高吸水性高分子

高吸水性高分子的应用研究淮海工学院材料102周淑楠051002237摘要：高吸水性高分子基本上是具有与水亲和性高之离子基的高分子，高分子的分子间具架构结合的构造。其中具羧酸钠基的丙烯酸钠聚合体的架桥物，因产业生产轻易、成本低，故为最适用的吸水性高分子。关键字：高吸水性、架桥、网状化、亲水性、混合高分子。高吸水性高分子（Superabsorbentpolymers，简称SAP，也叫高吸水性树脂，超强吸水机，高吸水性聚合物），是一种能够吸收并保留相对于其本身质量要大得很多的液体的新型功能高分子材料。吸水高分子，属于水凝胶，能够通过和水分子连接的氢键吸收溶液。因此，高吸水性高分子吸水能力受溶液离子浓度影响。在去离子水和蒸馏水中，高吸水性高分子可以吸收500倍于本身重量（30-60倍于本身体积），但是如果放入0.9%盐水中，吸收能力下降到50倍于本身重量。溶液中的价态阳离子的出现会妨碍高分子与水分子形成价键的能力。总吸收性和膨胀能力由和高分子的交联类型和交联度所控制。低密度交联高吸水性高分子通常具有较高吸水能力，并膨胀到比较大的程度。高交联密度的高分子显示出来低吸收能力和膨胀能力。胶的强度较强，能在适当的压力下保持颗粒的形状。高吸水性高分子最大的用途是一次性个人卫生用品，比如小孩儿尿布，成人安全内裤和卫生巾。上个世纪80年代，由于担心和中毒性休克症有关，卫生棉条中不再使用高吸水性高分子。高吸水性高分子也被也可用于阻止水或地下电力通信电缆，园艺保水剂，以及废物的泄漏控制水的渗透液，以及电影或者舞台剧中人工造雪。高吸水性高分子是指其吸水能力超过自身质量数百倍甚至几千倍的吸附树脂，它属于功能高分子范畴。在吸水前，高分子的长链相互交缠，且分子链间以架桥结合形成三次元网目构造，故成一整体。但因高分子链上的羧酸钠基为亲水性，且易解离（于水中分解为离子与(离子），故吸水后即如溶解般扩大。高分子链网目内被水侵入后，羧酸钠基(－coo(na)中的离子即解离、离开，剩下羧酸基留在高分子链上，这些同带负电荷的羧酸基会互相排斥，于是使高分子链的网目进一步扩大，因此可吸收并保持更多的水。同时因三次元网目内保持很多离子与(离子，此高离子浓度的吸水的三次元网目构造产生的橡胶弹性力）之作用，当两种力量平衡时，水的吸收及高分子链的扩张均停止，形成安定水凝胶。一、制造高吸水性高分子时的架桥、不溶化方式使用架桥剂使网状化架桥剂具有二个以上可与羧基反应的官能基，故可形成分子间的架桥。导入架桥性单体使网状化导入divinyl化合物与高分子合成，可使网状化自行架桥使网状化丙烯酸盐聚合时，增大单体浓度使急速聚合，即可得不溶于水的高分子。使用此原理，经逆相乳化聚合即得自架桥型聚丙烯酸盐凝胶。光放射线照射网状化疏水性单体的共聚合使不溶化(架桥)长链烷基(c10~30)丙烯酸酯与短链烷基(c1~9)丙烯酸酯行三次元共聚合，则虽无化学架桥也可得凝胶。结晶性高分子中导入团块(block)使不溶化(架构)使用多价金属阳离子来架桥聚丙烯酸形成的阴离子性高分子电解质在低ph范围可与多价金属阳离子以离子结合生物复合物。金属阳离子有铝、铁、镉等，常用添加剂有a1(oh)3、a12so4、a1(ch3coo)3、cac12等。导入氢键结合使架桥pva水凝胶的冻结、解冻、干燥，可形成弹性体、明胶等天然胶。以聚丙烯酸钠系高吸水性高分子为例，在其制程中，以丙烯酸为单位的高分子要在碱中行中和处理，使变成以亲水性高的丙烯酸钠为单位的高分子，藉由中和处理，高分子的分子链亦架桥而形成三次元网目制造聚丙烯酸钠架桥体的高吸水性高分子之途径有四，产业生产上，为获得高效率，高质量且安定的高吸水性高分子，多采用第二途径。欲获得高质量的高吸水性高分子，聚合时基本聚合物的分子量、分子量分布要严密控制，架桥点要均一，聚合粒子的表面状态，粒径也是调整要点，因此聚丙烯酸钠系高吸水性高分子的合成，是用逆相悬浮聚合法（在有机溶剂中将含单体原的水溶液以粒状分散后再聚合），聚合条件要小心控制。二、高吸水性高分子材料从结构上来说主要具有以下特点：1）分子中具有强亲水性基团，如羟基、羧基等，聚合物分子能与水分子形成氢键或其他化学键，因此对水等强极性物质有一定表面吸附能力；2）聚合物为交联型高分子，在溶剂中一般不溶解，吸水后迅速溶胀，体积增大许多倍，由于水被包裹在呈凝胶状的分子网络内部，不易流失与挥发；3）高吸水性高分子材料一般具有特殊的立体结构，有利于吸水后保持一定的机械强度，保持水分；4）聚合物应该具有较高的分子量，分子量的增加，溶解度下降，吸水后的机械强度也增加，同时吸水能力也可以提高。三、近代高吸水性高分子的合成：共聚物化学高吸水性高分子通常在引发剂的存在下由丙烯酸和氢氧化钠混合进行聚合来生成聚合丙烯酸钠盐（有时指的是丙烯腈钠）。这种聚合物是现在世界上高吸水性高分子中最普通的类型。其他材料也被用来生产高吸水性高分子，诸如聚丙烯酰胺共聚物，乙烯与马来酸酐共聚物，交联羧甲基纤维素，聚乙烯醇共聚物，交联聚环氧乙烷和淀粉接枝聚丙烯腈共聚物。淀粉接枝聚丙烯腈共聚物是最早的高吸水性高分子形态。现在高吸水性高分子主要用下面两种方法中的一种生产：溶液聚合或悬浮聚合。两种过程和其他的比起来都有优点，也能产出质量一致的产品。1、溶液聚合溶液聚合物以溶液的形式提供粒状聚合物的吸水性，在用前可以将溶液和密封罐蒸馏。管子上可以涂上大多数底物，用来饱和。在特定温度下干燥一定时间，结果是底层附上具有高吸水性的物质。比如，这个化学可以直接用在电线或电缆上，尽管这个过程针对辊状物体或者层状底物组分进行特别的优化。溶液聚合现在是高吸水性高分子生产最普通的过程。这一过程有效，通常耗费较低。溶液过程采用水基单体来生产一定量的反应聚合胶。聚合的反应能（放热）被用来驱动这一过程，来减少生产成本。反应物聚合物胶然后被粉碎，干燥并研磨到最终的粒径。任何提高高吸水性高分子性能的措施通常在最终粒径完成后进行。2、悬浮聚合有些公司实践了悬浮液过程，因为在聚合过程中，它可以提供较高的生产控制和产品工程水平。这一过程，将水基反应物悬浮在烃基溶液。最终的结果是悬浮聚合能够在反应器中生成初级高分子颗粒而不是在反应后机械粉碎。在反应阶段中或者后也可以进行性能增强。高吸水性材料在生产生活中的应用:复合材料和层压板、杀虫剂和除草剂的释放控制(或用于某些生医药物的释放控制研究)、尿布和失禁服、过滤应用、阻燃凝胶、香水携带剂、青蛙带(设计用于乳胶漆的高科技胶带)、水胀玩具（例如：水晶宝宝、尸垫、不动水床、泄漏控制、手术垫等。四、耐盐性的改良高吸水性高分子朝多方面研发其用途时，所遭遇的问题为会受水中?类之影响而使吸水倍率下降。以代表性的丙烯酸钠系高分子架桥体为例，其在纯水中的吸水重量为本身重量的500倍，在自来水中时为300倍，在尿或生理食盐水中约50倍，海水中时仅7倍，随著盐浓度的增加，吸水倍率即下降。这是因盐类所带来的离子使高吸水性高分子的离子无法解离，因而无法藉静电排斥使高分子链的网目扩大之故。尤其是钙盐、镁盐、铝盐所带来的多价金属离子，会于高吸水性高分子中结合，使吸水倍率大幅下降。改良其耐盐性使不受盐类影响的方式有以下三个：(1)使用不与金属离子结合的非离子性亲水基来构成高吸水性高分子。(2)并用离子交换树脂或螯合剂，来除去会影响高吸水性高分子的金属离子。(3)用不易与多价金属离子结合的解离基来构成高吸水性高分子。其中(1)法有使吸水倍率降低、吸水速度缓慢及耐久性变劣等问题；(2)法的价格高，长期应用影响成本；(3)法的改良方法最受重视，相关研发与专利也最多。例如导入羧基、氢氧基以外的亲水基，如磺酸基、磷酸基等。耐盐性改良后的高吸水性高分子，用于水泥管止水环、与海水接触的密封材、含肥料之土壤保水材等用途上，均能发挥良好性能。五、水的构造与高吸水性高分子的关系为充分发挥高吸水性高分子的性能，对水作进一步的了解是有必要的，水的化学式为h2o，但在液态的场合，它几乎是不以单分子形态存在的。水分子藉氢链接合而形成数个～数十个的集团(cluster)。此常温下的液态水在加热后，由氢链接合而成的水分子集团即崩解，成为单分子的水蒸气。固态的冰则是排列整洁地藉氢链接合形成巨大的集团。高吸水性高分子材料按照原料的不同可以分3类：淀粉系列、纤维素系列和合成系列。前两类以淀粉或纤维素为主要原料，在主链上接枝共聚上亲水性或水解后为亲水性基团的烯烃单体；后一类主要由聚丙酸型树脂或聚乙烯醇型树脂为主要原料，经过适度的交联即可制得，近年来已经成为了高吸水性高分子材料的热点。六、高吸水性高分子的开发动向自从1974年美国农业部研发所发表高吸水性高分子的开发后，日本的住友、三洋化成、花王、日本合成、昭和电子、日本触媒化学……等树脂厂商亦相继投入研发，使得相关的专利申请案件大幅增加，每年达二百余件。在1980年前后，高吸水性高分子的最重要使用即为生理用品、纸尿布方面，而随著使用的扩增，汽车、电机、土木／建筑等行业亦加入使用研发的行列。根据专利申请的内容，可看出其在研发研发的趋势。最近，在感应器等电机、电子零件或光学显示元件、机械化学材料（因化学刺激而产生气械能的材料）等机能性材料之研发很多，以高吸水性高分子作为医疗载体，对新药的研发有很大帮助。以高吸水性高分子为对象的研发，则一面倒向聚丙烯酸盐系，另混合高分子组成型，或n－取代丙烯酸胺系高分子、pva冻结型等高架桥型亦逐渐发展中。高分子微粒子的制造与使用科技未来定义奈米技术的正式用语，则是一针见血的表现。所谓超微细科技一语吾人最直接思索的对象即是粒子，微米粒子的全球已经不足为奇，如今进步到千分之一微米的奈米粒子，则在制法与使用上带来革命性的突破。超微细粒子在。七、水性高分子共掺混之性质讨论高吸水性树脂(SAP)简介倍,并可在数秒内生成凝胶,且保水性强,在受热,加压条件下也不易失水,对光,热,酸碱的稳定性好,具有良好的生物降解性能,同时又具备高分子材料的优点.高吸水性树脂是我公司与中国科技大学经过几年的研究共同开高分子微粒子的制造与使用科技未来(续)衍生的特征来分析其用途时，则更轻易理解其实际的使用价值。换言之，以高分子微粒子为核心的科技，可以涵盖聚合科技、接著原理、高分子纯化、微粒化、高分子设计、机能设计、涂布与造型、设备系统研发、热传媒体科技。高分子材料的使用、研发与改性常识简介橡胶裂解可得异戊二烯，但是不知它们之间如何连接以及它的末端结构，因为也认为是二聚环状结构的缔合体。科学科技的发展使科学家们有可能用物理化学和胶体化学的方式去研发天然和实验室合成的高分子物质的结构。液晶高分子的最近行情与使用发展>液晶高分子(liquidcrystalpolymers,简称lcp)是众多高分子材料当中，结构与性能相称非凡的族群。最近在技术水性聚胺酯/聚苯胺互穿高分子网状结构体的研发h)引进双马来西亚胺改质的聚胺酯的链上，接著将苯胺单体加到双马来西亚胺改质的聚胺酯。藉由磺酸的存在掺杂聚苯胺以增加两者之间的兼容性，进而形成逐步聚合型高分子网状结构体。希望藉由兼容性的提高可以得多孔性生物高分子制备简介药物释放系统的使用甚为广泛，其中多孔性基材制备的科技发展扮演了要害的角色。以组织工程为例，其要害科技即是使用生物可分解性的高分子，研发出具有三度空间骨架的基材，配合细胞、成长养份、药物及活性因子的植入。生医材料用之聚胺脂与几丁聚醣互穿型高分子网状结构之研发盐官能基含量的puipn薄膜.另外由于几丁聚醣具有良好的生物兼容性及无毒性,故籍由起始剂的起始将其与水性聚胺酯形成互穿型高分子网状结构(ipn)薄膜,以期得到一种机械性质良好,生物兼容性佳及抗凝血高吸水性高分子吸水后形成的吸水凝胶，是高分子的亲水基与水分子混合形成氢链而成，而高分子之分子链所构成的三次元网目又与水分子集团交错渗透，这是高吸水性高分子所以能够大量吸水的原因。高吸水性高分子的亲水性官能基之周边，如图8所示，可视为有不冻水（a领域）、拘束水（b领域）、自由水（c领域）等三种水的存在，此项假设已藉由nmr、dsc的仪器试验证明。不冻水是指水分子与亲水基行氢链接合而被固定之范围的水，在－20℃也不会结冻；拘束水是指与不冻水连结的水分子之范围的水，－10℃以下才会冻结；而0℃以下即急速冻结的是自由水。与高吸水性高分子结合而不冻结之水的存在，就犹如冬天的树木细胞中有不冻结的水存在一样，是很自然的事。参考文献1、赵文元,王亦军.功能高分子材料化学[M].北京：化学工业出版社,1996:2592612、邹新禧,超强吸水剂[Ｍ].北京:化学工业出版社，1991：6567.3殷树梅,李文