高吸水樹脂及其耐鹽性研究

黃亞瓊，彭少賢，王智斌

湖北工業大學化學與環境工程學院，湖北 430068

高吸水性樹脂又稱為超強吸水劑，是一種含有羧基等強親水性基團并具有一定交聯度的水溶脹型高分子聚合物。與傳統的吸水材料（如紙、棉、海綿等）相比，高吸水性樹脂具有吸水容量大、吸水速度快、保水能力強等優越性能，廣泛應用于農業、園林、建筑、涂料、石油化工醫、療衛生及環境保護等領域。

1 高吸水樹脂的吸水機理

高吸水性樹脂由于是一個交聯的三維網絡結構，所以其吸水過程是高聚物的溶脹過程，一個比較復雜的過程。目前，較為通用的離子網絡理論認為，高吸水樹脂在水中，水分子氫鍵與高吸水樹脂的親水基團作用，離子型的親水基團遇水開始離解，陰離子固定于高分子鏈上，陽離子為可移動離子，隨著親水基團的進一步離解，陰離子數目增多，離子間的靜電斥力增大使樹脂網絡擴張，同時為了維護電中性，陽離子不能向外部溶劑擴散，導致可移動陽離子在樹脂網絡內的濃度增大，網絡內外的滲透壓隨之增加，水分子進一步滲入。隨著吸水量的增大網絡內外的離子濃度差逐漸減少，滲透壓差趨于零，同時隨著網絡擴張其彈性收縮力也在增加，逐漸抵消陰離子的靜電斥力，最終達到吸水平衡。

2 鹽對高吸水樹脂吸水倍率的影響

高吸水樹脂吸水倍率受鹽的影響很大，如吸收純水可達400倍～600倍的聚丙烯酸鹽系吸水樹脂，吸自來水為250倍～350倍，生理鹽水40倍～60倍，人工海水7倍～l0倍。鹽濃度越高其吸水倍率越低。耐鹽性可分為兩個方面，即對鈉鹽，鉀鹽等堿金屬鹽的耐鹽性（稱作耐堿金屬鹽性）和對鈣鹽、鎂鹽，鋁鹽等多價金屬鹽的耐鹽性（稱為耐多價金屬鹽性）。一般的耐鹽性多指前者。兩者給吸水性樹脂造成的影響不同，而多價金屬鹽對吸水性樹脂的破壞性較大。

3 高吸水樹脂耐鹽性改進方法

由吸水原理可知，影響樹脂吸水能力的因素很多，主要有交聯密度、結構組成、溶液性質、表面形態、制備方法等。改善吸水樹脂耐鹽性能的主要方法有以下幾種。

3.1 高吸水樹脂多種多樣的親水性基團

使樹脂不但具有梭酸基、磺酸基、磷酸基、叔胺基、季胺基等陰離子和陽離子基團，而且還有經基、酞胺基等非離子基團。由于非離子基團的引入，樹脂吸水迅速，在短時間內，樹脂高分子網絡電離成離子對，離子間電荷的相對作用使高分子網束張開產生較大滲透壓，增強樹脂的耐鹽性和吸水速率。

3.2 高吸水樹脂與無機水凝膠復合

無機水凝膠的耐鹽性一般較好，與高吸水性樹脂結合在一起，就可以得到穩定的耐鹽性吸水樹脂。常用的無機水凝膠有鋁凝膠、鐵凝膠、鈦凝膠、硅凝膠、鉻凝膠、膨潤土和高嶺土等。這種方法主要應用于對產品需求量大，且要求不太嚴格的油田開采用堵水劑以及農林業用保水劑等方面[1]。

3.3 高吸水性樹脂與離子交換樹脂的混合

利用離子交換樹脂離子交換的性能，降低水溶液中的離子濃度，從而提高高吸水性樹脂對鹽溶液的吸收能力。比如在片狀制品的加工過程中，用陰離子交換樹脂、陽離子交換樹脂及高吸水性樹脂做成多層的夾層片，這樣可大大提高在鹽水中的吸收能力。

3.4 合成兩性高吸水樹脂

這里所指的兩性聚合物是指具有反聚電解質溶液行為的聚電解質，包括電中性兩性聚合物和分子鏈上同時含有正、負電荷基團但其數目不等的兩性聚合物。與一般聚電解質不同，這類聚合物在鹽溶液中的粘度在一定條件下不會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，呈現出十分明顯的反聚電解質溶液行為，這是耐鹽性吸水樹脂研發的一個新動向。

3.5 交聯劑的選擇

交聯劑的使用對樹脂的吸水倍率和耐鹽性能有很大的影響。交聯劑用量的大小，決定了樹脂的空間網絡的大?。航宦搫╂湹拈L短與樹脂對水分子的束縛能力以及樹脂吸水后的凝膠強度密切相關；交聯劑鏈上的官能團的親疏水性與數量對樹脂的吸水性能也有影響[2]。

4 高吸水樹脂的發展趨勢

高吸水樹脂現在已經運用到很多方面，繁高吸水樹脂目前尚存在許多不足之處，如高吸水樹脂雖然種類繁多，但普遍應用的品種還比較少；成本較高；許多產品性能不高，特別是耐鹽性、吸水速率、強度還較低，給應用帶來了困難；資源開發欠廣泛;合成與加工方法尚待更新開發；價格較高；用途的開發也顯得很不廣泛；理論及應用研究均不能與需要同步。根據目前的狀況，對今后超強吸水性材料的發展提出以下幾種方向：一是降低成本，價格問題是阻礙吸水性樹脂廣泛應用的主要因素之一，為了在農業等方等得到廣泛的應用必須降低成本，這可從生產原料、工藝和設備等方面入手；二是提高性能，性能也是阻礙吸水性樹脂廣泛應用的主要因素，我們應該在保證具有優良吸水性能和保水性能的基礎上，提高高吸水性樹脂的吸水速度、耐鹽性能、產品的凝膠強度和熱穩定性以及可生物降解性。這可以從纖維素、淀粉以及氨基酸等方面著手進行這方面的研究。另外將高吸水性樹脂與無機物、有機物或高分子復合，可制備出成本低廉，性能優異的高吸水性材料，而這種材料往往兼有各種性能；三是拓寬用途，高吸水性樹脂的應用不應該只限于作為衛生用品材料等，它也可以應用于固定酶，還可用于色譜和傳感器，因此根據它所具有的特殊作用來探索其新用途，并應用于高科技領域將會迎來又一個銷售高峰；四是加強理論研究，現在的文獻報道多集中在產品的合成以及應用領域，而內部結構、吸水機理、以及定性的通過分子模擬和量化分析報道的很少，使得理論研究遠落后于研發應用。如果沒有厚實的理論基礎，吸水樹脂的研制開發就會受到束縛，因此加強理論研究是十分迫切和必要的。

[1]王丹，商士斌，宋湛謙.高吸水樹脂耐鹽性的改進方法[J].東北林業大學學報，2006，34(2)：95-97.

[2]蔣篤孝，宋嶺瑛.聚7,-醇雙馬來酸酯作交聯劑制各高吸水性樹脂的研究[J].化學與粘合，1999(3)：l15-117.