水溶性高分子課件

第四章丙烯酸和甲基丙烯酸聚合物

4.6.3高吸水性樹脂

10/18/20221Contents概述吸水原理分類特性應(yīng)用發(fā)展趨勢10/18/20222？10/18/20223紙、棉花和海綿以及后來的泡沫塑料等。吸水能力通常很低，所吸水量最多僅為自身重量的20倍左右，一旦受到外力作用，則很容易脫水，保水性很差。一、概述10/18/20224V.S普通吸水材料SAP一、概述10/18/20225吸水能力高:可達自身重量的幾百倍至幾千倍。吸水前吸水后一、概述10/18/20226保水能力高:即使受壓也不易失水10/18/20227

高吸水性樹脂也稱為超強吸水高分子材料、高吸水性聚合物，是一種具有優(yōu)異吸水能力和保水能力的新型功能高分子材料。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。一、概述10/18/20228自1966年美國農(nóng)業(yè)部北方研究所Fanta等制得了最早的高吸水性脂———部分水解的淀粉接枝丙烯腈共聚物后,這種通過對天然產(chǎn)物進行接枝改性來制備高吸水性樹脂的研究逐漸成為研究熱點,形成了一個獨立、新興的科研領(lǐng)域。日本、美國和西歐在這一領(lǐng)域一直處于領(lǐng)先地位,他們對淀粉接枝丙烯腈的工藝提出了很多改良方案,并申請了專利,如用甲醇-水混合溶劑進行水解,不僅解決了水解難題,同時提高了吸水速率。1975年美國成功研究出“淀粉聚丙烯腈接枝”的高吸水產(chǎn)品并進入市場；隨后日本三洋化成公司考慮到丙烯腈單體殘留在聚合物中會有毒性,不安全，而開發(fā)出“淀粉-丙烯酸交聯(lián)性單體接枝共聚物。1978年日本批準了高吸水性樹脂應(yīng)用于生理衛(wèi)生材料,并最先將它應(yīng)用于衛(wèi)生品;UCC公司還報道了用放射線對各種氧化烯烴作交聯(lián)處理,合成非離子型高吸水性樹脂,其吸水性能力為2000倍,從而打開了合成非離子型高吸水性樹脂的大門。20世紀80年代后,歐、美、日各大化學(xué)公司相繼開發(fā)出各種類型具有保水功能的高吸水性樹脂,并對制造方法、樹脂性能、應(yīng)用領(lǐng)域進行了大量的研究。發(fā)展歷程10/18/20229我國高吸水性樹脂的研究工作起步較晚，還處在初級階段，產(chǎn)品主要用于農(nóng)業(yè)方面。近年來，我國在高吸水性樹脂方面的研究也取得了一些成果。eg：北京大學(xué)完成了淀粉-丙烯酸鹽系列和丙烯酸-丙稀酰的研究；武漢大學(xué)利用腈綸廢絲制備了高吸水性脂；南開大學(xué)進行了淀粉-聚丙烯腈接枝共聚物的研究；廣州化學(xué)所進行了纖維素-丙烯腈的研究等，都取得了很好的成果。近年來國內(nèi)采用射線輻射引發(fā)接枝共聚、用微波照射聚合等，這些研究為發(fā)展我國的高吸水性樹脂奠定了堅實基礎(chǔ)。10/18/202210SAP是怎樣吸水的？？10/18/202211二、吸水原理1.吸水實質(zhì)化學(xué)吸附物理吸附棉花、紙張、海綿等。毛細管的吸附原理。有壓力時水會流出。通過化學(xué)鍵的方式把水和親水性物質(zhì)結(jié)合在一起成為一個整體。加壓也不能把水放出。10/18/202212H2O階段2吸水樹脂的離子型網(wǎng)絡(luò)SAP的吸水原理網(wǎng)絡(luò)內(nèi)外產(chǎn)生滲透壓,水份進一步滲入.階段1

較慢。通過毛細管吸附和分散作用吸水。水分子通過氫鍵與樹脂的親水基團作用,親水基團離解,

離子之間的靜電排斥力使樹脂的網(wǎng)絡(luò)擴張。

交聯(lián)點（內(nèi)）（外）10/18/202213

隨著吸水量的增大,網(wǎng)絡(luò)內(nèi)外的滲透壓差趨向于零;而網(wǎng)絡(luò)擴張的同時,其彈性收縮力也在增加,逐漸抵消陰離子的靜電排斥,最終達到吸水平衡。階段3吸水劑微球吸水過程的體積變化示意圖

10/18/202214SAP有哪些種類？？10/18/202215SAP合成高分子系淀粉系纖維素系三、分類10/18/202216高吸水性樹脂分類分類方法類別按原料來源分類淀粉類；纖維素類；合成聚合物類：聚丙烯酸鹽系；聚乙烯醇系；聚氧乙烯系等。按親水基團引入方式分類親水單體直接聚合；疏水性單體羧甲基化；疏水性聚合物用親水單體接枝；腈基、酯基水解。10/18/202217以制品形態(tài)分類，高吸水性樹脂可分為粉末狀、纖維狀、膜片狀、微球狀等。以制備方法分類，高吸水性樹脂可分為合成高分子聚合交聯(lián)、羧甲基化、淀粉接枝共聚、纖維素接枝共聚等。以降解性能分類，SAP可分為非降解型(包括丙烯酸鈉、甲基丙烯酸甲酯等聚合產(chǎn)品)、可降解型(包括淀粉、纖維素等天然高分子的接枝共聚產(chǎn)品)。10/18/202218SAP的特性怎樣？？10/18/202219四、高吸水性樹脂的基本特性

高吸水性

加壓保水性吸氨性增稠性10/18/2022201高吸水性

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)研制成功的高吸水性樹脂來看，吸水率均在自身重量的500～12000倍左右，是紙和棉花等材料吸水能力的100倍左右。10/18/202221視頻10/18/202222

考察和表征高吸水性樹脂吸水性的指標通常有兩個：吸水率吸水速度10/18/2022231.1吸水率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g水/g樹脂。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)品的交聯(lián)度、水解度和被吸液體的性質(zhì)等有關(guān)。10/18/202224

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，因此通常需要進行交聯(lián)。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，也不利于水分子向網(wǎng)格內(nèi)的滲透，因此造成吸水能力的降低。（1）交聯(lián)度對吸水性的影響10/18/202225高吸水性樹脂的吸水率一般隨水解度的增加而增加。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)格受到破壞，從而影響吸水性。（2）水解度對吸水率的影響10/18/202226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pH值的變化都會顯著影響樹脂的吸水能力酸、堿、鹽的存在，一方面影響親水的羧酸鹽基團的解離，另—方面由于鹽效應(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，因此吸水率降低。（3）被吸液的pH值與鹽分對吸水率的影響10/18/202227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壯所影響。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。4.1.2吸水速率10/18/202228

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1分種至數(shù)分鐘內(nèi)吸水量達到最大。樹脂形狀對吸水速率的影響10/18/202229紙張、棉花和海綿等材料：物理吸水作用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。這種凝膠體的保水能力很強，即使在加壓下也不易擠出來。2加壓保水性10/18/202230例如，將300g砂子與0.3g（0.1％）高吸水性樹脂混合，加入100g水，置于20℃、相對濕度60％的環(huán)境下，大約30天后，水才蒸發(fā)干，而如果不加高吸水性樹脂，則在同樣條件下，只需7天，水分就完全蒸發(fā)。10/18/202231高吸水性樹脂與棉花保水性比較吸水材料吸收液吸液率（g/g）未加壓加壓7kg/cm2棉花去離子水尿液40322.11.8HSPAN去離子水尿液850548104010/18/202232

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70％左右，另有30％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。3吸氨性10/18/202233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能，從而防止了異味的產(chǎn)生。10/18/202234吸水性材料吸氨能力的比較10/18/202235聚氧乙烯、羧甲基纖維素、聚丙烯酸鈉等均可作為水性體系的增稠劑使用。高吸水性樹脂吸水后體積可迅速膨脹至原來的幾百倍到幾千倍，因此增稠效果遠遠高于上述增稠劑。例：0.4％（wt）的高吸水性樹脂，能使水的粘度增大約1萬倍，普通的增稠劑，加入0.4％，水的粘度幾乎不變。需要加入2％以上才達到這么高的粘度。4增稠性10/18/202236既然有如此多的優(yōu)點，？10/18/2022371.日常生活和衛(wèi)生用品(1)高吸水樹脂制作的日常衛(wèi)生用品有嬰兒一次性尿布、宇航員尿巾、婦女衛(wèi)生用品、餐巾、繃帶、手術(shù)床襯墊等。例如，一般日常衛(wèi)生用品的高吸水樹脂用量約為5-10％。在總重量為5克的衛(wèi)生用品中含0.4克高吸水性樹脂，吸液率為120克左右，提高70％，同時還能吸收異味，保濕性好，重量輕。五、應(yīng)用10/18/202238(2)高吸水樹脂用作公共廁所、車站、碼頭等人流量大的公共場所和家庭等的芳香除臭劑，有其獨特的效果。(3)利用高吸水樹脂的增稠性，可用于化妝品、洗滌劑、水性涂料等的增稠劑。10/18/202239各式吸潮劑10/18/20224010/18/2022412.農(nóng)業(yè)應(yīng)用(1)將高吸水樹脂加入土壤中，可改善土壤的結(jié)構(gòu)，增加透氣、透水和保水性能，避免肥料的流失。有利于植物根系的生長發(fā)育。例，在土壤中加入0.1%高吸水性樹脂，可使小麥平均增產(chǎn)10-15%，煙草增產(chǎn)35-40%，種子發(fā)芽周期縮短2-3天。(2)高吸水性樹脂用作苗木移植保水劑，可大大降低苗木死亡率。例，將山茶花樹苗根部裸露放置24h后移植，成活率為零；而若將它們的根部在0.1%SanwetIM-300水溶脹液中浸漬后放置24h，然后移植，成活率均達100%。10/18/20224210/18/202243植物養(yǎng)護泥10/18/202244植物保水劑10/18/2022453.工業(yè)應(yīng)用(1)利用高吸水性樹脂的增稠性和潤滑性，將其混入水泥漿或灰漿，可改善運輸狀況，提高土建工程的效率。(2)將高吸水樹脂與塑料或橡膠混合制成密封材料，此材料一到水就急速膨脹，因此具有很好的密封性。(3)利用高吸水性樹脂的吸水性大，同時幾乎不吸收油和非極性溶劑的性質(zhì)，可將高吸水性樹脂用作工業(yè)脫水劑。10/18/20224610/18/2022474.醫(yī)療衛(wèi)生材料

利用高吸水性樹脂的物性可以用來防止血栓的形成，用于能保持部分被檢液的醫(yī)用檢驗試片，還可用高吸水樹脂作為控制藥物釋放速度的載體。另處在人造皮膚、避孕藥劑、軟膏、隱形眼鏡等方面應(yīng)用也越來越深入。10/18/20224810/18/202249其他方面在高吸水性樹脂中加人香料和乳化劑制成空氣清新劑;在污水處理中，可用作絮凝劑，吸附回收重金屬離子。10/18/202250六、發(fā)展趨勢

20世紀90年代以來，我國對高吸水性樹脂的研究取得很大進展，但與國外相比還存在較大差距，今后我國高吸水性樹脂的發(fā)展方向需要明確。1、高性能化吸水性樹脂吸水倍率和吸水速率是高吸水性樹脂的主要性能指標，但二者似乎是沖突的。離子型高吸水性樹脂吸水倍率高，但吸水速率慢；而非離子型高吸水性樹脂則剛好相反。二種性能均優(yōu)異的高吸水性樹脂是研發(fā)的目標。10/18/2022512、高吸水性復(fù)合材料復(fù)合化是材料發(fā)展的必然趨勢，高吸水性樹脂也不例外。高吸水性樹脂可與無機物、有機物、高分子等復(fù)合，制備出性能優(yōu)良、成本較低的吸水性復(fù)合材料。3、環(huán)境友好型高吸水性樹脂

石油資源的日益枯竭及廢棄高分子材料對環(huán)境造成的危害已經(jīng)引起世界范圍的高度重視，因此，研究開發(fā)環(huán)境友好型可降解高吸水性樹脂也是大勢所趨。10/18/202252[1]李楊,王百田.高吸水性樹脂對沙質(zhì)土壤物理性質(zhì)和玉米生長的影響[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報,2012,43(1):76-82.[2]孔祥明,張珍林