高吸水性高分子材料.ppt

高吸水性高分子材料 高吸水性树脂是近年开发的一种含有强的亲水性基团并具有一定交联度的功能高分子材料 过去的吸水性材料 如纸 棉 麻等吸水能力只有自知重量的15倍 40倍 去离子水 而且保水能力很弱 70年代中期 美国农业部首先开发出一种高吸水树脂 从此以后 各种类型的高吸水性树脂不断涌现 这些人工合成的树脂不溶于水 也不溶于有机溶剂 能吸收数百倍乃至数千倍自身重量的水 而且保水性很强 即使加压水也不会被挤出 因此引起世界各国科学家的广泛注意 近年来来 高吸水性树脂生产规模不断扩大 广泛应用于医疗卫生 建筑材料 环境保护 农业 林业及食品工业中 开发前景十分光明 高吸水性树脂的分类及制备 按合成类型分 可分为接枝共聚 羟甲基化及水溶性高分子交联三类 按原料组成分 可分为淀粉类 纤维素类及合成树脂类 淀粉类的制备 淀粉是亲水性的天然多羟基高分子化合物 以淀粉为骨架的高分子与亲水性的合成高分子接枝共聚 即为这类高吸水性树脂 例如 淀粉与丙烯腈接枝共聚 水解产物即得 制备方法 淀粉和丙烯腈在引发剂存在下进行接枝共聚 聚合产物在强碱存在下加压水解 接枝的丙烯腈变成丙烯酰胺或丙烯酸盐 干燥后即获得产品 机理 按自由基反应机理进行 引发剂采用使用最广泛的四价铈盐 硝酸铈胺溶于稀硝酸中 与淀粉形成络合物 后者分解时 四价铈离子还原成三价铈离子 而淀粉中 葡萄糖单元上羟基中的氢被氧化成H 以致淀粉形成自由基 同时伴随C2与C3键的断裂 淀粉自由基在丙烯腈单体存在下 随即引发单体接枝共聚 形成接枝链 这种树脂吸水率高 可达自身重量千倍以上 但长期保水性和耐热性较差 纤维素类的制备纤维素与淀粉相似 也可以作为接枝共聚的骨架高分子 接枝单体除丙烯腈外 还可使用丙烯酰胺 丙烯酸等 纤维素经羧甲基化制备高吸水性树脂由日本一公司开发成功 合成 纤维素 单氯醋酸 羟甲基纤维素纤维素高吸水树脂 纤维素高吸水性树脂吸水率比淀粉类差 但有特殊用途 如制造高吸水性织物 就可以用纤维素类高吸水性树脂与合成纤维混纺 合成树脂 1 聚丙烯酸系树脂例 丙烯酸类高吸水性树脂与淀粉类高吸水性树脂相比 具有更高的耐热性 耐腐蚀性及保水性 2 聚丙烯腈系树脂我国学者用腈纶废丝经水解后 用Al OH 3交联得到吸水达自重700倍的高吸水树脂 优点是成本低 废物利用 3 聚乙烯醇日本一公司开发出一种聚乙烯醇和顺酐反应制备高吸水性树脂的方法 方法是将顺酐溶解在有机溶剂中然后加入粉末状的聚乙烯醇 加热搅拌进行均相反应 使聚乙烯醇上的部分羟基酯化并引入羧基 然后用碱处理得到改性的聚乙烯醇树脂 4 聚环氧乙烷系 聚环氧乙烷交联得到的高吸水性树脂吸水能力不高 一般几十倍 但它是非电解质 耐盐性强 对盐水几乎不降低其吸水能力 前面我们说的吸水多少倍都是指去离子水或蒸馏水 如果是盐水 其吸水能力大打折扣 下降幅度甚至十倍以上 5 其它非离子型合成树脂 近年来 开发出了以羟基 醚基 酰胺基为亲水官能团的非离子型高吸水性树脂 但这类吸水性树脂吸水能力较小 一般只能达到50倍左右 通常不做高吸水材料 而是作为水凝胶使用 用于入造水晶体和酶的固定化方面 高吸水性树脂的分子结构和吸水机制 多数高吸水性树脂实际上是具有一定交联度的高分子电解质 可以用电解质的离子网络理论来解释 即在高分子电解质的立体网络构造的分子间存在可移动的离子对 由于显示高分子电解质电荷吸引力强弱的可移动离子的浓度在高吸水性树脂内侧往往比外侧高 即产生渗透压 正是由于这种渗透压及水平高分子电解质之间的亲合力 从而产生异常的吸水现象 高分子电解质离子网络结构 例如 含羧酸盐的高吸水性树脂在未与水接触时是固态网束 与水接触后亲水基与水作用 水渗入树脂内部羧酸钠离解为羧酸根离子和迁移性反离子Na 羧酸根离子不能向外扩散 Na 也不能自由渗入水中 这样就使网络结构内外产生渗透压 使水分子进一步渗入树脂网络结构内部 这样高分子链间出现纯溶剂区 部分钠离子向纯溶剂区扩散 导致高分子链上带净电荷 由于静电斥力 使高分子网束扩散 大量水分子封存于高分子网内 因为受网结构的束缚 水分子运动受到限制 从而阻挡了失水 吸水时高分子网链扩展 又引起该网链弹性收缩 这两种因素平衡的结果决定了高吸水性树脂的吸水能力 Flory总结实验规律 得出以下树脂吸水定量倍率的计算公式 吸水率 吸水后的重量 吸水前的重量 在网络中固定的电荷浓度 S 浓液中电解质的离子浓度 聚合物的亲水性 交联度 方程式右端第一项表示渗透压 第二项表示与水的亲合力 分母表示交联度 尽管这个公式计算树脂的吸水能力会有所误差 但是用它来分析影响吸水能力的因素所得的结构则是正确的 高吸水性树脂的基本性能 1 吸水性 吸水性是高吸水性树脂最重要的特性 一般树脂吸水量可达自重的500倍 1000倍 最高可达5300倍 从Flory公式可以看出 吸水性与交联度关系很大 未交联的聚合物是水溶性的 无吸水性 但如果交联度过大 网络空间偏小 也会降低吸水性 因此要控制适当的交联度 由于高吸水性树脂是高分子电解质 其吸水能力受被吸液的影响很大 例 水质pH值为3时 吸水能力为95ml g pH值为7 5时 则上升到339mml g 对非电解质 尤其是纯水 吸收率最大 对电解质 吸收率明显下降 2 保水性 高吸水性树脂与普通的纸棉吸水不同 纸棉吸水后加压可以把水重新挤出来 而高吸水性树脂则失水不多 这是因为吸水树脂一旦吸水就会溶胀成为凝胶状 高分子链被扩展而具有一定弹性 因此在加压下也不易挤出水来 3 吸水状态的凝胶强度 高吸水性树脂的凝胶强度用受重物挤压后的凝胶破碎程度来衡量 因为高吸水性树脂有一定的交联密度 所以凝胶强度较高 不易破碎 一般吸水量较低时 显示的强度越大 4 吸氨性 高吸水性树脂大多为含有羟基的阴离子聚合物 由于部分羟基液中和 部分仍显酸性 故可吸氨 具有除臭作用 其它性能 增粘性 由于吸水后成凝胶 故粘度较高 防雾性 加到塑料薄膜中 高吸水性树脂的应用开发 1 农业方面 土壤保水剂 改良剂 由于高吸水性树脂具有惊人的吸水性和保水性 因而可用作土壤保水剂 在干旱 水土流失严重的土壤中 添加大约 0 1 0 3 10 2 此类树脂 即可改善土壤的湿度及透气性 植物幼苗移植用保水剂 将被移植树苗的根部在含1 10 2高吸水性树脂凝胶中处理后 大大延长了移植保存期 根高了树苗成活率 此法也可用于蔬菜等经济作物及菌类的移植 如烟草移植 提高成活率30 提高种子发芽率 将树脂和其它物质配合制成种衣剂 包裹种子后 再播种 可提高发芽率10 增产20 左右 如和草拌种后 可大大提高飞播 种草的成活率 水果蔬菜保鲜 用高吸水性树脂开发出一种可调节水分的包装薄膜 用于包装果蔬 可在一定程度上调节局部体系的气氛 湿度 从而有效地控制水果蔬菜的呼吸代谢 起到保鲜作用 2 工业方面 涂料添加剂 高吸水性树脂在高湿度下能吸收水分 在低湿度下又能释放水分 为此可制成涂料涂敷于无纺布上 用于内墙装饰 防止结露 这种涂料还可用于电器仪表作防潮剂 工业脱水剂 可脱除有机溶剂中的水 如苯 乙醚 石油烃等与水不相溶物质中的水分脱除 建筑工业中的使用 在建筑工程中应用越来越普遍 如将树脂混在橡胶和混凝土中用作堵水剂 与聚氨酯 聚氯乙烯混合可作水密封剂 还可用作水泥养护剂 加少量树脂于水泥中 可吸收并保持大量水分 并缓慢放出 保证了水泥内部水化完全均匀 使制品强度高 医