高吸水性高分子

高吸水性高分子的應(yīng)用研究淮海工學(xué)院材料102周淑楠051002237摘要：高吸水性高分子基本上是具有與水親和性高之離子基的高分子，高分子的分子間具架構(gòu)結(jié)合的構(gòu)造。其中具羧酸鈉基的丙烯酸鈉聚合體的架橋物，因產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)輕易、成本低，故為最適用的吸水性高分子。關(guān)鍵字：高吸水性、架橋、網(wǎng)狀化、親水性、混合高分子。高吸水性高分子（Superabsorbentpolymers，簡(jiǎn)稱SAP，也叫高吸水性樹(shù)脂，超強(qiáng)吸水機(jī)，高吸水性聚合物），是一種能夠吸收并保留相對(duì)于其本身質(zhì)量要大得很多的液體的新型功能高分子材料。吸水高分子，屬于水凝膠，能夠通過(guò)和水分子連接的氫鍵吸收溶液。因此，高吸水性高分子吸水能力受溶液離子濃度影響。在去離子水和蒸餾水中，高吸水性高分子可以吸收500倍于本身重量（30-60倍于本身體積），但是如果放入0.9%鹽水中，吸收能力下降到50倍于本身重量。溶液中的價(jià)態(tài)陽(yáng)離子的出現(xiàn)會(huì)妨礙高分子與水分子形成價(jià)鍵的能力?？偽招院团蛎浤芰τ珊透叻肿拥慕宦?lián)類型和交聯(lián)度所控制。低密度交聯(lián)高吸水性高分子通常具有較高吸水能力，并膨脹到比較大的程度。高交聯(lián)密度的高分子顯示出來(lái)低吸收能力和膨脹能力。膠的強(qiáng)度較強(qiáng)，能在適當(dāng)?shù)膲毫ο卤３诸w粒的形狀。高吸水性高分子最大的用途是一次性個(gè)人衛(wèi)生用品，比如小孩兒尿布，成人安全內(nèi)褲和衛(wèi)生巾。上個(gè)世紀(jì)80年代，由于擔(dān)心和中毒性休克癥有關(guān)，衛(wèi)生棉條中不再使用高吸水性高分子。高吸水性高分子也被也可用于阻止水或地下電力通信電纜，園藝保水劑，以及廢物的泄漏控制水的滲透液，以及電影或者舞臺(tái)劇中人工造雪。高吸水性高分子是指其吸水能力超過(guò)自身質(zhì)量數(shù)百倍甚至幾千倍的吸附樹(shù)脂，它屬于功能高分子范疇。在吸水前，高分子的長(zhǎng)鏈相互交纏，且分子鏈間以架橋結(jié)合形成三次元網(wǎng)目構(gòu)造，故成一整體。但因高分子鏈上的羧酸鈉基為親水性，且易解離（于水中分解為離子與(離子），故吸水后即如溶解般擴(kuò)大。高分子鏈網(wǎng)目?jī)?nèi)被水侵入后，羧酸鈉基(－coo(na)中的離子即解離、離開(kāi)，剩下羧酸基留在高分子鏈上，這些同帶負(fù)電荷的羧酸基會(huì)互相排斥，于是使高分子鏈的網(wǎng)目進(jìn)一步擴(kuò)大，因此可吸收并保持更多的水。同時(shí)因三次元網(wǎng)目?jī)?nèi)保持很多離子與(離子，此高離子濃度的吸水的三次元網(wǎng)目構(gòu)造產(chǎn)生的橡膠彈性力）之作用，當(dāng)兩種力量平衡時(shí)，水的吸收及高分子鏈的擴(kuò)張均停止，形成安定水凝膠。一、制造高吸水性高分子時(shí)的架橋、不溶化方式使用架橋劑使網(wǎng)狀化架橋劑具有二個(gè)以上可與羧基反應(yīng)的官能基，故可形成分子間的架橋。導(dǎo)入架橋性單體使網(wǎng)狀化導(dǎo)入divinyl化合物與高分子合成，可使網(wǎng)狀化自行架橋使網(wǎng)狀化丙烯酸鹽聚合時(shí)，增大單體濃度使急速聚合，即可得不溶于水的高分子。使用此原理，經(jīng)逆相乳化聚合即得自架橋型聚丙烯酸鹽凝膠。光放射線照射網(wǎng)狀化疏水性單體的共聚合使不溶化(架橋)長(zhǎng)鏈烷基(c10~30)丙烯酸酯與短鏈烷基(c1~9)丙烯酸酯行三次元共聚合，則雖無(wú)化學(xué)架橋也可得凝膠。結(jié)晶性高分子中導(dǎo)入團(tuán)塊(block)使不溶化(架構(gòu))使用多價(jià)金屬陽(yáng)離子來(lái)架橋聚丙烯酸形成的陰離子性高分子電解質(zhì)在低ph范圍可與多價(jià)金屬陽(yáng)離子以離子結(jié)合生物復(fù)合物。金屬陽(yáng)離子有鋁、鐵、鎘等，常用添加劑有a1(oh)3、a12so4、a1(ch3coo)3、cac12等。導(dǎo)入氫鍵結(jié)合使架橋pva水凝膠的凍結(jié)、解凍、干燥，可形成彈性體、明膠等天然膠。以聚丙烯酸鈉系高吸水性高分子為例，在其制程中，以丙烯酸為單位的高分子要在堿中行中和處理，使變成以親水性高的丙烯酸鈉為單位的高分子，藉由中和處理，高分子的分子鏈亦架橋而形成三次元網(wǎng)目制造聚丙烯酸鈉架橋體的高吸水性高分子之途徑有四，產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)上，為獲得高效率，高質(zhì)量且安定的高吸水性高分子，多采用第二途徑。欲獲得高質(zhì)量的高吸水性高分子，聚合時(shí)基本聚合物的分子量、分子量分布要嚴(yán)密控制，架橋點(diǎn)要均一，聚合粒子的表面狀態(tài)，粒徑也是調(diào)整要點(diǎn)，因此聚丙烯酸鈉系高吸水性高分子的合成，是用逆相懸浮聚合法（在有機(jī)溶劑中將含單體原的水溶液以粒狀分散后再聚合），聚合條件要小心控制。二、高吸水性高分子材料從結(jié)構(gòu)上來(lái)說(shuō)主要具有以下特點(diǎn)：1）分子中具有強(qiáng)親水性基團(tuán)，如羥基、羧基等，聚合物分子能與水分子形成氫鍵或其他化學(xué)鍵，因此對(duì)水等強(qiáng)極性物質(zhì)有一定表面吸附能力；2）聚合物為交聯(lián)型高分子，在溶劑中一般不溶解，吸水后迅速溶脹，體積增大許多倍，由于水被包裹在呈凝膠狀的分子網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部，不易流失與揮發(fā)；3）高吸水性高分子材料一般具有特殊的立體結(jié)構(gòu)，有利于吸水后保持一定的機(jī)械強(qiáng)度，保持水分；4）聚合物應(yīng)該具有較高的分子量，分子量的增加，溶解度下降，吸水后的機(jī)械強(qiáng)度也增加，同時(shí)吸水能力也可以提高。三、近代高吸水性高分子的合成：共聚物化學(xué)高吸水性高分子通常在引發(fā)劑的存在下由丙烯酸和氫氧化鈉混合進(jìn)行聚合來(lái)生成聚合丙烯酸鈉鹽（有時(shí)指的是丙烯腈鈉）。這種聚合物是現(xiàn)在世界上高吸水性高分子中最普通的類型。其他材料也被用來(lái)生產(chǎn)高吸水性高分子，諸如聚丙烯酰胺共聚物，乙烯與馬來(lái)酸酐共聚物，交聯(lián)羧甲基纖維素，聚乙烯醇共聚物，交聯(lián)聚環(huán)氧乙烷和淀粉接枝聚丙烯腈共聚物。淀粉接枝聚丙烯腈共聚物是最早的高吸水性高分子形態(tài)。現(xiàn)在高吸水性高分子主要用下面兩種方法中的一種生產(chǎn)：溶液聚合或懸浮聚合。兩種過(guò)程和其他的比起來(lái)都有優(yōu)點(diǎn)，也能產(chǎn)出質(zhì)量一致的產(chǎn)品。1、溶液聚合溶液聚合物以溶液的形式提供粒狀聚合物的吸水性，在用前可以將溶液和密封罐蒸餾。管子上可以涂上大多數(shù)底物，用來(lái)飽和。在特定溫度下干燥一定時(shí)間，結(jié)果是底層附上具有高吸水性的物質(zhì)。比如，這個(gè)化學(xué)可以直接用在電線或電纜上，盡管這個(gè)過(guò)程針對(duì)輥狀物體或者層狀底物組分進(jìn)行特別的優(yōu)化。溶液聚合現(xiàn)在是高吸水性高分子生產(chǎn)最普通的過(guò)程。這一過(guò)程有效，通常耗費(fèi)較低。溶液過(guò)程采用水基單體來(lái)生產(chǎn)一定量的反應(yīng)聚合膠。聚合的反應(yīng)能（放熱）被用來(lái)驅(qū)動(dòng)這一過(guò)程，來(lái)減少生產(chǎn)成本。反應(yīng)物聚合物膠然后被粉碎，干燥并研磨到最終的粒徑。任何提高高吸水性高分子性能的措施通常在最終粒徑完成后進(jìn)行。2、懸浮聚合有些公司實(shí)踐了懸浮液過(guò)程，因?yàn)樵诰酆线^(guò)程中，它可以提供較高的生產(chǎn)控制和產(chǎn)品工程水平。這一過(guò)程，將水基反應(yīng)物懸浮在烴基溶液。最終的結(jié)果是懸浮聚合能夠在反應(yīng)器中生成初級(jí)高分子顆粒而不是在反應(yīng)后機(jī)械粉碎。在反應(yīng)階段中或者后也可以進(jìn)行性能增強(qiáng)。高吸水性材料在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用:復(fù)合材料和層壓板、殺蟲劑和除草劑的釋放控制(或用于某些生醫(yī)藥物的釋放控制研究)、尿布和失禁服、過(guò)濾應(yīng)用、阻燃凝膠、香水?dāng)y帶劑、青蛙帶(設(shè)計(jì)用于乳膠漆的高科技膠帶)、水脹玩具（例如：水晶寶寶、尸墊、不動(dòng)水床、泄漏控制、手術(shù)墊等。四、耐鹽性的改良高吸水性高分子朝多方面研發(fā)其用途時(shí)，所遭遇的問(wèn)題為會(huì)受水中?類之影響而使吸水倍率下降。以代表性的丙烯酸鈉系高分子架橋體為例，其在純水中的吸水重量為本身重量的500倍，在自來(lái)水中時(shí)為300倍，在尿或生理食鹽水中約50倍，海水中時(shí)僅7倍，隨著鹽濃度的增加，吸水倍率即下降。這是因鹽類所帶來(lái)的離子使高吸水性高分子的離子無(wú)法解離，因而無(wú)法藉靜電排斥使高分子鏈的網(wǎng)目擴(kuò)大之故。尤其是鈣鹽、鎂鹽、鋁鹽所帶來(lái)的多價(jià)金屬離子，會(huì)于高吸水性高分子中結(jié)合，使吸水倍率大幅下降。改良其耐鹽性使不受鹽類影響的方式有以下三個(gè)：(1)使用不與金屬離子結(jié)合的非離子性親水基來(lái)構(gòu)成高吸水性高分子。(2)并用離子交換樹(shù)脂或螯合劑，來(lái)除去會(huì)影響高吸水性高分子的金屬離子。(3)用不易與多價(jià)金屬離子結(jié)合的解離基來(lái)構(gòu)成高吸水性高分子。其中(1)法有使吸水倍率降低、吸水速度緩慢及耐久性變劣等問(wèn)題；(2)法的價(jià)格高，長(zhǎng)期應(yīng)用影響成本；(3)法的改良方法最受重視，相關(guān)研發(fā)與專利也最多。例如導(dǎo)入羧基、氫氧基以外的親水基，如磺酸基、磷酸基等。耐鹽性改良后的高吸水性高分子，用于水泥管止水環(huán)、與海水接觸的密封材、含肥料之土壤保水材等用途上，均能發(fā)揮良好性能。五、水的構(gòu)造與高吸水性高分子的關(guān)系為充分發(fā)揮高吸水性高分子的性能，對(duì)水作進(jìn)一步的了解是有必要的，水的化學(xué)式為h2o，但在液態(tài)的場(chǎng)合，它幾乎是不以單分子形態(tài)存在的。水分子藉氫鏈接合而形成數(shù)個(gè)～數(shù)十個(gè)的集團(tuán)(cluster)。此常溫下的液態(tài)水在加熱后，由氫鏈接合而成的水分子集團(tuán)即崩解，成為單分子的水蒸氣。固態(tài)的冰則是排列整潔地藉氫鏈接合形成巨大的集團(tuán)。高吸水性高分子材料按照原料的不同可以分3類：淀粉系列、纖維素系列和合成系列。前兩類以淀粉或纖維素為主要原料，在主鏈上接枝共聚上親水性或水解后為親水性基團(tuán)的烯烴單體；后一類主要由聚丙酸型樹(shù)脂或聚乙烯醇型樹(shù)脂為主要原料，經(jīng)過(guò)適度的交聯(lián)即可制得，近年來(lái)已經(jīng)成為了高吸水性高分子材料的熱點(diǎn)。六、高吸水性高分子的開(kāi)發(fā)動(dòng)向自從1974年美國(guó)農(nóng)業(yè)部研發(fā)所發(fā)表高吸水性高分子的開(kāi)發(fā)后，日本的住友、三洋化成、花王、日本合成、昭和電子、日本觸媒化學(xué)……等樹(shù)脂廠商亦相繼投入研發(fā)，使得相關(guān)的專利申請(qǐng)案件大幅增加，每年達(dá)二百余件。在1980年前后，高吸水性高分子的最重要使用即為生理用品、紙尿布方面，而隨著使用的擴(kuò)增，汽車、電機(jī)、土木／建筑等行業(yè)亦加入使用研發(fā)的行列。根據(jù)專利申請(qǐng)的內(nèi)容，可看出其在研發(fā)研發(fā)的趨勢(shì)。最近，在感應(yīng)器等電機(jī)、電子零件或光學(xué)顯示元件、機(jī)械化學(xué)材料（因化學(xué)刺激而產(chǎn)生氣械能的材料）等機(jī)能性材料之研發(fā)很多，以高吸水性高分子作為醫(yī)療載體，對(duì)新藥的研發(fā)有很大幫助。以高吸水性高分子為對(duì)象的研發(fā)，則一面倒向聚丙烯酸鹽系，另混合高分子組成型，或n－取代丙烯酸胺系高分子、pva凍結(jié)型等高架橋型亦逐漸發(fā)展中。高分子微粒子的制造與使用科技未來(lái)定義奈米技術(shù)的正式用語(yǔ)，則是一針見(jiàn)血的表現(xiàn)。所謂超微細(xì)科技一語(yǔ)吾人最直接思索的對(duì)象即是粒子，微米粒子的全球已經(jīng)不足為奇，如今進(jìn)步到千分之一微米的奈米粒子，則在制法與使用上帶來(lái)革命性的突破。超微細(xì)粒子在。七、水性高分子共摻混之性質(zhì)討論高吸水性樹(shù)脂(SAP)簡(jiǎn)介倍,并可在數(shù)秒內(nèi)生成凝膠,且保水性強(qiáng),在受熱,加壓條件下也不易失水,對(duì)光,熱,酸堿的穩(wěn)定性好,具有良好的生物降解性能,同時(shí)又具備高分子材料的優(yōu)點(diǎn).高吸水性樹(shù)脂是我公司與中國(guó)科技大學(xué)經(jīng)過(guò)幾年的研究共同開(kāi)高分子微粒子的制造與使用科技未來(lái)(續(xù))衍生的特征來(lái)分析其用途時(shí)，則更輕易理解其實(shí)際的使用價(jià)值。換言之，以高分子微粒子為核心的科技，可以涵蓋聚合科技、接著原理、高分子純化、微?；?、高分子設(shè)計(jì)、機(jī)能設(shè)計(jì)、涂布與造型、設(shè)備系統(tǒng)研發(fā)、熱傳媒體科技。高分子材料的使用、研發(fā)與改性常識(shí)簡(jiǎn)介橡膠裂解可得異戊二烯，但是不知它們之間如何連接以及它的末端結(jié)構(gòu)，因?yàn)橐舱J(rèn)為是二聚環(huán)狀結(jié)構(gòu)的締合體?？茖W(xué)科技的發(fā)展使科學(xué)家們有可能用物理化學(xué)和膠體化學(xué)的方式去研發(fā)天然和實(shí)驗(yàn)室合成的高分子物質(zhì)的結(jié)構(gòu)。液晶高分子的最近行情與使用發(fā)展>液晶高分子(liquidcrystalpolymers,簡(jiǎn)稱lcp)是眾多高分子材料當(dāng)中，結(jié)構(gòu)與性能相稱非凡的族群。最近在技術(shù)水性聚胺酯/聚苯胺互穿高分子網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)體的研發(fā)h)引進(jìn)雙馬來(lái)西亞胺改質(zhì)的聚胺酯的鏈上，接著將苯胺單體加到雙馬來(lái)西亞胺改質(zhì)的聚胺酯。藉由磺酸的存在摻雜聚苯胺以增加兩者之間的兼容性，進(jìn)而形成逐步聚合型高分子網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)體。希望藉由兼容性的提高可以得多孔性生物高分子制備簡(jiǎn)介藥物釋放系統(tǒng)的使用甚為廣泛，其中多孔性基材制備的科技發(fā)展扮演了要害的角色。以組織工程為例，其要害科技即是使用生物可分解性的高分子，研發(fā)出具有三度空間骨架的基材，配合細(xì)胞、成長(zhǎng)養(yǎng)份、藥物及活性因子的植入。生醫(yī)材料用之聚胺脂與幾丁聚醣互穿型高分子網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)之研發(fā)鹽官能基含量的puipn薄膜.另外由于幾丁聚醣具有良好的生物兼容性及無(wú)毒性,故籍由起始劑的起始將其與水性聚胺酯形成互穿型高分子網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(ipn)薄膜,以期得到一種機(jī)械性質(zhì)良好,生物兼容性佳及抗凝血高吸水性高分子吸水后形成的吸水凝膠，是高分子的親水基與水分子混合形成氫鏈而成，而高分子之分子鏈所構(gòu)成的三次元網(wǎng)目又與水分子集團(tuán)交錯(cuò)滲透，這是高吸水性高分子所以能夠大量吸水的原因。高吸水性高分子的親水性官能基之周邊，如圖8所示，可視為有不凍水（a領(lǐng)域）、拘束水（b領(lǐng)域）、自由水（c領(lǐng)域）等三種水的存在，此項(xiàng)假設(shè)已藉由nmr、dsc的儀器試驗(yàn)證明。不凍水是指水分子與親水基行氫鏈接合而被固定之范圍的水，在－20℃也不會(huì)結(jié)凍；拘束水是指與不凍水連結(jié)的水分子之范圍的水，－10℃以下才會(huì)凍結(jié)；而0℃以下即急速凍結(jié)的是自由水。與高吸水性高分子結(jié)合而不凍結(jié)之水的存在，就猶如冬天的樹(shù)木細(xì)胞中有不凍結(jié)的水存在一樣，是很自然的事。參考文獻(xiàn)1、趙文元,王亦軍.功能高分子材料化學(xué)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,1996:2592612、鄒新禧,超強(qiáng)吸水劑[Ｍ].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，1991：6567.3殷樹(shù)梅,李文