超强吸水高分子材料实用教案

1、2021-12-1高分子吸附剂的定义(dngy) 是一种具有物质传递功能的高分子材料 利用高分子材料与被吸附物质之间的物理或者化学作用，使两者发生(fshng)暂时或者永久性结合，进而发生(fshng)各种功效 物理或者化学作用包括物理吸附，范德华力，静电力，配位键及离子键的形成第1页/共46页第一页，共47页。2021-12-1第2页/共46页第二页，共47页。2021-12-1Classification According to the source 天然Natural Absorbent polymeric materials always biodegradable 改性淀粉，纤维素

2、，壳聚糖（Modified starch，cellulose, chitosan） 合成Synthetic Absorbent polymeric materials 离子交换(l z jio hun)树脂（聚苯乙烯骨架）ion exchange resin 高分子螯合剂（骨架含O，N，P，S，可与金属形成配位键）polymeric chelator 高吸水树脂（骨架上含亲水基团，如-OH，-COOH，COOM，-NH2等）Super water-absorbent resin第3页/共46页第三页，共47页。2021-12-1第4页/共46页第四页，共47页。2021-12-1Molecul

3、ar architecture design 引入不同官能团调节极性Polarity 调整交联度(Cross-linking degree)改善(gishn)溶胀性(swelling capacity) 调节制备工艺以制备多规格多孔材料(Pore size and density)第5页/共46页第五页，共47页。2021-12-1第6页/共46页第六页，共47页。2021-12-1第7页/共46页第七页，共47页。2021-12-1第8页/共46页第八页，共47页。2021-12-1第9页/共46页第九页，共47页。2021-12-1第10页/共46页第十页，共47页。2021-12-1第1

4、1页/共46页第十一页，共47页。2021-12-1超强吸水高分子材料超强吸水高分子材料(cilio)优点优点(yudin)用途用途(yngt)一、吸一、吸 水水 原原 理理二、分类二、分类三、基本结构三、基本结构四、四、SAPSAP结构结构五、合成高吸水分子中一些重要术语五、合成高吸水分子中一些重要术语六、接枝共聚反应实例六、接枝共聚反应实例第12页/共46页第十二页，共47页。2021-12-1高吸水性树脂高吸水性树脂(Super Absorbent Polymer简称简称SAP)也称为也称为(chn wi)高吸水性树脂、超强吸水剂、高吸水性聚合高吸水性树脂、超强吸水剂、高吸水性聚合物，物

5、，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。是一种具有优异吸水能力和保水能力的新型功能高分子材料。 高吸水性树脂高吸水性树脂(shzh)第13页/共46页第十三页，共47页。2021-12-1既然安上既然安上super这个头衔这个头衔,那我们就要看看那我们就要看看(kn kn)它们和传统吸水材料的区别它们和传统吸水材料的区别普通普通(ptng)吸水材料吸水材料SAP超 强 吸 水 高 分 子 材 料超 强 吸 水 高 分 子 材 料(cilio)综述综述第14页/共46页第十四页，共47页。2021-12-1吸水能力高吸水能力高:可达自身可达自身(zshn)重量的几百倍至几千倍。重

6、量的几百倍至几千倍。SAP优点优点(yudin)吸水前吸水前吸水后吸水后超 强 吸 水 高 分 子 材 料超 强 吸 水 高 分 子 材 料(cilio)综述综述第15页/共46页第十五页，共47页。2021-12-1SAP优点优点(yudin)保水能力高:即使(jsh)受压也不易失水 超 强 吸 水 高 分 子 材 料超 强 吸 水 高 分 子 材 料(cilio)综述综述第16页/共46页第十六页，共47页。2021-12-1用途(yngt)超 强 吸 水 高 分 子 材 料超 强 吸 水 高 分 子 材 料(cilio)综述综述第17页/共46页第十七页，共47页。2021-12-1用途

7、(yngt)植物植物(zhw)(zhw)养护泥养护泥各式吸潮剂各式吸潮剂超 强 吸 水 高 分 子 材 料超 强 吸 水 高 分 子 材 料(cilio)综述综述第18页/共46页第十八页，共47页。2021-12-1第19页/共46页第十九页，共47页。第20页/共46页第二十页，共47页。一、吸一、吸 水水 原原 理理1.吸吸 水水 实实 质质化学化学(huxu)吸附吸附物理物理(wl)吸附吸附棉花棉花(min hua)、纸张、海、纸张、海绵等。绵等。毛细管的吸附原理。毛细管的吸附原理。有压力时水会流出。有压力时水会流出。通过化学键的方式把水和亲水通过化学键的方式把水和亲水性物质结合在一起

8、成为一个整性物质结合在一起成为一个整体。加压也不能把水放出。体。加压也不能把水放出。第21页/共46页第二十一页，共47页。H2O阶段(jidun)2吸水树脂(shzh)的离子型网络2.SAP2.SAP的吸水原理的吸水原理(yunl)(yunl)网络内外产生网络内外产生渗透压渗透压, ,水份进一步渗入水份进一步渗入. .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。 交交联联点点（内）（内）（外）（外）第22页/共46页第二十二页，共47页。 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,

9、其弹性(tnxng)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(jidun)3吸水剂微球吸水过程(guchng)的体积变化示意图 第23页/共46页第二十三页，共47页。第24页/共46页第二十四页，共47页。SAP合成合成(hchng)(hchng)高分子系高分子系淀粉淀粉(dinfn)(dinfn)系系纤维素系纤维素系二、分二、分 类类甲壳质衍生物第25页/共46页第二十五页，共47页。聚丙烯酸类聚丙烯酸类聚丙烯酸钠交联物聚丙烯酸钠交联物丙烯酸丙烯酸乙烯醇共聚物乙烯醇共聚物丙烯腈聚合皂化物丙烯腈聚合皂化物其它其它聚乙烯醇类聚乙烯醇类聚乙烯醇交联聚合物聚乙烯醇交联聚合物

10、乙烯醇乙烯醇其它亲水性单体接枝共聚物其它亲水性单体接枝共聚物其它其它纯合成纯合成(hchng)高分高分子子第26页/共46页第二十六页，共47页。淀粉类淀粉类淀粉淀粉丙烯腈接枝聚合水解物丙烯腈接枝聚合水解物淀粉淀粉丙烯酸共聚物丙烯酸共聚物淀粉淀粉丙烯酰胺接枝聚合物丙烯酰胺接枝聚合物其它其它纤维素类纤维素类纤维素接枝共聚物纤维素接枝共聚物纤维素衍生物交联物纤维素衍生物交联物其它其它其它其它多糖类多糖类(琼脂糖、壳多糖琼脂糖、壳多糖)、蛋白质类等、蛋白质类等天然高分子加工(ji gng)产物第27页/共46页第二十七页，共47页。第28页/共46页第二十八页，共47页。合成(hchng)超高吸水高

11、分子材料 目前(mqin)主要分为聚丙烯酸（盐） ，聚乙烯醇两大类。 其中，聚丙烯酸（盐）类的研究最多，产量最大。类别类别聚聚 丙烯酸（盐）类丙烯酸（盐）类 聚聚 乙乙 烯烯 醇醇 类类比比较较 吸水性强，工艺成吸水性强，工艺成熟，合成方法多样。熟，合成方法多样。 吸水倍率不及聚丙烯酸吸水倍率不及聚丙烯酸类类,但它的特点是吸水速度但它的特点是吸水速度快快,23分钟内即可达到饱和分钟内即可达到饱和吸水量的一半。吸水量的一半。三、基本三、基本(jbn)(jbn)结结构构第29页/共46页第二十九页，共47页。线型聚丙线型聚丙 烯烯 酸酸 结构结构(jigu)示示意图意图 合成(hchng)超高吸水

12、高分子材料第30页/共46页第三十页，共47页。80年代我国开始了对淀粉年代我国开始了对淀粉(dinfn)系高吸水性树脂的研究。系高吸水性树脂的研究。超强吸水剂的研究(ynji)起源于淀粉系，美国北方农业省研究(ynji)所从淀粉接枝丙烯腈开始，接着于1966年完成该项研究(ynji)，并投入生产。淀粉淀粉(dinfn)系超高吸水高系超高吸水高分子材料分子材料直链淀粉直链淀粉支链淀粉支链淀粉淀粉结构淀粉结构OHOHH OHO HHO HOOHH OO HHHHO HOOHH OO HOHHO H第31页/共46页第三十一页，共47页。纤维素系超高吸水高分子材料(cilio)OOOOOOO纤维素

13、结构纤维素结构(jigu)第32页/共46页第三十二页，共47页。区区别别与与联联系系 淀淀 粉粉 系系纤维素系纤维素系合成系合成系价格低廉、生物降解性能好价格低廉、生物降解性能好抗霉解性优抗霉解性优工艺简单，吸水、工艺简单，吸水、保水能力强保水能力强 吸吸水速度较快耐水水速度较快耐水解，吸水后凝胶解，吸水后凝胶强度大，保水性强度大，保水性强强.抗菌性好抗菌性好.但但可降解性差可降解性差.适适用于工业生产用于工业生产缺缺点点 合成工艺复杂，易腐败，耐热性合成工艺复杂，易腐败，耐热性不佳，吸水后凝胶强度低，长期保水不佳，吸水后凝胶强度低，长期保水性差，耐水解性较差性差，耐水解性较差。 优优点点

14、储量丰富，可不断再生，成本低储量丰富，可不断再生，成本低;无毒且能微生物分解，可减少对环境无毒且能微生物分解，可减少对环境的污染。的污染。共共同同点点 均是葡萄糖的多聚体，可以采用均是葡萄糖的多聚体，可以采用相类似的单体、引发剂、交联剂进行相类似的单体、引发剂、交联剂进行吸水树脂的制备吸水树脂的制备第33页/共46页第三十三页，共47页。甲壳质衍生物第34页/共46页第三十四页，共47页。第35页/共46页第三十五页，共47页。四、四、SAP结构结构(jigu) 主链或侧链上含有(hn yu)亲水性基团，如 -3、 -、 -2、 -等 吸水能力：-3-2- 低交联度的三维网络。网络的骨架低交联

15、度的三维网络。网络的骨架(gji)(gji)可以是淀粉、纤维素等天然高分子，也可以是合可以是淀粉、纤维素等天然高分子，也可以是合成树脂成树脂( (如聚丙烯酸类）。如聚丙烯酸类）。从化学结构看：从化学结构看：从物理结构看：第36页/共46页第三十六页，共47页。第37页/共46页第三十七页，共47页。淀粉聚丙烯酸钠接枝聚合物模型图淀粉聚丙烯酸钠接枝聚合物模型图微观(wigun)结构多孔网状结构多孔网状结构第38页/共46页第三十八页，共47页。术语术语 解释解释 影影 响响引引发发剂剂 引发自由引发自由基聚合反应基聚合反应 用量：一般为单体的用量：一般为单体的0.010.8% 用量过多：用量过多

16、： 网络变小网络变小 吸水率吸水率 用量过少：用量过少： 可溶部分增多可溶部分增多 吸水率吸水率交交联联剂剂 令聚合物令聚合物链相互交联链相互交联 决定了树决定了树脂空间网络脂空间网络的大小的大小 用量：一般为用量：一般为0.20.8% 用量过多：网络收缩用量过多：网络收缩 吸水率吸水率 用量太少：树脂溶解度用量太少：树脂溶解度 吸水率吸水率五、合成高吸水分子五、合成高吸水分子(fnz)中一些重中一些重要术语要术语第39页/共46页第三十九页，共47页。第40页/共46页第四十页，共47页。 天然(tinrn)产物的接枝改性第41页/共46页第四十一页，共47页。OOOHOCH2OHn-2OC

17、H2OHOOHOOHn-2活化17.5%NaOHmCH2CHCNK+盐引发剂CH2CHCN mOH第42页/共46页第四十二页，共47页。水解OOOHOCH2OHOHn-2CH2CH2HNOCyCH2CHCOONax中和湿料沉析烘干粉碎纤维素吸水树脂干料NaOH第43页/共46页第四十三页，共47页。原料原料糊化糊化通氮净化通氮净化硝酸铈胺硝酸铈胺硝硝酸酸丙烯腈丙烯腈氢氧化钠溶液氢氧化钠溶液离心中离心中(xn zhn)和和产品产品粉碎粉碎(fn su)调调PH 干燥干燥(gnzo)淀粉与丙烯腈制造实例淀粉与丙烯腈制造实例第44页/共46页第四十四页，共47页。制造制造SAPSAP的新方法的新方法(fngf)(fngf)微波法微波法高效节能，无环境污染高效节能，无环境污染加热加热(ji r)速度快、均匀、有选择性、无滞后效速度快、均匀、有选择性、无滞后效应应纸浆纸浆(zhjing)纤维纤维2.53.5min单体丙烯酸单体丙烯酸第45页/共46页第四十五页