超强吸水高分子材料

1、超强吸水高分子材料超强吸水高分子材料优点优点用途用途一、吸一、吸 水水 原原 理理二、分类二、分类三、基本结构三、基本结构四、四、SAPSAP结构结构五、合成高吸水分子中一些重要术语五、合成高吸水分子中一些重要术语六、接枝共聚反应实例六、接枝共聚反应实例Super高吸水性树脂高吸水性树脂(Super Absorbent Polymer简称简称SAP)也称为也称为高吸水性树脂高吸水性树脂、超强吸水剂超强吸水剂、高吸水性聚合物高吸水性聚合物，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。 高吸水性树脂高吸水性树脂Super既然安上既然安上

2、super这个头衔这个头衔,那我们就要看看它们和传统吸水材料的区别那我们就要看看它们和传统吸水材料的区别普通吸水材料普通吸水材料SAP超强吸水高分子材料综述超强吸水高分子材料综述Super吸水能力高吸水能力高:可达自身重量的几百倍至几千倍。可达自身重量的几百倍至几千倍。SAP优点优点吸水前吸水前吸水后吸水后超强吸水高分子材料综述超强吸水高分子材料综述SuperSAP优点优点保水能力高保水能力高:即使受压也不易失水即使受压也不易失水 超强吸水高分子材料综述超强吸水高分子材料综述Super用途用途超强吸水高分子材料综述超强吸水高分子材料综述SuperSuperSuper四、四、SAP结构结构 主链

3、或侧链上含有亲水性基团，如主链或侧链上含有亲水性基团，如 -3、 -、 -2、 -等等 吸水能力：吸水能力：-3-2- 低交联度的三维网络。网络的骨架可以是低交联度的三维网络。网络的骨架可以是淀粉、纤维素等天然高分子，也可以是合成树脂淀粉、纤维素等天然高分子，也可以是合成树脂( (如聚丙如聚丙烯酸类）。烯酸类）。1 1）从化学结构看：）从化学结构看：2 2）从物理结构看：）从物理结构看：Super3）内部有浓度高的离子性基团，保证内部有高的离子）内部有浓度高的离子性基团，保证内部有高的离子浓度，从而有高的渗透压。浓度，从而有高的渗透压。4）聚合物分子量较高，分子量增加，吸水后的机）聚合物分子量

4、较高，分子量增加，吸水后的机械强度会较高，吸水能力也会高一些。械强度会较高，吸水能力也会高一些。SuperSuperSAP合成高分子系合成高分子系淀粉系淀粉系纤维素系纤维素系二、分二、分 类类甲壳质衍生物甲壳质衍生物Super聚丙烯酸类聚丙烯酸类聚丙烯酸钠交联物聚丙烯酸钠交联物丙烯酸丙烯酸乙烯醇共聚物乙烯醇共聚物丙烯腈聚合皂化物、聚丙烯酰胺丙烯腈聚合皂化物、聚丙烯酰胺其它其它聚乙烯醇类聚乙烯醇类聚乙烯醇交联聚合物聚乙烯醇交联聚合物乙烯醇乙烯醇其它亲水性单体接枝共聚物其它亲水性单体接枝共聚物其它其它纯合成高分子纯合成高分子Super淀粉类淀粉类淀粉淀粉丙烯腈接枝聚合水解物丙烯腈接枝聚合水解物淀粉

5、淀粉丙烯酸共聚物丙烯酸共聚物淀粉淀粉丙烯酰胺接枝聚合物丙烯酰胺接枝聚合物其它其它纤维素类纤维素类纤维素接枝共聚物纤维素接枝共聚物纤维素衍生物交联物纤维素衍生物交联物其它其它其它其它多糖类多糖类(琼脂糖、壳多糖琼脂糖、壳多糖)、蛋白质类等、蛋白质类等天然高分子加工产物天然高分子加工产物Super亲水基团上分离子型（多以羧酸盐基团）离子型（多以羧酸盐基团）非离子型（羟基、醚键和氨基）非离子型（羟基、醚键和氨基）结构外型分粉末、纤维、颗粒、薄膜粉末、纤维、颗粒、薄膜一、吸一、吸 水水 原原 理理1.吸吸 水水 实实 质质化学吸附化学吸附物理吸附物理吸附棉花、纸张、海绵等。棉花、纸张、海绵等。毛细管的

6、吸附原理。毛细管的吸附原理。有压力时水会流出。有压力时水会流出。通过化学键的方式把水和亲水通过化学键的方式把水和亲水性物质结合在一起成为一个整性物质结合在一起成为一个整体。加压也不能把水放出。体。加压也不能把水放出。H2O阶段阶段2吸水树脂的离子型网络吸水树脂的离子型网络2.SAP2.SAP的吸水原理的吸水原理网络内外产生网络内外产生渗透压渗透压, ,水份进一步渗入水份进一步渗入. .阶段阶段1 较慢。通过较慢。通过毛细管吸附毛细管吸附和和分散作用分散作用吸水。吸水。水分子通过水分子通过氢键氢键与树脂的亲水基团作用与树脂的亲水基团作用, ,亲水基团离解亲水基团离解, , 离子之间的静电排斥力使

7、离子之间的静电排斥力使树脂的网络扩张。树脂的网络扩张。 交交联联点点（内）（内）（外）（外）吸收大量水而不流失是基于材料的亲水性、溶胀性和保水性。吸收大量水而不流失是基于材料的亲水性、溶胀性和保水性。1）亲水溶胀）亲水溶胀2 2）离子化保持渗透压）离子化保持渗透压 随着吸水量的增大随着吸水量的增大, ,网络内外的渗透压差趋向于零网络内外的渗透压差趋向于零; ;而网络扩张的同时而网络扩张的同时, ,其弹性收缩力也在增加其弹性收缩力也在增加, ,逐渐抵逐渐抵消阴离子的静电排斥消阴离子的静电排斥, ,最终达到最终达到吸水平衡吸水平衡。阶段阶段3吸水剂微球吸水过程的体积变化示意图吸水剂微球吸水过程的体

8、积变化示意图 3 3）交联骨架防止溶解达到平衡）交联骨架防止溶解达到平衡最大吸水量最大吸水量- -可用可用2424小时吸水量表示小时吸水量表示。 1 1）树脂化学结构的影响）树脂化学结构的影响 首先要含有大量的强亲水性基团，这样可使水首先要含有大量的强亲水性基团，这样可使水与聚合物间的作用大于聚合物之间的作用力，因而后者易于吸水而溶胀。与聚合物间的作用大于聚合物之间的作用力，因而后者易于吸水而溶胀。其次，分子中要含有大量的可离子化的基团，从而在溶胀后可以提供较大其次，分子中要含有大量的可离子化的基团，从而在溶胀后可以提供较大渗透压。渗透压。 2 2）树脂链段结构的影响）树脂链段结构的影响 这是

9、为了解决保水的问题，适度的交联度可以这是为了解决保水的问题，适度的交联度可以使溶胀不至于溶解，对吸收的水起到封闭作用，使吸水后树脂凝胶保持使溶胀不至于溶解，对吸收的水起到封闭作用，使吸水后树脂凝胶保持一定机械强度。但交联度不能太高，太高将限制树脂的溶胀。一定机械强度。但交联度不能太高，太高将限制树脂的溶胀。3 3）外部因素的影响）外部因素的影响 水中盐浓度、温度（影响水表面张力）和压力。水中盐浓度、温度（影响水表面张力）和压力。合成超高吸水高分子材料合成超高吸水高分子材料 目前主要分为聚丙烯酸（盐）目前主要分为聚丙烯酸（盐） ，聚乙烯醇两大类。，聚乙烯醇两大类。 其中，聚丙烯酸（盐）类的研究最

10、多，产量最大。其中，聚丙烯酸（盐）类的研究最多，产量最大。类别类别聚聚 丙烯酸（盐）类丙烯酸（盐）类 聚聚 乙乙 烯烯 醇醇 类类比比较较 吸水性强，工艺成吸水性强，工艺成熟，合成方法多样。熟，合成方法多样。 吸水倍率不及聚丙烯酸吸水倍率不及聚丙烯酸类类,但它的特点是吸水速度但它的特点是吸水速度快快,23分钟内即可达到饱和分钟内即可达到饱和吸水量的一半。吸水量的一半。线型聚丙线型聚丙 烯烯 酸酸 结构示意图结构示意图 CH2CHCOOHCH2CHCOOHCH2CHCOOHCH2CHCOOHCH2CHCOOHCH2CHCOOH合成超高吸水高分子材料合成超高吸水高分子材料80年代我国开始了对淀粉系

11、高吸水性树脂的研究年代我国开始了对淀粉系高吸水性树脂的研究。超强吸水剂的研究起源于淀粉系，美国北方农业省研究所从淀粉接枝丙烯腈开始，超强吸水剂的研究起源于淀粉系，美国北方农业省研究所从淀粉接枝丙烯腈开始，接着于接着于1966年完成该项研究，并投入生产。年完成该项研究，并投入生产。淀粉系超高吸水高分子材料淀粉系超高吸水高分子材料直链淀粉直链淀粉支链淀粉支链淀粉淀粉结构淀粉结构OHOHHOHO HHO HOOHHOO HHHHO HOOHHOO HOHHO H纤维素系超高吸水高分子材料纤维素系超高吸水高分子材料OOOOOOO纤维素结构纤维素结构区区别别与与联联系系 淀淀 粉粉 系系纤维素系纤维素系

12、合成系合成系价格低廉、生物降解性能好价格低廉、生物降解性能好抗霉解性优抗霉解性优工艺简单，吸水、工艺简单，吸水、保水能力强保水能力强 吸吸水速度较快耐水水速度较快耐水解，吸水后凝胶解，吸水后凝胶强度大，保水性强度大，保水性强强.抗菌性好抗菌性好.但但可降解性差可降解性差.适适用于工业生产用于工业生产缺缺点点 合成工艺复杂，易腐败，耐热性合成工艺复杂，易腐败，耐热性不佳，吸水后凝胶强度低，长期保水不佳，吸水后凝胶强度低，长期保水性差，耐水解性较差性差，耐水解性较差。 优优点点 储量丰富，可不断再生，成本低储量丰富，可不断再生，成本低;无毒且能微生物分解，可减少对环境无毒且能微生物分解，可减少对环

13、境的污染。的污染。共共同同点点 均是葡萄糖的多聚体，可以采用均是葡萄糖的多聚体，可以采用相类似的单体、引发剂、交联剂进行相类似的单体、引发剂、交联剂进行吸水树脂的制备吸水树脂的制备甲壳质衍生物术语术语 解释解释 影影 响响引引发发剂剂 引发自由引发自由基聚合反应基聚合反应 用量：一般为单体的用量：一般为单体的0.010.8% 用量过多：用量过多： 网络变小网络变小 吸水率吸水率 用量过少：用量过少： 可溶部分增多可溶部分增多 吸水率吸水率交交联联剂剂 令聚合物令聚合物链相互交联链相互交联 决定了树决定了树脂空间网络脂空间网络的大小的大小 用量：一般为用量：一般为0.20.8% 用量过多：网络收缩用量过多：网络收缩 吸水率吸水率 用量太少：树脂溶解度用量太少：树脂溶解度 吸水率吸水率合成高吸水分子中一些重要术语合成高吸水分子中一些重要术语天然产物的接枝改性天然产物的接枝改性OOHOOCH2OHnOHHCe4+OOHOOCH2OHnHOHOOOOCH2OHnHHOH+Ce3+淀粉自由基H2CCHCN接枝聚合CH2CHCNn淀粉OH-水解CH2CHn淀粉COO-OOOHOCH2OHn-2OCH2OHOOHOOHn-2活 化17.5%NaOHmCH2CHCNK+盐引发剂CH2CHCN mOH水解OOOHOCH2OHOHn-2CH2CH2HNOCyCH2CHCOONax中和湿