超吸水纤维的研究进展及其应用

李强林,黄方千,蒋学军,郑 雄

(1.四川省纺织品生态染整高校重点实验室，四川成都 611731；2.成都纺织高等专科学校 四川成都 611731)

超吸水纤维的研究进展及其应用

李强林1,2,黄方千1,2,蒋学军1,2,郑 雄1,2

(1.四川省纺织品生态染整高校重点实验室，四川成都 611731；2.成都纺织高等专科学校 四川成都 611731)

超吸水纤维(super absorbent fiber, SAF)是具有能够吸收自身重量几十倍甚至上百倍水分的功能纤维，具有吸水量大、吸水速率快、加工性好等特点。综述了SAF的分类、吸水保水原理、制备方法和应用前景，并分析了SAF的发展方向。

超吸水纤维 制备 吸水原理 应用

超吸水纤维(super absorbent fiber, SAF)是具有能够吸收自身重量几十倍甚至上百倍水分的功能纤维，它是继超吸水树脂(SAP)之后而发展起来的一种新型功能材料。20世纪80年代中期，人们开始研究如何把超吸水粉末演变成SAF，直到2006年SAF才投放市场。与SAP相比，由于其化学结构相似，SAF不仅具有与SAP相似的吸水、保水、溶胀等特性，而且还因纤维的物理形态和尺寸的特殊性，使SAF具有吸水速度更快，手感柔软，易于混纺加工，材料易定型不迁移，可循环使用等特性[1](表1)。由于SAF直径小，具有大的长径比(大于100)，具有很高的表面积，因而吸收速度很快；SAF织物或其混纺织物手感非常柔软；SAF可以与其它纤维混纺或制成无纺布，易于加工和使用；因纤维之间互相缠绕而不易迁移变形或脱落；SAF吸水溶胀形成凝胶后仍具有内聚力和较高强度，仍保持互相缠结状态。当凝胶纤维失水干燥后，即可恢复原来的形态，且仍具有吸水能力，可循环利用。与传统吸水材料如脱脂棉、纤维素纤维相比，SAF具有吸水快、保水性强等优点。

表1 SAF、SAP与传统吸水纤维的比较

1 SAF的分类

根据亲水纤维原料来源不同，可将SAF分为以下四大类(表2)。

(1)纤维素基SAF：纤维素是天然植物高分子，种类多、来源广、价格低、可再生。它含有大量-OH，吸水性较强，吸水速率较快。为了进一步提高纤维素基纤维的吸水性能，可通过充气、中空等物理改性来增加纤维素纤维的内、外表面积；也可通过对纤维素的化学改性，将羧基引入纤维素大分子中(图1)，可使纤维素吸收自重20倍以上的液体。

表2 不同类型的SAF的特性比较

图1 马来酸酐接枝改性纤维素SAF

(2)聚羧酸系SAF：在聚不饱和羧酸(其单体主要包括丙烯酸、丁烯酸、甲基丙烯酸等)和羧酸的共聚物中加入其它可纺性较好的聚合物共混纺丝，从而制得SAF。对所制备的SAF可加入适量的多元醇进行交联，也可进行热交联(图2)。日本钟纺公司生产的聚丙烯酸基SAF是将含-COOH、-OH、酰胺基的乙烯基单体与CH2=CHCOOH进行共聚，然后纺丝成型。该纤维具有优良的吸水、吸盐水性能，纤维基本不着色。

图2 不饱和羧酸共聚物SAF

(3)聚丙烯腈系SAF：经交联处理的聚丙烯腈(PAN)纤维表层水解后，可得到皮芯型PAN基亲水性纤维(图3)，如日本东洋纺公司将PAN纤维表面30%的-CN水解、交联后制成一种具有皮芯结构的SAF Lanseal-F，其吸水倍率可达150g/g、吸盐水倍率可达50g/g。

图3 PAN纤维表层水解的SAF

(4)聚乙烯醇基SAF：聚乙烯醇(PVA)是一种含多-OH的亲水性聚合物。PVA纤维经接枝共CH2=CH-COOH后制成吸水倍率较高的改性PVA纤维(图4)。

图4 聚丙烯酸接枝改性聚乙烯醇SAF

通常，加工性能良好的SAF的化学结构是复杂的，它一般都含有几种类型的亲水性单体的接枝共聚或嵌段共聚而成，而且还与具有一定强度和韧性的PET、PP聚合物共混。如：丙烯腈+丙烯酸+N-羟甲基丙烯酰胺→共聚→纺丝→交联→纤维；丙烯睛类纤维+淀粉→接枝聚合→碱性水解→纤维；丙烯腈+醋酸乙烯→共聚→纺丝→碱性水解→交联→纤维。

2 SAF的吸水保水原理

吸水纤维的吸水性主要取决于纤维大分子上-OH、-NH2、-CONH2、-COOH、-SO3Na、-COONa等亲水基团的数量和种类，通过这些亲水基与H2O分子形成缔合氢键，使H2O分子存留在纤维上，这是化学键的作用；另外还有物理吸附作用，就是依靠纤维内部微孔、缝隙和纤维之间的毛细孔隙等微孔结构，可通过毛细管效应吸收和传递水分。另外聚合物中亲水基越多，则吸水能力越大；交联密度越高，则吸水能力愈低[2]。

纤维中除了亲水基团直接吸收水分外，由于已被吸附的水分子也是极性的，它可以通过氢键再与其它水分子相互作用，形成水分子的多层吸附，称为间接吸附水分子，如图5所示。

图5 SAF对水分子的直接与间接吸附示意图

3 SAF的主要特性

SAF的主要特性如表3。众所周知，海绵等吸水材料主要依靠空隙等物理吸附，其吸水后，在一定压力下水会快速流失，保水性差。而SAF可迅速吸H2O，且吸H2O后迅速膨润，形成一定强度的纤维凝胶体，一定的压力作用也不能使凝胶体中的水流失[3]。SAF的呼吸性是指它的吸湿放湿性。干态SAF，空气湿度较大时，可吸收潮气，直至与环境湿度平衡；反之，空气干燥时，吸饱水的纤维凝胶体可向环境释放水分子，从而提高环境湿度。由于SAF内含有一定量的-OH，它可与NH3发生反应，生成-CONH2，从而吸收NH3。SAF中含有一定量的-COOH、-COOM、-SO3Na等阳离子交换基，可用作弱酸型离子交换材料，具有交换速度快，再生时间短，可去除水中的Mg2+、Ca2+、Cu2+等金属离子。

表3 SAF的主要特性

4 SAF的制备方法

SAF是具有一定交联度的、水不溶性的、亲水性聚合物纤维材料，依据制备工艺不同可分为：亲水性聚合物纺丝法、超吸水树脂纺丝法、纤维的亲水化改性、超吸水无纺布的织造法。

4.1 亲水性聚合物纺丝法

该纺丝方法主要是针对聚烯烃类SAF。日本Unitika公司开发出一种皮芯结构的新型纤维，这种纤维具有超吸水(其吸水能力为自重的3.5倍)、高放湿性能，其皮层为尼龙，芯层为具有特殊网状结构的高吸放湿聚合物。由英国Technical Absorbents以不饱和丙烯酸类单体通过溶液聚合，中和部分羧基后，再经干法纺丝成型并交联后制成SAF，并与日本钟纺公司合作实现工业生产。美国Arco公司用NaOH中和马来酸-异丁烯共聚物，经干法纺丝成型得初生纤维，再经180℃、10min的交联反应后得到 “Fibersorb”纤维。

4.2 超吸水树脂纺丝法

可纺性的超吸水树脂主要采用吸水性单体与非亲水性(或亲水性较小)物质共聚的方法制得，其主要共聚单体如图6。中国纺织科学研究院以CH2=CHCOOH、CH2=CHCOONa、CH2=CHCONH2、甲基丙烯酸丙酯为共聚合单体，在水中通过溶液聚合得到共聚物的水溶液，再以PVA为芯层或皮层，经干法纺丝和热交联处理得到SAF，该材料具有吸水性高、力学性能优良等特点。Westerink等[4]用纤维素、(聚)磷酸等制成纺丝原液，采用湿法纺丝,凝固浴为CH3COCH3溶液，得到SAF。

图6 超吸水树脂主要共聚单体

4.3 纤维的亲水化改性

亲水性改性是制造SAF的一种常用方法。它是将普通纤维通过物理改性或化学改性来提高其吸水性能。

物理改性是通过特殊的纺丝手段或后处理方法使纤维表面形成微孔、或使表面微孔与内部空腔联通，达到高吸水目的。如日本帝人公司通过混入特殊微孔形成剂进行熔融纺丝而开发出一种中空吸水快干纤维。另外也可在一般纤维中混入超吸水粉末，或将SAP涂覆在纤维或纤维制品上，以提高纤维的吸水率。如章悦庭等[5,6]将CH2=CHCOOH接枝淀粉后用NaOH中和，然后涂覆在无纺布上进行交联反应，得到超吸水无纺布。

化学改性则是用普通纤维与亲水性单体反应制取SAF。如将PVA纤维加至马来酸酐的有机溶剂中，加热使PVA分子的-OH部分酯化，引入-COOH，同时使分子间形成交联结构，从而制得超吸水PVA纤维。Baker等[7,8]用类似方法制得吸水倍率为110g/g的水凝胶。聚醋酸乙烯酯用NaOH溶液处理后得到的PVA纤维，经盐酸中和，再用甲醛交联也可得到SAF。

4.4 超吸水无纺布的制造方法

将SAF制成无纺布是开拓超吸水材料应用领域的有效途径。通常有两种方法：(1)两步法：先成纤再铺网；(2)一步法：成纤铺网一步完成。

两步法：SAF可采用针刺、热黏合、化学黏合等方法制成无纺布，可以是单一组分，也可与普通纤维混合。如Zeng[9]将聚丙烯酸吸水纤维与丙纶混纺制成无纺布。一步法：Messner等[10,11]采用湿法成网制备了具有高保水性能的超吸水无纺布。Ranganathan等[12]开发出一种柔性超吸水无纺布方法，它是由α，β-不饱和羧酸单体与CH2=CH2或丙烯酸酯等形成共聚物，并与PEG、季戊四醇、碳酸亚乙酯等多羟基混合制成水溶液纺制成单丝，用高速气流使其拉伸、干燥二次，并切断成短纤维后成网并熟化，以增加无纺布的柔韧性和完整性。

5 SAF的应用

纤维状超吸水材料吸水表面积大，吸水速率快，手感柔软，有一定的强度，且不易脱落或迁移，这些特性显著拓展了超吸水材料的应用范围，尤其适合制备超吸水织物。

5.1 医疗卫生用品

由于SAF具有良好的吸水、保水、吸氨性能，非常适合作为一次性尿布、卫生巾、医用敷料等高吸收材料。据报道，每年约95%的吸水树脂用于个人卫生护理用品。它不仅可使生理卫生用品保持较快、较高的吸水性，而且可使生理卫生用品做得比含超吸水粉末的制品更薄、更柔软，无粒状泄漏物，能预防或减轻湿疹等皮肤病。采用SAF制造的婴儿尿布、成人失禁垫等不仅吸收速率快、吸量大，而且更加舒适、贴服。在餐巾、手纸、抹布中加入SAF可显著提高其使用性能；添加了SAF的贴身衣物能更有效地保持皮肤干爽，人体舒适感也大大提高。

在医用方面，将SAF用于手术垫、手术服、手术手套、手术棉等，可以迅速吸收血液、体液，保持医疗环境的干爽、洁净。将SAF用于病床被褥还可以避免褥疮。用SAF的止血栓现已大量用于临床医疗。

5.2 吸湿发热织物

SAF的纤维表面有许多亲水基团，且分子之间形成交联网络结构，不仅可以吸附液态水，同时也也可吸收水蒸气。日本东洋纺采用分子超亲水化并高度交联等聚合物改性技术，开发了聚丙烯酸纤维为基材“N38”吸湿纤维，它具有高吸湿高放湿性能。已应用于滑雪服絮片、运动衣料、保暖内衣等方面。东洋纺将-NH2、-COOH等亲水基团引入聚丙烯酸纤维，并交联处理，开发出具有调温调湿功能的“呼吸纤维”——Eks纤维[13]。它不仅能将皮肤释放的水蒸气转换为热量，达到保暖的效果，还可将人体多余汗液吸收而达到干爽舒适效果。Eks纤维的吸湿和放热速率缓慢，可均匀释放热量，从而被广泛用于贴身内衣、被褥絮棉、运动服、滑雪衫等。日本开发的挥汗纤维面料[14]具有吸水性强、放湿速率快，穿着时汗水挥发快、不沾身、无暖热感等优点，可用于贴身内衣、特殊劳保用品。此外，在日常清洁用品，如洗碗布、擦车巾、拖把中加入SAF，去污效果得到大大提高。胡海波等[15]通过盐酸肼交联羧甲基化黏胶纤维制得具有吸湿发热功能的黏胶纤维，当该纤维中氮含量为2%～4%(w/w)，回潮率为25%～26%(相对湿度90%)时，纤维最高发热量可达7.67J/g，吸湿发热效果显著。交联使纤维的湿强明显提高，且对纤维的热稳定性影响不大。

吸湿发热纤维是一种新型的调温纤维，是一种积极产热式的保暖材料，可以更好的满足服装的防寒保暖需求。王敏等[16]认为，吸湿发热纤维的发热机理是液态水汽化时吸热而降低体温；相反，气态水液化放热而提高体温。据测试，人在运动时，有大量汗排出，既有液态水，也有气态水，排出的水分约为100g/(m·h)；在静止时，通过皮肤向外蒸发的水分约为15g/(m·h)。因此，人体即使不运动也有大量潜汗蒸发。钟正刚等[17]则认为，吸湿发热纤维的发热机理主要是纤维大分子的极性基团捕捉并固定空气中含较高动能的水分子，将分子动能转变为热能，产生发热作用。

5.3 油水分离材料

众所周知，传统的油水分离方法主要依靠离心分离或蒸馏等手段，能耗大、成本高。用SAF制成的油水分离材料具有节能、高效的油水分离效果。目前，SAF油水分离材料已用于除去工业用油(如润滑油)中的微量水分[18,19]；另外，将SAF与亲油材料复合制成既亲油又易脱油的分离材料，用于船舶、海面油-水的分离回收[20]。

5.4 电池隔膜材料和电缆阻水材料

SAF织物浸渍碱性电解质后，可制成耐用型碱性电池；丙烯酸共聚SAF具有极强的吸水锁水能力，是电池隔膜的理想材料之一[21,22]。用-SO3OH等代替SAF上的部分-COOH，制得耐盐、耐热的SAF，可用于光纤通信电缆中的阻水材料[23-25]。

5.5 建筑防结露材料、阻火材料

SAF用于混凝土的模型框架，不仅可防止老化，还可循环多次使用。SAF具有吸湿放湿性，用于包装袋、墙纸、天花板及集装箱内，可防止内部环境过湿而结露，使物质不发霉，不变质。吸收大量水而成为凝胶状的SAF因受热失水而吸收大量热，从而达到降温阻火、冷却的目的，可用来制作防火材料。如它与易燃纤维混纺，能改善其阻燃性，可制造消防服[26,27]。

5.6 农林业保水材料

在农业方面，SAF也具有广泛的应用前景，如日本用SAF制成保水材料，用于盆景、苗木用保水材料，使土壤透气性增加，水分不易流失，而且缓慢释放，可大大减少浇水次数和用水量，大大节约了人工成本。同时超吸水产品吸水时产生膨润，放湿时发生收缩，使土壤透气性增加，有改良土壤的作用[28]。研究者[29,30]将淀粉-丙烯酸盐接枝共聚物或交联的丙烯酸盐-丙烯酸共聚物制成的纤维铺到纤维片状基材上制成吸水性片材，而后在此吸水性片材(或若干层叠台的此种材料)上喷营养溶液并烘干，制成培植业用材料，可用来辨别微生物菌株的品系。

5.7 食品保鲜材料

用于食品中的SAF一般是天然的食物纤维，如果胶、蛋白质等。用大豆蛋白与少量的超吸水剂──聚丙烯酸钠共混[31,32]，采用湿纺制得改性蛋白质纤维，添加到人造肉中，可以增加蛋白质的黏附力，大大改善人造肉的风味和口感，而且确保无毒。用超吸水无纺布与塑料薄膜复合，制成蔬菜水果等包装袋，可起到保水(以防水果蔬菜干枯等)作用。

6 结语

总之，与高吸水树脂和传统吸水材料相比，SAF提高了产品各项性能，拓宽了产品应用领域。但与国外先进水平相比，我国在SAF材料的开发和应用研究方面仍存在较大差距。自超吸水纤维材料上市以来，开展相关研究的人员和报道由多变少，这些研究主要集中在提高吸水保水性、拓宽制备渠道和产品的开发与应用等方面。

在未来的研究，应该集中从以下几个方面进行深入探索：

(1) 清洁化制备方法。简化生产工艺，降低生产成本，努力做到低排放和零排放，大多数高吸水性材料都需要经过交联反应，现有的纺丝技术一般都不具备纺丝的同时进行交联反应，如能创新纺丝技术，可为开发综合性能优异、生产成本更低、更绿色环保的高吸水纤维开辟一条新途径。

(2) 提高可循环再生性和改善易降解性。高分子材料的循环、再生和易降解是当前减少固体废弃物有效方法之一。

(3) 深入研究吸水保水机理。吸水保水机理的研究有助于设计新型超吸水材料，将无毒无害的无机材料用于超吸水纤维，也是研究的方向之一。

(4) 毒理学研究。加大生态环保和毒理学研究力度，通过研究原料残留物、降解产物毒理学研究，开展“绿色、环保、可降解、零排放”研究进程。

(5) 继续提高产品设计能力，拓宽产品应用领域，加大复合型材料开发力度。

SAF可广泛应用于吸水、保水、防水、分水等领域，也就是“有水就有SAF的用武之地”，目前95%的产量都用于医疗卫生方面，如能进一步拓宽在农业、林业、防风固沙、电线电缆、建筑、电池等其它领域，其用途必将给SAF的发展注入新动力。

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2016-04-02

四川省国际科技合作与交流研究计划(2012HH0010)，四川省教育厅重点项目(12ZA005), 成都纺织高等专科学校成果转化重大培育项目(2014fzlkpy01)。

李强林(1975- )，男，博士，副教授，研究方向：功能材料与高性能材料研究与应用。

TS102

A

1008-5580(2017)01-0195-06