可再生天然原料綠色高吸水樹脂的研究和發展

吳海霞，圖力古日，馬曉麗

（內蒙古化工職業學院，內蒙古呼和浩特 010010）

可再生天然原料綠色高吸水樹脂的研究和發展

吳海霞，圖力古日，馬曉麗

（內蒙古化工職業學院，內蒙古呼和浩特 010010）

可再生天然原料綠色高吸水樹脂對建設環境友好型社會具有重要的意義和價值。本文結合綠色高吸水樹脂的分類、合成方法、制備工藝及相關應用，探討可再生天然原料綠色高吸水樹脂的未來發展趨勢。

可再生天然原料；綠色；高吸水樹脂；應用；發展

1 綠色高吸水性樹脂的分類

從原料、結構性能以及制備工藝等方面，綠色高吸水樹脂可以劃分為不同的類型。

1.1 淀粉系高吸水樹脂

高吸水樹脂的原料來源于淀粉。淀粉作為一種天然的多羥基天然化合物，原料廉價易得，但淀粉缺少耐熱性能和水溶性，容易腐爛變質，長期保存的難度較大，因此在制備樹脂時需要對其進行性能的改造。其中常用的方法就是接枝共聚，常用的單體是丙烯腈、丙烯酸、丙烯酰胺等[1]。楊慶榮等利用正交試驗，對玉米淀粉接枝丙烯腈，分析了配比問題和反應的條件，發現樹脂的吸收倍率為800g/g。Ray ford W.E 等采用接枝丙烯腈制備了出了交聯產物，不僅吸水性能較強，且還能夠吸附重金屬離子，在污水處理方面得到良好的應用。淀粉接枝丙烯酸高吸水樹脂工藝流程比較簡單，不需要進行皂化水解，與丙烯腈相比，毒性較低，溶劑消耗少，大大增強了吸水的性能。柳明珠等在玉米淀粉上接枝丙烯酸并結合水溶液聚合法得到了高吸水樹脂，該類型的樹脂在常溫下30min吸附去離子水的吸收倍率為1 000g/g，吸附自來水的吸附倍率為200g/g。潘松漢等以羧甲基淀粉為原料，采用接枝法制備了高吸水樹脂，吸水的性能較高且穩定，并且無廢物的產生，在生產領域中得到了廣泛的應用。

1.2 纖維素系高吸水樹脂

纖維素的來源十分的豐富且廉價，纖維素作為多羥基的化合物具有很多的毛細管，且表面積大，利用毛細管吸水，能夠調節pH值，具有抗生物降解的性能，因此在高吸水樹脂的制備中得到了廣泛的應用。鄒新禧等采用羧甲基纖維素接枝丙烯酸，采用反相乳液聚合法制備得到高吸水樹脂，吸附倍率為1 200～2 000g/g，利用鹽式溶液法制成的產物吸水倍率為1 000～1 600g/g。纖維素接枝丙烯酸作為吸附劑，具有較高的耐鹽性，吸水的速度較快，并且強度較大。隨著研究的方法的逐漸增多，在纖維素上使用多種官能團增強器復合功能，是纖維素類高吸水樹脂未來的發展方向。

1.3 蛋白質高吸水樹脂

蛋白質作為一種可生物降解和可再生的能源在研究領域中備受關注。蛋白質具有較強的親水性，其大分子鏈中具有羧基、氨基等親水的基團，并且具有較強的水親和力，能夠借助基團吸附水分子。蛋白質高吸水性樹脂的制備一般采用對動植物蛋白進行接枝共聚和交連改性等。Rathna等對大豆蛋白質中80%的氨基使用乙二胺四乙酸酐改性，然后以戊二醛作為交聯劑，將剩余的氨基進行改性，制備的高吸水樹脂的吸水備倍率為425g/g。采用相同的方式改性魚蛋白內的硫氰基二硫化物，得到的魚蛋白高吸水樹脂的吸水倍率為540g/g，以這樣的方式得到的蛋白基高吸水樹脂能夠完全降解，但是原料獲得較為困難，且成本較高，酰化反應改性的吸水倍率較低。

1.4 腐殖酸

腐殖酸作為自然界中生物的殘骸，也是一種天然的有機大分子化合物，其成分比較復雜，含有多種官能團。官能團上具有親水的基團，有較強的吸附能力。腐殖酸作為土壤營養成分的重要組成部分，能夠促進植物生長，增強植物的營養狀態，提高土壤的保水能力。因此可以利用腐殖酸制備高吸水樹脂，將腐殖酸鹽與丙烯酸等單體進行接枝共聚，得到具有較強吸水性的高吸水樹脂，在農林保水中得到廣闊的應用。另外將腐殖酸鹽與吸水劑混合發生交聯反應，能夠提高樹脂的吸水性能和耐鹽性，在農業鹽堿地中應用十分廣泛。

2 綠色高吸水樹脂的合成方法

2.1 溶液聚合法

是由單體和引發劑溶于水中進行聚合反應的方法。自由基聚合、離子型聚合、縮聚等反應均可選用溶液聚合。其優點為：聚合體系粘度較低，混合傳熱容易，溫度容易控制，不易產生局部過熱；引發劑分散較均勻，引發效率高；產物分子量比較均勻，可制成多種形式的產品。但同時存在著由于單體濃度低，聚合速度慢，設備的利用率和生產能力較低；活性鏈向溶劑轉移使聚合分子量較低的缺點。

2.2 反相懸浮聚合

是以油性物質為分散介質，以反應液等水溶液為分散液滴的合成方法。此法可以直接得到粒狀產物，體系粘度低，聚合熱易排除，分子量較高的產品。但是除去產物中分散劑的殘留物是個問題，還有大量低沸點的有機溶劑參與，要特別注意毒性和易燃問題。

2.3 反相乳液聚合法

是將分散介質（油相）加入反應器中，再加乳化劑達到其臨界膠束濃度，充分攪拌使乳化劑溶解并分散均勻，通氮加熱到反應溫度后滴加配好的反應液發生聚合反應，一定的時間后共沸脫水，經進一步處理后得到產品。反相乳液聚合可以使反應速度和分子量同時提高，但和反相懸浮聚合一樣存在純化和大量有機溶劑回收的問題[2]。

2.4 接枝聚合法

接枝聚合包括聚合物接枝共聚和接枝共聚。其中，聚合物接枝共聚是指在天然的網狀高分子上進行自由基接枝聚合制得高吸水樹脂。而接枝共聚是將親水性單體接枝到聚合物中，和聚合物主鏈上的活性中心發生反應。通過天然高分子的接枝改性合成的高吸水性樹脂的優點是成本較低、產物超過使用周期可以分解，缺點是工藝復雜、產品易腐敗，強度較差。

2.5 輻射聚合法

輻射聚合是指在不使用任何引發劑和交聯劑，僅僅利用高能電子束或者高能射線照射單體溶液，使其發生自由基聚合。輻射引發聚合法工藝簡單，成本低，在反應過程中不加入任何助劑，所得產物純度較高。

3 綠色高吸水樹脂在不同領域的應用

綠色高吸水樹脂源自天然原料，吸水速度快，吸水率高，并且生物降解性較高，對環境無任何污染，因此在各個行業中得到了廣泛的應用。

3.1 農業方面的應用

中國作為水資源短缺的國家之一，東西氣候的差異使得我國的許多地區干旱少雨，對農業的可持續發展造成了嚴重的影響。因此在農業的發展領域中實施高效節水機制已經成為農業發展的主要路徑。近年來隨著高吸水樹脂材料的研究，農業中利用高吸水樹脂的良好吸水性能夠有利于土壤水分的保持，有效解決了農業用水困難。在土壤破壞造成的缺水農業地區，凝膠狀的水合物能夠釋放自身的水分，促進農作物對水分的吸收，并且能夠在一定的條件下降解，為農作物的生長提供肥沃的土壤環境。天然原料綠色高吸水樹脂在農業中的應用不僅有利于農作物的吸水和保水，還能夠增加土壤的成分，為農作物的生長提供肥料。

3.2 醫藥領域的應用

在醫藥領域，用高吸水樹脂做控制藥劑釋放速度的載體，不僅其生物適應性好，還能通過調節藥劑的含水率而改變藥劑的釋放速度，使藥劑基本維持定值，可避免隨時間推移而藥劑的釋放速度降低。Kinam Park等合成出一類高吸水樹脂，該高吸水樹脂由于通過毛細作用使多孔結構展開，所以它具有非常快速的吸水速率，并且很快達到平衡，該類高吸水樹脂應用于藥物向腸胃擴散的控制劑。

3.3 食品包裝領域的應用

高吸水樹脂是可降解的綠色高分子材料，將會替代不可降解的塑料制品，在包裝行業和餐飲行業具有較大的市場發展空間。可再生的綠色高吸水樹脂在雞肉、豬肉等肉食品中能夠制成脫水材料，通過吸收流出的液體來維持食物的保鮮期。廖列文等利用淀粉接枝丙烯酸鈉制成高吸水樹脂，之后與丙二胺、水按照一定的比例混合制備成水凝膠，在4℃的條件下能夠讓魚保鮮12h以上，并且保鮮的魚色澤完好。因此綠色的高吸水樹脂在食品安全方面具有良好的應用前景[3]。

4 結束語

可再生天然原料綠色高吸水樹脂在我國的研究還處于初始階段，在未來的研究和發展中需要借鑒國外的先進技術，充分挖掘高吸水樹脂的性能，提高利用效率和可再生性能，進而實現我國各個行業的可持續發展。

[1]劉國杰.用天然和可再生原料改性醇酸樹脂研究進展[J].中國涂料，2014，29，（10）：27-33.

Research and development of renewable natural materials green Superabsorbent

Wu Hai-xia，Tu liguri，Ma Xiao-li

renewable natural raw green superabsorbent has important significance and value to build environment-friendly society. This paper classification green super absorbent resin，synthetic methods，preparation and related applications，explore renewable natural raw green superabsorbent future trends.

renewable natural raw materials；green；superabsorbent；applications；development

TQ324.8

A

1003–6490（2016）04–0155–02

2016–04–01

1.內蒙古化工職業學院自然科學重點項目“基于綠色化學策略的馬鈴薯淀粉類高吸水樹脂的合成及吸附重金屬離子的研究”（項目編號：HYZR1502）；2.內蒙古自治區高等學校科研項目“高職院校《科技文化基礎》課程的建設研究”（（項目編號：NJ10277）。

吳海霞（1978—），女，山西朔州人，碩士，講師，主要從事有機合成研究。