第八章高吸水性樹脂

1、1 簡介簡介傳統(tǒng)的吸水材料傳統(tǒng)的吸水材料 一般的吸水材料例如紙、棉花和海綿以及一般的吸水材料例如紙、棉花和海綿以及泡沫塑料等，吸水能力通常很低，所吸水泡沫塑料等，吸水能力通常很低，所吸水量最多僅為自身重量的量最多僅為自身重量的20倍左右，而且一倍左右，而且一旦受到外力作用，則很容易脫水，保水性旦受到外力作用，則很容易脫水，保水性很差。很差。高吸水性樹脂：高吸水性樹脂：60年代末期，美國首先開發(fā)成功高吸水性樹年代末期，美國首先開發(fā)成功高吸水性樹脂。這是一種含有強親水性基團并通常具有脂。這是一種含有強親水性基團并通常具有一定交聯(lián)度的高分子材料。它不溶于水和有一定交聯(lián)度的高分子材料。它不溶于水和有機

2、溶劑，吸水能力可達自身重量的機溶劑，吸水能力可達自身重量的5002000倍，最高可達倍，最高可達5000倍，吸水后立即溶脹倍，吸水后立即溶脹為水凝膠，有優(yōu)良的保水性，即使受壓也不為水凝膠，有優(yōu)良的保水性，即使受壓也不易擠出。吸收了水的樹脂干燥后，吸水能力易擠出。吸收了水的樹脂干燥后，吸水能力仍可恢復(fù)。仍可恢復(fù)。 由于上述的奇特性能，高吸水性樹脂引起由于上述的奇特性能，高吸水性樹脂引起了人們較大的興趣。問世了人們較大的興趣。問世 30多年來，發(fā)展極其多年來，發(fā)展極其迅速，應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)滲透到各行各業(yè)。如在石迅速，應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)滲透到各行各業(yè)。如在石油、化工、等部門中被用作堵水劑、脫水劑、油、化工、等

3、部門中被用作堵水劑、脫水劑、等；在醫(yī)療衛(wèi)生部門中用作外用藥膏的基材、等；在醫(yī)療衛(wèi)生部門中用作外用藥膏的基材、緩釋性藥劑、抗血栓材料等；在農(nóng)業(yè)部門中用緩釋性藥劑、抗血栓材料等；在農(nóng)業(yè)部門中用作土壤改良劑等。在日常生活，用作吸水性抹作土壤改良劑等。在日常生活，用作吸水性抹布、一次性尿布、插花材料等。布、一次性尿布、插花材料等。第八章第八章 高吸水性樹脂高吸水性樹脂2 高吸水性樹脂的類型高吸水性樹脂的類型按親水基團引入方式分類按親水基團引入方式分類：親水單體直接聚合；親水單體直接聚合；疏水性單體羧甲基化；疏水性單體羧甲基化；腈基、酯基水解。腈基、酯基水解。根據(jù)原料來源高吸水性樹脂主要可分為根據(jù)原料來

4、源高吸水性樹脂主要可分為淀粉類、淀粉類、纖維素類纖維素類合成聚合物類合成聚合物類第八章第八章 高吸水性樹脂高吸水性樹脂3 高吸水性樹脂的吸水機理高吸水性樹脂的吸水機理3.1 化學(xué)組成和分子結(jié)構(gòu)對吸水性能的影響化學(xué)組成和分子結(jié)構(gòu)對吸水性能的影響 從化學(xué)組成和分子結(jié)構(gòu)看，高吸水性樹脂從化學(xué)組成和分子結(jié)構(gòu)看，高吸水性樹脂是分子中含有親水性基團和疏水性基團的交聯(lián)是分子中含有親水性基團和疏水性基團的交聯(lián)型高分子。從直觀上理解，當(dāng)親水性基團與水型高分子。從直觀上理解，當(dāng)親水性基團與水分子接觸時，會相互作用形成各種水合狀態(tài)。分子接觸時，會相互作用形成各種水合狀態(tài)。 第八章第八章 高吸水性樹脂高吸水性樹脂 水

5、分子與親水性基團中的金屬離子形成配水分子與親水性基團中的金屬離子形成配位水合，與電負性很強的氧原子形成氫鍵等。位水合，與電負性很強的氧原子形成氫鍵等。高分子網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中的疏水基團因疏水作用而易高分子網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中的疏水基團因疏水作用而易于斥向網(wǎng)格內(nèi)側(cè)，形成局部不溶性的微粒狀結(jié)于斥向網(wǎng)格內(nèi)側(cè)，形成局部不溶性的微粒狀結(jié)構(gòu)，使進入網(wǎng)格的水分子由于極性作用而局部構(gòu)，使進入網(wǎng)格的水分子由于極性作用而局部凍結(jié)，失去活動性，形成凍結(jié)，失去活動性，形成“偽冰偽冰”（False ice）結(jié)構(gòu)。親水性基團和疏水性基團的這些作用，結(jié)構(gòu)。親水性基團和疏水性基團的這些作用，顯然都為高吸水性樹脂的吸水性能作了貢獻。顯然都為高吸

6、水性樹脂的吸水性能作了貢獻。第八章第八章 高吸水性樹脂高吸水性樹脂 實驗證明，由于親水性水合作用而吸附在實驗證明，由于親水性水合作用而吸附在高吸水性樹脂中親水基團周圍的水分子層厚度高吸水性樹脂中親水基團周圍的水分子層厚度約為約為5101061010 m，相當(dāng)于，相當(dāng)于 23個水個水分子的厚度。研究認為，第一層水分子是由親分子的厚度。研究認為，第一層水分子是由親水性基團與水分子形成了配位鍵或氫鍵的水合水性基團與水分子形成了配位鍵或氫鍵的水合水，第二、三層則是水分子與水合水形成的氫水，第二、三層則是水分子與水合水形成的氫鍵結(jié)合層。再往外，親水性基團對水分子的作鍵結(jié)合層。再往外，親水性基團對水分子的

7、作用力已很微弱，水分子不再受到束縛。用力已很微弱，水分子不再受到束縛。 第八章第八章 高吸水性樹脂高吸水性樹脂 按這種結(jié)構(gòu)計算，每克高吸水性樹脂所吸按這種結(jié)構(gòu)計算，每克高吸水性樹脂所吸收的水合水的重量約為收的水合水的重量約為68 g，加上疏水性基，加上疏水性基團所凍結(jié)的水分子，也不過團所凍結(jié)的水分子，也不過15 g左右。這個數(shù)左右。這個數(shù)字，與高吸水性樹脂的吸水量相比，相差字，與高吸水性樹脂的吸水量相比，相差12個數(shù)量級，而與棉花、海綿等的吸水量相當(dāng)。個數(shù)量級，而與棉花、海綿等的吸水量相當(dāng)。顯然，還有更重要的結(jié)構(gòu)因素在影響著樹脂的顯然，還有更重要的結(jié)構(gòu)因素在影響著樹脂的吸水能力。吸水能力。第八

8、章第八章 高吸水性樹脂高吸水性樹脂 研究發(fā)現(xiàn)，高吸水性樹脂中的網(wǎng)狀結(jié)研究發(fā)現(xiàn)，高吸水性樹脂中的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)對吸水性有很大的影響。未經(jīng)交聯(lián)的構(gòu)對吸水性有很大的影響。未經(jīng)交聯(lián)的樹脂基本上沒有吸水功能。而少量交聯(lián)樹脂基本上沒有吸水功能。而少量交聯(lián)后，吸水率則會成百上千倍地增加。但后，吸水率則會成百上千倍地增加。但隨著交聯(lián)密度的增加，吸水率反而下降。隨著交聯(lián)密度的增加，吸水率反而下降。第八章第八章 高吸水性樹脂高吸水性樹脂 由此可見，被高吸水性樹脂吸收的水主要由此可見，被高吸水性樹脂吸收的水主要是被束縛在高分子的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)內(nèi)。據(jù)測定，當(dāng)是被束縛在高分子的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)內(nèi)。據(jù)測定，當(dāng)網(wǎng)格的有效鏈長為網(wǎng)格的有效鏈長為

9、109108m時，樹脂具有時，樹脂具有最大的吸水性。網(wǎng)格太小，水分子不易滲入，最大的吸水性。網(wǎng)格太小，水分子不易滲入，網(wǎng)格太大，則不具備保水性。此外，樹脂中親網(wǎng)格太大，則不具備保水性。此外，樹脂中親水性基團的存在也是必不可少的條件，親水性水性基團的存在也是必不可少的條件，親水性基團吸附水分子，并促使水分子向網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)內(nèi)基團吸附水分子，并促使水分子向網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)內(nèi)部的滲透。部的滲透。第八章第八章 高吸水性樹脂高吸水性樹脂 因為在普通水中，水分子是以氫鍵形式因為在普通水中，水分子是以氫鍵形式互相連結(jié)在一起的，運動受到一定限制。互相連結(jié)在一起的，運動受到一定限制。而在親水性基團作用下，水分子易于擺脫而在親

10、水性基團作用下，水分子易于擺脫氫鍵的作用而成為自由水分子，這就為網(wǎng)氫鍵的作用而成為自由水分子，這就為網(wǎng)格的擴張和向網(wǎng)格內(nèi)部的滲透創(chuàng)造了條件。格的擴張和向網(wǎng)格內(nèi)部的滲透創(chuàng)造了條件。第八章第八章 高吸水性樹脂高吸水性樹脂 水分子進入高分子網(wǎng)格后，由于網(wǎng)格的彈水分子進入高分子網(wǎng)格后，由于網(wǎng)格的彈性束縛，水分子的熱運動受到限制，不易重新性束縛，水分子的熱運動受到限制，不易重新從網(wǎng)格中逸出，因此，具有良好的保水性。差從網(wǎng)格中逸出，因此，具有良好的保水性。差熱分析結(jié)果表明，吸水后的樹脂在受熱至熱分析結(jié)果表明，吸水后的樹脂在受熱至100 時，失水僅時，失水僅10左右；受熱至左右；受熱至150時，失時，失水不

11、超過水不超過50，可見其保水性之優(yōu)良，可見其保水性之優(yōu)良第八章第八章 高吸水性樹脂高吸水性樹脂 高吸水性樹脂吸收水后發(fā)生溶脹，形成凝高吸水性樹脂吸收水后發(fā)生溶脹，形成凝膠。在溶脹過程中，一方面，水分子力圖滲入膠。在溶脹過程中，一方面，水分子力圖滲入網(wǎng)格內(nèi)使其體積膨脹，另一方面，由于交聯(lián)高網(wǎng)格內(nèi)使其體積膨脹，另一方面，由于交聯(lián)高分子體積膨脹導(dǎo)致網(wǎng)格向三維空間擴展，使網(wǎng)分子體積膨脹導(dǎo)致網(wǎng)格向三維空間擴展，使網(wǎng)鍵受到應(yīng)力而產(chǎn)生彈性收縮，阻止水分子的進鍵受到應(yīng)力而產(chǎn)生彈性收縮，阻止水分子的進一步滲入。當(dāng)這兩種相反的作用相互抵消時，一步滲入。當(dāng)這兩種相反的作用相互抵消時，溶脹達到了平衡，吸水量達到最大。

12、溶脹達到了平衡，吸水量達到最大。第八章第八章 高吸水性樹脂高吸水性樹脂 實際上，高吸水性樹脂中親水性基團的電實際上，高吸水性樹脂中親水性基團的電解質(zhì)離子強度對樹脂的吸水能力也有決定性解質(zhì)離子強度對樹脂的吸水能力也有決定性的影響。的影響。 在高吸水性樹脂的立體網(wǎng)格間，高分子電在高吸水性樹脂的立體網(wǎng)格間，高分子電 解質(zhì)吸引著與它成對的可動離子和水分子。解質(zhì)吸引著與它成對的可動離子和水分子。由于網(wǎng)格內(nèi)外側(cè)的可動離子濃度不同，使網(wǎng)由于網(wǎng)格內(nèi)外側(cè)的可動離子濃度不同，使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)側(cè)產(chǎn)生比外側(cè)高的滲透壓。絡(luò)內(nèi)側(cè)產(chǎn)生比外側(cè)高的滲透壓。 第八章第八章 高吸水性樹脂高吸水性樹脂 正是這種滲透壓升高的驅(qū)動力作用和高分正

13、是這種滲透壓升高的驅(qū)動力作用和高分子電解質(zhì)與水分子之間的親和力，使聚合物產(chǎn)子電解質(zhì)與水分子之間的親和力，使聚合物產(chǎn)生了異常的吸水現(xiàn)象。另一方面，網(wǎng)格的橡膠生了異常的吸水現(xiàn)象。另一方面，網(wǎng)格的橡膠彈性則抑制吸水過程的進行。這兩種因素的平彈性則抑制吸水過程的進行。這兩種因素的平衡決定了樹脂的吸水能力。衡決定了樹脂的吸水能力。第八章第八章 高吸水性樹脂高吸水性樹脂4 高吸水性樹脂的基本特性及影響因素高吸水性樹脂的基本特性及影響因素4.1 基本特征：基本特征： 作為高吸水性樹脂，高的吸水能力是其最作為高吸水性樹脂，高的吸水能力是其最重要的特征之一。從目前已經(jīng)研制成功的高吸重要的特征之一。從目前已經(jīng)研制

14、成功的高吸水性樹脂來看，吸水率均在自身重量的水性樹脂來看，吸水率均在自身重量的5001200倍左右，最高可達倍左右，最高可達4000倍以上，是紙和倍以上，是紙和棉花等材料吸水能力的棉花等材料吸水能力的100倍左右。倍左右。第八章第八章 高吸水性樹脂高吸水性樹脂 考察和表征高吸水性樹脂吸水性的指標通考察和表征高吸水性樹脂吸水性的指標通常有兩個，常有兩個，是吸水率，二是吸水速度。是吸水率，二是吸水速度。吸水率是表征樹脂吸水性的最常用指標。吸水率是表征樹脂吸水性的最常用指標。物理意義為每克樹脂吸收的水的重量。單位為物理意義為每克樹脂吸收的水的重量。單位為g水水/g樹脂。樹脂。第八章第八章 高吸水性樹

15、脂高吸水性樹脂 影響樹脂吸水率有很多因素，除了影響樹脂吸水率有很多因素，除了產(chǎn)品本身的化學(xué)組成之外，還與產(chǎn)品產(chǎn)品本身的化學(xué)組成之外，還與產(chǎn)品的交聯(lián)度、水解度和被吸液體的性質(zhì)的交聯(lián)度、水解度和被吸液體的性質(zhì)等有關(guān)。等有關(guān)。第八章第八章 高吸水性樹脂高吸水性樹脂（1）交聯(lián)度對吸水性的影響）交聯(lián)度對吸水性的影響 高吸水性樹脂在未經(jīng)交聯(lián)前，一般是水溶高吸水性樹脂在未經(jīng)交聯(lián)前，一般是水溶 性的，不具備吸水性或吸水性很低，因此通性的，不具備吸水性或吸水性很低，因此通常需要進行交聯(lián)。常需要進行交聯(lián)。 但實驗表明，交聯(lián)密度過但實驗表明，交聯(lián)密度過高對吸水性并無好處。交聯(lián)密度過高，一方高對吸水性并無好處。交聯(lián)密

16、度過高，一方面，網(wǎng)格太小而影響水分子的滲透，另一方面，網(wǎng)格太小而影響水分子的滲透，另一方面，橡膠彈性的作用增大，也不利于水分子面，橡膠彈性的作用增大，也不利于水分子向網(wǎng)格內(nèi)的滲透，因此造成吸水能力的降低。向網(wǎng)格內(nèi)的滲透，因此造成吸水能力的降低。第八章第八章 高吸水性樹脂高吸水性樹脂（2）水解度對吸水率的影響）水解度對吸水率的影響 高吸水性樹脂的吸水率一般隨水解度的增高吸水性樹脂的吸水率一般隨水解度的增加而增加。但事實上，往往當(dāng)水解度高于一定加而增加。但事實上，往往當(dāng)水解度高于一定數(shù)值后，吸水率反而下降。這是因為隨著水解數(shù)值后，吸水率反而下降。這是因為隨著水解度的增加，親水性基團的數(shù)目固然增加，

17、但交度的增加，親水性基團的數(shù)目固然增加，但交聯(lián)劑部分也將發(fā)生水解而斷裂，使樹脂的網(wǎng)格聯(lián)劑部分也將發(fā)生水解而斷裂，使樹脂的網(wǎng)格受到破壞，從而影響吸水性。受到破壞，從而影響吸水性。第八章第八章 高吸水性樹脂高吸水性樹脂（3）被吸液的）被吸液的pH值與鹽分對吸水率的影響值與鹽分對吸水率的影響 高吸水性樹脂是高分子電解質(zhì)，水中鹽類高吸水性樹脂是高分子電解質(zhì)，水中鹽類物質(zhì)的存在和物質(zhì)的存在和pH值的變化都會顯著影響樹脂的值的變化都會顯著影響樹脂的吸水能力。這是因為酸、堿、鹽的存在，一方吸水能力。這是因為酸、堿、鹽的存在，一方面影響親水的羧酸鹽基團的解離，另面影響親水的羧酸鹽基團的解離，另方面由方面由于鹽

18、效應(yīng)而使原來在水中應(yīng)擴張的網(wǎng)格收縮，于鹽效應(yīng)而使原來在水中應(yīng)擴張的網(wǎng)格收縮，與水分子的親和力降低。與水分子的親和力降低。第八章第八章 高吸水性樹脂高吸水性樹脂4.1.2 吸水速率吸水速率 在樹脂的化學(xué)組成、交聯(lián)度等因素都確定在樹脂的化學(xué)組成、交聯(lián)度等因素都確定之后。高吸水性樹脂的吸水速度主要受其形狀之后。高吸水性樹脂的吸水速度主要受其形狀所影響。一般來說，樹脂的表面積越大，吸水所影響。一般來說，樹脂的表面積越大，吸水速度也越快。所以，薄膜狀樹脂的吸水速度通速度也越快。所以，薄膜狀樹脂的吸水速度通常較快，而與水接觸后易聚集成團的粉末狀樹常較快，而與水接觸后易聚集成團的粉末狀樹脂的吸水速度相對較慢

19、。脂的吸水速度相對較慢。第八章第八章 高吸水性樹脂高吸水性樹脂 與紙張、棉花、海綿等吸水材料相比，高與紙張、棉花、海綿等吸水材料相比，高吸水性樹脂的吸水速率較慢，一般在吸水性樹脂的吸水速率較慢，一般在1分種至分種至數(shù)分鐘內(nèi)吸水量達到最大。數(shù)分鐘內(nèi)吸水量達到最大。圖圖78 樹脂形狀對樹脂形狀對吸水速率的影響吸水速率的影響第八章第八章 高吸水性樹脂高吸水性樹脂4.2 加壓保水性加壓保水性 與紙張、棉花和海綿等材料的物理吸水作與紙張、棉花和海綿等材料的物理吸水作用不同，高吸水性樹脂的吸水能力是由化學(xué)作用不同，高吸水性樹脂的吸水能力是由化學(xué)作用和物理作用共同貢獻的。即利用分子中大量用和物理作用共同貢獻

20、的。即利用分子中大量的羧基、羥基和酰氧基團與水分子之間的強烈的羧基、羥基和酰氧基團與水分子之間的強烈范得華力吸收水分子，并由網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的橡膠彈范得華力吸收水分子，并由網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的橡膠彈性作用將水分子牢固地束縛在網(wǎng)格中。一旦吸性作用將水分子牢固地束縛在網(wǎng)格中。一旦吸足水后，即形成溶脹的凝膠體。這種凝膠體的足水后，即形成溶脹的凝膠體。這種凝膠體的保水能力很強，即使在加壓下也不易擠出來。保水能力很強，即使在加壓下也不易擠出來。第八章第八章 高吸水性樹脂高吸水性樹脂4.3 吸氨性吸氨性 高吸水性樹脂一般為含羧酸基的陰離子高高吸水性樹脂一般為含羧酸基的陰離子高分子，為提高吸水能力，必須進行皂化，使大分子，為

21、提高吸水能力，必須進行皂化，使大部分羧酸基團轉(zhuǎn)變?yōu)轸人猁}基團。但通常樹脂部分羧酸基團轉(zhuǎn)變?yōu)轸人猁}基團。但通常樹脂的水解度僅的水解度僅70左右，另有左右，另有30左右的羧酸基左右的羧酸基團保留下來，使樹脂呈現(xiàn)一定的弱酸性。這種團保留下來，使樹脂呈現(xiàn)一定的弱酸性。這種弱酸性使得它們對氨那樣的堿性物質(zhì)有強烈的弱酸性使得它們對氨那樣的堿性物質(zhì)有強烈的吸收作用。吸收作用。第八章第八章 高吸水性樹脂高吸水性樹脂 高吸水性樹脂的這種吸氨性，特別有利于高吸水性樹脂的這種吸氨性，特別有利于尿布、衛(wèi)生用品和公共廁所等場合的除臭，因尿布、衛(wèi)生用品和公共廁所等場合的除臭，因為尿液是生物體的排泄物，其中含有尿素酶。為尿液是生物體的排泄物，其中含有尿素酶。在尿素酶的作用下，尿液中的尿素逐漸分解成在尿素酶的作用下，尿液中的尿素逐漸分解成氨。而高吸水性樹脂不僅能吸收氨，使尿液呈氨。而高吸水性樹脂不僅能吸收氨，使尿液呈中性，同時還有抑制尿素酶的分解作用的功中性，同時還有抑制尿素酶的分解作用的