第八章高吸水性树脂.pptVIP

第八章 高吸水性树脂 1 简介 传统的吸水材料 一般的吸水材料例如纸、棉花和海绵以及泡沫塑料等，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，而且一旦受到外力作用，则很容易脱水，保水性很差。 由于上述的奇特性能，高吸水性树脂引起 了人们较大的兴趣。问世 30多年来，发展极其 迅速，应用领域已经渗透到各行各业。如在石 油、化工、等部门中被用作堵水剂、脱水剂、 等；在医疗卫生部门中用作外用药膏的基材、 缓释性药剂、抗血栓材料等；在农业部门中用 作土壤改良剂等。在日常生活，用作吸水性抹 布、一次性尿布、插花材料等。 2 高吸水性树脂的类型 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； 腈基、酯基水解。 根据原料来源高吸水性树脂主要可分为 淀粉类、 纤维素类 合成聚合物类 3 高吸水性树脂的吸水机理 3.1 化学组成和分子结构对吸水性能的影响 从化学组成和分子结构看，高吸水性树脂 是分子中含有亲水性基团和疏水性基团的交联 型高分子。从直观上理解，当亲水性基团与水 分子接触时，会相互作用形成各种水合状态。 水分子与亲水性基团中的金属离子形成配 位水合，与电负性很强的氧原子形成氢键等。 高分子网状结构中的疏水基团因疏水作用而易 于斥向网格内侧，形成局部不溶性的微粒状结 构，使进入网格的水分子由于极性作用而局部 冻结，失去活动性，形成“伪冰”（False ice） 结构。亲水性基团和疏水性基团的这些作用， 显然都为高吸水性树脂的吸水性能作了贡献。 实验证明，由于亲水性水合作用而吸附在 高吸水性树脂中亲水基团周围的水分子层厚度 约为5×10－10～6×10－10 m，相当于 2～3个水 分子的厚度。研究认为，第一层水分子是由亲 水性基团与水分子形成了配位键或氢键的水合 水，第二、三层则是水分子与水合水形成的氢 键结合层。再往外，亲水性基团对水分子的作 用力已很微弱，水分子不再受到束缚。 按这种结构计算，每克高吸水性树脂所吸 收的水合水的重量约为6～8 g，加上疏水性基 团所冻结的水分子，也不过15 g左右。这个数 字，与高吸水性树脂的吸水量相比，相差1～2 个数量级，而与棉花、海绵等的吸水量相当。 显然，还有更重要的结构因素在影响着树脂的 吸水能力。 研究发现，高吸水性树脂中的网状结构对吸水性有很大的影响。未经交联的树脂基本上没有吸水功能。而少量交联后，吸水率则会成百上千倍地增加。但随着交联密度的增加，吸水率反而下降。 由此可见，被高吸水性树脂吸收的水主要 是被束缚在高分子的网状结构内。据测定，当 网格的有效链长为10－9～10－8m时，树脂具有 最大的吸水性。网格太小，水分子不易渗入， 网格太大，则不具备保水性。此外，树脂中亲 水性基团的存在也是必不可少的条件，亲水性 基团吸附水分子，并促使水分子向网状结构内 部的渗透。 因为在普通水中，水分子是以氢键形式互相连结在一起的，运动受到一定限制。而在亲水性基团作用下，水分子易于摆脱氢键的作用而成为自由水分子，这就为网格的扩张和向网格内部的渗透创造了条件。 水分子进入高分子网格后，由于网格的弹 性束缚，水分子的热运动受到限制，不易重新 从网格中逸出，因此，具有良好的保水性。差 热分析结果表明，吸水后的树脂在受热至100 ℃时，失水仅10％左右；受热至150℃时，失 水不超过50％，可见其保水性之优良 高吸水性树脂吸收水后发生溶胀，形成凝 胶。在溶胀过程中，一方面，水分子力图渗入 网格内使其体积膨胀，另一方面，由于交联高 分子体积膨胀导致网格向三维空间扩展，使网 键受到应力而产生弹性收缩，阻止水分子的进 一步渗入。当这两种相反的作用相互抵消时， 溶胀达到了平衡，吸水量达到最大。 实际上，高吸水性树脂中亲水性基团的电解质离子强度对树脂的吸水能力也有决定性的影响。 在高吸水性树脂的立体网格间，高分子电 解质吸引着与它成对的可动离子和水分子。由于网格内外侧的可动离子浓度不同，使网络内侧产生比外侧高的渗透压。 正是这种渗透压升高的驱动力作用和高分 子电解质与水分子之间的亲和力，使聚合物产 生了异常的吸水现象。另一方面，网格的橡胶 弹性则抑制吸水过程的进行。这两种因素的平 衡决定了树脂的吸水能力。 4 高吸水性树脂的基本特性及影响因素 4.1 基本特征： 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～ 1200倍左右，最高可达4000倍以上，是纸和 棉花等