高吸水性树脂.docx

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高吸水性树脂

高吸水性树脂

神奇的功能高分子材料—高吸水性树脂

　　随着科学技术和国民经济的发展，高分子材料已经渗透到各个领域。

各种塑料制品、薄膜、人造皮革、合成橡胶、合成纤维等已经成为人们生活中不可缺少的材料。

功能高分子材料是20世纪60年代发展起来的新型领域，是高分子材料渗透到电子、生物、能源等领域后开发涌现出的一种新型材料。

　　功能高分子有时也称为精细高分子或特种高分子，至今还没有一个准确的定义，一般是指具有传递、转换或贮存物质、能量和信息作用的高分子及其复合材料，或具体地指在原有力学性能的基础上，还具有化学反应活性、光敏性、导电性、催化性、生物相容性、药理性、选择分离性、能量转换性、磁性等功能的高分子及其复合材料。

　　高吸水性树脂就是一种新型的功能高分子材料，它具有优异的吸水、保水功能，可吸收自身重量几百倍、上千倍，最高可以达到5300倍

纸手帕以及纸餐巾等。

妇女卫生巾携带方便，卫生、柔软舒适，婴幼儿纸尿布可以一夜不换。

做成纸尿袋可使某些在公共场所无厕可入的人解除尿胀难忍的痛苦，某些老年人因肾功能衰退，小便频繁或因伤残行动不便的人，使用纸尿袋更为方便。

此外，高吸水性树脂还可用作工木建筑工程中的淤泥干操剂，室内空气芳香剂，蔬菜、水果、纸烟的保鲜剂、防霉剂、其它工业上的油水分离剂、阻燃剂、防水剂、防潮剂、固化剂以及吸水后体积膨胀的儿童玩具等。

　　高吸水性树脂最早是在1978年首先在日本三洋化成公司正式投入工业化生产和应用的，目前，全世界高吸水性树脂的总生产能力已经超过130万吨/年，其中日本触媒化学公司是目前世界上最大的高吸水性树脂生产公司，生产能力达到25万吨/年。

目前，全世界对高吸水性树脂的总需求量约为90万吨/年，且有逐年增加的趋势。

由于东南亚地区、中南美国家、东欧以及世界其他地区使用婴幼儿或成人用纸尿裤和卫生巾的普及率日益扩大，对高吸水性树脂的市场需求量迅速增加，致使高吸水性树脂的生产厂商相继展开扩产或国际化生产的策略。

美国每年大约消费30万吨的高吸水性树脂，约占世界高吸水性树脂消费总量的35%，欧洲的消费量约为20万吨/年，约占总消费量的25%，日本的消费量约为8万吨/年，约占总消费量的10%，其中约有一半以上是使用于婴幼儿纸尿裤上，其他在园艺、食品、土木、建筑等领域中的用途也日益扩大，其他地区的总消费量约占30%。

预计到2005年，全世界对高吸水性树脂的需求量将达到约120万吨，消费年均增长率约为4%-5%。

　　我国从20世纪80年代末期开始进行高吸水性树脂的研究开发工作，目前生产厂家有10多家，总生产能力约为1万吨/年，实际产量约为5000吨/年，主要的生产厂家有辽宁抚顺市化工研究所、中国科学院兰州化学物理研究所、河北唐山博亚科技公司、山东省医疗器械研究所、吉林省石油化工设计研究院、原化工部成都有机硅研究中心、辽宁营口市石油化工研究院、吉林化工学校高新技术开发公司、江苏无锡海龙卫生材料公司、河北新奥集团公司、河北保定科翰树脂厂以及黑龙江北安旭光化工厂等。

　　目前，我国高吸水性树脂的消费量约为2.0万吨/年，其中个人卫生用品（卫生巾、婴儿纸尿布等）消费量最大，其次是农林和其他方面。

由于目前我国高吸水性树脂的产量还不能满足国内实际生产的需求，因而每年都得花费大量的外汇从日本佳友精化、三洋化成和三菱油化等公司进口，预计到2005年我国对高吸水性树脂的需求量将达到3.0-3.5万吨，而目前生产能力只有1万吨/年左右，因而开发利用前景十分乐观。

高吸水性树脂（SAR）又称高吸水性聚合物（SAP）是一种含有羧基、羟基等强亲水性基团并具有一定交联度的水溶胀型高分子聚合物。

它不溶于水，也不溶于有机溶剂，却有着奇特的吸水性能和保水能力，同时又具备高分子材料的优点，与传统的吸水材料相比具有更大的优势：

与海绵、棉花、纤维素、硅胶相比，高吸水性树脂的吸水量大，可达自身质量的数十倍，并且保水性强，即使在受热、加压条件下也不易失水，对光、热、酸、碱的稳定性好，具有良好的生物降解性能。

由于SAR具有许多优异的性能，从而被广泛应用于农业、林业、园艺、医药、医疗、生理卫生、石油、化工、环境保护、美容化妆、建材、生化技术和食品等众多领域，并越来越受到人们的关注和青睐。

卫生用品是最早使用SAR且应用研究比较成规模的一个领域。

由于SAR具有吸水率高、保水性强、安全无毒、重量轻、吸液量大等优点，一问世就受到卫生用品厂家的重视，被制成一次性婴儿尿布、妇女卫生巾、宇航员尿袋、餐巾、手帕、母乳垫片、手术衬垫等。

目前，卫生用品是SAR的主要应用领域，占其消费总量的80～95%。

SAR在农业、林业、园艺领域的应用也非常广泛，作为土壤的改良剂和保水剂，可以改善土壤的团粒结构，增加土壤的透气性和透水性，现已被许多国家用来治理沙漠。

SAR可作种子保水剂，提高发芽率；涂于植物根部，可防止根部干燥，减少移植休克，提高成活率。

此外，还可用作水果保鲜、农用薄膜防雾、农药和化肥的缓释剂等。

SAR也广泛用于医疗卫生，如用于保持医用检验切片中的被检液；制作含水量大、使用舒适的外用软膏；制作能吸收浸出液、防止化脓、杀菌消臭的治伤绷带。

另外，SAR在释放性药物、微胶囊、软膏、乳剂、纱布、抗血栓药物、人造皮肤、避孕药、人造脏器、软接触透镜、热敷剂等方面的应用也受到越来越高的重视。

SAR可用作食品包装材料、保鲜材料，保鲜效果比聚烯烃薄膜要好得多。

由于SAR吸水不吸油，故可用于油水分离剂、灭火剂、灭火布、耐用碱性电池。

用于造纸，可以提高纸张的质量，降低生产成本。

在纺织印染中可以保持一定湿度，防止静电。

用于污水处理，可吸附、回收重金属离子。

SAR可用作建筑用光纤电缆的防漏剂，目前已成功应用于英、法两国之间的海底隧道。

还可用作填充材料，修补混凝土的龟裂或作其模型框架，或用作溜冰场的人造雪、空气清新剂等。

我国SAR的研制工作起步较晚，产品品质不高，至今无工业化规模装置，同国外相比无论是技术上还是规模上都存在很大差距。

目前国内市场上的SAR产品大都依赖进口，因此，迫切需要快速发展我国的SAR，把握SAR的巨大市场潜力。

高吸水树脂（SuperAbsorbentPolymer，SAP）是一种新型功能高分子材料。

它具有吸收比自身重几百到几千倍水的高吸水功能，并且保水性能优良，一旦吸水膨胀成为水凝胶时，即使加压也很难把水分离出来。

因此，它在个人卫生用品、工农业生产、土木建筑等各个领域都有广泛用途。

高吸水树脂是一类含有亲水基团和交联结构的大分子，最早由Fanta等采用淀粉接枝聚丙烯腈再经皂化制得。

按原料划分，有淀粉系（接枝物、羧甲基化等）、纤维素系（羧甲基化、接枝物等）、合成聚合物系（聚丙烯酸系、聚乙烯醇系、聚氧乙烯系等）几大类。

其中聚丙烯酸系高吸水树脂较淀粉系及纤维素系相比，具有生产成本低、工艺简单、生产效率高、吸水能力强、产品保质期长等一系列优点，成为当前该领域的研究热点。

目前世界高吸水树脂生产中，聚丙烯酸系占到80%。

高吸水树脂一般为含有亲水基团和交联结构的高分子电解质。

吸水前，高分子链相互靠拢缠在一起，彼此交联成网状结构，从而达到整体上的紧固。

与水接触时，水分子通过毛细作用及扩散作用渗透到树脂中，链上的电离基团在水中电离。

由于链上同离子之间的静电斥力而使高分子链伸展溶胀。

由于电中性要求，反离子不能迁移到树脂外部，树脂内外部溶液间的离子浓度差形成反渗透压。

水在反渗透压的作用下进一步进入树脂中，形成水凝胶。

同时，树脂本身的交联网状结构及氢键作用，又限制了凝胶的无限膨胀。

当水中含有少量盐类时，反渗透压降低，同时由于反离子的屏蔽作用，使高分子链收缩，导致树脂的吸水能力大大下降。

通常，高吸水树脂在0.9%NaCl溶液中的吸水能力只有在去离子水中的1/10左右。

吸水和保水是一个问题的两个方面，林润雄等对此进行了热力学探讨。

在一定温度和压力下，高吸水树脂能自发地吸水，水进入树脂中，使整个体系的自由焓降低，直到平衡。

若水从树脂中逸出，使自由焓升高，则不利于体系的稳定。

差热分析表明，高吸水树脂吸收的水在150°C以上仍有50%封闭在凝胶网络中。

因此，常温下即使施加压力，水也不会从高吸水树脂中逸出，这是由高吸水树脂的热力学性质决定的。

高吸水树脂研究历史及现状

1.国外研究历史

高吸水性树脂（简称SAR或SAP）是一种交联密度很低、不溶于水、高水膨胀性的功能性高分子材料。

20世纪五十年代以前人类使用的吸水材料主要为天然物质和无机物。

五十年代，Goodrich公司开发了交联聚丙烯酸的生产技术，与此同时，科学家Froly通过大量的实验研究，建立了吸水性高分子的吸水理论，称Froly吸水理论，为吸水性高分子的发展奠定了理论基础。

国外从六十年代开始研制吸水性材料，1961年美国农业部北方研究所C.R.Russell等从淀粉接枝丙烯腈开始研究并研制出了具有较高吸水性能力且有良好保水性的高吸水性高分子材料。

其后，G.F.Fanta等接着进行研究，研制的淀粉衍生物吸水剂用于土壤改良、保水抗旱等方面。

六十年代末至七十年代，美国Grain-Processing、Hercules、NationalStarch、GeneralMillsChemical，日本住友化学，花王石碱，三洋化成工业等公司相继成功地开发了高吸水聚合物。

此后，世界各国对高吸水聚合物的品种、制造方法、性能和应用领域等方面进行了大量的研究工作,取得了成果,其中成效最大的是美国和日本。

七十年代中期，日本开展了以纤维素为原料制成高吸水剂的研究，得到了片状、粉末状和丝状的产品。

八十年代则提出了用放射线对各种氧化烯烃进行交联处理，合成了非离子型高吸水聚合物，其吸水能力为二千多倍，从而打开了合成非离子型高吸水聚合物的大门。

目前日本触媒、三洋化成及德国Stockghausen三大生产集团掌握着全球高吸水聚合物70%的市场，它们之间以技术合作方式，进行着世界国际联合经营。

在此过程中，各研究单位所使用的原材料趋于多样化，既包括天然材料，又包括石油化工材料；理论更加成熟，特别是日本天中丰一等研究的高分子凝胶相转移理论，进一步建立了高分子凝胶新的理论基础；高吸水性树脂的应用也从仅用于农业生产渗透到各行各业。

2.国内研究情况

在我国，长春应用化学所自1977年开始研制聚丙烯酰胺吸水树脂，开国内之先河。

华南工学院张力田教授于1982年对国际上有关吸水树脂所取得的成就作了综述。

之后,全国数家科研院所以不同的原料对吸水性材料进行了研究及开发。

1988年开始有专利,先后有40多个单位从事过这方面的研究,目前已有几十项专利。

国内的研究侧重于降低成本、提高吸液率及吸盐水能力。

郑州大学的张子勇等以水溶性单体丙烯酸和天然多羟基高分子如淀粉、面粉为主要原料，在水溶性引发剂作用下，进行高温快速聚合，使聚合和干燥一步完成，具有快速简便的显著特点，产物吸水率达1000g/g以上。

苏州大学的朱秀林、路建美等先后采用表面交联与内交联法提高吸水树脂的吸液速度及吸盐水能力，有一定效果，此外他们还对吸水树脂粒径与性能进行了研究。

近年来,国内的研究工作者也开始尝试新的合成方法。

如采用γ射线辐射引发接枝共聚，用微波照射聚合等。

朱秀林等还采用两次合成法，合成大粒径吸水树脂，使后处理工序得到简化。

而且，国内对高吸水树脂的应用研究逐年增多，仅在农牧林方面的文章1989年8篇,1994年33篇，1999年42篇，2001年93篇。

其他方面的应用文献趋势大体同上。

二、高吸水性树脂的结构与吸水性机理

高吸水性聚合物是一类分子中含有极性基团并具有一定交联度的功能高分子，是由化学交联和聚合物分子链间的相互缠绕物理交联构成的三维网络结构。

交联密度低，水分子容易渗入树脂中使树脂膨胀，进一步亲水而凝胶化，成为高吸水性的状态。

但是交联度不能太低，否则就会溶解于水，因此在不溶于水的情况下处于最低交联度的树脂有可能是高吸水性树脂。

而其中的极性基团则大多是羧基、酰胺基、氨基，磺酸基