超吸水材料的研究进展

陈静，沈艳琴，2，姚一军，2，3，胡成蒙，武海良，2

（1 西安工程大学纺织科学与工程学院，陕西 西安 710048；2 西安工程大学功能性纺织材料及制品教育部重点实验室，陕西 西安 710048；3 浙江恒祥检测技术服务有限公司，浙江 绍兴 312081）

超吸水材料是一种吸收水分超过自身百倍甚至千倍的软物质，它的发展经历了八十多年的历程。20 世纪40 年代，Fredric 等以二乙烯基苯和丙烯酸为原料，在水溶液中合成了第一种颗粒状吸水树脂，但产物溶胀能力不超过自身的50%[1]。随后，美国农业部开发出一种吸水倍数超过自身400倍的淀粉接枝-交联丙烯腈聚合物树脂，将其引入到土壤和沙漠中用于加速植物的生长。然而，此类产品成本高，使用寿命不理想[2]。20世纪80年代，日本生产出了女性卫生用品和婴儿尿不湿并实现商业化。与此同时，欧洲国家将聚丙烯酸基合成超吸水树脂与纤维素基绒毛浆混合，开发出了具有超强吸水能力的婴儿尿不湿。之后，日本开发出一种仅包含4～5g 超吸水树脂和少量填充物的商业化轻薄尿不湿产品[3]。尽管基于聚丙烯酸形成的超吸水树脂具有优异的吸水能力，但它们难以降解，以此为原料开发的吸水性产品废弃后会对环境造成污染。2005 年开始，研究者尝试将吸水功能基团或聚合物（如丙烯酸、丙烯酰胺、异丁烯马来酸酐、聚乙烯醇）引入到具有降解能力的天然聚合物（如淀粉、羧甲基纤维素、壳聚糖、蛋白质）结构上，获得了环保型生物质基超吸水材料[4-7]。随后，超吸水材料取得了长足的发展，到2015 年，全球超吸水材料产量超过230 万吨[1]。图1(a)为1985—2020年涵盖“超吸水聚合物”发表的研究论文和专利情况，展示出明显的增长趋势。

超吸水材料按照形态可分为超吸水树脂[1]、超吸水纤维[8]、超吸水膜[9]、超吸水织物[10]、超吸水气凝胶[11]和超吸水织物基气凝胶等[12-13]。图1(b)为不同形式的超吸水材料在医用卫生、生活用品、废水处理、安全防护、农业领域的应用示意图。目前，关于不同形式的超吸水材料对液体吸附能力的原理与特点未见系统报道。本文将从超吸水材料的吸附机理、常见超吸水材料的研究现状及进展、结语与展望三部分进行综述，在介绍超吸水原理的基础上，重点综述超吸水树脂、超吸水纤维、超吸水膜、超吸水织物基气凝胶的制备原理与性能，为合理开发超吸水织物以拓宽其在医用防护、阻燃防护、隔热防护等领域的应用提供参考。

图1 超吸水聚合物的演变和广泛的应用领域[1,12-13]

1 超吸水材料的吸附机理

目前，吸水材料对水分的吸附通常有4 种机制[14]：①通过晶体结构的可逆变化（如干燥剂和无水无机盐）；②通过毛细作用在宏观多孔结构中对水分的物理截留（如软质海绵）；③通过官能团的水合作用和多孔结构对水分截留的相互协同（如纸巾）；④通过亲水聚合物链段的自然溶解、交联大分子链的热力学溶胀与作用机制③相互协同，这也是超吸水材料的主要吸附机理。

图2 给出了典型的超吸水树脂吸水机理图[15]。吸水过程中，首先通过毛细作用和网状结构对水分子吸附和传递，随后水分子与树脂主链或侧链上较强的亲水基团（如羧基、酰胺基、磺酸基、羟基）相互作用，使之发生解离，阴离子固定在高分子链上，阳离子可以自由移动。随亲水基团的进一步解离，阴离子数目增多，离子之间的静电排斥力促使树脂网络结构溶胀，为水分子吸收提供空间；但为了维持电中性，阳离子不能向外部扩散，导致阳离子在树脂网络内部浓度增大，产生内外渗透压，水分不断进入到树脂网络内部；随吸水量进一步增大，内外渗透压趋向于平衡，阴离子排斥力相互抵消，达到吸水平衡。交联点之间的高分子链扩展则引起网络结构的弹性收缩，限制了水分子运动。如果被吸附水中含有盐时，吸水树脂内外渗透压降低，吸水能力降低。

图2 超吸水材料对水和盐水吸附机理的对比[15]

与吸水过程相比，盐水中Na+屏蔽了吸水树脂解离的阴离子，导致产生的阴离子静电排斥力减小，树脂网状结构扩张程度降低；同时可与水相互作用的阴离子数目明显减少，导致吸水树脂对盐水吸收能力有限。提高体系中阴离子静电排斥力和吸水树脂内外渗透压可增大吸水材料对盐水和合成尿的吸收能力。

2 常见的超吸水材料

2.1 超吸水树脂

超吸水树脂是一种由空间网络结构形成的聚合物，它能吸收自身数百倍至千倍的水，且具有高的比表面积，表现出非常快的吸水速度，在婴儿尿不湿、土壤保湿、废水中金属离子吸附等领域具有广阔的应用前景[1,16]。现有超吸水树脂种类主要包括交联的聚丙烯酸类和聚丙烯酰胺类、丙烯酸类和丙烯酰胺类的交联共聚、天然高分子接枝-交联聚丙烯酸和聚丙烯酰胺类、天然高分子的交联共聚。

近年来，研究者采用不同原料开发了一系列不同结构的超吸水树脂聚合物。表1列出了制备超吸水树脂聚合物的一些最新研究。可以看出，选用含有离子型亲水基团（如羧酸基、磺酸基、季铵盐）和非离子型亲水基团（如羟基、酰胺基）的乙烯基类单体或天然大分子（淀粉、纤维素或其衍生物、甲壳素、海藻酸钠、腐殖酸钠、蛋白质）为原料，通过单一热引发、氧化-还原引发、辐射引发等方式，在N,N-亚甲基双丙烯酰胺（MBA）、环氧氯丙烷（ECH）、二乙烯基砜（DVS）、1-乙基-3-(3-二甲氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐（WSC） 或柠檬酸（CA）交联作用下，可以形成吸水倍数超过1000g/g的超吸水树脂[17-19]。其中，超吸水树脂结构上的亲水基团种类、数量、分子量、交联程度对其吸水能力有重要影响。常见的亲水基团亲水性大小依次为：—SO3H>—COOH>—CONH2>—OH。增加聚合物的分子量、适当的交联程度可为创建具有高吸收能力的吸水材料提供途径[1]。

表1 超吸水树脂的制备组分和吸液能力

图3(a)为典型的通过热引发-交联方式制备阴离子型超吸水树脂反应图。将氨基化的乙基壳聚糖和丙烯酸在引发剂APS 和交联剂MBA 作用下形成超吸水树脂，对去离子水和盐水（质量分数0.9%）的吸收能力分别达到644g/g 和99g/g，超过了壳聚糖接枝-交联丙烯酸吸液能力[图3(b)]，有望作为一种理想的保水剂用于改善土壤环境[30]。最近，Wei等[31]在纤维素纳米晶和CMC 的碱溶液中，通过交联剂ECH 制备了超吸水凝胶，对蒸馏水、D-葡萄糖（质量分数0.5%）、尿素（质量分数0.5%）的吸收能力分别达到756g/g、750g/g、746g/g，而对盐水和合成尿的吸收能力从500～756g/g 降低到150～200g/g[图3(c)]。这是因为葡萄糖和尿素溶液均为非离子型，不会对样品离子基团产生影响，而盐水中的Na+和Cl-以及合成尿中的Ca2+、Mg2+屏蔽了CMC结构上的亲水基团—COO-，水凝胶网络静电斥力减弱，降低了分子链之间的扩张，平衡膨胀比减小。在上述基础上，他们进一步向凝胶体系引入正电荷，发现体系中季铵化程度高，凝胶对盐水、合成尿吸收能力降低，这是由于季铵化增加了体系中的静电作用，网络结构更紧密，降低了溶胀率。

图3 超吸水树脂合成原理及在不同模拟生理液中的吸收能力[30-31]

与化学热引发相比，辐照引发可有效提升超吸水树脂的吸水能力。如以KPS-NaHSO3为引发体系、MBA 为交联剂制备的PAM 超吸水树脂吸水为70g/g，而辐照引发制备的超吸水树脂吸水为700g/g[26]。研究者认为辐照在体系中产生应力场，通过膨胀或收缩引起分子重排提高了吸水能力。基于这一机理，Awadallah 等[28]制备了吸水率高达4310g/g 的聚(丙烯酸-co-2-丙烯酰胺-2-甲基丙烷磺酸)超吸水树脂，在卫生用品、农业等领域具有广泛的应用前景。此外，与选用有毒交联剂DVS或WSC形成的CMCNa和HEC聚合物树脂相比，环保型交联剂CA 避免了有毒中间体产生，并引入额外的亲水羧基，表现出更高的吸水能力[19]。

除了改变引发方式、亲水基团种类和数量、分子量、交联程度来提高吸附能力外，增加吸水过程内外渗透压、吸水材料比表面积、添加无机粒子（如硅、滑石、高岭土、硫酸铝）也可提高超吸水树脂的吸收能力[1,22-23]。研究者通过在聚合物链上引入磺酸等强酸基团[17]、将多糖与离子基交联[32]、中和部分亲水基团[33]三种方式提高渗透压，赋予超吸水材料更好的吸液能力。其中，将多糖与离子基交联增加渗透压的机理是：聚丙烯酸类分子链是柔性的，而多糖骨架是刚性的，这种刚度增加了离子基团间的距离，降低了表面电荷密度，从而有效降低了离子强度。以—COOH为例介绍中和亲水性基团增加渗透压的机理：当—COOH 被Na+中和后，吸水过程中离子发生电离，形成离子浓度梯度，产生了渗透压差和静电排斥力，为水分向凝胶内部扩散提供了驱动力和空间。无机粒子可促进凝胶内孔洞的形成抑制堵塞，同时可吸附电解质中的金属离子，降低树脂外部阳离子浓度，内外渗透压增大，促使水向凝胶颗粒内部扩散[34]。高吸水树脂能改善药物在人体中的吸收速度，实现药物可控释放[35]。

尽管超吸水树脂可以吸收超过自身质量千倍的去离子水，但对含电解质的水溶液吸收能力仍然有限。因此，现有尿不湿产品中为了保证对尿液的充分吸收，通常需添加大量的超吸水树脂，容易在渗透层与不渗透层之间发生位移。此外，超吸水树脂制备过程中需长时间高温反应，形成的树脂存在功能单一、吸水后各向异性膨胀的问题。

2.2 超吸水纤维

超吸水纤维是一种能吸收自身几十到几百倍水的纤维状聚合物，因其高的长径比和大的比表面积，表现出更快的吸收速度。将超吸水树脂演变成纤维形态，可方便与其他纤维混纺，通过纺纱、织造或非织造加工形成具有特殊功能的纺织品[8,36]，拓宽了纺织材料在医用卫生、食品包装、油水分离及园林领域的广泛应用。目前，主要采用水解法[37]、直接涂覆[38]、亲水单体与纤维接枝共聚[39]、溶液纺丝[40]、熔融纺丝[39]、静电纺丝[41]方法制备超吸水纤维。

Gupta 等[37]将聚丙烯腈短纤维表面的部分氰基进行碱水解，使纤维表面形成大量的亲水羧基和酰胺基，这种方法获得的纤维对水和生理盐水的吸收倍数仅达到200%和100%。采用直接涂覆法可提高纤维的吸水能力，这是制备超吸水纤维最简单的方法。通过将超吸水树脂分散液涂覆在纤维表面、在纤维中添加粉末状吸水树脂或将纤维在超吸水聚合液中浸渍获得超吸水纤维。如将淀粉接枝聚丙烯酸形成的超吸水树脂半成品浆液整理到纤维表面，可制备出吸水能力为14.7kg/m2的超吸水纤维（纤维表面浆液量为374g/m2），但吸水后的树脂与纤维结合能力弱，难以长时间停留在纤维表面[38]。

通过将亲水单体与纤维进行接枝-交联共聚反应，可在吸水树脂与纤维之间产生化学键合作用，有效提高纤维的吸水保水能力。如将丙烯酸盐接枝到聚丙烯腈纤维上可制备以聚丙烯酸盐为外层、聚丙烯腈纤维为内层的双层结构超吸水纤维，其吸水和生理盐水的倍率分别为150g/g 和50g/g，吸水后外层凝胶表现出强的保水能力。进一步将制备的双层结构超吸水纤维抽丝后加工成无纺布，可在医疗止血、食品保鲜和包装防结露水等领域应用。将吸水饱和的纤维冷冻干燥得到具有多孔结构的海绵状纤维，可提高超吸水纤维的吸液速度和能力[39]。

对亲水性单体形成的聚合物溶液纺丝可获得超吸水纤维。该方法要求纺丝液的化学交联度尽可能低，保证良好的流变性，使纺丝正常进行；成纤后对其进行交联，在纤维内部产生网状结构。如邓新华等[40]以AA 和AM 为单体，在聚乙烯醇溶液中共聚，通过溶液纺丝制备了PAA 基超吸水纤维。该超吸水纤维对水的吸收能力达到243g/g，在不同浓度（0～3%）的NaCl 溶液中吸收倍数为30～120g/g，随Na+浓度增加，吸液倍率呈递减趋势。这与超吸水树脂吸附机理一样，当超吸水纤维与水分子接触时，通过毛细作用使水分在纤维表面传递，束缚在高分子结构内的亲水基团与水分子作用，通过内外渗透压促使水分子向内部传递。当Na+浓度较低时，纤维内外渗透压大，呈现高的吸水倍率；随Na+浓度增大，纤维内外渗透压减小，可进入纤维内部的水分子变少，导致吸液倍率降低。

静电纺丝可得到直径在微米和纳米之间的超细纤维，成为近年来制备超吸水纤维的重要手段。Liu 等[41]通过静电纺丝制备了直径为1～2µm 的羧基化（芳基醚酮）超细纤维[图4(a)]，当纺丝液浓度从质量分数16%增加到22%时，形成的超细纤维最大吸水率从55g/g 降低到12g/g，见图4(b)。这是因为较低浓度溶液形成的纤维直径小、比表面积高、孔隙率大[图4(c)、(d)]，导致离子溶剂化过程中更多的水结合在纤维表面。最近，Djafari Petroudy 等[42]从废弃的小麦秸秆中提取纤维素，对其进行TEMPO 体系氧化预处理，然后与高吸水聚丙烯酸钠在三氟乙酸溶剂中复合，通过静电纺丝得到了环境友好型超吸水纤维素纳米纤维。该超吸水纤维在蒸馏水和NaCl 溶液中的最大溶胀率分别为225g/g 和208g/g，在伤口护理、药物输送和卫生用品领域具有广泛的应用前景。此外，研究者将制备的超吸水纤维与其他纤维（如丙纶纤维）通过梳理成网和热轧方式随机混合或层状结合，开发了具有多层结构的超吸水非织造材料，其吸水倍率达到180倍。由于丙纶纤维的骨架支撑作用，超吸水非织造纤维在吸水后形成的凝胶体保持良好的形态，可防止凝胶孔道堵塞，促使液体定向流动[43]。

图4 静电纺丝制备超吸水纤维流程图和吸水能力[41]

与超吸水树脂相比，超吸水纤维因其高的长径比，表现出更快的吸水速度，形成的凝胶紧密缠绕在纤维表面不发生迁移，超吸水纤维加工形成的非织造材料可防止吸水凝胶阻塞。但因其低的纤维直径和少的亲水基团数量，导致其只能吸收自身10～250倍的水，且利用纺丝法制备超吸水纤维对纺丝液的交联度和黏度要求高，易导致喷嘴堵塞，存在制备效率低、难以产业化的问题。

2.3 超吸水膜

超吸水膜是一种能吸收自身几十至几百倍水的膜状高分子材料[44]。近年来，研究者将AA、AM引入到壳聚糖、淀粉、羧甲基纤维素和羟乙基纤维素结构上或直接将几种天然大分子物理共混，通过溶液浇铸、模具热压等方法制备了超吸水膜材料，具有良好的溶胀保水能力、较高的黏弹性和自愈合能力，能够用于农业、药物输送和生物医学等领域[45-48]。

当前，通过溶液浇铸法制备的壳聚糖/纳米纤维素复合膜[46]、脱乙酰魔芋葡甘聚糖/壳聚糖共混膜[49]吸水能力为26～45g/g。物理共混是一种制备复合材料最简便的方法，但容易出现吸水后膜膨胀溶失、保水能力差的现象。通过化学交联或亲水改性可获得保水能力强的超吸水膜。图5(a)、(b)示出了以羧甲基纤维素（CMC）、羟乙基纤维素（HEC）和再生纤维素（RC） 微球为原料，在柠檬酸（CA）交联作用下制备超吸水膜流程图和膜外观[47]。发现在pH=6.4 水溶液中，RC 质量分数低于5%时，形成的水凝胶膜展现出优异的膨胀性能（40g/g）和保水性[图5(c)]。最近，谢婉婷等[9]以氯乙酸为醚化剂，对碱化棉纤维改性制备了吸水纤维膜，其对去离子水的吸收和保水倍数分别为163.3g/g 和73.7g/g[图5(d)]。Abdel Bary 等[50]以 戊 二醛为交联剂、丙三醇为增塑剂，通过热压法制备了吸水倍数在73～135g/g的PVA-CNC吸水膜，当CNC质量分数为10%时，吸水膜对0.1mol/L 的NaCl、CaCl2、FeCl3的溶胀能力分别为89g/g、62g/g、22g/g。这是由于阳离子与羧基络合产生的离子交联点引起膜内部交联密度增加，导致吸水膜在高价阳离子FeCl3溶液中膜网收缩程度高，溶胀能力下降。此外，该吸水膜对白色念珠菌、枯草芽孢杆菌、金黄色葡萄球菌和普通变形杆菌显示出良好的抗菌能力，可用于农作物生长和园艺领域[图5(e)]。

图5 超吸水膜的吸水能力及应用领域[9,47,49]

为进一步提高超吸水膜的吸水能力，将亲水性单体如丙烯酰胺、丙烯腈和N-异丙基丙烯酰胺通过自由基聚合引入到壳聚糖结构上，可使壳聚糖共聚物的吸水能力提高到650g/g[1,48]。此外，在超吸水膜内部引入微孔是一种高效提高膜吸水能力的策略。Wang等[51]通过三元溶剂体系（DMSO、二氧六环和1%乙酸溶液）制备了具有微纳尺度结构的壳聚糖膜，其孔径尺寸低至5µm、壁厚为纳米级，吸水能力高达896g/g，在卫生用品和生物医学领域可得到应用。

超吸水膜的骨架结构是可降解的天然大分子，具有环境友好、生物相容性好的特点；相比超吸水树脂和超吸水纤维，超吸水膜形成过程无须经过专用成形设备，操作简单、能耗低。但通常需要复杂的微结构设计来调控膜的孔隙尺寸和厚度，以暴露更多的亲水基团并封闭孔隙内的水分来提高吸水保水能力。

2.4 超吸水织物基气凝胶

气凝胶是一种孔径尺寸为纳米级的三维多孔材料，由水凝胶在保持其孔隙和空间网状结构完整的基础上以空气取代液体得到的产物，具有密度低、比表面积高（200～1000m2/g）、孔隙率高达99%等特性，能够用于吸附/分离材料、隔热材料、生物医学材料等领域[52-55]，由于结构上的亲水基团和内部丰富的网状孔隙可以吸收储存大量的水，为超吸水材料的制备提供优势。

近年来，研究者以纤维素、海藻酸盐、壳聚糖、羧甲基纤维素、AA、N-异丙基丙烯酰胺为原料，CA、MBA、ECH、京尼平、衣康酸（IA）为交联剂，通过交联共聚结合冷冻干燥、真空干燥或超临界流体技术制备了多种结构的气凝胶材料[11,53-56]。如Gorgieva 等[53]采用环保型CA 交联剂，通过溶液聚合和高温干燥策略制备了具有温度和pH 双重响应吸水特性的CMC-HEC气凝胶。该气凝胶在不同温度和pH 条件下表现出不同的吸水能力和孔径大小，最高溶胀能力接近4000%。其中HEC 含量和交联程度影响水凝胶对pH 和温度的依赖性。基于水凝胶的环境敏感特性，进一步通过填充和丝网印刷方法将CMC-HEC水凝胶整理到棉织物表面，赋予棉织物pH 和温度响应性。但遗憾的是这种方法得到的功能织物溶胀率还不足300%，可能与织物表面沉积的水凝胶厚度和含量有关。Kaya[55]采用同样的方法，将交联剂CA加入到纤维素-NaOH/尿素水溶液中，在25℃下交联反应24h制备了纤维素基气凝胶，该气凝胶吸水倍数为99g/g，高于未交联的纤维素气凝胶（84g/g）。这是由于交联剂CA 可为纤维素结构提供丰富的亲水基团—COOH，增强了吸水能力。

最近，研究人员开发出一种新型生物基气凝胶材料[56]。他们利用小麦面筋的高吸水特性，通过改变面筋的化学成分使其膨胀能力增强了10 倍；进一步加入交联剂京尼平和乙二胺四乙酸酐使气凝胶材料在水中溶胀达到4000%，在盐溶液中溶胀率为600%[图6(a)]。该材料可作为生产可持续纸尿裤吸水材料的替代品。除此之外，采用纤维素、CMC（Na）、HEC、SA 通过交联共聚、冷冻干燥能获得吸水率高达500～1000g/g的大孔气凝胶[11,57]，在生物材料领域展示出应用潜力。

图6 气凝胶的微结构和织物基水凝胶的制备示意图[10,56]

利用气凝胶优异的隔热性能和吸水能力强的优势，通过直接沉积[10]、层压复合[58]、化学交联[59]、物理填充[13]等方法，将气凝胶沉积到纺织纤维中或直接嵌入多层织物中，可制备织物基气凝胶复合材料，在安全防护纺织品领域有广泛的应用。例如，Yu等[10]将棉织物浸渍到以APS 为引发剂、MBA 为交联剂的海藻酸钠/N-异丙基丙烯酰胺/纳米银水凝胶聚合反应液中，在CaCl2溶液中通过原位沉积获得了一种水凝胶沉积厚度为1.5mm的新型阻燃织物[图6(b)]，可应用于消防领域，但存在水凝胶与织物结合能力弱的问题。对棉织物表面羟基活化处理，然后浸渍到含单体、引发剂、交联剂的聚合反应液中，可在织物表面与单体之间产生共价键，提高了水凝胶与织物结合的稳定性[12]；进一步通过冷冻干燥能形成织物基气凝胶，其中气凝胶的沉积厚度和引入量对织物柔软性有明显的影响。防护服在新冠肺炎期间为保护医护人员做出了巨大贡献，但现在并未有舒适性的防护服织物，主要原因是防护服外层密封处理以防止病毒、血液、毒气等侵入，导致不透气、不透湿，汗水无法蒸发和储存。将织物基气凝胶作为防护服吸水储水层，可望为热湿舒适防护服的开发提供新途径。

与超吸水树脂、超吸水纤维、超吸水膜材料相比，将超吸水材料制备成三维形式的气凝胶，具有吸水后各向同性、吸水倍数高、保水能力强的优势，但存在吸水速率慢、与织物结合能力弱、使用有毒交联剂、需长时间高温反应的问题。需要指出的是，不是可以形成气凝胶就具备高的吸水能力。如液态金属镓铟合金与氯化胆碱体系（LM-AA/PDES）在无需热引发和交联剂条件下，室温搅拌2min 就可形成凝胶，但冷冻干燥形成的气凝胶吸水能力非常低，不足自身的10 倍[60]。可以将这一机理与传统制备凝胶方法结合改善其反应时间长、温度高、使用热引发剂和有毒交联剂的问题。

对于不同形式的超吸水材料，它们适用于不同的应用领域，因此对其吸水能力评价指标也有所不同。通常可采用自由压力下的吸水能力、压力下的吸水能力、吸收速度三个关键参数评价吸收能力[1]。其中自由压力下的吸水能力是最关键的参数，通过“茶袋法”、离心法、需求润湿法测试；压力下的吸水能力是超吸水材料在自然压力下的吸水能力。这一特性对评估在压力下使用超吸水材料的性能非常重要，例如在婴儿尿布或成人护理产品中。吸收速度也是婴儿尿不湿等相关产品所要求的关键参数。增大比表面积和抑制凝胶堵塞是提高吸收速度的重要因素。现有超吸水材料的测试指标通常为自由压力下的吸水能力，后期研究可针对产品应用要求合理选择测试参数。

3 结语与展望

本文简要介绍了几种常见的超吸水材料（如超吸水树脂、超吸水纤维、超吸水膜、超吸水织物基气凝胶）制备原理及对液体的吸收能力差异，这些超吸水材料已广泛应用于卫生、伤口敷料、土壤保湿、安全防护等领域。尽管对超吸水材料的研究已经持续多年，但仍有一些问题需要解决。

（1）为提高超吸水树脂的吸水能力和凝胶强度，还需依赖不可降解的丙烯酸类聚合物，且大多需长时间高温反应才能形成凝胶，如何兼具优异的吸水性、足够的力学性能和良好的生物降解性是一项具有挑战性的工作。

（2）采用纺丝法制备超吸水纤维时，对聚合物溶液的交联度和黏度要求高，控制不当易导致喷嘴堵塞，存在制备效率低、难以产业化的问题。

（3）超吸水膜制备过程中存在微结构（如孔隙尺寸和厚度）难以调控的问题，且缺乏三维网状结构，超吸水膜过度溶胀后力学性能显著降低。

（4）气凝胶由于相对高的交联密度，存在吸水后凝胶阻塞导致吸水速率慢的问题。纺织品具有加工方便、柔性好、孔隙率高等优良性能，将多孔结构的气凝胶负载到织物表面和孔隙内，赋予织物多功能性（如吸水保水性、抗菌性等），可将其作为医用防护服的吸水储水层，为吸湿凉爽舒适防护服的开发提供新方法。以生物质为基材开发具有高吸附盐水和合成尿能力、可重复吸液、废弃后可完全降解的超吸水材料是未来的重要研发方向。此外，在超吸水材料聚合过程中引入具有特定功能的液态金属粒子可使体系快速形成凝胶，并赋予超吸水材料抗菌和自愈合能力，吸水后具有各向同性特征，为其在医用防护、阻燃防护和隔热防护等领域的应用提供新思路。