高吸水性树脂

高吸水性树脂SuperabsorbentPolymers

高吸水性树脂是一类具有强亲水性和特殊吸湿能力的高聚物的总称。从结构上看，高吸水性树脂是含有大量的亲水性基团(如羧基、羟基、羧酸盐基、酰胺基等)的低交联度的三维空间网络，一方面具有高分子电解质的分子扩张性能，同时由于其微交联三维网络结构阻碍了分子的进一步扩张，所以可以吸收和保持自身重量几百甚至几千倍的水，而且在加压和加热下也不容易脱水。

高吸水性树脂的两个显著特点：高吸水性和高保水性。高吸水性树脂应用广泛，主要应用于卫生用品、农业等方面，如土壤改良、农林园艺中育苗保苗等，使灌溉节水，并能提高农作物产量。高吸水性树脂概况高吸水性树脂分类天然高分子加工产物淀粉-丙烯晴接枝聚合水解物淀粉-丙烯酸共聚物淀粉-丙烯酰胺接枝共聚物其他淀粉类纤维素接枝共聚物纤维素类纤维素衍生物交联物其他纤维素类去其他多糖类:琼脂糖、壳多糖衍生物

淀粉类

聚丙烯酸SAP是由分子链上含有强亲水性基团(如羧基、磺酸基、酰胺基、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，而阳离子作为可移动离子在树脂内部以维持电中性。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得树脂溶胀；同时，树脂内部的阳离子浓度增大，网络内外的渗透压随之增大，使水进一步进入。随着吸水量的增大，树脂内部的阳离子浓度降低，树脂内外的渗透压渐渐趋近于零。树脂的网络扩张产生的弹性收缩力也增加，最终与阴离子的静电斥力相等达到吸水平衡，其中渗透压差是吸水的关键。SAP的溶胀（吸水）热力学理论弹性凝胶理论1953年，Flory从热力学的角度出发，运用弹性凝胶理论推出了SAP溶胀能力的数学表达式:

式中Q为吸水率，S为外部溶剂的离子强度，X1为Flory-Huggins的相互作用参数，V1为高分子的比容积，(1/2-X1)/V1表示对水的亲和力，Ve

为交联单体单元的体积，V0为单体单元的总体积，Ve/V0表示交联密度，Vu为单体单元的摩尔体积，i为电荷密度，i/Vu表示固定在树脂上的电荷密度。式中的第一项表示渗透压，第二项表示与水的亲和力。公式定量地指出了SAP的吸水倍数和交联度、对水的亲和力、外界离子强度、固定在树脂上的电荷密度之间的关系。结论：对于离子性树脂，i/Vu为一个较大值，所以吸水率Q较大；对于非离子型的SAP来讲，由于没有第一项，吸水能力较离子型的差。SAP的另一重要理论基础是田中教授的相转变理论。凝胶的相转变现象：将凝胶浸在溶剂中时，若溶剂的组成和温度缓慢改变时，凝胶的体积也缓慢变化，但这种变化是不连续的，这种现象称为凝胶的相转变现象。相转变现象是在任何凝胶中都能发现的普遍现象，SAP作为凝胶中的一种，也存在相转变现象。该理论认为：凝胶在外界条件的变化下，其体积的改变由它的渗透压所决定。当凝胶处于平衡状态时，其渗透压等于零。结论：高分子越硬，且每条高分子的抗衡离子数越多，凝胶相转变的体积变化率就越大，相转变温度就越低。凝胶的相转变理论是SAP吸水理论的基础之一，它开辟了SAP在开关、机器人调节器、记忆元件等方面应用的道路，对SAP的开发和应用具有重要的意义。相转变理论SAP的吸水性能包括最大吸水率、吸水速率和凝胶强度等。高的吸水率和凝胶强度、快的吸水速率往往是人们追求的主要指标，也是SAP实际运用时考虑的主要参数。影响吸水率的因素树脂本身的结构以及外界溶液的性质是影响SAP吸水率的主要因素。亲水基团的亲水性越强，树脂与水的亲和力也就越大，吸水率越高。亲水基团的亲水能力大小次序为：—SO3H>—COOH>—CONH2>—OH。树脂上的电荷密度越大，吸水率越高。响淀粉接枝共聚物吸水率：当分子链上的电荷密度达到35%时吸水率达到最大值，大于35%后随着电荷密度的增大吸水率反而下降。这是由于当树脂上电荷密度太高时，高分子链充分伸展，使得相邻电荷之间的距离过远，影响了电荷之间协同效应的充分发挥，从而使吸水率下降。影响吸水性能的因素

吸水率随交联度的增大而降低。从提高吸水倍数的角度考虑，应在保证树脂不溶解的前提下，尽可能地降低交联度。外部溶剂的离子强度（包括离子的浓度和价数）越大，树脂网络内外的渗透压越低；同时，固定在树脂上的电荷会受到外界离子的屏蔽作用，降低静电斥力。这两种因素都导致吸水倍数的下降。离子型SAP在生理盐水中的吸水倍数为去离子水中的1/10左右，耐盐性差；而非离子型树脂由于受离子屏蔽效应的影响小，耐盐性优于离子型树脂。不同盐对吸水倍数的影响不同，其影响次序为:NaCl<Na2SO4<MgCl2<CaCl2。

SAP在盐水中的吸水倍数是评价其性能的一个重要指标。如何提高离子型SAP的耐盐性是亟待解决的问题。影响SAP吸水速率的因素

SAP吸水时，一方面水向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SAP内部的扩散速率以及高分子链在水的作用下扩展的速率。吸水速率的因素主要有：吸水剂的种类、表面积大小以及表面结构。离子型高吸水树脂的吸水速度较慢，达到最大吸水量需数小时甚至几十小时。非离子型高吸水树脂的吸水速度非常快，达到饱和吸水量只需20min~1h。

一般认为，SAP吸水后的形态随吸水剂种类不同而不同。使用光学显微镜和电子显微镜观察到淀粉接枝丙烯酸聚合物、聚乙烯醇-丙烯酸盐嵌段共聚物呈海岛型结构。

SAP的吸水形态Tab.1

Themorphologyofsomesuperabsorbentpolymers.图2高吸水树脂亲水基团周围水的构造模型A结合水；B非正常水；C自由水

高吸水性树脂内所吸附的水也可分成三类：结合水、非正常水、自由水。结合水以很强的配位键或氢键与聚合物离子相结合，测不出熔点，所以又称不冻水；而非正常水的熔点低于正常水；自由水的熔点与普通水相同。

改善高吸水性树脂耐盐（电解质）性能的途径

引入非离子单体：最初的研究工作着重于将丙烯酰胺、(甲基)丙烯酸羟乙酯等非离子单体引入聚丙烯酸盐分子链中，利用非离子单体对电解质相对不敏感的特点和不同亲水性基团之间的协同作用来改善高吸水性树脂的耐盐性能。提高亲水性：提高树脂的亲水性可改善吸水能力和耐电解质性能。将丙烯酸聚氧乙烯酯或烯丙基聚氧乙烯醚引入常规丙烯酸酯中，而且其分子链上的长支链可起到物理缔合的作用，进一步提高耐电解质性能。R=H、CH3;n≥2;R2=烷基、芳烷基、烷芳基

丙烯酸聚氧乙烯酯的结构如下所示：

烯丙基聚氧乙烯醚的结构如下所示:式中R=H、CH3;n=1～100;R2=12～18个碳原子的烷基、芳基、烷芳基或环烷基。

引入长链疏水性单体：在亲水单体聚合的主链上引入少量(1～5mol%)疏水性基团可获得耐温性、耐盐性更好的增稠剂。原因在于这类聚合物分子间的疏水缔合作用使大分子链交联形成具有一定强度的空间网架结构，使其具有很大的流体力学体积，而这种疏水缔合作用形成的可逆空间网架结构耐无机盐、温度破坏的能力较强。

淀粉与丙烯腈、丙烯酸、丙烯酰胺等亲水性烯类单体的接枝共聚物是目前SAP市场中的品种之一。

淀粉接枝类SAP的最早品种是淀粉接技丙烯腈，引发剂为铈盐，采用自由基接枝共聚机理制备。淀粉与丙烯腈接枝共聚后，通过皂化将憎水性的—CN转化为亲水性的—COOH和—CONH2，使产物具有高吸水性。接枝产物吸水倍数可达千倍以上，但工艺复杂、耐霉解性差。

淀粉接枝类高吸水性树脂淀粉类SAP制备实例Scheme.SynthesisofStarch-g-PANbyfreeradicalpolymerization.纤维素系高吸水性树脂

纤维素具有很强的吸水性，这一方面由于它是亲水性的多羟基化合物；另一方面因为它是纤维状的物质，有很多的毛细管，表面积大。因此，它作为吸水性材料获得了广泛的应用。纤维素的吸水能力不强，为了提高其性能，主要是通过化学反应使它具有更强或者更多的亲水基团，但仍然成为纤维状态，以保持它表面积大和多毛细管性。制备的方法一般是通过醚化、酯化、接枝共聚等方法中的一种或几种，以制备纤维素基吸水性材料。

接枝共聚法制备实例合成树脂系高吸水性树脂

合成树脂系高吸水性树脂目前的种类很多。主要有丙烯酸(盐)类、丙烯腈类、聚乙烯醇类等。其中以聚丙烯酸(盐)类最重要。

以甘油为交联剂，聚丙烯酸钠盐进行交联反应为例，其产物的交联结构如下：

合成树脂系高吸水性树脂制备实