高吸水性高分子材料

1、高吸水性高分子材料 高吸水性高分子材料 高吸水性树脂是近年开发的一种含有强的 亲水性基团并具有一定交联度的功能高分 子材料。 高吸水性高分子材料 过去的吸水性材料，如纸、棉、麻等吸水 能力只有自知重量的15倍-40倍（去离子 水），而且保水能力很弱。70年代中期， 美国农业部首先开发出一种高吸水树脂， 从此以后，各种类型的高吸水性树脂不断 涌现。 高吸水性高分子材料 这些人工合成的树脂不溶于水，也不溶于 有机溶剂，能吸收数百倍乃至数千倍自身 重量的水，而且保水性很强，即使加压水 也不会被挤出，因此引起世界各国科学家 的广泛注意。 近年来来，高吸水性树脂生产规模不断扩 大，广泛应用于医疗卫生、建

2、筑材料、环 境保护、农业、林业及食品工业中，开发 前景十分光明。 高吸水性高分子材料 高吸水性树脂的分类及制备 按合成类型分：可分为接枝共聚、羟甲 基化及水溶性高分子交联三类。 按原料组成分：可分为淀粉类、纤维素 类及合成树脂类。 高吸水性高分子材料 淀粉类的制备：淀粉是亲水性的天然多羟 基高分子化合物，以淀粉为骨架的高分子 与亲水性的合成高分子接枝共聚，即为这 类高吸水性树脂 。例如：淀粉与丙烯腈接 枝共聚，水解产物即得。 制备方法：淀粉和丙烯腈在引发剂存在下 进行接枝共聚，聚合产物在强碱存在下加 压水解，接枝的丙烯腈变成丙烯酰胺或丙 烯酸盐，干燥后即获得产品。 高吸水性高分子材料 机理：按

3、自由基反应机理进行，引发剂采 用使用最广泛的四价铈盐，硝酸铈胺溶于 稀硝酸中，与淀粉形成络合物，后者分解 时，四价铈离子还原成三价铈离子，而淀 粉中，葡萄糖单元上羟基中的氢被氧化成 H+，以致淀粉形成自由基，同时伴随C2与 C3键的断裂，淀粉自由基在丙烯腈单体存 在下，随即引发单体接枝共聚，形成接枝 链。 高吸水性高分子材料 这种树脂吸水率高，可达自身重量千倍以上，但长期保水性和耐热性较差。 高吸水性高分子材料 纤维素类的制备 纤维素与淀粉相似，也可以作为接枝共聚 的骨架高分子，接枝单体除丙烯腈外，还 可使用丙烯酰胺，丙烯酸等。 高吸水性高分子材料 纤维素经羧甲基化制备高吸水性树脂由日 本一公

4、司开发成功。 合成：纤维素+单氯醋酸羟甲基纤维素纤 维素高吸水树脂。 纤维素高吸水性树脂吸水率比淀粉类差， 但有特殊用途。如制造高吸水性织物，就 可以用纤维素类高吸水性树脂与合成纤维 混纺。 高吸水性高分子材料 合成树脂 （1）聚丙烯酸系树脂 例： 丙烯酸类高吸水性树脂与淀粉类高吸水 性树脂相比，具有更高的耐热性，耐腐 蚀性及保水性。 CH2C CH3 COOH2 HCCH2 OOCCH3 CH2C CH3 COOH CH2CH OOCCH3 NaOH CH2 C CH3 COONa CH2 CH OH 高吸水性高分子材料 （2）聚丙烯腈系树脂 我国学者用腈纶废丝经水解后，用Al(OH)3 交

5、联得到吸水达自重700倍的高吸水树脂， 优点是成本低，废物利用。 高吸水性高分子材料 （3）聚乙烯醇 日本一公司开发出一种聚乙烯醇和顺酐反 应制备高吸水性树脂的方法。方法是将顺 酐溶解在有机溶剂中然后加入粉末状的聚 乙烯醇，加热搅拌进行均相反应，使聚乙 烯醇上的部分羟基酯化并引入羧基，然后 用碱处理得到改性的聚乙烯醇树脂。 高吸水性高分子材料 （4）聚环氧乙烷系：聚环氧乙烷交联得到 的高吸水性树脂吸水能力不高，一般几十 倍，但它是非电解质，耐盐性强，对盐水 几乎不降低其吸水能力，前面我们说的吸 水多少倍都是指去离子水或蒸馏水，如果 是盐水，其吸水能力大打折扣，下降幅度 甚至十倍以上。 高吸水性

6、高分子材料 （5）其它非离子型合成树脂：近年来，开 发出了以羟基、醚基、酰胺基为亲水官能 团的非离子型高吸水性树脂，但这类吸水 性树脂吸水能力较小，一般只能达到50倍 左右，通常不做高吸水材料，而是作为水 凝胶使用，用于入造水晶体和酶的固定化 方面。 。 高吸水性高分子材料 高吸水性树脂的分子结构和吸水 机制 多数高吸水性树脂实际上是具有一定交 联度的高分子电解质，可以用电解质的 离子网络理论来解释，即在高分子电解 质的立体网络构造的分子间存在可移动 的离子对，由于显示高分子电解质电荷 吸引力强弱的可移动离子的浓度在高吸 水性树脂内侧往往比外侧高，即产生渗 透压，正是由于这种渗透压及水平高分

7、子电解质之间的亲合力，从而产生异常 的吸水现象。 高吸水性高分子材料 高分子电解质离子网络结构 高吸水性高分子材料 例如：含羧酸盐的高吸水性树脂在未与水 接触时是固态网束，与水接触后亲水基与 水作用，水渗入树脂内部羧酸钠离解为羧 酸根离子和迁移性反离子Na+ ，羧酸根离子 不能向外扩散。Na+也不能自由渗入水中， 这样就使网络结构内外产生渗透压，使水 分子进一步渗入树脂网络结构内部，这样 高分子链间出现纯溶剂区、部分钠离子向 纯溶剂区扩散，导致高分子链上带净电荷， 由于静电斥力，使高分子网束扩散，大量 水分子封存于高分子网内，因为受网结构 的束缚，水分子运动受到限制，从而阻挡 了失水。 高吸水

8、性高分子材料 吸水时高分子网链扩展，又引起该网链弹 性收缩，这两种因素平衡的结果决定了高 吸水性树脂的吸水能力。 Flory总结实验规律，得出以下树脂吸水定 量倍率的计算公式： 0 1 2 3 5 / 2 1 2 VV V x vust i Q e 高吸水性高分子材料 ：吸水率（吸水后的重量/吸水前的重量） ：在网络中固定的电荷浓度； S：浓液中电解质的离子浓度； ：聚合物的亲水性； ：交联度。 方程式右端第一项表示渗透压、第二项表 示与水的亲合力，分母表示交联度。 尽管这个公式计算树脂的吸水能力会有所 误差，但是用它来分析影响吸水能力的因 素所得的结构则是正确的 Q vui/ 1 / )2/

9、1 (Vxi 0 /VVe 高吸水性高分子材料 高吸水性树脂的基本性能 1吸水性：吸水性是高吸水性树脂最重 要的特性，一般树脂吸水量可达自重的 500倍-1000倍，最高可达5300倍。 从Flory公式可以看出，吸水性与交联度 关系很大，未交联的聚合物是水溶性的， 无吸水性。但如果交联度过大，网络空 间偏小，也会降低吸水性，因此要控制 适当的交联度。 高吸水性高分子材料 由于高吸水性树脂是高分子电解质，其吸 水能力受被吸液的影响很大，例。水质pH 值为3时，吸水能力为95ml/g，pH值为7.5 时，则上升到339mml/g。对非电解质，尤 其是纯水、吸收率最大，对电解质、吸收 率明显下降。

10、 高吸水性高分子材料 2保水性：高吸水性树脂与普通的纸棉吸 水不同，纸棉吸水后加压可以把水重新挤 出来，而高吸水性树脂则失水不多，这是 因为吸水树脂一旦吸水就会溶胀成为凝胶 状，高分子链被扩展而具有一定弹性，因 此在加压下也不易挤出水来。 高吸水性高分子材料 3吸水状态的凝胶强度，高吸水性树脂的 凝胶强度用受重物挤压后的凝胶破碎程度 来衡量，因为高吸水性树脂有一定的交联 密度，所以凝胶强度较高，不易破碎，一 般吸水量较低时，显示的强度越大。 高吸水性高分子材料 4吸氨性：高吸水性树脂大多为含有羟基 的阴离子聚合物，由于部分羟基液中和， 部分仍显酸性，故可吸氨，具有除臭作用。 高吸水性高分子材料

11、 其它性能： 增粘性：由于吸水后成凝胶，故粘度较高。 防雾性：加到塑料薄膜中。 高吸水性高分子材料 高吸水性树脂的应用开发 1农业方面 土壤保水剂、改良剂：由于高吸水性 树脂具有惊人的吸水性和保水性，因而 可用作土壤保水剂，在干旱、水土流失 严重的土壤中，添加大约（0.1-0.3） 10-2，此类树脂，即可改善土壤的湿 度及透气性。 高吸水性高分子材料 植物幼苗移植用保水剂：将被移植树苗 的根部在含110-2高吸水性树脂凝胶中处 理后，大大延长了移植保存期，根高了树 苗成活率。此法也可用于蔬菜等经济作物 及菌类的移植。如烟草移植，提高成活率 30%。 高吸水性高分子材料 提高种子发芽率：将树脂和其它物质配 合制成种衣剂、包裹种子后，再播种，可 提高发芽率10%，增产20%左右，如和草拌 种后，可大大提高飞播、种草的成活率。 高吸水性高分子材料 水果蔬菜保鲜：用高吸水性树脂开发出 一种可调节水分的包装薄膜，用于包装果 蔬，可在一定程度上调节局部体系的气氛， 湿度，从而有效地控制水果蔬菜的呼吸代 谢，起到保鲜作用。 高吸水性高分子材料 2工业方面 涂料添加剂：高吸水性树脂在高湿度下 能吸收水分，在低湿度下又能释放水分， 为此可制成涂料涂敷于无纺布上，用于内 墙装饰，防止结露，这种涂料还可用于电