基本介紹
- 中文名：高吸水性高分子
- 外文名：super absorbent resin
- 主要指：高吸水性樹脂
- 又稱：超級吸水劑
- 種類：合成產品和天然產物
- 吸水情況：自身數百倍
發展情況,分類,結構特點,作用機制,影響因素,
發展情況
高吸水性高分子材料是指其吸水能力至少超過自身重量數百倍的特殊吸附性樹脂，能夠表現出超強的吸水能力，是一種重要的功能高分子材料。最早的高吸水性高分子材料是在1974年由美國農業部的研究人員首先研製的，並首先用於農業上的保水和製造紙尿褲和婦女衛生棉。高吸水性樹脂已經開發出澱粉衍生物系列、纖維素衍生物系列、甲殼質衍生物系列、聚丙烯酸系列和聚乙烯醇系列等。近年來由於其重要的套用價值，各國都在研究和開發方面投入大量人力和物力，在科研和生產方面都取得了快速發展，到2000年為止，全世界的年產量已經超過百萬噸，我國國內的市場需求量在2005年也將達到3萬噸以上。當前高吸水性樹脂已經成為重要的工業產品，已經有各種商品出售。高吸水樹脂的研究開發以美國和日本處於領先地位，我國在這方面的研製工作起步較晚，但是已有一些科研單位和高等院校在這一領域取得一批研究成果。
如圖
分類
高吸水性樹脂從其原料角度出發主要分為兩類，即天然高分子改性高吸水性樹脂和全合成高吸水性樹脂。前者是指對澱粉、纖維素、甲殼質等天然高分子進行結構改造得到的高吸水性材料。其特點是生產成本低、材料來源廣泛、吸水能力強，而且產品具有生物降解性，不造成二次環境污染，適合作為一次性使用產品。但是產品的機械強度低，熱穩定性差，特別是吸水後的性能較差，不能套用到諸如吸水性纖維、織物、薄膜等場合。澱粉和纖維素是具有多糖結構的高聚物，最顯著的特點是分子中具有大量羥基作為親水基團，經過結構改造後還可以引入大量離子化基團，增加吸水性能。後者主要指對聚丙烯酸或聚丙烯腈等人工合成水溶性聚合物進行交聯改造，使其具有高吸水樹脂的性質。特點是結構清晰、質量穩定、可以進行大工業化生產，特別是吸水後的機械強度較高，熱穩定性好。但是生產成本較高，而吸水率偏低。常見的合成高吸水樹脂類主要有聚丙烯酸體系、聚丙烯腈體系、聚丙烯醯胺體系和改性聚乙烯醇等。在結構上多以羧酸鹽基團作為親水官能團，聚合物具有離子性質，吸水能力受水中鹽濃度的影響較大。以羥基、醚基、氨基等作為親水官能團的樹脂屬於非離子型，吸水能力基本不受鹽濃度的影響，但其吸水性能較離子型低很多。
從材料的外型結構上來說，已經有粉末型、顆粒型、薄膜型、纖維型等高吸水產品，其中纖維型和薄膜型材料具有使用方便，便於在特殊場合使用的特點。高吸水樹脂由於採用原料不同，製備方法各異，產品牌號繁多，單從產品名稱上不易判斷其結構歸屬。
結構特點
高吸水性高分子材料之所以能夠吸收高於自身重量數百倍，甚至上千倍的水分，其特殊的結構特徵起到了決定性的作用。作為高吸水性樹脂從化學結構上來說主要具有以下特點。
(1)樹脂分子中具有強親水性基團，如羥基、羧基等。這類聚合物分子都能夠與水分子形成氫鍵，因此對水有很高的親和性，與水接觸後可以迅速吸收並被水所溶脹。
(2)樹脂具有交聯型結構，這樣才能在與水相互作用時不被溶解成溶液。事實上用於製備高吸水性樹脂的原料多是水溶性的線型聚合物，如果不經過交聯處理，吸水後將部分成為流動性的水溶液，或者形成流動性糊狀物，達不到保水的目的。而經過適度交聯後，吸水後樹脂僅能夠迅速溶脹，不能溶解。由於水被包裹在呈凝膠狀的分子網路內部，在液體表面張力的作用下不易流失與揮發。
(3)聚合物內部應該具有濃度較高的離子性基團，大量離子性基團的存在可以保證體系內部具有較高的離子濃度，從而在體系內外形成較高的指向體系內部的滲透壓，在此滲透壓作用下，環境中的水具有向體系內部擴散的趨勢，因此，較高的離子性基團濃度將保證吸水能力的提高。
作用機制
高吸水性樹脂之所以能夠吸收大量水分而不流失主要是基於材料親水性、溶脹性和保水性等性質的綜合體現。具有較高吸水能力的高吸水性樹脂均含有強親水性基團並具有比較高的離子濃度，而且經過一定程度的交聯。其吸水過程主要經過以下幾個步驟。
(1)首先由於樹脂內親水性基團的作用，水分子與親水性基團之間形成氫鍵，產生強相互作用進入樹脂內部將樹脂溶脹，並且在樹脂溶脹體系與水之間形成一個界面，這一過程與其他交聯高分子的溶脹過程相似。
(2)進入體系內部的水將樹脂的可解離基團水解離子化，產生的離子(主要是可移動的反離子)使體系內部水溶液的離子濃度提高，這樣在體系內外由於離子濃度差別產生滲透壓，此時，滲透壓的作用促使更多的水分子通過界面進入體系內部。由於聚合物鏈上離子基團對可移動反離子的靜電吸引作用，這些反離子並不易於通過擴散轉移到體系外部，因此，滲透壓得以保持。
(3)一方面隨著大量水分子進人體系內部，聚合物溶脹程度不斷擴大，呈現被溶解趨勢；另一方面，聚合物交聯網路的內聚力促使體系收縮，這種內聚力與滲透壓達到平衡時水將不再進入體系內部，吸水能力達到最大化。水的表面張力和聚合物網路結構共同作用，吸水後體系形成類似凝膠狀結構，吸收的水分呈固化狀態，即使在輕微受壓時吸收的水分也不易流失。在這一點上與常規吸水材料的外部吸水模式明顯不同。
高吸水樹脂達到平衡時的吸水量被稱為最大吸水量。為了便於測量，有時也用24h吸水量來代替最大吸水量，用來衡量樹脂的吸水能力。單位時間進入體系內部的水量被稱為吸水速度，是衡量吸水樹脂工作效率的指標。
影響因素
(1)樹脂化學結構的影響作為高吸水性樹脂，結構中含有親水性基團是首要條件，只有含有強親水性基團才能使水與聚合物分子間的相互作用大於聚合物分子間的相互作用，使聚合物容易吸收水分而被水溶脹。多數高吸水性樹脂在結構內部都含有大量的羥基和羧基等親水性基團就是基於上述理由。不過要使樹脂能夠吸收超過自身重量幾百倍甚至上千倍的水，僅靠親水性基團是不夠的。第二個結構因素是分子內要含有大量可離子化的基團，從而在溶脹後可以提供較大滲透壓，這也是製備高吸水量樹脂的必備條件。以纖維素類高吸水性樹脂為例，經過鹼性處理後可以使大量羥基和衍生化後引入的羧基離子化就是出於上述目的。因此可以說，高吸水性樹脂具有強親水性和可離子化基團等化學結構是高吸水的重要前提條件。通常情況下高吸水性樹脂中含有上述基團的數目與其吸水性能成正比。
(2)聚合物鏈段結構的影響 僅僅有上述兩個結構條件還不能構成高吸水性高分子，因為還必須解決如何保水的問題，才能夠將大量吸收的水分不易流失。事實上大量的含有上述結構的水溶性聚合物和水溶性小分子沒有大量吸水能力就是證據。適度交聯結構使親水性樹脂在水溶液中僅能溶脹不能溶解是高吸水性樹脂的第二個必要條件。所有的高吸水性樹脂都是由線型水溶性聚合物經過適度交聯製備的。交聯主要起兩方面的作用，首先是保證聚合物不被水所溶解，其次是為保持吸收的水分提供封閉條件，並為溶脹後的水凝膠提供一定機械強度。一般來說，交聯度越高，機械強度越好。但是，在一定範圍內，高交聯度將限制溶脹程度，因此交聯度與最大吸水量成反比。如何平衡上述兩個因素是製備高吸水性樹脂考慮交聯度時的主要目的。
(3)外部影響因素 對於高吸水性樹脂吸水性能的外部影響因素主要是水溶液的組成和溫度、壓力等。水的組成中最重要的是鹽的濃度，因為從上面分析中我們已經知道，最大吸水量是聚合物網路內聚力與體系內外滲透壓之間平衡的結果。水中如果存在鹽成分，鹽濃度將直接降低滲透壓差，導致最大吸水量下降。鹽濃度越高，最大吸水量下降越大。雖然對於耐鹽型高吸水型樹脂的研究也取得了一定進展，主要採用黃膠原與丙烯酸醯胺共聚，對於0.9%食鹽水的吸附能力可達623倍，但是仍大大小於對純水的吸附量。此外，由於某些高吸水性樹脂易於水解，因此，考慮到樹脂的穩定性，水溶液的酸鹼度也是重要的影響因素。溫度和壓力對吸水指標的影響是可以預見的，因為外界壓力將直接疊加到聚合物網路內聚力上，壓力增加顯然對最大吸水量不利。環境溫度會影響水的表面張力，將對樹脂的保水能力產生影響。
