超强高分子吸水材料的研究进展与应用.docVIP

高吸水树脂的现状、发展与前景 [摘要]本文综述了超强高分子吸水材料的发展历史、现状、发展方向及应用情况,并简述了超强高分子吸水剂的分类、结构特点、吸水机理及合成原理和方法。 [关键词]超强高分子吸水剂;高吸水性树脂;研究进展 超强高分子吸水材料即高吸水性树脂,是一类新型的功能高分子材料。它具有吸水量大 和保水性强两大特点,它可以吸收比自身重量高几百到几千倍的水,而且所吸入的水在适当的压力下也不会被挤出。这是传统的吸水材料如纸、海棉、泡沫塑料等所无法比拟的。 高吸水性树脂的研究与开发只有几十年的历史。60 年代初美国农业部北方研究中心的 L. A. Gugliemelli[1 ]等最早开始淀粉接枝丙烯腈研究,其后同中心的G. F. Fanta[2 ]等人接着研究,并与1966 年首先宣布,他们制定出了淀粉接枝丙烯腈高吸水性树脂,并指出,这种树脂比以往的任何材料的吸水性能都要好。他们的研究结果立即引起了世界各国的广泛关注,相继开展了这方面的研究,并取得了不错的进展。美国、日本、德国、法国等发达国家一直走在前列,到80 年代已实现了工业化生产。我国是从80 年代才开始高吸水性树脂研的,1982 年中科院化学所[3 ]在国内最先合成出聚丙烯酸钠类树脂,直至目前国内研究高吸水性树脂一直是一个热点,每年有大量的文献报道,已有专利几十项。但这些多是基础性研究,在应用研究和工业化生产方面与国外尚有很大的差距。 1 高吸水性树脂的分类与特点 高吸水性树脂的种类很多,总的来说,可以分成天然高分子与合成高分子两大类． 高吸水性树脂的品种很多,但目前国内外研究与应用最多的集中在: (1) 聚丙烯酸类和淀粉接枝丙烯酸类; (2) 聚丙烯腈水解物类和淀粉接枝聚丙烯腈水解物类; (3) 纤维素类; (4) 聚乙烯醇类。 其中应用最为广泛的聚丙烯酸类。 1．淀粉类 淀粉是一种原料来源广泛、种类多、价格低廉的多羟基天然化合物。与淀粉进行接枝共聚反应的单体主要是亲水性和水解后变成亲水性的乙烯类单体。目前合成高吸水树枝通常采用的是自由基型接枝共聚。 2．合成树脂系 它的种类很多，且随着研究的深入，也越来越多。主要有丙烯酸类、聚丙烯醇类等，其中以丙烯酸类最重要。 3．纤维系类 由于淀粉系高吸水性树脂的出现，人们想到用纤维素为原料制备高吸水树脂。纤维原料来源广泛，能与多种低分子反应，是近十年来高吸水树脂发展的一个方面。 4．有机-无机复合高吸水性树脂 20世纪80年代Pandurange等将高吸水性树脂与其他材料复合，发现可以有效地改善其耐盐性、凝胶强度、热稳定性和保水性等性能。因此有机-无机复合材料能得到迅速的发展，并在高吸水性树脂领域占据了重要天然高分子加工产物 各类高吸水性树脂的应用广泛程度是由它们各自的特点所决定的。对于淀粉类树脂,由 于它是由极性吸水基团组成的,吸水后凝胶强度比较低,在吸水状态下会发生缓慢水解,尤其 是在光照或加热情况下,容易出现凝胶溶解现象,因而淀粉类高吸水性树脂仅适合于一次性使 用。但是它无毒性,具有生物降解性,对环境无害。目前多用来制造妇女卫生巾和婴儿尿布。 纤维素是地球上最丰富的可再生资源之一,由于人口的增长,对粮食的需求增加,为了节约淀粉,人们对纤维素类高吸水性树脂的研究会越来越多。目前,这一类吸水树脂的吸水倍率普遍不高,这是有待解决的问题。 对于纯合成的高吸水性树脂,目前研究最多、产量最大的是聚丙烯酸类。这类树脂的聚合 方法和生产工艺都已相当成熟,生产的树脂的各种性能指标都较好。近年来人们不断探索新 的合成方法[4 ,5 ] ,使聚丙烯酸类树脂的吸水能力不断提高,并通过引入非离子性单体,提高了吸水树脂的耐盐能力。聚丙烯酸类高吸水树脂还有一个优点是经过适当处理后可以制成纤维状树脂,可以用一般的纺织机械加工制成成品,这大大简化了卫生用品的制造工艺。 聚乙烯醇类高吸水树脂的吸水倍率不及聚丙烯酸类,但它的特点是吸水速度快,2～3 分 钟内即可达到饱和吸水量的一半。如果它的吸水能力能进一步提高,有望成为重要的吸水材 料。 2 高吸水性树脂的结构特征与吸水机理 2. 1 结构特征 高吸水性树脂是在水溶性聚合物的基础上通过交联水解技术制得,它具有低交联度、高溶 胀率、不溶于水的结构和性能特征。 从化学结构看,高吸水性树脂主链或侧链上含有亲水性基因如羟基、酰胺基、羧基、磺酸基 等;从物理结构看,这是一个低交联度的三维网络。 2. 2 吸水机理 高吸水性树脂的吸水分几个阶段。最初阶段其吸水速率很慢,因为此时的吸水是通过毛 细管吸附和分散作用来实现的,接着水分子通过氢键与树脂的亲水基团作用,使之发生离解, 阴离子固定在高分子链上,阳离子则可以自由移动。随着亲水基因的进一步离解,阴离子数目 增多,离子之间的静电排斥力使树脂的网络扩张;同时为了维持