高吸水樹(shù)脂的發(fā)展與應(yīng)用淺析

＊周 琦（陜西省西安市第六中學(xué) 陜西 710002 ）

高吸水樹(shù)脂的發(fā)展與應(yīng)用淺析

＊周 琦（陜西省西安市第六中學(xué) 陜西 710002 ）

高吸水樹(shù)脂是一種具有良好吸水性及保水能力的功能高分子聚合物。本文總結(jié)了高吸水樹(shù)脂的吸水作用機(jī)理；綜述了高吸水樹(shù)脂在醫(yī)療衛(wèi)生、農(nóng)林園藝、食品保鮮和土木建筑中的應(yīng)用現(xiàn)狀；展望了高吸水樹(shù)脂進(jìn)一步研究方向。

高吸水樹(shù)脂；吸水機(jī)理；應(yīng)用；現(xiàn)狀

引言

高吸水性樹(shù)脂（SAP）也叫超強(qiáng)吸水劑或超吸水性聚合物，是一種結(jié)構(gòu)上含有大量的羥基、羧基、酰胺基、羧酸鹽基等親水集團(tuán)的功能高分子材料。吸水能力可為自身重量的十倍乃至上千倍，最終能夠形成一種高含水凝膠。相比于一般的吸水材料，高吸水性樹(shù)脂在三維結(jié)構(gòu)上呈現(xiàn)三維網(wǎng)絡(luò)孔，正是因?yàn)檫@種結(jié)構(gòu)上的復(fù)雜性，使其能形成高含水凝膠呈現(xiàn)出超強(qiáng)的保水性能。另外高吸水樹(shù)脂受溫度和壓力的影響較小，即使再高溫和壓力作用力依舊表現(xiàn)出良好的保水性。因此，它在醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域、農(nóng)林及園林、食品保鮮、土木建筑等很多領(lǐng)域得到廣泛關(guān)注和應(yīng)用。高吸水性樹(shù)脂最早是二十世紀(jì)六十年代美國(guó)農(nóng)業(yè)部將其應(yīng)用于淀粉接枝丙烯晴，1983日本以丙烯酸鉀和甲基二丙烯酰胺等成功制得高吸水性樹(shù)脂。二十世紀(jì)末，高吸水性樹(shù)脂的吸引和無(wú)數(shù)的研究人員的研究和廣泛應(yīng)用，目前依舊作為研究熱點(diǎn)受到廣泛關(guān)注。

1.高吸水樹(shù)脂的吸水機(jī)理

高吸水性樹(shù)脂吸水機(jī)理主要有以下兩個(gè)方面：(1)高吸水性樹(shù)脂結(jié)構(gòu)上含有大量的羥基、羧基、酰胺基、羧酸鹽基等親水集團(tuán)，這些親水基團(tuán)可以和水分子形成氫鍵而產(chǎn)生化學(xué)吸附。改變了高吸水樹(shù)脂在未吸水之前緊緊交聯(lián)纏繞的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使得結(jié)構(gòu)在水中不斷的發(fā)生伸展，體積也不產(chǎn)生相應(yīng)變化。另外由于靜電作用，親水基團(tuán)的不斷電離使得高吸水性樹(shù)脂的內(nèi)部陽(yáng)離子濃度遠(yuǎn)大于水濃度，內(nèi)外滲透壓差異，加速水分子與高吸水性樹(shù)脂的結(jié)合，樹(shù)脂的網(wǎng)狀空間結(jié)構(gòu)也進(jìn)一步舒展。隨著陽(yáng)離子的進(jìn)一步電離，直到內(nèi)外滲透壓達(dá)到平衡，高吸水樹(shù)脂達(dá)到最大吸水量，同時(shí)所形成的水凝膠的彈性收縮作用發(fā)揮作用來(lái)限制高吸水性樹(shù)脂體積的無(wú)限增大。圖1是高吸水性樹(shù)脂的吸水的幾個(gè)階段。(2)通過(guò)毛細(xì)管作用來(lái)吸收水分子，吸水能力相對(duì)較小，遠(yuǎn)不及化學(xué)吸附作用，且毛細(xì)管中的水分子很容易流失，因此幾乎很難保水。

高吸水性樹(shù)脂的理論基礎(chǔ)主要是Flory所給出的高吸水性樹(shù)脂溶漲機(jī)理以及相轉(zhuǎn)變理論，其中Flory認(rèn)為高吸水性樹(shù)脂的吸水能力主要取決于高吸水性樹(shù)脂本身的交聯(lián)度、與水的親和力、該吸水性樹(shù)脂本身的電荷密度以及外部的離子濃度；相轉(zhuǎn)變理論認(rèn)為高吸水性樹(shù)脂本身屬于凝膠，凝膠體的吸水能力主要取決于其滲透壓的變化，一旦滲透壓接近于零，則高吸水性樹(shù)脂達(dá)到吸水飽和狀態(tài)。

圖1 高吸水性樹(shù)脂吸水機(jī)理

2.高吸水樹(shù)脂的應(yīng)用

(1)醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域的應(yīng)用

醫(yī)療領(lǐng)域中用高吸水性樹(shù)脂制得各種醫(yī)療用品得到了非常廣泛應(yīng)用。主要有將其與無(wú)機(jī)粉末、抗凝固劑進(jìn)行混合后分散于疏水性樹(shù)脂中而值得抗血栓材料；利用高吸水性樹(shù)脂呈凝膠態(tài)和良好的保水性可制得人工皮膚、人工肌肉、人工腎等人工臟器材料。另外還可以作為藥用制劑的基質(zhì)材料以及良好的保冷蓄熱材料。因此，高吸水性樹(shù)脂在醫(yī)療方面的應(yīng)用研究也備受關(guān)注，且其研究在進(jìn)一步不斷的擴(kuò)大和深入。

隨著1979年日本將高吸水性樹(shù)脂應(yīng)用于衛(wèi)生巾和嬰兒尿布等衛(wèi)生用品取得成功后，很大的促進(jìn)了高吸水樹(shù)脂在衛(wèi)生領(lǐng)域廣泛研究和應(yīng)用。后來(lái)很快在兒童尿布、尿袋、尿墊、成人失禁用品婦女衛(wèi)生巾產(chǎn)生了很大的市場(chǎng)。目前隨著人民生活水平的進(jìn)一步提高和科技的進(jìn)一步發(fā)展，高吸水樹(shù)脂在衛(wèi)生領(lǐng)域的應(yīng)用也逐漸向更輕、更薄發(fā)展。

(2)農(nóng)林及園藝中的應(yīng)用

將高吸水性樹(shù)脂與土壤或者與農(nóng)作物種子進(jìn)行結(jié)合，不僅可以很大程度的改善土壤的保水、保溫、透水性能，減少農(nóng)作物在生長(zhǎng)過(guò)程中的澆灌次數(shù)和用水量，而且對(duì)于晝夜溫差較大的氣候惡劣地區(qū)，高吸水性樹(shù)脂和泥土進(jìn)行混合后，可以減小泥土的晝夜溫差，有利于提高農(nóng)作物的氣候適用性和產(chǎn)量。除此之外，高吸水性樹(shù)脂還可以增強(qiáng)農(nóng)作物對(duì)于肥料的吸收作用，提高肥料的使用效率，節(jié)約農(nóng)民的農(nóng)作物生產(chǎn)投入成本。因此，隨著研究的進(jìn)一步廣泛和深入，目前高吸水性樹(shù)脂在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用也很多種多樣。

國(guó)外的相關(guān)研究中日本研究者將高吸水樹(shù)脂置于距離砂土一定深度處，然后在砂土上種植農(nóng)作物，所種植的農(nóng)作物的產(chǎn)量提高了2～3倍且也顯著的減少作物生長(zhǎng)過(guò)程中的灌溉成本。美國(guó)有學(xué)者將植物種子在高吸水樹(shù)脂中浸泡后與未樹(shù)脂浸泡過(guò)植物種子進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)高吸水性是指浸泡過(guò)的種子發(fā)芽率明顯提高而且發(fā)芽時(shí)間也明顯縮短。國(guó)內(nèi)的研究中有人將高吸水樹(shù)脂應(yīng)用在旱地中種植農(nóng)作物，發(fā)現(xiàn)作物不僅產(chǎn)量明顯提高，而且單粒的粒重也明顯增加。趙小雯等研究發(fā)現(xiàn)高吸水樹(shù)脂可以明顯的提高植物在移植過(guò)程中的成活率。但是目前由于研究還未成熟，因此高吸水性樹(shù)脂在農(nóng)業(yè)園林領(lǐng)域反面的應(yīng)用還受到很多限制，仍需要進(jìn)一步的研究和推廣使用。

(3)食品保鮮中的應(yīng)用

利用高吸水樹(shù)脂良好的吸水性和保水性可以保持食品的新鮮和清潔度，便于蔬菜水果、肉制品等的長(zhǎng)途運(yùn)輸。因此目前在該領(lǐng)域中的應(yīng)用一種是將高吸水樹(shù)脂制成復(fù)合型蓄冷相變材料，相比于傳統(tǒng)的蓄冷材料具有無(wú)毒、節(jié)約能源、無(wú)污染、可多次使用等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于食品的保鮮和運(yùn)輸。另一種是制得高吸水樹(shù)脂涂膜材料，對(duì)食品進(jìn)行涂膜處理而達(dá)到食品保鮮的目的。國(guó)外的有研究這利用高吸水樹(shù)脂研制的蓄冷材料其相變溫度為-40℃～-2℃。

廖列文等通過(guò)用高吸水樹(shù)脂制得的保鮮材料對(duì)魚(yú)產(chǎn)品進(jìn)行保鮮，發(fā)現(xiàn)經(jīng)高吸水樹(shù)脂處理的魚(yú)產(chǎn)品的儲(chǔ)蓄時(shí)間明顯變長(zhǎng)，而且其在儲(chǔ)蓄過(guò)程中的細(xì)菌含量也明顯減少。李妮妮等人用高吸水樹(shù)脂保鮮劑對(duì)柑橘進(jìn)行涂膜處理后發(fā)現(xiàn)高吸水樹(shù)脂保鮮材料能夠限制其呼吸作用，減少水分和質(zhì)量損失等，增大儲(chǔ)存周期。

(4)土木建筑中的應(yīng)用

高吸水樹(shù)脂在建筑中常被用來(lái)做以混凝土為代表的建筑材料的內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料。傳統(tǒng)上對(duì)于混凝土材料的養(yǎng)護(hù)主要是通過(guò)在混凝土的表面直接噴水、覆蓋濕草袋、塑料薄膜等養(yǎng)護(hù)技術(shù)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，但是這種養(yǎng)護(hù)技術(shù)不僅會(huì)消耗大量的財(cái)力和物力，隨著目前混凝土的高性能化的推廣，通常傳統(tǒng)的養(yǎng)護(hù)方法很容易產(chǎn)生養(yǎng)護(hù)不均勻，造成混凝土內(nèi)部缺陷的產(chǎn)生。因此很多研究者就提出了利用高吸水樹(shù)脂的強(qiáng)吸水和保水性的特點(diǎn)，將其單獨(dú)或者與其他的無(wú)機(jī)材料進(jìn)行復(fù)合加入到混凝土中，當(dāng)混凝土中的溶液濃度和pH滿(mǎn)足一定的條件時(shí)，高吸水性樹(shù)脂就可以釋放出水分，保證混凝土內(nèi)部的水分含量，來(lái)促進(jìn)混凝土材料的水化反應(yīng)，從而提高混凝土的密實(shí)度，減小混凝土內(nèi)部缺陷。另外，高吸水樹(shù)脂還可以被用來(lái)制成防水防漏等建筑材料，以及將其與涂料或者紙漿等進(jìn)行混合，制得具有吸水性的涂料和壁紙等，從而很大的改善洗手間、浴室、玻璃窗戶(hù)等表面的結(jié)露問(wèn)題，并可以起到調(diào)節(jié)空氣濕度的作用。

3.前景展望

高吸水樹(shù)脂的研究依舊處于發(fā)展階段，不論是對(duì)于高吸水樹(shù)脂的研究還是生產(chǎn)，我國(guó)都相對(duì)落后于發(fā)達(dá)國(guó)家，因此需要進(jìn)一步擴(kuò)大從事該方面的研究工作。

目前主要充分利用了高吸水樹(shù)脂具有超強(qiáng)的吸水和保水能力等特點(diǎn)所制得的產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域和市場(chǎng)需求在迅速擴(kuò)大，但是由于高吸水性樹(shù)脂本身屬于功能性高分子聚合物，溶液中鹽離子的濃度會(huì)其吸液能力，以及目前其在應(yīng)用過(guò)程中釋水速率的難以控制等問(wèn)題很大程度上限制了其應(yīng)用。因此研究人員還需要從以下方面開(kāi)展進(jìn)一步深入研究：

(1)提高高吸水樹(shù)脂的耐鹽性。在保證高吸水樹(shù)脂良好吸水和保水性的基礎(chǔ)上，研究如何提高高吸水樹(shù)脂的耐鹽性，使其在鹽溶液中也具有良好的性能，從而提高其應(yīng)用范圍。

(2)控制高吸水樹(shù)脂釋水速率。目前利用高吸水樹(shù)脂所生產(chǎn)的眾多產(chǎn)品(如與含高吸水樹(shù)脂土壤、混凝土的內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料等)其釋水速率難以控制，這也是高吸水樹(shù)脂在農(nóng)業(yè)和建筑方面使用受限的很重要的原因。

(3)提高高吸水樹(shù)脂凝膠強(qiáng)度。高吸水樹(shù)脂吸水后其凝膠態(tài)的強(qiáng)度通常較低也很大的限制了其使用。因此可以通過(guò)研發(fā)復(fù)合或者改性型高吸水樹(shù)脂來(lái)提高凝膠強(qiáng)度。

(4)改善可降解性（綠色環(huán)保）。隨著可持續(xù)發(fā)展觀的不斷推進(jìn)和深入，人們的環(huán)保意識(shí)也在不斷加強(qiáng)，這就要求我們所生產(chǎn)的高吸水性樹(shù)脂類(lèi)產(chǎn)品在滿(mǎn)足性能要求的基礎(chǔ)上，能夠提高高吸水性樹(shù)脂類(lèi)產(chǎn)品的多次使用性以及可降解性，實(shí)現(xiàn)綠色產(chǎn)品，綠色應(yīng)用，這樣高吸水性樹(shù)脂類(lèi)產(chǎn)品的應(yīng)用才會(huì)有更為廣闊的前景。

[1]劉榮進(jìn)．有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合混凝土內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料設(shè)計(jì)、合成與性能研究[D]．武漢:武漢理工大學(xué),2013．

[2]鄒新禧．超強(qiáng)吸水機(jī)[M]．北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2002:340-344．

[3]丁以兵．高性能混凝土自養(yǎng)護(hù)技術(shù)研究[D]．合肥:合肥工業(yè)大學(xué),2006．

[4]孫克時(shí),李志強(qiáng)．水溶液共聚法合成耐鹽性高吸水性樹(shù)脂[J]．化學(xué)與粘合,2000,07(3)105- 107．

[5]盧潮陵．高吸水樹(shù)脂的研究現(xiàn)狀及其應(yīng)用前景[J]．能源與環(huán)境,2011,18(2): 7-9．

[6]Zhuo R X, Li W． Preparation and characterization of macroporous poly(N-isopropylacrylamide) hydrogels for the controlled release of proteins[J]． Polym Sci, Part A: Polym Chem, 2003, 41: 152-159．

[7]謝華飛,張翠榮,賈振宇等．原位聚合法制備殼聚糖_g_聚丙烯酸/高嶺土復(fù)合樹(shù)脂[J]．化工新型材料,2012, 40(2): 49-52．

[8]沈樸．高吸水性樹(shù)脂的發(fā)展,結(jié)構(gòu)及吸水理論研究現(xiàn)狀[J]．榆林學(xué)院學(xué)報(bào),2010,20(2):53-55．

周琦（1998～），男，陜西省西安市第六中學(xué)，研究方向：對(duì)高吸水樹(shù)脂的研究。

(責(zé)任編輯王恒）

Analysis of the Development and Application of High Water-absorbing Resin

Zhou Qi
（The Sixth Middle School in Xi’an Shanxi, Shanxi, 710002）

High water-absorbing resin is a kind of functional high-molecular polymer with water-absorbing mechanism and water retention ability. This paper concludes functional mechanism of high water-absorbing resin and summarizes the application status of high waterabsorbing resin in medical and health, forestry and gardening, food preservation and civil engineering and construction, finally, makes prospect of the further research direction of high water-absorbing resin.

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