吸水樹脂改性方法與應用展望

李蓉琛，路香港，姜香凝，廖越燕，劉 偉，王向鵬

(中國石油大學勝利學院 應用化學系，山東 東營 257061)

高吸水樹脂是可聚合的細小分子多功能性單體經過聚合反應并與得當的交聯劑反應生成的一種具有空間性多孔的網狀構造，其是在吸收水之后能發生大體積的膨脹并在水中不溶解的一種具有特定功能的功能性高分子材料。正是因為其具有杰出的吸水與保水性能，已在化學工業行業、食品行業、農業、石油開采產業等廣大范疇中顯現出寬闊的利用發展遠景并且引起了眾多專家及學者的注意。我國是從80年代后期才開始對吸水材料進行研究開發的，雖取得了一些成績，但與國外相比還有距離，缺乏競爭力。隨著其逐年增加的世界需求量，各種制備吸水樹脂的方法在經過研究人員的次次實驗中進入了廣大人民的眼簾[1]。

1 吸水樹脂改性方法

1.1 有關改性淀粉類高吸水性樹脂的制備方式

淀粉來源廣泛，其具有低廉的價格，寬泛的種類并在自然界可以被微生物分解等等一系列優勢，關于其與親水性的乙烯基單體的接枝共聚反應的研究越來越多，這類研究也越來越受到研究人員及學者的關注[2]。例如，選用鈰鹽作為引發劑，MBA作為交聯劑進行反應[3]，當淀粉的分子鏈上含有的羥基與引發劑進行自由基反應后會產生接枝活性點,進而丙烯酸單體在此點上由具有活性的自由基引發形成活躍的丙烯酸自由基單體[4]，進行一系列反應,進而通過交聯反應獲得產品。此類方法為最常用的方式方法。

1.2 有關改性纖維素類高吸水樹脂的制備方法

纖維素接枝性與淀粉性高吸水性樹脂的反應機理相似。以Haowenjuan[5]等人為代表的研究者選擇以漂白的漿板纖維素作為反應底物，合成的改性吸水材料吸水性能可達550g/g，且保持水分的機能好，吸收水的倍率高。隨著重復吸水實驗的進行，在水量不斷增加的情況下其吸水性能仍然保持良好。以YoshimuraT[6]為代表的一系列研究人員則制備生產出了一種以丁酸酐和棉纖維物質為原料的改性的纖維素高吸水性樹脂，生產出的產物吸水可達400g/g。后又進行了一系列降解機能實驗，經降解機能實驗發現其表現出較好的降解機能。H. T LokhandelB[7]等研究人員便主要用含淀粉的和纖維素的以紗線作經、緯按各種織物結構形成的廢料為底物，選用KMnO4- HNO3在引發后進行氧化，并用丙烯腈作為單體，將其溶于適當溶劑中進行聚合反應制備出一種接枝型高吸水性樹脂。上述幾種實驗方法都從不同的纖維素基料出發，設計并探究了吸水倍率較高的高吸水性樹脂，并運用了兩種不同的方法制備出了性能較為優良的高吸水性樹脂，為后邊的研究打下了良好的基礎，推動了研究的進一步發展。

1.3 有關改性的甲殼素/殼聚糖型高吸水性樹脂的制備方法

甲殼素資源豐富，是一種便于取得的天然的高分子原料。將較高濃度的堿溶液與甲殼素加熱反應一段時候，便可產生殼聚糖。將甲殼素/殼聚糖進行接枝使其改性的反應生產目的產物的原理與將淀粉進行改性實驗生產產物的類似，也是由引發劑發生反應產生的活性自由基產生出接枝活性點,具有活性的自由基引發乙烯親水單體使之成為活性自由基單體，然后在此點上發生反應,最后通過交聯反應制備產物。此種實驗方法較為大眾。程建華[8]等研究人員用溶液聚合法制備出了一種三元共聚物高分子絮凝劑(CAS)。CAS在污水絮凝過程中得到了應用,對處理污水方面起到了良好的作用，其可使得單純殼聚糖在水處理這一方面的一些缺陷及不足得到改善,有利于污水處理的研究。CAS污水凈化能力相對于殼聚糖絮凝劑的能力有了一定范圍的提高及優化。此研究使污水處理方面絮凝劑的一些缺陷得到了進一步的改善，為進一步的研究夯實了基礎，有利于各方研究人員在此基礎上進一步研究改良，進而促進污水處理行業的發展，并使污水得到高效的治理。以ToshioYoshimura[9]為代表的研究人員將甲殼素和丁二酸酐混合,在4-二甲氨基吡啶這種酯化催化劑的作用下,在不加入交聯劑的情況下制備的產物的吸水率為300g/g。而鄭根穩[10]等研究人員則使丙烯酸和殼聚糖接枝共聚,用蒙脫土接枝聚合進行適度交聯,其產品單位質量或體積能夠吸收的水分與其自身的體積或質量比可高達425g/g，由此可見其性能的優良。以陳煜[11]為代表的一系列研究人員則利用殼聚糖為底物，加入適量過硫酸銨作為引發劑，制備的改性吸水樹脂的吸水倍率高達1180g/g。

1.4 有關改性蛋白質系高吸水性樹脂的制備方法

蛋白質是一種生物大分子。其主要由氨基酸組成，其鏈中均含有羥基、氨基等基團，這些基團都具有較強的吸水性。形成蛋白質的材料來源十分廣泛，簡便易得，成本便宜，并且十分易于生產和進行一系列的改性，是一種制備高吸水樹脂的經濟理想型材料。蛋白質系高吸水性樹脂大多數具有很強的保水能力。其主要方法是接枝共聚法。董奮強[12]等研究人員采用將其溶于適當溶劑中進行聚合反應的方法，將丙烯酸銨與明膠分子鏈相接枝制備出一種可以生物降解的明膠分子鏈目的產物，它可吸水1187g/g，該產品在農業、林業等領域的應用在經過一系列的生物降解性和土壤肥效性等試驗中得到了證實與應用。

1.5 有關黃原膠改性制備高吸水性材料

運用黃原膠改性合成的高吸水樹脂具有優良的吸水能力與吸水效果，且其合成的一系列工藝簡單易行、價格相對便宜，但其合成的高吸水樹脂耐鹽性、耐熱性和耐氣候性較差，會對環境造成一定的污染。因此，近幾年來研究的熱點便放在如何提高高吸水性樹脂耐鹽、耐溫性能和生物降解性能等問題上[13]。上述四種天然高分子材料通過接枝改性的方法來制備SAR，其產物具有良好的吸水性和耐鹽性。天然聚合物高吸水樹脂的接枝改性產生的產物具有特殊的分子結構,這種分子結構使產品吸水耐鹽性能大大提高,并且可將吸水樹脂的降解性能顯著提高，會進一步降低因為破壞土壤而造成的環境污染。各種研究表明:黃原膠對像鉀、鈉等鹽具有良好的耐受性,因此用其作為接枝改性的基體制備的高吸水樹脂能夠全面優化產生的問題,產品因而具有優良的耐鹽性。

2 改性吸水樹脂的應用

2.1 生理衛生領域

目前關于改性吸水樹脂的應用研究占用市場最大的一個方面是衛生行業，大約占三分之二，改性吸水樹脂可以使紙尿布、毛巾、衛生巾等一次性的用品廣泛應用于目前的日常生活中。在醫學方面，特別是生理衛生的物品中，也有很大的應用，改性吸水樹脂的凝膠可以應用于吸收分泌物量較多的醫用繃帶和棉球[14]。它還可應用于化妝品等的增稠。

2.2 農業沙漠治理

改性吸水性樹脂，最初就是應用于農業方面的[15]，改性吸水樹脂可以應用于農林業，園林等無土栽培，沙漠綠化，提高種子的發芽率，將土壤進行改良，使化肥進行緩釋等方面。該型吸水樹脂能夠大大降低土壤中的水分的蒸發，有助于除去表層泥土，形成覆蓋植被巖石的斜面，使風雨侵蝕造成的水土流失得到更好的控制[16]。另外改性吸水樹脂還可作為一種緩釋載體材料，應用于農作物所需其他成分的運輸，可以與化肥配合使用，能夠增加化肥的某種元素的含量，從而減少肥料的用量，使化肥利用更加合理，使肥效得到更充分的發揮。

2.3 電子工業中的應用

改性高吸水性樹脂，經常與橡膠和無防布，塑料等混合制成密封的材料，可以直接將電纜進行包覆，進而有效的防止和延緩水等對電纜的傷害。目前在電力電纜，通訊電纜，輸油，輸氣和化學堵漏材料等密封的路線方面應用較為廣泛[17-18]。在國外，改性吸水樹脂已經成功的應用于海底隧道的建設，用于建筑基礎中，其能夠吸收周圍土壤的水，從而使建筑更加的耐久，硬度更強，使用它可以使水泥制品具有更好的強度，因此產品在早期不會出現干縮嚴重和難以養護等方面的問題[19]。未來改性吸水樹脂在電子工業中的應用會更加廣泛尤其是在光纖電纜方面有廣闊的市場。

2.4 產品包裝

改性吸水樹脂因為其能夠較好的隔離微生物作用產生的氣味，從而用于食品方面。目前廣泛應用于食品包裝中，如在豬肉和禽肉的包裝中加入改性吸水樹脂，將微生物產生的氣味更好的進行隔離，使水分更加難以進入包裝中，從而起到更好的包裝作用。另外改性吸水樹脂也可用于易碎物品，危險品的包裝[20]。

2.5 石油工業上的應用

改性吸水樹脂可應用于原油，或者是加工的油中脫水的保護與選擇性封堵作用。它可以與橡膠混合，從而形成更加密封的材料，使在與水接觸的時候，可以得到膨脹度更高，機械強度更加良好的材料，而且具有耐酸耐堿的優良性能[21]。由于改性吸水樹脂只具備吸水的能力，而不具備吸油能力，從而在開采的時候，其更容易從油中脫離被提取出來。把改性吸水樹脂與無機物和有機物進行混合，來制成一種復合材料，對注水井和采油井進行處理。而且改性吸水樹脂也可以在石油工業中作為凝膠劑和廢鉆井液的固化劑。

3 改性吸水樹脂未來應用領域展望

改性吸水性樹脂，在短短的幾十年里，從農業方面，衛生用品材料，醫藥方面，防水堵漏方面，農業治理方面，還有工業廢水處理方面，提供了很大的幫助[22-23]。在未來，它的前景是非常廣闊的，其中改性吸水樹脂應用于嬰幼兒中的紙尿褲，衛生巾等約占95%，在其他方面，比如可以用于室內滑冰場中的人造雪，在化妝品中可以提高化妝品的潤濕性，還可以用作涂料，洗滌劑的增稠，改性吸水樹脂還廣泛應用于除臭劑，緩釋劑等方面，它的應用對于畜肉禽肉和海鮮等各種食品的包裝中也起了很大的作用。改性吸水性樹脂的出現，為防火與滅火提供了更廣泛的支持，也進一步推動了工農業的發展。改性吸水樹脂的出現，使人們在荒漠治理中，能夠一定程度上防止沙塵暴中的形成[24]。

[1]Li Pinfeng,Meng Yingzhou. The preparation of high polymer absorbent resin[J]. Advanced Materials Research,2014,3470(1030):228-231.

[2]韋愛芬,朱其虎.淀粉基高吸水性樹脂的制備及性能研究[J].輕工科技,2017,33(5):39-41.

[3]黃曉柳,張新立,施德安.耐鹽型聚丙烯酸鈉高吸水樹脂的合成研究[J].膠體與聚合物,2013,31(2):70-72.

[4]張 斌,周永元.淀粉接枝共聚反應中引發劑的研究狀況與進展[J].高分子材料科學與工程,2007(2):36-40.

[5]吳文娟,倪志剛,耿晶晶. 纖維素接枝改性制備高吸水性樹脂的研究[J]. 中國造紙,2006(12):7-10.

[6]李 娟,沈士軍,劉曉燕,等.吸水樹脂改性研究進展[J].合成樹脂及塑料,2011,28(3):78-82.

[7]周智敏,顏學敏,趙慶美. 羧甲基纖維素接枝AM和DMC制備高吸水性樹脂研究[J]. 化學與生物工程,2009,26(5):60-62.

[8]程建華,胡勇有,謝 磊.殼聚糖接枝共聚高分子絮凝劑CAS的合成[J].工業水處理,2008(9):30-33.

[9]王開明,黃惠莉,王忠敏.殼聚糖接枝聚丙烯酸高吸水樹脂的制備及抑菌性能[J].工程塑料應用,2011,39(11):52-56.

[10]鄭根穩,文 勝,汪連生,等.聚丙烯酸/羧甲基殼聚糖/蒙脫土高吸水性樹脂的合成[J].化工新型材料,2009,37(1):77-78,93.

[11]陳 煜,陸 銘,王海濤,等.殼聚糖接枝聚丙烯酸高吸水性樹脂的合成工藝[J].高分子材料科學與工程,2005(5):266-269.

[12]胡軍楚,潘湛昌,董奮強,等.明膠接枝共聚制備高吸水性樹脂的研究[J].化工新型材料,2007(5):68-69，79.

[13]李仲謹,李銘杰,諸曉鋒,等.黃原膠接枝改性制備高吸水性樹脂的研究[J].精細化工,2010,27(1):16-20,25.

[14]邢傳波,趙士貴.丙烯酸型高吸水性樹脂的制備及研究進展[J].合成技術及應用,2007(4):45-48.

[15]徐 磊,唐玉邦,虞利俊,等.高吸水樹脂的性能及農業應用展望[J].江蘇農業科學,2014,42(4):16-17.

[16]余曉皎,姚秉華,王 軍,等.玉米淀粉與丙烯酸接枝共聚合成高吸水樹脂[J].化學研究與應用,2005(6):837-839.

[17] Shu Jing,Li Xiaojing,Zhao Dabiao. Microwave-irradiated preparation of super absorbent resin by graft copolymerization of cellulose and acrylic acid/acrylamide[J]. Advanced Materials Research,2011,1031(148):799-802.

[18] Zhao Jin,Deng Pingye,Chen Shuncong. Structural characteristics of the fly ash wrapped by the super absorbent resin among the plant fiber and the application research on the complex[J]. Materials Science Forum,2011,1264(685):272-277.

[19] Zhang Dan,Song Xuefeng,He Tingshu. Durability of cement mortar with surface treated by superabsorbent resin synthesized in situ[J]. Applied Mechanics and Materials,2012,1975(204):4002-4006.

[20]伍亞華,石亞中.微波合成甘薯淀粉基高吸水樹脂[J].應用化工，2009,38(7):958-961.

[21]鄭延成,周愛蓮.高吸水性樹脂及其在石油工業的應用[J].鉆采工藝,2001(1):82-85.

[22]盧潮陵.高吸水樹脂的研究現狀及其應用前景[J].能源與環境,2011(2):7-9.

[23]程冬炳,余響林,余訓民.高吸水樹脂在環境治理中的應用[J].武漢工程大學學報,2011,33(9):20-25.

[24]李綿瑱,李傳俊,蔣玉仁.超吸水樹脂的發展難點及解決與發展趨勢[J].廣州化工,2013,41(13):45-46,85.

(本文文獻格式：李蓉琛，路香港，姜香凝，等.吸水樹脂改性方法與應用展望[J].山東化工,2018,47(7):48-49,53.)