水溶性高分子教材

第四章丙烯酸和甲基丙烯酸聚合物

4.6.3高吸水性树脂

7/2/20241Contents概述吸水原理分类特性应用发展趋势7/2/20242？7/2/20243纸、棉花和海绵以及后来的泡沫塑料等。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，一旦受到外力作用，则很容易脱水，保水性很差。一、概述7/2/20244V.S普通吸水材料SAP一、概述7/2/20245吸水能力高:可达自身重量的几百倍至几千倍。吸水前吸水后一、概述7/2/20246保水能力高:即使受压也不易失水7/2/20247

高吸水性树脂也称为超强吸水高分子材料、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。是一种含有强亲水性基团并通常具有一定交联度的高分子材料。一、概述7/2/20248自1966年美国农业部北方研究所Fanta等制得了最早的高吸水性脂———部分水解的淀粉接枝丙烯腈共聚物后,这种通过对天然产物进行接枝改性来制备高吸水性树脂的研究逐渐成为研究热点,形成了一个独立、新兴的科研领域。日本、美国和西欧在这一领域一直处于领先地位,他们对淀粉接枝丙烯腈的工艺提出了很多改良方案,并申请了专利,如用甲醇-水混合溶剂进行水解,不仅解决了水解难题,同时提高了吸水速率。1975年美国成功研究出“淀粉聚丙烯腈接枝”的高吸水产品并进入市场；随后日本三洋化成公司考虑到丙烯腈单体残留在聚合物中会有毒性,不安全，而开发出“淀粉-丙烯酸交联性单体接枝共聚物。1978年日本批准了高吸水性树脂应用于生理卫生材料,并最先将它应用于卫生品;UCC公司还报道了用放射线对各种氧化烯烃作交联处理,合成非离子型高吸水性树脂,其吸水性能力为2000倍,从而打开了合成非离子型高吸水性树脂的大门。20世纪80年代后,欧、美、日各大化学公司相继开发出各种类型具有保水功能的高吸水性树脂,并对制造方法、树脂性能、应用领域进行了大量的研究。发展历程7/2/20249我国高吸水性树脂的研究工作起步较晚，还处在初级阶段，产品主要用于农业方面。近年来，我国在高吸水性树脂方面的研究也取得了一些成果。eg：北京大学完成了淀粉-丙烯酸盐系列和丙烯酸-丙稀酰的研究；武汉大学利用腈纶废丝制备了高吸水性脂；南开大学进行了淀粉-聚丙烯腈接枝共聚物的研究；广州化学所进行了纤维素-丙烯腈的研究等，都取得了很好的成果。近年来国内采用射线辐射引发接枝共聚、用微波照射聚合等，这些研究为发展我国的高吸水性树脂奠定了坚实基础。7/2/202410SAP是怎样吸水的？？7/2/202411二、吸水原理1.吸水实质化学吸附物理吸附棉花、纸张、海绵等。毛细管的吸附原理。有压力时水会流出。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体。加压也不能把水放出。7/2/202412H2O阶段2吸水树脂的离子型网络SAP的吸水原理网络内外产生渗透压,水份进一步渗入.阶段1

较慢。通过毛细管吸附和分散作用吸水。水分子通过氢键与树脂的亲水基团作用,亲水基团离解,

离子之间的静电排斥力使树脂的网络扩张。

交联点（内）（外）7/2/202413

随着吸水量的增大,网络内外的渗透压差趋向于零;而网络扩张的同时,其弹性收缩力也在增加,逐渐抵消阴离子的静电排斥,最终达到吸水平衡。阶段3吸水剂微球吸水过程的体积变化示意图

7/2/202414SAP有哪些种类？？7/2/202415SAP合成高分子系淀粉系纤维素系三、分类7/2/202416高吸水性树脂分类分类方法类别按原料来源分类淀粉类；纤维素类；合成聚合物类：聚丙烯酸盐系；聚乙烯醇系；聚氧乙烯系等。按亲水基团引入方式分类亲水单体直接聚合；疏水性单体羧甲基化；疏水性聚合物用亲水单体接枝；腈基、酯基水解。7/2/202417以制品形态分类，高吸水性树脂可分为粉末状、纤维状、膜片状、微球状等。以制备方法分类，高吸水性树脂可分为合成高分子聚合交联、羧甲基化、淀粉接枝共聚、纤维素接枝共聚等。以降解性能分类，SAP可分为非降解型(包括丙烯酸钠、甲基丙烯酸甲酯等聚合产品)、可降解型(包括淀粉、纤维素等天然高分子的接枝共聚产品)。7/2/202418SAP的特性怎样？？7/2/202419四、高吸水性树脂的基本特性

高吸水性

加压保水性吸氨性增稠性7/2/2024201高吸水性

作为高吸水性树脂，高的吸水能力是其最重要的特征之一。从目前已经研制成功的高吸水性树脂来看，吸水率均在自身重量的500～12000倍左右，是纸和棉花等材料吸水能力的100倍左右。7/2/202421视频7/2/202422

考察和表征高吸水性树脂吸水性的指标通常有两个：吸水率吸水速度7/2/2024231.1吸水率吸水率是表征树脂吸水性的最常用指标。物理意义为每克树脂吸收的水的重量。单位为g水/g树脂。影响树脂吸水率有很多因素，除了产品本身的化学组成之外，还与产品的交联度、水解度和被吸液体的性质等有关。7/2/202424

高吸水性树脂在未经交联前，一般是水溶性的，不具备吸水性或吸水性很低，因此通常需要进行交联。实验表明，交联密度过高对吸水性并无好处。交联密度过高，一方面，网格太小而影响水分子的渗透，另一方面，橡胶弹性的作用增大，也不利于水分子向网格内的渗透，因此造成吸水能力的降低。（1）交联度对吸水性的影响7/2/202425高吸水性树脂的吸水率一般随水解度的增加而增加。当水解度高于一定数值后，吸水率反而下降。这是因为随着水解度的增加，亲水性基团的数目固然增加，但交联剂部分也将发生水解而断裂，使树脂的网格受到破坏，从而影响吸水性。（2）水解度对吸水率的影响7/2/202426高吸水性树脂是高分子电解质，水中盐类物质的存在和pH值的变化都会显著影响树脂的吸水能力酸、碱、盐的存在，一方面影响亲水的羧酸盐基团的解离，另—方面由于盐效应而使原来在水中应扩张的网格收缩，与水分子的亲和力降低，因此吸水率降低。（3）被吸液的pH值与盐分对吸水率的影响7/2/202427在树脂的化学组成、交联度等因素都确定之后。高吸水性树脂的吸水速度主要受其形壮所影响。一般来说，树脂的表面积越大，吸水速度也越快。所以，薄膜状树脂的吸水速度通常较快，而与水接触后易聚集成团的粉末状树脂的吸水速度相对较慢。4.1.2吸水速率7/2/202428

与纸张、棉花、海绵等吸水材料相比，高吸水性树脂的吸水速率较慢，一般在1分种至数分钟内吸水量达到最大。树脂形状对吸水速率的影响7/2/202429纸张、棉花和海绵等材料：物理吸水作用高吸水性树脂的吸水能力是由化学作用和物理作用共同贡献的。即利用分子中大量的羧基、羟基和酰氧基团与水分子之间的强烈范得华力吸收水分子，并由网状结构的橡胶弹性作用将水分子牢固地束缚在网格中。一旦吸足水后，即形成溶胀的凝胶体。这种凝胶体的保水能力很强，即使在加压下也不易挤出来。2加压保水性7/2/202430例如，将300g砂子与0.3g（0.1％）高吸水性树脂混合，加入100g水，置于20℃、相对湿度60％的环境下，大约30天后，水才蒸发干，而如果不加高吸水性树脂，则在同样条件下，只需7天，水分就完全蒸发。7/2/202431高吸水性树脂与棉花保水性比较吸水材料吸收液吸液率（g/g）未加压加压7kg/cm2棉花去离子水尿液40322.11.8HSPAN去离子水尿液85054810407/2/202432

高吸水性树脂一般为含羧酸基的阴离子高分子，为提高吸水能力，必须进行皂化，使大部分羧酸基团转变为羧酸盐基团。但通常树脂的水解度仅70％左右，另有30％左右的羧酸基团保留下来，使树脂呈现一定的弱酸性。这种弱酸性使得它们对氨那样的碱性物质有强烈的吸收作用。3吸氨性7/2/202433高吸水性树脂的这种吸氨性，特别有利于尿布、卫生用品和公共厕所等场合的除臭高吸水性树脂不仅能吸收氨，使尿液呈中性，同时还有抑制尿素酶的分解作用的功能，从而防止了异味的产生。7/2/202434吸水性材料吸氨能力的比较7/2/202435聚氧乙烯、羧甲基纤维素、聚丙烯酸钠等均可作为水性体系的增稠剂使用。高吸水性树脂吸水后体积可迅速膨胀至原来的几百倍到几千倍，因此增稠效果远远高于上述增稠剂。例：0.4％（wt）的高吸水性树脂，能使水的粘度增大约1万倍，普通的增稠剂，加入0.4％，水的粘度几乎不变。需要加入2％以上才达到这么高的粘度。4增稠性7/2/202436既然有如此多的优点，？7/2/2024371.日常生活和卫生用品(1)高吸水树脂制作的日常卫生用品有婴儿一次性尿布、宇航员尿巾、妇女卫生用品、餐巾、绷带、手术床衬垫等。例如，一般日常卫生用品的高吸水树脂用量约为5-10％。在总重量为5克的卫生用品中含0.4克高吸水性树脂，吸液率为120克左右，提高70％，同时还能吸收异味，保湿性好，重量轻。五、应用7/2/202438(2)高吸水树脂用作公共厕所、车站、码头等人流量大的公共场所和家庭等的芳香除臭剂，有其独特的效果。(3)利用高吸水树脂的增稠性，可用于化妆品、洗涤剂、水性涂料等的增稠剂。7/2/202439各式吸潮剂7/2/2024407/2/2024412.农业应用(1)将高吸水树脂加入土壤中，可改善土壤的结构，增加透气、透水和保水性能，避免肥料的流失。有利于植物根系的生长发育。例，在土壤中加入0.1%高吸水性树脂，可使小麦平均增产10-15%，烟草增产35-40%，种子发芽周期缩短2-3天。(2)高吸水性树脂用作苗木移植保水剂，可大大降低苗木死亡率。例，将山茶花树苗根部裸露放置24h后移植，成活率为零；而若将它们的根部在0.1%SanwetIM-300水溶胀液中浸渍后放置24h，然后移植，成活率均达100%。7/2/2024427/2/202443植物养护泥7/2/202444植物保水剂7/2/2024453.工业应用(1)利用高吸水性树脂的增稠性和润滑性，将其混入水泥浆或灰浆，可改善运输状况，提高土建工程的效率。(2)将高吸水树脂与塑料或橡胶混合制成密封材料，此材料一到水就急速膨胀，因此具有很好的密封性。(3)利用高吸水性树脂的吸水性大，同时几乎不吸收油和非极性溶剂的性质，可将高吸水性树脂用作工业脱水剂。7/2/2024467/2/2024474.医疗卫生材料

利用高吸水性树脂的物性可以用来防止血栓的形成，用于能保持部分被检液的医用检验试片，还可用高吸水树脂作为控制药物释放速度的载体。另处在人造皮肤、避孕药剂、软膏、隐形眼镜等方面应用也越来越深入。7/2/2024487/2/202449其他方面在高吸水性树脂中加人香料和乳化剂制成空气清新剂;在污水处理中，可用作絮凝剂，吸附回收重金属离子。7/2/202450六、发展趋势

20世纪90年代以来，我国对高吸水性树脂的研究取得很大进展，但与国外相比还存在较大差距，今后我国高吸水性树脂的发展方向需要明确。1、高性能化吸水性树脂吸水倍率和吸水速率是高吸水性树脂的主要性能指标，但二者似乎是冲突的。离子型高吸水性树脂吸水倍率高，但吸水速率慢；而非离子型高吸水性树脂则刚好相反。二种性能均优异的高吸水性树脂是研发的目标。7/2/2024512、高吸水性复合材料复合化是材料发展的必然趋势，高吸水性树脂也不例外。高吸水性树脂可与无机物、有机物、高分子等复合，制备出性能优良、成本较低的吸水性复合材料。3、环境友好型高吸水性树脂

石油资源的日益枯竭及废弃高分子材料对环境造成的危害已经引起世界范围的高度重视，因此，研究开发环境友好型可降解高吸水性树脂也是大势所趋。7/2/202452[1]李杨,王百田.高吸水性树脂对沙质土壤物理性质和玉米生长的影响[J].农业机械学报,2012,43(1):76-82.[2]孔祥明,张珍林.高吸水性树脂