聚丙烯酸鈉高吸水樹脂改性研究進(jìn)展

聚丙烯酸鈉高吸水樹脂改性研究進(jìn)展

高吸水樹脂是一種具有強(qiáng)大吸水性和保水性的功能高科技材料。它能吸收自己重量的幾十到數(shù)千倍水分。即使這些水在壓力下也不會(huì)釋放，因此在工業(yè)、農(nóng)業(yè)和園藝、衛(wèi)生、醫(yī)藥、食品、土木工程、日用化工等方面得到廣泛應(yīng)用。高吸水樹脂的研究始于20世紀(jì)60年代,但直到20世紀(jì)80年代,日本首次將超強(qiáng)吸水樹脂成功的運(yùn)用于衛(wèi)生材料產(chǎn)品后,高吸水樹脂研究才出現(xiàn)了日新月異的大發(fā)展。迄今為止,研究工作者已開發(fā)出很多種高吸水樹脂,按原料來源,可分為淀粉類、纖維素類和合成樹脂類。其中,合成樹脂類高吸水性樹脂具有原料豐富、合成工藝簡(jiǎn)單、吸水率高等優(yōu)點(diǎn),因此研究和發(fā)展速度最快。在合成樹脂類高吸水性樹脂中,又以聚丙烯酸鈉類高吸水樹脂因具有吸水量大、吸水速度快、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)而廣受人們青睞。然而,聚丙烯酸鈉類高吸水性樹脂也存在著諸多不足,如耐鹽性差、吸水后的凝膠強(qiáng)度等,而且,其吸水速度也無法滿足在衛(wèi)生材料等實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域的要求。為彌補(bǔ)其上述各方面不足,進(jìn)一步擴(kuò)大其應(yīng)用領(lǐng)域,同時(shí)為開發(fā)出適用于某些特殊領(lǐng)域應(yīng)用的專屬性產(chǎn)品,各研究小組開展了大量的探索工作,也取得了可喜成果。本文從高吸水樹脂的吸水原理和吸水機(jī)理出發(fā),結(jié)合近年內(nèi)國(guó)內(nèi)外在相關(guān)方面的研究,就其在耐鹽性差、吸水后的凝膠強(qiáng)度和吸水速度方面的改性研究進(jìn)行綜述。1vu—高吸水樹脂吸水原理要改善高吸水樹脂的耐鹽性、凝膠強(qiáng)度及其它性能,必須對(duì)高吸水樹脂的吸水原理有所理解。高吸水樹脂在溶液中的吸水與高吸水樹脂的結(jié)構(gòu)及溶脹介質(zhì)的性質(zhì)有關(guān),其基本關(guān)系可由Flory公式來表示。Q5/3≈[i/(2?VuS1/2)2+(1/2?x1)/V1](Ve/V0)Q5/3≈[i/(2?VuS1/2)2+(1/2-x1)/V1](Ve/V0)式中Q——高吸水樹脂的平衡吸水率;Vu——高聚物結(jié)構(gòu)單元體積,L;i/Vu——固定在高聚物上的電荷濃度,C/L;S——外部溶液的電介質(zhì)離子強(qiáng)度,mol/L;V1——溶脹介質(zhì)的摩爾體積,L/mol;(1/2-x1)/V1——水同高聚物交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的親和力;Ve——交聯(lián)聚合物的體積,L;V0——高聚物的總體積,L;Ve/V0——高聚物的交聯(lián)密度。式中的第一項(xiàng)表示滲透壓,第二項(xiàng)表示和水的親和力,此兩項(xiàng)之和表示吸水能力。2功能基的種類由Flory公式知,影響高吸水樹脂吸水率的因素主要包括三個(gè)方面,即凝膠內(nèi)外的滲透壓、凝膠中的官能團(tuán)與水的親和力和交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)孔的大小。高吸水樹脂交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)的孔越大,吸水率越高;凝膠內(nèi)外滲透壓越大,高吸水樹脂的吸水率越高,但其耐鹽性越差;凝膠中的官能團(tuán)與水的親和力越大,凝膠吸水率越高。因此,要改善高吸水樹脂的耐鹽性,就必須掌握高吸水樹脂中常見功能基的親水性。目前高吸水樹脂所采用的常見功能基大致分為三類:①離子型,含該類功能基的高吸水樹脂吸純水能力較強(qiáng),但耐鹽性差;②非離子型,含該類功能基的高吸水樹脂吸水率較低,但耐鹽性好;③離子型與非離子型的混合型,含該類功能基的高吸水樹脂吸純水能力較強(qiáng),耐鹽性也較好。改善聚丙烯酸鈉型耐鹽性高吸水樹脂的方法,就是根據(jù)高吸水樹脂的吸水原理和功能基吸水作用的本質(zhì),從分子設(shè)計(jì)水平上進(jìn)行的。其包含的主要內(nèi)容有親水基團(tuán)的多樣化、改變交聯(lián)劑、形成互穿網(wǎng)絡(luò)、合成兩性聚合物、提高凝膠網(wǎng)絡(luò)上的電荷密度以及提高功能基的親水性等。2.1耐鹽性高吸水樹脂親水基團(tuán)的多樣化是指在樹脂網(wǎng)絡(luò)上引入多種親水性功能基單體(離子型和非離子型)而改善樹脂耐鹽性的方法,引入的功能基一般有非離子型的酰胺基、羥基、磺酸基等。K.M.Raju等以N,N’-亞甲基雙丙烯酰胺為交聯(lián)劑,以過硫酸鉀為引發(fā)劑,通過水溶液聚合法,將丙烯酰胺、丙烯酸鈉、丙烯酸鉀共聚,制成耐鹽性高吸水樹脂,w(NaCl)=0.9%水溶液中的吸水率約為145g/g。陳馥等以環(huán)己烷為分散介質(zhì),Span-60為懸浮穩(wěn)定劑,過硫酸鉀/亞硫酸氫鈉為引發(fā)劑,丙烯酸/丙烯酰胺為共聚單體,合成了耐鹽性高吸水樹脂,該樹脂可吸w(NaCl)=0.9%水溶液104g/g。A.Pourjavadi等在氬氣環(huán)境中,以硝酸鈰銨為引發(fā)劑,將羧甲基纖維素與丙烯腈接枝共聚,然后將該共聚物進(jìn)行水解,使其中的腈基全部轉(zhuǎn)化為親水的酰胺基和羧基,并實(shí)現(xiàn)聚丙烯腈的交聯(lián),制得了耐鹽性高吸水樹脂,該樹脂在w(NaCl)=0.9%水溶液中的吸水率約為65g/g,且具有pH敏感性,可作為智能凝膠,用于開關(guān)式藥物緩釋。2.2高吸水樹脂的研制改變交聯(lián)劑,以分子鏈較長(zhǎng)的交聯(lián)劑代替?zhèn)鹘y(tǒng)的小分子交聯(lián)劑,可以相應(yīng)改變聚合物網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)孔的大小,還可以引入其它親水性基團(tuán),因此可改善高吸水樹脂的耐鹽性。蔣篤孝等用不同分子量的聚乙二醇與丙烯酸反應(yīng)制得聚乙二醇雙丙烯酸酯,用它作為交聯(lián)劑,用反相懸浮聚合法制得聚丙烯酸高吸水樹脂,結(jié)果發(fā)現(xiàn),由于交聯(lián)劑鏈變長(zhǎng),樹脂的孔隙增大,吸水率增加,加之聚乙二醇分子中醚鍵有親水性且不受鹽的影響,因而其耐鹽性也得到改善。陳密峰等以多元醇為交聯(lián)劑,采用反相懸浮聚合法合成的耐鹽性吸水樹脂,吸生理鹽水為199mL/g。2.3sps/paa互穿聚合物的制備通過互穿網(wǎng)絡(luò)聚合的方法,可以在樹脂中引入不同的親水性官能團(tuán),以增加樹脂中功能基的親水性,促進(jìn)各種官能團(tuán)間的協(xié)同作用,因而可改善樹脂的耐鹽性。A.B.Argade等將聚乙烯醇與對(duì)甲基苯磺酰氯反應(yīng)后,制得含烯鍵的聚乙烯醇,然后將功能化的聚乙烯醇與丙烯酸或其部分中和的產(chǎn)物共聚,得到交聯(lián)的聚丙烯酸系耐鹽性高吸水樹脂將丙烯酸加入到其它水溶性聚合物溶液中,可制得具有互穿網(wǎng)絡(luò)的耐鹽性高吸水樹脂。如LimD.W.等用不同分子量的聚乙烯醇制得聚乙烯醇磺酸鈉(SPS),然后在SPS溶液中丙烯酸與交聯(lián)劑發(fā)生共聚反應(yīng),形成SPS/PAA互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),由溶液法制得的該聚合物吸生理鹽水的倍率為125.6倍。由反相乳液聚合法得到的該聚合物,吸生理鹽水的倍率高達(dá)211.4倍。2.4反聚電解質(zhì)溶劑這里所指的兩性聚合物是指具有反聚電解質(zhì)溶液行為的聚電解質(zhì),包括電中性兩性聚合物和分子鏈上同時(shí)含有正、負(fù)電荷基團(tuán)但其數(shù)目不等的兩性聚合物。與一般聚電解質(zhì)不同,這類聚合物在鹽溶液中的粘度在一定條件下不會(huì)隨外加鹽濃度的增加而減小,而是隨外加鹽濃度的增加而上升,呈現(xiàn)出十分明顯的反聚電解質(zhì)溶液行為,這是耐鹽性吸水樹脂研發(fā)的一個(gè)新動(dòng)向。如路建美等以甲基丙烯酸二甲氨基乙酯和丙烯酸為單體,利用微波輻射進(jìn)行水溶液聚合,制得兩性高吸水樹脂。通過測(cè)定發(fā)現(xiàn)當(dāng)共聚物中丙烯酸含量為50%時(shí),聚合物屏蔽正負(fù)離子的靜電吸引力最好,表現(xiàn)為吸液率最高,吸收w(NaCl)=0.9%水溶液為170g/g。2.5功能基的選擇由前述高吸水樹脂的吸水原理知,凝膠網(wǎng)絡(luò)上的電荷密度對(duì)樹脂的吸水率影響具有第一位的決定意義,這也是聚電解質(zhì)型吸水樹脂吸水倍率遠(yuǎn)高于非離子型吸水樹脂的主要原因,然而,研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)凝膠網(wǎng)絡(luò)上的荷電量為功能基被完全中和時(shí)荷電量的70%左右時(shí),樹脂吸水率最高,吸水后凝膠強(qiáng)度最好,這就預(yù)示著在凝膠網(wǎng)絡(luò)中引入多價(jià)親水性功能基可提高樹脂的耐鹽性,磷酸基是一個(gè)首選的該類型的功能基,但目前就含這一功能基單體研究的報(bào)道甚少。2.6反相懸浮功能樹脂由前述高吸水樹脂的吸水原理知,親水基團(tuán)的親水性越強(qiáng),樹脂與水的親和力也就越大,吸水倍數(shù)越高。很多研究結(jié)果表明,在樹脂中引入親水性更強(qiáng)的功能基,樹脂吸水率將有明顯提高。如Lee等用反相懸浮法合成的丙烯酸/2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)二元共聚吸水樹脂使樹脂吸生理鹽水率提高了2倍左右。研究表明,親水基團(tuán)的親水能力大小次序?yàn)?—SO3H>—PO(OH)2>PO(OH)>—COOH>—CONH2>—OH。2.7抗電解質(zhì)能力由于疏水性長(zhǎng)鏈的疏水作用,非極性基團(tuán)形成強(qiáng)的分子間或分子內(nèi)締合作用,減弱了溶液中離子對(duì)聚合物分子上極性基團(tuán)的同離子效應(yīng),從而提高了聚合物抗電解質(zhì)能力。韓玉花等采用一種高級(jí)脂肪醇聚氧乙烯醚制備出一種酯,將這種含有疏水性長(zhǎng)鏈的酯與丙烯酸鈉通過反相乳液聚合制備出高吸水性樹脂,發(fā)現(xiàn)其耐鹽性得到顯著提高。王進(jìn)等在丙烯酸中加入共聚單體甲基烯酸十八醇酯,將疏水長(zhǎng)鏈引入高吸水性樹脂,發(fā)現(xiàn)可以提高高吸水性樹脂的耐鹽性。然而,由于疏水性長(zhǎng)鏈的疏水作用,必然會(huì)導(dǎo)致高吸水性樹脂的吸水能力有所下降,所以疏水性單體的用量不可太高。2.8無機(jī)溶劑凝膠除在分子設(shè)計(jì)水平上改善高吸水樹脂的耐鹽性以外,吸水樹脂的耐鹽性也可以從合成工藝的改進(jìn)上得到一定程度的改善,例如利用離子交換樹脂的去離子作用,在吸水樹脂中混入離子交換樹脂,可降低吸水樹脂顆粒周圍微環(huán)境的鹽濃度,增大滲透壓,提高吸水率;或利用表面活性劑對(duì)樹脂顆粒進(jìn)行外層包皮,使溶液中反離子難以進(jìn)入,而讓水分子自由進(jìn)入,保持較低反離子濃度,使?jié)B透壓降低很少而提高吸水率;或混入無機(jī)凝膠,使無機(jī)凝膠承擔(dān)反離子載體作用,吸附反離子,保持滲透壓在一較高水平,增加其耐鹽性等等。上述各種方法都是現(xiàn)行的改善樹脂耐鹽性的主要方法,對(duì)改善聚丙烯酸鈉系高吸水樹脂的耐鹽性都具有一定的作用。但由于其考察對(duì)象主要是樹脂在生理鹽水中的耐鹽性,因此,這種改善只近似的適用于堿金屬離子(包括NH+4),對(duì)其它各金屬離子,由于金屬離子與樹脂功能基間存在強(qiáng)的螯合效應(yīng),這種螯合效應(yīng)對(duì)樹脂吸水率的影響遠(yuǎn)大于離子強(qiáng)度的影響,而Flory在推求高吸水樹脂的吸水率時(shí)并沒有考慮這種螯合效應(yīng),因此這些改善方法并不通用,在實(shí)際工作中,我們應(yīng)對(duì)樹脂的使用環(huán)境進(jìn)行充分的了解,根據(jù)實(shí)際環(huán)境,在盡量減少螯合效應(yīng)的基礎(chǔ)上,充分運(yùn)用Flory理論,才能制備出在這一環(huán)境中具有較強(qiáng)耐鹽性的高吸水樹脂。3高吸水樹脂吸水前后凝膠強(qiáng)度研究在大多情況下,要求高吸水性樹脂具有較高的凝膠強(qiáng)度。但是,普通聚丙烯酸鈉高吸水性樹脂的凝膠強(qiáng)度低,難以滿足應(yīng)用要求。因此,改善聚丙烯酸鈉系高吸水樹脂吸水后的凝膠強(qiáng)度也成為聚丙烯酸鈉系高吸水樹脂改性研究的重要一環(huán)。高吸水樹脂吸水后的凝膠強(qiáng)度,是由凝膠網(wǎng)絡(luò)的彈性模量所決定,彈性模量越大,凝膠的強(qiáng)度越大,而吸水后凝膠的彈性模量是由高吸水樹脂在合成時(shí)的交聯(lián)密度成正相關(guān)關(guān)系。然而,由Flory理論知,隨樹脂交聯(lián)密度的增大,其吸水率降低。因此,如何在獲取盡可能高的吸水率的前提下,提高樹脂吸水后的凝膠強(qiáng)度,是這一領(lǐng)域研究的重點(diǎn)。目前,改善聚丙烯酸鈉高吸水性樹脂吸水后凝膠強(qiáng)度的方法主要包括表面交聯(lián)、與非離子型單體共聚、與無機(jī)凝膠共混和形成互穿網(wǎng)絡(luò)等。3.1高吸水樹脂二次表面市通過表面交聯(lián),設(shè)計(jì)并制備出具有結(jié)構(gòu)上外緊內(nèi)松的核殼結(jié)構(gòu)的聚丙烯酸鈉高吸水性樹脂,可以在保持盡可能高的吸水率的前提下較大程度上提高高吸水樹脂吸水后的凝膠強(qiáng)度。楊海燕、崔英德和作者等分別通過對(duì)所制得的高吸水樹脂進(jìn)行表面交聯(lián)處理,設(shè)計(jì)出具有核殼結(jié)構(gòu)的聚丙烯酸鈉高吸水性樹脂,使樹脂顆粒內(nèi)部的交聯(lián)度低,而表面交聯(lián)度高。所得高吸水樹脂吸水率較高,吸水后的凝膠強(qiáng)度較好。通過對(duì)已合成的高吸水樹脂進(jìn)行二次表面交聯(lián)可制得吸水率高、凝膠強(qiáng)度好的耐鹽性高吸水樹脂,也可以在樹脂的合成過程中,對(duì)所得樹脂直接進(jìn)行表面交聯(lián),得到核殼式的樹脂。如J.Huang等以過硫酸鉀為引發(fā)劑,Span-60為懸浮穩(wěn)定劑,N,N’-亞甲基雙丙烯酰胺和二乙烯基苯為交聯(lián)劑,通過反相懸浮聚合法,將丙烯酸與丙烯酰胺共聚,合成了耐鹽性高吸水樹脂,發(fā)現(xiàn)由于二乙烯基苯的表面交聯(lián)作用,制得的樹脂具有更快的吸水速度,更好的耐鹽性和強(qiáng)度,所得樹脂在w(NaCl)=0.9%水溶液中的吸水率約為50g/g。K.Kabiri等通過快速聚合的方式,在常壓下將部分中和的丙烯酸的濃溶液引發(fā)聚合,在聚合過程中以丙酮和碳酸氫鈉為致孔劑,以N,N’-亞甲基雙丙烯酰胺和1,4-二丁醇二丙烯酸酯分別作為水溶性和油溶性的交聯(lián)劑,制得了快速溶脹的高吸水樹脂,該樹脂常壓下在w(NaCl)=0.9%水溶液中的吸水率為66g/g。3.2非離子型親水性單體研究發(fā)現(xiàn),離子型高吸水性樹脂盡管具有很強(qiáng)的吸水能力,但吸水后的凝膠強(qiáng)度比較低;非離子型親水性單體(如環(huán)氧乙烷、環(huán)氧丙烷、乙烯二醇等)的聚合物的吸水能力較低,但吸水后的凝膠強(qiáng)度較高,而且,非離子型親水單體的加入,會(huì)由于協(xié)同效應(yīng)而使聚丙烯酸鈉高吸水性樹脂的吸水率提高。因此,在離子型高吸水性樹脂聚丙烯酸鈉中引進(jìn)非離子型親水性單體,將能夠在獲得盡可能高的吸水率的同時(shí)改善凝膠強(qiáng)度。K.Suda等采用丙烯酸與丙烯酰胺共聚,發(fā)現(xiàn)可以提高凝膠強(qiáng)度。朱文淵等采用非離子型的水溶性單體HEMA(甲基丙烯酸-2-羥乙酯)與丙烯酸共聚,發(fā)現(xiàn)HEMA含量越大,吸水性樹脂的凝膠強(qiáng)度也越大。3.3聚丙烯酸鈉/高嶺土復(fù)合高吸水性樹脂無機(jī)物的強(qiáng)度比高分子化合物的強(qiáng)度高得多,因此,將高吸水性樹脂與無機(jī)物復(fù)合,有利于提高吸水劑的強(qiáng)度。K.Kabiri等通過將高嶺土與聚丙烯酸復(fù)合制得了綜合吸水性能好的吸水樹脂;張健等運(yùn)用改性蒙脫土對(duì)丙烯酸-co-2-丙烯酰胺基-2-甲基丙烷磺酸鈉吸水樹脂進(jìn)行改性,制得了耐鹽性和凝膠強(qiáng)度顯著改善的吸水樹脂,張小紅等以部分中和的丙烯酸為單體,以高嶺土為無機(jī)填充料,通過反相懸浮聚合法合成出聚丙烯酸鈉/高嶺土復(fù)合高吸水性樹脂,發(fā)現(xiàn)適量高嶺土的加入,可以提高高吸水性樹脂的吸水強(qiáng)度。作者認(rèn)為,與無機(jī)凝膠共混增強(qiáng)高吸水樹脂凝膠強(qiáng)度的原理在于:由于無機(jī)凝膠中含有可與聚丙烯酸鈉發(fā)生螯合作用的高價(jià)金屬離子,能與樹脂中的功能基螯合而形成配位型交聯(lián)點(diǎn),因此也可以增加樹脂吸水后的凝膠強(qiáng)度。同時(shí),由于無機(jī)凝膠表面有很多活性親水性的羥基,它可以通過氫鍵與若干高分子鏈結(jié)合起來,形成一種交聯(lián)結(jié)構(gòu)。當(dāng)其中一根分子鏈?zhǔn)艿綉?yīng)力時(shí),可以通過交聯(lián)點(diǎn)將應(yīng)力傳遞到其他分子鏈上,減少作用于每根分子鏈上的應(yīng)力,從而增大凝膠的強(qiáng)度,但由于無機(jī)凝膠的加入量少,又不易分散,所以使所得高吸水樹脂的結(jié)構(gòu)不夠均一,其凝膠強(qiáng)度也不均一。在這種思想的啟迪下,作者分別將聚丙烯酸鈉和丙烯酸鈉與丙烯酰胺共聚所得高吸水樹脂經(jīng)表面交聯(lián)后,用反應(yīng)后能生成凝膠的反應(yīng)性無機(jī)鹽對(duì)與之共混,制得了凝膠強(qiáng)度均一、吸水率較高、各項(xiàng)性能較好的耐鹽性高吸水樹脂。3.4親水性官能團(tuán)協(xié)同作用制備互穿網(wǎng)絡(luò)型高吸水樹脂,不僅可以向樹脂引入其它親水性官能團(tuán),通過官能團(tuán)的協(xié)同作用,改善樹脂的耐鹽性,而且,由于聚合物網(wǎng)鏈相互之間形成具有廣泛的物理交聯(lián)點(diǎn)的織結(jié)結(jié)構(gòu),也可以改善樹脂吸水后的凝膠強(qiáng)度。3.5微波共聚改性高吸水樹脂上述各種方法為目前改善凝膠強(qiáng)度的基本方法,但并非為僅有的幾種方法。如路建美等以丙烯酸鈉和烏頭酸為單體,過硫酸鉀和連二亞硫酸鈉作引發(fā)劑,乙二醇縮水甘油醚為交聯(lián)劑,在水溶液中進(jìn)行微波輻射共聚,制得凝膠強(qiáng)度較高的高吸水性樹脂。然而,縱觀所有改善凝膠強(qiáng)度的方法,其原理不外乎增大交聯(lián)點(diǎn)密度及增強(qiáng)分子鏈剛性兩類。4高吸水樹脂吸水機(jī)理與改善樹脂的耐鹽性和吸水后的凝膠強(qiáng)度不同,樹脂吸水速度的改善不依賴于對(duì)高吸水樹脂吸水原理的理解,而依賴于對(duì)高吸水樹脂吸水機(jī)理的認(rèn)識(shí)。因此,為改善樹脂的吸水速度,有必要對(duì)樹脂的吸水原理進(jìn)行闡述。4.1排斥作用產(chǎn)生的不穩(wěn)定因素高吸水樹脂吸水能力與高吸水樹脂網(wǎng)絡(luò)所帶的電荷、功能基的親水性以及高吸水樹脂的交聯(lián)密度所決定,同時(shí)還受溶脹介質(zhì)離子強(qiáng)度的影響。而高吸水樹脂的吸水機(jī)理則是動(dòng)力學(xué),聚丙烯酸鈉類高吸水樹脂的吸水機(jī)理可表述如下:當(dāng)高吸水樹脂與水溶液接觸時(shí),就會(huì)發(fā)生離解,生成帶負(fù)電荷的聚合物離子和Na+,其中羧基負(fù)離子與交聯(lián)鏈相連,不能向水中擴(kuò)散,所以主鏈網(wǎng)絡(luò)骨架均為帶負(fù)電的羧基離子,其間的排斥作用產(chǎn)生使網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)張的動(dòng)力。Na+雖具備一定的活動(dòng)性,但由于受網(wǎng)絡(luò)骨架相反電荷的吸引、束縛,使得Na+只能存在于網(wǎng)絡(luò)中,這樣網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部Na+濃度大于外部Na+濃度,離子內(nèi)外產(chǎn)生滲透壓,加上聚電解質(zhì)本身的水合能力強(qiáng),促進(jìn)水在短時(shí)間內(nèi)大量進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)。隨著水進(jìn)一步滲透,部分正負(fù)離子對(duì)離解,Na+脫離聚合物分子鏈向溶劑擴(kuò)散,導(dǎo)致聚合物分子鏈帶了多余負(fù)電荷,由于靜電斥力,聚合物分子鏈得到擴(kuò)張,這樣,水就更容易進(jìn)入聚合物中。另一方面,聚合物本身的交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)及氫鍵結(jié)合,又限制了聚合物分子網(wǎng)絡(luò)不能無限制地?cái)U(kuò)大。這兩種相反作用造成了高吸水性樹脂具有一定的吸水能力及吸水后維持凝膠狀的結(jié)果。由于凝膠中的Na+濃度遠(yuǎn)大于外界溶液中電解質(zhì)濃度,所以在高吸水樹脂吸水過程中,外界溶液中的離子進(jìn)入存在明顯的滯后效應(yīng),若電解質(zhì)溶液中的金屬離子為Na+,則在溶脹達(dá)平衡時(shí)進(jìn)入凝膠中的Na+濃度較溶液初始濃度低。由高吸水樹脂的吸水機(jī)理知,高吸水樹脂的吸水速度依賴于水與凝膠之間的相互擴(kuò)散作用。眾所周知,增大高吸水性樹脂的比表面積,使樹脂與水的接觸面積增大,可以加快吸水速度。因此,提高吸水速度的改性方法主要是圍繞增大吸水樹脂的比表面積展開的。其主要研究?jī)?nèi)容包括:小尺寸樹脂顆粒的合成、合成大孔及超孔樹脂以及其它改善吸水速度的方法。4.2反相懸浮法制備聚合物酸鈉高吸水性樹脂Tanaka的研究表明,水凝膠溶脹或收縮達(dá)到平衡所需的時(shí)間與水凝膠的線性尺寸的平方呈正比,即S∝R2/D,其中S為水凝膠溶脹或去溶脹的特征時(shí)間,R為水凝膠的線形尺寸,D為水凝膠的協(xié)同擴(kuò)散系數(shù)。據(jù)此得出,小的凝膠顆粒響應(yīng)外界刺激的速度較