高吸水性树脂介绍与应用

高吸水性树脂介绍与应用

一、 高吸水性树脂介绍：

高吸水性树脂又称为超强吸水剂，是一种含有羧基等强亲水性基团并具有一定交联度的水溶胀型高分子聚合物。不溶于水和有机溶剂，但具有吸水性和保水性亦具高分子材料的优点。

二、 高吸水树脂的分类：

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。

三、高吸水性树脂的结构：

高吸水性树脂是一种三维网络结构，它不溶于水而能大量吸水膨胀，形成高含水凝胶。高吸水性树脂的主要性能是具有吸水性和保水性，这是因为其分子中含有强吸水性基团和一定的网络结构，即具有一定的交联度。实验表明：吸水基团极性越强、含量越多，吸水率就越高，保水性也越好。而交联度需要适中，交联度过低则保水性差，尤其在外界有压力时水很容易脱除。

高吸水性树脂的微观结构因合成体系的不同而呈现出多样性。大多数高吸水性树脂是由分子链上含有强亲水性基团（如羧基、磺酸基、酞胺基、羟基等）的三维网状结构所组成。吸水时，首先是离子型亲水基团在水分子的作用下开始离解，阴离子固定在高分子链上，阳离子作为可移动离子在树脂内部维持电中性。由于网络具有弹性，因而可容纳大量水分子，当交联密度较大时，树脂分子链的伸展受到制约，导致吸水率下降。随着离解过程的进行，高分子链上的阴离子数增多，离子之间的静电斥力使树脂溶胀，同时，树脂内部的阳离子浓度增大，在聚合物网络内外溶液之间形成离子浓度差，渗透压随之增大，使水进一步进入聚合物内部。当离子浓度差提供的驱动力不能克服聚合物交联结构及分子链间的相互作用（如氢键）所产生的阻力时，吸水达到饱和。

四、高吸水性树脂的吸水机理：

高吸水性树脂吸水机理有多种解释，其中有两种占主要地位。一者认为高吸水性树脂吸水有3个原动力：水润湿、毛细管效应和渗透压。水润湿是所有物质吸水的必要条件，聚合物对水的亲和力大，必须含有多个亲水基团（如— OH 、—COOH等）；毛细管效应则能让水比较容易地扩散到聚合物中；渗透压可以使水通过毛细管扩散、渗透到聚合物内部，或者说，渗透压可以使水连续流向稀释聚合物固有电解质浓度的方向。二者则认为当水与高吸水性树脂分子表面接触时主要有3种相互作用：一是水分子与高分子中电负性强的氧原子形成氢键；二是水分子与疏水基团相互作用；三是水分子与亲水基团的相互作用。上述两种解释虽然表述不同，但二者的理论都是建立在高吸水聚合物的主体网络结构基础之上的，实质是相同的。 高吸水性树脂吸水后形成高含水凝胶，属于弹性凝胶。高吸水性树脂的出现促进了凝胶学理论的发展，弹性凝胶的基本规律和特性也适用于高吸水性树脂。在研究吸水性树脂的吸水理论中，最具代表性的就是Flory对凝胶研究过程中提出的热力学理论以及Omidian等提出的吸水动力学理论。

Flory-Huggins 热力学理论：Flory深入研究了高分子在水中的膨胀后，从聚合物凝胶内外离子浓度差产生的渗透压出发，导出了高吸水性树脂溶胀平衡时的最大吸水倍数。

吸水动力学理论：Omidian认为高吸水性树脂吸水时，一方面水向高吸水性树脂内部扩散；另一方面组成吸水剂的高分子链在水的作用下彼此分离、扩展。吸水速率取决于水向高吸水性树脂内部的扩散速率以及高分子链在水的作用下扩展的速率。他使用聚合物黏弹理论中的Voigt模型来定量解释高吸水性树脂在溶胀过程中吸水速率随时间急剧下降的现象，得出了

吸水倍率与吸水时间的函数关系。

五、高吸水树脂的合成方法：

目前主要有：溶液聚合、反相悬浮聚合和反相乳液聚合等三种方法。溶液聚合是由单体和引发剂溶于水中进行聚合反应的方法。自由基聚合、离子型聚合、缩聚等反应均可选用溶液聚合。其有着聚合体系粘度较低，混合传热容易，温度容易控制，不易产生局部过热；引发剂分散较均匀，引发效率高；产物分子量比较均匀，可制成多种形式的产品。但同时存在着由于单体浓度低，聚合速度慢，设备的利用率和生产能力较低；活性链向溶剂转移使聚合分子量较低。反相悬浮聚合是以油性物质为分散介质，以反应液等水溶液为分散液滴的合成方法。此法可以直接得到粒状产物，体系粘度低，聚合热易排除，分子量较高的产品。但不易除产物中分散剂的残留物。反相乳液聚合是将分散介质加入反应器中，再加乳化剂达到其临界胶束浓度充分搅拌使乳化剂溶解并分散均匀，通氮加热到反应温度后滴加配好的反应液，发生聚合反应，一定的时间后共沸脱水，经进一步处理后得到产品。其反应速度和分子量高但存在纯化问题和有机溶剂回收问题。

六、高吸水性树脂的应用：

高吸水性树脂的应用领域已经涉及多个行业，如卫生用品、医药用品、农业等：

1、卫生用品 ：高吸水性树脂在生理卫生用品方面的应用是比较成熟的一个领域，也是目前最大的市场, 约占总量的80 %。如婴儿襁褓、纸尿布、失禁片、妇女卫生巾、卫生棉、止血栓、生理棉、汗毛巾等产品中都可以应用高吸水性树脂。目前研究逐渐由其性能的改善转向卫生材料的轻薄型、较高的接触干燥性、最低的漏出率，对皮肤无刺激，具有抗菌、杀菌作用及长时间的吸水能力和长时间使用不折皱的效果等方面。 如采用反相悬浮聚合法合成了具有杀菌性能的高吸水性树脂，对微生物菌株均有杀灭和抑制其生长的作用，树脂中季铵基团的含量越高，树脂的抗菌效果越好，提高了卫生保障。

2、农林园艺及荒漠化治理方面的应用 ：高吸水性树脂不但吸水性、保水性极为优良，而且其在土壤中形成团粒结构，使土壤白天和晚上的温差缩小，同时还能吸收肥料、农药，防止肥料、农药以及水土流失，并使肥料、农药、水缓慢释放，增强肥料、农药效果，以及大大增强了抗旱效果。但具体应用目前十分有限，主要因为成本较高而且在土壤中的吸水能力不够，反复使用性较差。高吸水性树脂在这方面的应用还具有较大的潜力，今后应重点开发高吸水、保水并能反复使用而且成本较低的高吸水性树脂。并应进一步加强利用高吸水性树脂改良干旱贫瘠土壤，特别是改造沙漠方面的研究。

3、 生物医药 ：高吸水性树脂在生物体中的适应性已经有不少的学者进行过这方面的研究，结果表明某些合成和半合成的高吸水性物质，具有一定的生物适应性[34,35]。利用高吸水性材料具有极强的吸水性和保水性的特性，可制成和生物体含水量相近的各种组织材料，而且医药吸水性材料吸水后形成的凝胶比较柔软，具有人体适应性，如对人体无刺激性、无副反应、不发生炎症、不引起血液凝固等，这些都为其在医药上的应用创造了条件。

近年来，高吸水性树脂已被广泛应用于医药医疗的各个方面：超强吸水性材料可用于制备能吸收手术及外伤出血和分泌液，并可防止化脓的医用绷带、棉球和纱布等；用于接触眼镜、人体埋入材料、保温保冷材料等医疗用品的生产和制造中；用于制造人工玻璃体、人工角膜、人工皮肤、人工血管、人工肝脏、人工肾脏等人工器官；用于保持部分被测液的医用检验试片；用于制备含水量大、使用舒适的外用软膏：另外，高吸水性树脂还在缓释药物基材等制造中得到应用，能通过调节含水率改变药剂的释放速度，避免随时间推移，释放速度逐渐降低。

六、前景展望：

高吸水性树脂具有众多的用途和广泛的应用领域，随着生活水平的提高和石油资源的日益匮 乏，人们对其要求也在不断提高，高性能化、复合化、对环境友好是其未来发展的主要方向。