高吸水性材料的研究

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高吸水性樹(shù)脂（簡(jiǎn)稱(chēng)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(qiáng)的保水能力的高分子材料，所以它又成為超強(qiáng)吸水劑或高保水劑。從化學(xué)結(jié)構(gòu)上來(lái)講，高吸水性樹(shù)脂是具有許多親水基團(tuán)的低交聯(lián)度或部分結(jié)晶的高分子聚合物。[1]

　　1、高吸水性樹(shù)脂的吸水機(jī)理

　　1.1 高吸水性樹(shù)脂的吸水結(jié)構(gòu)

　　高吸水性樹(shù)脂是一種三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，它不溶于水而大量吸水膨脹形成高含水凝膠。高吸水性樹(shù)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(qiáng)吸水性基團(tuán)和一定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，即具有一定的交聯(lián)度。實(shí)驗(yàn)表明：吸水性基團(tuán)極性越強(qiáng)，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(guò)低則保水性差，尤其在外界有壓力時(shí)水很容易脫去；交聯(lián)度過(guò)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(shù)脂吸水量的計(jì)算

　　高吸水性樹(shù)脂的吸水量可以量化。Flory[4]考慮聚合物中固定離子對(duì)吸水能力的貢獻(xiàn)，從聚合物凝膠內(nèi)外離子濃度差產(chǎn)生的滲透壓出發(fā)，導(dǎo)出了高吸水性樹(shù)脂溶脹平衡時(shí)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(shù)脂與水的作用方式

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

　　高吸水性樹(shù)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(shù)脂的疏水基團(tuán)部分由于疏水基團(tuán)作用而易于折向內(nèi)側(cè)，形成不溶性的粒狀結(jié)構(gòu)，疏水基團(tuán)周?chē)乃肿有纬膳c普通水不同的結(jié)構(gòu)水。[7]

　　2、高吸水性樹(shù)脂的制備方法

　　2.1 淀粉型高吸水性樹(shù)脂的制備

　　2.1.1 淀粉接枝共聚

　　合成淀粉型高吸水性樹(shù)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(shù)脂的合成方法主要通過(guò)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(xué)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(shù)脂

　　該方法制備的高吸水性樹(shù)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(shù)脂的制備

　　天然纖維及其衍生物是制備高吸水性樹(shù)脂的重要原料。通過(guò)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(shù)脂。由于纖維素來(lái)源廣，易于獲取且價(jià)廉，因此以纖維素為原料制備高吸水性樹(shù)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(shù)脂的一類(lèi)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(shí)進(jìn)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(yīng)的特征，可制備纖維素基高吸水性樹(shù)脂，被開(kāi)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(duì)一些商品纖維素作進(jìn)一步加工而制備高吸水性樹(shù)脂。其中日本學(xué)者在這方面進(jìn)行詳細(xì)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(yīng)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(dá)97g/g,吸血液達(dá)63g/g。

　　2.2.4 接枝共聚法

　　是以纖維素為原料制高吸水性樹(shù)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?yàn)椴恍枰瞥裳苌?，利于降低成本?/p>

　　2.3 合成聚合物類(lèi)

　　在這一類(lèi)高吸水性樹(shù)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(shù)脂中最重要的品種之一，其制備方法如下：[13]

　　在反應(yīng)瓶中計(jì)量加入丙烯酸，開(kāi)動(dòng)攪拌機(jī)，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(yīng)瓶置于恒溫水浴中加熱并通氮?dú)怛?qū)氧，再加入過(guò)硫酸鉀進(jìn)行反應(yīng)。反應(yīng)物料粘度增大至攪拌困難時(shí)停止攪拌，繼續(xù)通氮?dú)獾椒磻?yīng)物為粘稠凝膠體。將其取出，壓成薄片后進(jìn)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(shù)脂的應(yīng)用[14-18]

　　3.1 日常生活中的應(yīng)用

　　目前高吸水性樹(shù)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(yīng)用

　　近年來(lái)高吸水性樹(shù)脂（凝膠）在醫(yī)療方面的應(yīng)用取得了明顯進(jìn)展。研究表明，高吸水性凝膠可抑制血漿蛋白質(zhì)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(yīng)用

　　在包裝方面，高吸水性樹(shù)脂可用于危險(xiǎn)品、高中級(jí)實(shí)驗(yàn)室用化學(xué)品、花卉和植物類(lèi)的包裝運(yùn)輸；也可用于食品類(lèi)的包裝，還可用于油類(lèi)、樹(shù)脂添加劑、填料和溶劑脫水，以及吸收蓄冷劑、空氣過(guò)濾、防靜電密封等方面。

　　3.4 農(nóng)林業(yè)方面的應(yīng)用

　　為使沙漠地區(qū)綠化，可用高吸水性樹(shù)脂吸收水分和植物養(yǎng)分后置于土壤中，在長(zhǎng)時(shí)間里逐漸提供給植物，以滿(mǎn)足其生長(zhǎng)需要。此外還可用于維持屋頂花園、陽(yáng)臺(tái)花草、草坡、苗圃、花盆的水分平衡。同時(shí)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(jié)語(yǔ)

　　在短短的近三十年來(lái)，高吸水性樹(shù)脂已經(jīng)品種繁多，用途極廣，已深入國(guó)民生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域，成為很有價(jià)值的重要材料。近年來(lái)，我國(guó)對(duì)高吸水性高分子材料的需求逐年增大，對(duì)其質(zhì)量也日益提高。所以，加快高吸水性高分子材料的研究對(duì)我國(guó)有著非常重要的意義。

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