高吸水性树脂的特点结构与应用

李源纯 汪宇浩 (北京师范大学化学学院，北京 100875)

高吸水性树脂(Super absorbent Polymers)简写为SAP。它是一种含有羧基、羟基等强亲水性基团并具有一定交联度的水溶胀型的高分子聚合物，不溶于水也不溶于有机溶剂，能吸收重于其自身重量多倍的水。与传统吸水性物质相比，超强吸水剂具有很强的吸水性与保水性，即使加压也难以将水分离出来。同时高吸水性树脂还可循环使用。其成型产品已被广泛应用于卫生用品、园艺、医药、建筑、农业、食品、保鲜和水密封材料等各个领域[1-3]。

1 超强吸水剂的特点与分类

超强吸水剂是一种新型功能高分子材料，与传统吸水性物质在原料，吸水和保水性能方面有很多不同。从材料来源看，普通吸水性物质来源广泛，价廉易得。主要包括海绵、餐巾、毛巾、卫生纸、尿布；冻胶、明胶、琼脂；硅胶、石灰、活性炭、硫酸等由天然材料或对其进行简单加工的物质。超强吸水剂则是功能高分子材料。从吸水倍率、保水能力和释水性能看，普通吸水性物质吸水能力较小，一般只能吸收自身的几倍至二十几倍的水量且保水能力差，释水性能不可控；超强吸水剂的吸水倍率则达到了自身的几十倍乃至几千倍，且由于其吸水过程为自发的自由焓降低的过程，因此保水能力较好，可以反复使用。

超强吸水剂按不同的分类标准可以分为不同的类型。按照原料来源分类可主要分为淀粉系、纤维素系和合成树脂系几类；按照亲水化方法分类可分为亲水性单体的聚合、疏水性聚合物的羧甲基化反应、疏水性聚合物上接枝聚合亲水性单体和腈基与酯基的水解反应几大类；按照交联方法可分为用交联剂进行网状化反应、自行交联网状化反应、放射线照射网状化反应和水溶性聚合物导入疏水基或结晶结构几种类型。

2 超强吸水剂的结构

超强吸水剂的微观结构是一种低交联度的三维网状结构，有很多孔隙。网络的骨架可以是淀粉，纤维素等天然高分子，主链和侧链上含有亲水性基团，比如—SO3H，—COOH，—OH，也可以是大分子合成树脂，如聚丙烯酸类。超强吸水剂的微观结构因其合成体系不同而呈现多样性。部分水解的聚丙烯肽胺树脂呈颗粒状结构，淀粉接枝丙烯酸呈显岛状结构，纤维素接枝丙烯酰胺则呈蜂窝型结构。总的来说，超强吸水剂具有如下结构特征：三维交联网状结构；分子中具有强亲水性基团，如羧基，羟基，羰基等，能够与水分子形成氢键；聚合物内部有较高的离子浓度；聚合物具有较高的分子量。

3 超强吸水剂的应用与存在的问题

高吸水性树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，吸水后能成为一种胶状体，具有一定的强度和保水性，它不溶于水和有机物，在工业，农业和日常生活中应用范围广泛。医疗、医药与生理卫生方面由于其吸水保水、吸收快、不发粘、柔软的特点，可用于餐巾、抹布、手纸、运动服等；在农林园艺及生态方面，由于超强吸水剂可以提高土壤吸水、保水、耐盐，增加透水透气及保温性、增加肥料效果的作用，且由于其加热保水性好，隔绝空气、隔绝火苗，吸水保水等特性，被应用于植物生长发育促进剂、苗木移植保存剂，提高出苗率、移栽成活率，促进植株生长发育、森林或其它方面的灭火以及水果、蔬菜的保鲜等；在建筑材料和工业脱水材料方面，由于其快速膨润性、黏着性、化学稳定性、耐燃耐候性、防结露等性能优越，被应用于止水隔水材料、结露防止剂、调湿剂、等的固化剂、地基加固剂、吸水性涂料以及被用于脱除各种固体、液体、气体中的水等；在食品工业方面，天然水凝胶如淀粉、蛋白质、果胶、海藻等天然衍生物及合成吸水剂的吸水、保水及无毒性，被应用于使食品保水，形成凝胶、作食品保鲜材料，增稠、脱水剂等。此外，超强吸水剂还被应用于芳香剂的释放基材、冷却剂的添加剂、重金属离子吸附剂等。

但是超强吸水剂在研究和应用的过程中仍然存在很多问题。首先，产品开发与基础理论与工艺优化研究脱节。在我国高吸水树脂的文献大多是关于产品开发的，基础的理论研究很薄弱，比如对高吸水树脂的结构与性能的关系，各基团在吸水溶胀过程中的相互作用，不同单体对吸水性能的影响，如何解决反应体系的稳定性问题等研究非常少。导致高吸水性树脂的应用与产品开发之间缺乏理论联系支持，制约了高吸水性树脂性能的稳定与改良。出现了如下几个方面的具体问题：理论吸水倍率高，实际使用效果差，在高盐碱地区吸水倍率大大下降；好的吸水能力，凝胶强度与耐盐性难以同时具备；一次吸水性能良好，反复使用性能差；成本偏高，难以大面积使用。其次，对高吸水树脂的应用安全性研究不够。高吸水性树脂是一种高分子化合物，难以进行生物降解，积累在土壤中会污染土壤，造成土壤板结。残留单体，低分子量聚合物，溶剂的毒性也都必须予以重视，如果不及时处理，会污染环境导致植物枯萎危害人体健康。此外，对高吸水性树脂吸水性能的测试没有统一规范的方法和统一的标准，不同方法对同一性能的测试结果差别很大，给高吸水树脂的研究和应用带来困扰。

[1]陈振斌,博士.兰州大学,2007.

[2]吴会梅,王文珍.河北化工2006,24.

[3]张科.山东化工,2007,18.