高吸水树脂的发展与应用浅析

＊周 琦（陕西省西安市第六中学 陕西 710002 ）

高吸水树脂的发展与应用浅析

＊周 琦（陕西省西安市第六中学 陕西 710002 ）

高吸水树脂是一种具有良好吸水性及保水能力的功能高分子聚合物。本文总结了高吸水树脂的吸水作用机理；综述了高吸水树脂在医疗卫生、农林园艺、食品保鲜和土木建筑中的应用现状；展望了高吸水树脂进一步研究方向。

高吸水树脂；吸水机理；应用；现状

引言

高吸水性树脂（SAP）也叫超强吸水剂或超吸水性聚合物，是一种结构上含有大量的羟基、羧基、酰胺基、羧酸盐基等亲水集团的功能高分子材料。吸水能力可为自身重量的十倍乃至上千倍，最终能够形成一种高含水凝胶。相比于一般的吸水材料，高吸水性树脂在三维结构上呈现三维网络孔，正是因为这种结构上的复杂性，使其能形成高含水凝胶呈现出超强的保水性能。另外高吸水树脂受温度和压力的影响较小，即使再高温和压力作用力依旧表现出良好的保水性。因此，它在医疗卫生领域、农林及园林、食品保鲜、土木建筑等很多领域得到广泛关注和应用。高吸水性树脂最早是二十世纪六十年代美国农业部将其应用于淀粉接枝丙烯晴，1983日本以丙烯酸钾和甲基二丙烯酰胺等成功制得高吸水性树脂。二十世纪末，高吸水性树脂的吸引和无数的研究人员的研究和广泛应用，目前依旧作为研究热点受到广泛关注。

1.高吸水树脂的吸水机理

高吸水性树脂吸水机理主要有以下两个方面：(1)高吸水性树脂结构上含有大量的羟基、羧基、酰胺基、羧酸盐基等亲水集团，这些亲水基团可以和水分子形成氢键而产生化学吸附。改变了高吸水树脂在未吸水之前紧紧交联缠绕的网状结构，使得结构在水中不断的发生伸展，体积也不产生相应变化。另外由于静电作用，亲水基团的不断电离使得高吸水性树脂的内部阳离子浓度远大于水浓度，内外渗透压差异，加速水分子与高吸水性树脂的结合，树脂的网状空间结构也进一步舒展。随着阳离子的进一步电离，直到内外渗透压达到平衡，高吸水树脂达到最大吸水量，同时所形成的水凝胶的弹性收缩作用发挥作用来限制高吸水性树脂体积的无限增大。图1是高吸水性树脂的吸水的几个阶段。(2)通过毛细管作用来吸收水分子，吸水能力相对较小，远不及化学吸附作用，且毛细管中的水分子很容易流失，因此几乎很难保水。

高吸水性树脂的理论基础主要是Flory所给出的高吸水性树脂溶涨机理以及相转变理论，其中Flory认为高吸水性树脂的吸水能力主要取决于高吸水性树脂本身的交联度、与水的亲和力、该吸水性树脂本身的电荷密度以及外部的离子浓度；相转变理论认为高吸水性树脂本身属于凝胶，凝胶体的吸水能力主要取决于其渗透压的变化，一旦渗透压接近于零，则高吸水性树脂达到吸水饱和状态。

图1 高吸水性树脂吸水机理

2.高吸水树脂的应用

(1)医疗卫生领域的应用

医疗领域中用高吸水性树脂制得各种医疗用品得到了非常广泛应用。主要有将其与无机粉末、抗凝固剂进行混合后分散于疏水性树脂中而值得抗血栓材料；利用高吸水性树脂呈凝胶态和良好的保水性可制得人工皮肤、人工肌肉、人工肾等人工脏器材料。另外还可以作为药用制剂的基质材料以及良好的保冷蓄热材料。因此，高吸水性树脂在医疗方面的应用研究也备受关注，且其研究在进一步不断的扩大和深入。

随着1979年日本将高吸水性树脂应用于卫生巾和婴儿尿布等卫生用品取得成功后，很大的促进了高吸水树脂在卫生领域广泛研究和应用。后来很快在儿童尿布、尿袋、尿垫、成人失禁用品妇女卫生巾产生了很大的市场。目前随着人民生活水平的进一步提高和科技的进一步发展，高吸水树脂在卫生领域的应用也逐渐向更轻、更薄发展。

(2)农林及园艺中的应用

将高吸水性树脂与土壤或者与农作物种子进行结合，不仅可以很大程度的改善土壤的保水、保温、透水性能，减少农作物在生长过程中的浇灌次数和用水量，而且对于昼夜温差较大的气候恶劣地区，高吸水性树脂和泥土进行混合后，可以减小泥土的昼夜温差，有利于提高农作物的气候适用性和产量。除此之外，高吸水性树脂还可以增强农作物对于肥料的吸收作用，提高肥料的使用效率，节约农民的农作物生产投入成本。因此，随着研究的进一步广泛和深入，目前高吸水性树脂在农业中的应用也很多种多样。

国外的相关研究中日本研究者将高吸水树脂置于距离砂土一定深度处，然后在砂土上种植农作物，所种植的农作物的产量提高了2～3倍且也显著的减少作物生长过程中的灌溉成本。美国有学者将植物种子在高吸水树脂中浸泡后与未树脂浸泡过植物种子进行对比，发现高吸水性是指浸泡过的种子发芽率明显提高而且发芽时间也明显缩短。国内的研究中有人将高吸水树脂应用在旱地中种植农作物，发现作物不仅产量明显提高，而且单粒的粒重也明显增加。赵小雯等研究发现高吸水树脂可以明显的提高植物在移植过程中的成活率。但是目前由于研究还未成熟，因此高吸水性树脂在农业园林领域反面的应用还受到很多限制，仍需要进一步的研究和推广使用。

(3)食品保鲜中的应用

利用高吸水树脂良好的吸水性和保水性可以保持食品的新鲜和清洁度，便于蔬菜水果、肉制品等的长途运输。因此目前在该领域中的应用一种是将高吸水树脂制成复合型蓄冷相变材料，相比于传统的蓄冷材料具有无毒、节约能源、无污染、可多次使用等优点而广泛应用于食品的保鲜和运输。另一种是制得高吸水树脂涂膜材料，对食品进行涂膜处理而达到食品保鲜的目的。国外的有研究这利用高吸水树脂研制的蓄冷材料其相变温度为-40℃～-2℃。

廖列文等通过用高吸水树脂制得的保鲜材料对鱼产品进行保鲜，发现经高吸水树脂处理的鱼产品的储蓄时间明显变长，而且其在储蓄过程中的细菌含量也明显减少。李妮妮等人用高吸水树脂保鲜剂对柑橘进行涂膜处理后发现高吸水树脂保鲜材料能够限制其呼吸作用，减少水分和质量损失等，增大储存周期。

(4)土木建筑中的应用

高吸水树脂在建筑中常被用来做以混凝土为代表的建筑材料的内养护材料。传统上对于混凝土材料的养护主要是通过在混凝土的表面直接喷水、覆盖湿草袋、塑料薄膜等养护技术进行养护，但是这种养护技术不仅会消耗大量的财力和物力，随着目前混凝土的高性能化的推广，通常传统的养护方法很容易产生养护不均匀，造成混凝土内部缺陷的产生。因此很多研究者就提出了利用高吸水树脂的强吸水和保水性的特点，将其单独或者与其他的无机材料进行复合加入到混凝土中，当混凝土中的溶液浓度和pH满足一定的条件时，高吸水性树脂就可以释放出水分，保证混凝土内部的水分含量，来促进混凝土材料的水化反应，从而提高混凝土的密实度，减小混凝土内部缺陷。另外，高吸水树脂还可以被用来制成防水防漏等建筑材料，以及将其与涂料或者纸浆等进行混合，制得具有吸水性的涂料和壁纸等，从而很大的改善洗手间、浴室、玻璃窗户等表面的结露问题，并可以起到调节空气湿度的作用。

3.前景展望

高吸水树脂的研究依旧处于发展阶段，不论是对于高吸水树脂的研究还是生产，我国都相对落后于发达国家，因此需要进一步扩大从事该方面的研究工作。

目前主要充分利用了高吸水树脂具有超强的吸水和保水能力等特点所制得的产品应用领域和市场需求在迅速扩大，但是由于高吸水性树脂本身属于功能性高分子聚合物，溶液中盐离子的浓度会其吸液能力，以及目前其在应用过程中释水速率的难以控制等问题很大程度上限制了其应用。因此研究人员还需要从以下方面开展进一步深入研究：

(1)提高高吸水树脂的耐盐性。在保证高吸水树脂良好吸水和保水性的基础上，研究如何提高高吸水树脂的耐盐性，使其在盐溶液中也具有良好的性能，从而提高其应用范围。

(2)控制高吸水树脂释水速率。目前利用高吸水树脂所生产的众多产品(如与含高吸水树脂土壤、混凝土的内养护材料等)其释水速率难以控制，这也是高吸水树脂在农业和建筑方面使用受限的很重要的原因。

(3)提高高吸水树脂凝胶强度。高吸水树脂吸水后其凝胶态的强度通常较低也很大的限制了其使用。因此可以通过研发复合或者改性型高吸水树脂来提高凝胶强度。

(4)改善可降解性（绿色环保）。随着可持续发展观的不断推进和深入，人们的环保意识也在不断加强，这就要求我们所生产的高吸水性树脂类产品在满足性能要求的基础上，能够提高高吸水性树脂类产品的多次使用性以及可降解性，实现绿色产品，绿色应用，这样高吸水性树脂类产品的应用才会有更为广阔的前景。

[1]刘荣进．有机-无机复合混凝土内养护材料设计、合成与性能研究[D]．武汉:武汉理工大学,2013．

[2]邹新禧．超强吸水机[M]．北京:化学工业出版社,2002:340-344．

[3]丁以兵．高性能混凝土自养护技术研究[D]．合肥:合肥工业大学,2006．

[4]孙克时,李志强．水溶液共聚法合成耐盐性高吸水性树脂[J]．化学与粘合,2000,07(3)105- 107．

[5]卢潮陵．高吸水树脂的研究现状及其应用前景[J]．能源与环境,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]谢华飞,张翠荣,贾振宇等．原位聚合法制备壳聚糖_g_聚丙烯酸/高岭土复合树脂[J]．化工新型材料,2012, 40(2): 49-52．

[8]沈朴．高吸水性树脂的发展,结构及吸水理论研究现状[J]．榆林学院学报,2010,20(2):53-55．

周琦（1998～），男，陕西省西安市第六中学，研究方向：对高吸水树脂的研究。

(责任编辑王恒）

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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