高吸水性樹脂的特點結構與應用

李源純 汪宇浩 (北京師范大學化學學院，北京 100875)

高吸水性樹脂(Super absorbent Polymers)簡寫為SAP。它是一種含有羧基、羥基等強親水性基團并具有一定交聯度的水溶脹型的高分子聚合物，不溶于水也不溶于有機溶劑，能吸收重于其自身重量多倍的水。與傳統吸水性物質相比，超強吸水劑具有很強的吸水性與保水性，即使加壓也難以將水分離出來。同時高吸水性樹脂還可循環使用。其成型產品已被廣泛應用于衛生用品、園藝、醫藥、建筑、農業、食品、保鮮和水密封材料等各個領域[1-3]。

1 超強吸水劑的特點與分類

超強吸水劑是一種新型功能高分子材料，與傳統吸水性物質在原料，吸水和保水性能方面有很多不同。從材料來源看，普通吸水性物質來源廣泛，價廉易得。主要包括海綿、餐巾、毛巾、衛生紙、尿布；凍膠、明膠、瓊脂；硅膠、石灰、活性炭、硫酸等由天然材料或對其進行簡單加工的物質。超強吸水劑則是功能高分子材料。從吸水倍率、保水能力和釋水性能看，普通吸水性物質吸水能力較小，一般只能吸收自身的幾倍至二十幾倍的水量且保水能力差，釋水性能不可控；超強吸水劑的吸水倍率則達到了自身的幾十倍乃至幾千倍，且由于其吸水過程為自發的自由焓降低的過程，因此保水能力較好，可以反復使用。

超強吸水劑按不同的分類標準可以分為不同的類型。按照原料來源分類可主要分為淀粉系、纖維素系和合成樹脂系幾類；按照親水化方法分類可分為親水性單體的聚合、疏水性聚合物的羧甲基化反應、疏水性聚合物上接枝聚合親水性單體和腈基與酯基的水解反應幾大類；按照交聯方法可分為用交聯劑進行網狀化反應、自行交聯網狀化反應、放射線照射網狀化反應和水溶性聚合物導入疏水基或結晶結構幾種類型。

2 超強吸水劑的結構

超強吸水劑的微觀結構是一種低交聯度的三維網狀結構，有很多孔隙。網絡的骨架可以是淀粉，纖維素等天然高分子，主鏈和側鏈上含有親水性基團，比如—SO3H，—COOH，—OH，也可以是大分子合成樹脂，如聚丙烯酸類。超強吸水劑的微觀結構因其合成體系不同而呈現多樣性。部分水解的聚丙烯肽胺樹脂呈顆粒狀結構，淀粉接枝丙烯酸呈顯島狀結構，纖維素接枝丙烯酰胺則呈蜂窩型結構。總的來說，超強吸水劑具有如下結構特征：三維交聯網狀結構；分子中具有強親水性基團，如羧基，羥基，羰基等，能夠與水分子形成氫鍵；聚合物內部有較高的離子濃度；聚合物具有較高的分子量。

3 超強吸水劑的應用與存在的問題

高吸水性樹脂最基本的性能是它具有能吸收比自身重百倍甚至上千倍的水，吸水后能成為一種膠狀體，具有一定的強度和保水性，它不溶于水和有機物，在工業，農業和日常生活中應用范圍廣泛。醫療、醫藥與生理衛生方面由于其吸水保水、吸收快、不發粘、柔軟的特點，可用于餐巾、抹布、手紙、運動服等；在農林園藝及生態方面，由于超強吸水劑可以提高土壤吸水、保水、耐鹽，增加透水透氣及保溫性、增加肥料效果的作用，且由于其加熱保水性好，隔絕空氣、隔絕火苗，吸水保水等特性，被應用于植物生長發育促進劑、苗木移植保存劑，提高出苗率、移栽成活率，促進植株生長發育、森林或其它方面的滅火以及水果、蔬菜的保鮮等；在建筑材料和工業脫水材料方面，由于其快速膨潤性、黏著性、化學穩定性、耐燃耐候性、防結露等性能優越，被應用于止水隔水材料、結露防止劑、調濕劑、等的固化劑、地基加固劑、吸水性涂料以及被用于脫除各種固體、液體、氣體中的水等；在食品工業方面，天然水凝膠如淀粉、蛋白質、果膠、海藻等天然衍生物及合成吸水劑的吸水、保水及無毒性，被應用于使食品保水，形成凝膠、作食品保鮮材料，增稠、脫水劑等。此外，超強吸水劑還被應用于芳香劑的釋放基材、冷卻劑的添加劑、重金屬離子吸附劑等。

但是超強吸水劑在研究和應用的過程中仍然存在很多問題。首先，產品開發與基礎理論與工藝優化研究脫節。在我國高吸水樹脂的文獻大多是關于產品開發的，基礎的理論研究很薄弱，比如對高吸水樹脂的結構與性能的關系，各基團在吸水溶脹過程中的相互作用，不同單體對吸水性能的影響，如何解決反應體系的穩定性問題等研究非常少。導致高吸水性樹脂的應用與產品開發之間缺乏理論聯系支持，制約了高吸水性樹脂性能的穩定與改良。出現了如下幾個方面的具體問題：理論吸水倍率高，實際使用效果差，在高鹽堿地區吸水倍率大大下降；好的吸水能力，凝膠強度與耐鹽性難以同時具備；一次吸水性能良好，反復使用性能差；成本偏高，難以大面積使用。其次，對高吸水樹脂的應用安全性研究不夠。高吸水性樹脂是一種高分子化合物，難以進行生物降解，積累在土壤中會污染土壤，造成土壤板結。殘留單體，低分子量聚合物，溶劑的毒性也都必須予以重視，如果不及時處理，會污染環境導致植物枯萎危害人體健康。此外，對高吸水性樹脂吸水性能的測試沒有統一規范的方法和統一的標準，不同方法對同一性能的測試結果差別很大，給高吸水樹脂的研究和應用帶來困擾。

[1]陳振斌,博士.蘭州大學,2007.

[2]吳會梅,王文珍.河北化工2006,24.

[3]張科.山東化工,2007,18.