法以及目前的主要研究趋势。关键词：高吸水树脂；吸水机理；进展；应用；一、绪论超强吸水高分子材料(SuperAbsorbentPolymer简称SAP)也称为高吸水性树脂、超强吸水剂、高吸水性聚合物，是一种具有优异吸水能力和保水能力的新型功能高分子材料。自古以来，吸水材料的任务一直是由纸、棉花和海绵以及后来的泡沫塑料等材料所承担的。但这些材料的吸水能力通常很低，所吸水量最多仅为自身重量的20倍左右，而且一旦受到外力作用，则很容易脱水，保水性很差。60年代末期，美国首先开发成功高吸水性树脂。这是一种含有强亲水性基团并通常具有一定交联度的高分子材料。它不溶于水和有机溶剂，吸水能力可达自身重量的500～2000倍，最高可达5000倍，吸水后立即溶胀为水凝胶，有优良的保水性，即使受压也不易挤出。吸收了水的树脂干燥后，吸水能力仍可恢复。由于该材料分子中含有大量的羧基、羟基等强亲水性基团而具有高分子电解质的分子扩张性能。同时，由于微交联三维网络结构阻碍了分子的进一步扩张，使得分子在水中只溶胀不溶解，具有奇特的吸水和保水能力，它能吸收相当于自身重量几百倍甚至几千倍的水，并有很强的保水能力[1]，已经被广泛应用于农林、园艺、工业、医疗、环保等各个领域。3二、SAP的吸水原理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，水分子进一步渗人。如图一所示图一：吸水树脂的离子型网络随着吸水量的增大，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[2]。如图二所示H2O内外交联点4图二：吸水剂微球吸水过程的体积变化示意图三：SAP的制备SAP的制备主要包括亲水基团的引人(羧化)以及不溶化处理(交联)。制备方法有本体聚合法、溶液聚合法、悬浮及反相悬浮聚合法、乳液及反相乳液合成法、辐射聚合法等。3.1本体聚合法本体聚合法指不加其它介质，只有反应物本身在引发剂作用下进行的合成反应。溶液本体聚合法在反应过程中一方面反应热难以排除，加上自动加速效应，易造成局部过热，严重者发生爆聚。另一方面随着转化率的提高，体系粘度增加，易凝聚成为固体，聚合产物往往不易出料。因此，本体聚合法的应用受到了限制。3.2溶液聚合法溶液聚合法是反应物和添加剂(如分子质量调节剂等)溶于适当的溶剂中在光照或加热、辐射、引发剂(或催化剂)的作用下而进行的合成方法。有两种实施方法：(1)先制得聚合物，后加交联剂法；(2)交联剂与单体同时加人法。该法反应速率较快适5合于连续化生产，产品比表面积大，吸水快而匀，因此是目前普遍采用的方法，不足的是技术要求高，一般需要有后道粉碎工序。四、SAP的分类高吸水性树脂种类繁多，按原料不同、亲水化方法、交联方法和制品形态不同而有多种分类方法。按照国内外吸水树脂的发展及其所用原料的不同，SAP主要分为如下4类[3]：(1)淀粉类；(2)纤维系类；(3)合成树脂类；(4)有机一无机复合高吸水性树脂。4.1淀粉类淀粉SAP是指淀粉与乙烯基单体在引发剂作用下或经辐射通过自由基聚合将乙基单体接枝到淀粉上而制得吸水树脂。常见的乙烯类单体有：丙烯腈、丙烯酸、丙烯酰胺。4.2纤维素类进人20世纪80年代，SAP的用量迅猛增加，高吸水材料研究开始活跃起来。纤维素系SAP是以纤维素为骨架，通过与其他单体接枝共聚形成的一类高分子聚合物。天然纤维素的来源广泛，含有大量的羟基，可以与水亲和，且能与大部分小分子化合物发生反应，可得到取代度较高的衍生物。与合成类、淀粉类SAP相比，纤维素SAP的吸水量稍低，但其耐盐性好，pH值易调节，抗生物降解的性能较好，具有重要的环保意义和经济价值[4]。纤维素系SAP的制备一般有纤维素羧甲基化、纤维素及纤6维素衍生物的接枝共聚等。4.3合成树脂系20世纪70年代以来，日本开始研究合成系高吸水性树脂，紧接着在美、英、德、法等国家也广泛研究。与淀粉等天然高分子接枝共聚物相比，合成类SAP具有生产成本低，工艺简单，生产效率高，吸水性能好等一系列优点，并且他们分子中不存在多糖单元，所得产品不易腐败，还能改善制成薄膜状态时的结构强度。石油化工的发展为其提供了丰富的原料，目前该类SAP已占据了工业化生产的主导地位。合成系SAP种类很多，主要有聚丙烯腈类、聚乙烯醇类、聚丙烯酰胺类、聚丙烯酸(盐)类、聚氧化乙烯类。五、应用目前SAP主要的、也是较为成熟的应用是在一次性卫生用品领域，约占总用量的70％一80％。由于其优良的特性，SAP已经逐渐深人进工业、农业、医疗卫生、日常生活等各个领域。5.1农林方面随着SAP的不断发展，它在农业上的应用也显示出广阔的前景。SAP有良好的吸水性和保水性，因此可以作为土壤和沙漠的改良剂和保水剂，它在土壤中可形成团粒结构，增强土壤的透气性和透水性，同时便于对肥料的吸收。在缺水地区，SAP在降水和灌溉期间大量吸收的水分可以在干旱时期缓慢放出，从而节约灌溉用水，减7少劳动强度，抗旱保收。5.2土木建筑方面SAP还可作为土木工程的止漏水或渗水材料，例如英法间的多巴海峡海底隧道、香港与新加坡的地铁、开罗的下水道隧道、日本神田川地下调节池、各地铁工程以及东京湾横穿公路工程中长约15km的路段从川崎一侧的9.4km隧道，其止水工程全面采用了SAP材料。用SAP和橡胶或塑料共混后加工成各种形状的材料在防止油气渗漏等油田化学中作密封或包装密封得到广泛应用。SAP还可应用于水泥改性，制造高强度的混凝土。利用SAP在高湿度时吸湿、低湿度时放湿的呼吸性，将它添加在清漆或涂料内可防止墙面及天花板返潮，起到防霉剂作用。5.3医疗保健方面SAP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、舒适的外用软膏，能吸收浸出液的治伤绷带及人工皮肤、缓释性药剂等。吸水性树脂的凝胶，可抑制血浆蛋白和血小板的粘连，因而可作为抗血栓材料用于制造人工脏器。六、结语高吸水性树脂是一种发展迅速的新材料，在我国极具市场潜力。随着人们对SAP研究的深入，具有耐盐、保水、保肥等多功能SAP的研究已经取得了巨大的进展但是我国SAP的生产及应用均落后于发达国家，迫切需要快速发展。我国地大物博土壤沙漠化严重，SAP在农业上的应用具有巨大的潜力，加强对具有抗旱保墒，且具有8缓释肥功能的绿色环保型SAP的研究，建立以多功能新型SAP为中心的完整化学抗旱、节水、保水技术体系，并开展大面积的示范推广也是今后研究的重点。此外，目前应用于工业化生产的SAP大多是丙烯酸盐类，原料成本高，不利于大范围应用。另外，应该尽快利用原料和市场需求两个优势，引进国外先进技术，并依托国内科研力量进行开发，建设经济规模工业化装置，以便迅速占领这一高增长的市场[5]。参考文献1.凌辉，沈上越，范力仁，等．粉煤灰／聚丙烯酸钠高吸水复合材料的研制[J]．功能材料，2006，37(11)：1812—1815．2.牛艳奔．高吸水性树脂的合成及应用[D]．吉林大学，20053.王其辉．高吸水树脂的发展与前景[J]．消费导刊，2007，8；2294.何天白．功能高分子与新技术[M]．北京：化学工业出版社。2001：523—555．5.田巍，白福臣，李天一，张春晓，高吸水树脂的发展与应用，辽宁化工，2009；38；1