高吸水性材料
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摘要：高吸水性树脂是一种新型的功能性高分子材料，由于它能吸收自身质量几百至几千倍的水，且吸水膨胀后生成的凝胶具有优良的保水性，因此在生理卫生用品、土木建筑、农业、食品、医药等方面具有广阔的应用前景。本文介绍了高吸水性树脂的分类、吸水机理、制备方法及应用，并对高吸水性树脂的发展前景作了展望。
关键词：高吸水性树脂；机理；制备方法；应用。
前言：
高吸水性树脂（简称SAR）是一种典型的功能高分子材料。它能吸收其自身重量数百倍、甚至上千倍的水，并具有很强的保水能力的高分子材料，所以它又成为超强吸水剂或高保水剂。从化学结构上来讲，高吸水性树脂是具有许多亲水基团的低交联度或部分结晶的高分子聚合物。［1］
1、高吸水性树脂的吸水机理
1.1高吸水性树脂的吸水结构
高吸水性树脂是一种三维网络结构，它不溶于水而大量吸水膨胀形成高含水凝胶。高吸水性树脂的主要性能是具有吸水性和保水性。要具有这种特性，其分子中必须含有强吸水性基团和一定的网络结构，即具有一定的交联度。实验表明：吸水性基团极性越强，含量越多，吸水率越高，保水性也越好。而交联度需要适中，交联度过低则保水性差，尤其在外界有压力时水很容易脱去；交联度过高，虽然保水性好，但由于吸水空间减少，使吸水率明显降低。
1.2高吸水性树脂吸水量的计算
高吸水性树脂的吸水量可以量化。Flory［4］考虑聚合物中固定离子对吸水能力的贡献，从聚合物凝胶内外离子浓度差产生的渗透压出发，导出了高吸水性树脂溶胀平衡时的最大吸水性公式：
Q3/5=[（i/2VuS﹡1/2）2+(1/2-x1)/V1]/（Ve/Vo）
1.3高吸水性树脂与水的作用方式
当水与高聚物表面接触时，有三种相互作用：一是水分子与高分子中的电负性强的氧原子间的氢键作用；二是水分子与疏水基团间的相互作用；三是水分子与亲水基团间的相互作用。［6］
高吸水性树脂本身具有的亲水基和疏水基与水分子相互作用形成水合状态。树脂的疏水基团部分由于疏水基团作用而易于折向内侧，形成不溶性的粒状结构，疏水基团周围的水分子形成与普通水不同的结构水。［7］
2、高吸水性树脂的制备方法
2.1淀粉型高吸水性树脂的制备
2.1.1淀粉接枝共聚
合成淀粉型高吸水性树脂，所使用的原料为淀粉和单体。此外还利用引发剂（或催化剂）、交联剂、碱、分散剂、表面活性剂、洗涤剂等助剂。
目前以淀粉为原料制备高吸水性树脂的合成方法主要通过自由基引发聚合将乙烯基单体接枝到淀粉上。引发的方法以化学引发为主，也采用辐射引发接枝。聚合方法主要有溶液聚合和反相悬浮聚合。
2.1.2淀粉经羧甲基化可制备高吸水性树脂
该方法制备的高吸水性树脂大多以纤维素为原料，以淀粉为原料不常用。
2．2纤维素型高吸水性树脂的制备
天然纤维及其衍生物是制备高吸水性树脂的重要原料。通过醚化、酯化、交联、接枝共聚等一种或几种方法，人们现已制备出一系列高吸水性树脂。由于纤维素来源广，易于获取且价廉，因此以纤维素为原料制备高吸水性树脂日益受到重视。［11］
2.2.1醚化-交联法
该方法是制备纤维素基高吸水性树脂的一类常用方法。一般有以下三种方法：先交联后醚化、先醚化后交联、醚化与交联同时进行。
2.2.2直接酯化法
利用纤维素或其衍生物分子中羟基易通酸酐或氯酐起反应的特征，可制备纤维素基高吸水性树脂，被开发的材料有两种。
⑴纤维素黄原酸盐吸水材料，该材料耐盐性、耐碱性较好。
⑵羧甲基化纤维素碳酸盐吸水性材料［10］
2.2.3直接交联法
直接交联法虽不是常用方法，但可用于对一些商品纤维素作进一步加工而制备高吸水性树脂。其中日本学者在这方面进行详细的研究，制得的产品吸水能力很高。制备方法如下：［12］
取代度0.55的羧甲基纤维素125g，氢氧化钠36.5g，水1292g混合呈均匀溶液，加入环氧氯丙烷37.5g。在40℃反应20h。用含90％甲醇溶液脱水、脱盐得白色粒状羧甲基纤维素交联的钠盐137g。其吸盐水（0.9％NaCl）达97g/g,吸血液达63g/g。2.2.4接枝共聚法
是以纤维素为原料制高吸水性树脂的主要途径。其原料可以是天然纤维及其衍生物，人造纤维等。天然纤维接枝共聚是发展的重要方向，因为不需要制成衍生物，利于降低成本。
2.3合成聚合物类
在这一类高吸水性树脂中，聚丙烯酸盐以其吸水率高，吸水速度快，不易霉变成为高吸水性树脂中最重要的品种之一，其制备方法如下：［13］
在反应瓶中计量加入丙烯酸，开动搅拌机，逐渐加入20％氢氧化钠溶液，使其中和度为60％～80％，再加入去离子水稀释至单体浓度为30％～60％，再加入N，N-二甲基双丙烯酰胺。将反应瓶置于恒温水浴中加热并通氮气驱氧，再加入过硫酸钾进行反应。反应物料粘度增大至搅拌困难时停止搅拌，继续通氮气到反应物为粘稠凝胶体。将其取出，压成薄片后进行干燥，再粉碎至10目以上。其吸水盐（0.9％NaCl）150g/g。吸去离子水1400g/g，吸水速率快，保水性较好。
3、高吸水性树脂的应用[14-18]
3．1日常生活中的应用
目前高吸水性树脂主要用于制尿布和妇女卫生巾，其用量约占用量的80％～90％。由于高吸水性能吸收大量的液体，所以每片尿布只需要6～7g，而每片卫生巾只需0.5～1g，其它为纺织材料或塑料。
3.2医疗方面的应用
近年来高吸水性树脂（凝胶）在医疗方面的应用取得了明显进展。研究表明，高吸水性凝胶可抑制血浆蛋白质和血小板粘着，使其难以形成血栓，把尿激酶等活性酶固定在凝胶表面，则能溶解初期形成的血栓，为研究抗血栓药剂提供了新的途径。
3.3工业方面的应用
在包装方面，高吸水性树脂可用于危险品、高中级实验室用化学品、花卉和植物类的包装运输；也可用于食品类的包装，还可用于油类、树脂添加剂、填料和溶剂脱水，以及吸收蓄冷剂、空气过滤、防静电密封等方面。
3.4农林业方面的应用
为使沙漠地区绿化，可用高吸水性树脂吸收水分和植物养分后置于土壤中，在长时间里逐渐提供给植物，以满足其生长需要。此外还可用于维持屋顶花园、阳台花草、草坡、苗圃、花盆的水分平衡。同时还可起到缓和土壤温度变化，提高土壤温度变化，提高土壤通气性的作用
4、结语
在短短的近三十年来，高吸水性树脂已经品种繁多，用途极广，已深入国民生产的各个领域，成为很有价值的重要材料。近年来，我国对高吸水性高分子材料的需求逐年增大，对其质量也日益提高。所以，加快高吸水性高分子材料的研究对我国有着非常重要的意义。
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