第四章超強(qiáng)吸水高分子材料

1、Super第四章第四章Super超強(qiáng)吸水高分子材料超強(qiáng)吸水高分子材料u吸吸 水水 原原 理理u分類分類u基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)uSAPSAP結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)u合成高吸水分子中一些重要術(shù)語合成高吸水分子中一些重要術(shù)語u接枝共聚反應(yīng)實(shí)例接枝共聚反應(yīng)實(shí)例Super超強(qiáng)吸水高分子材料超強(qiáng)吸水高分子材料(Super Absorbent Polymer簡稱簡稱SAP)也稱為也稱為高吸水性樹脂高吸水性樹脂、超強(qiáng)吸水劑超強(qiáng)吸水劑、高吸水性聚高吸水性聚合物合物，是一種具有優(yōu)異吸水能力和保水能力的新型功能，是一種具有優(yōu)異吸水能力和保水能力的新型功能高分子材料高分子材料。 超強(qiáng)吸水高分子材料定義超強(qiáng)吸水高分子材料定義Supern

2、 傳統(tǒng)吸水材料：傳統(tǒng)吸水材料：紙、棉花紙、棉花和和海綿海綿以及后來的以及后來的泡沫塑料泡沫塑料等材料。等材料。n 6060年代末期，美國首先開發(fā)成功高吸水性樹脂，年代末期，美國首先開發(fā)成功高吸水性樹脂，含有含有強(qiáng)親水性基團(tuán)并具有一定交聯(lián)度的高分子材料。強(qiáng)親水性基團(tuán)并具有一定交聯(lián)度的高分子材料。n 問世問世 3030多年來，發(fā)展極其迅速，應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)滲透多年來，發(fā)展極其迅速，應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)滲透到各行各業(yè)。到各行各業(yè)。n 如在石油、化工、等部門中被用作如在石油、化工、等部門中被用作堵水劑堵水劑、脫水劑脫水劑等；等；在醫(yī)療衛(wèi)生部門中用作在醫(yī)療衛(wèi)生部門中用作外用藥膏的基材外用藥膏的基材、緩釋性藥劑緩釋性

3、藥劑、抗血栓材料抗血栓材料等；在農(nóng)業(yè)部門中用作等；在農(nóng)業(yè)部門中用作土壤改良劑土壤改良劑等。在等。在日常生活，用作日常生活，用作吸水性抹布、一次性尿布、插花材料吸水性抹布、一次性尿布、插花材料等等超強(qiáng)吸水高分子材料發(fā)展超強(qiáng)吸水高分子材料發(fā)展Super既然安上既然安上super這個(gè)頭銜這個(gè)頭銜,那我們就要看看它們和傳統(tǒng)吸水材料的區(qū)別那我們就要看看它們和傳統(tǒng)吸水材料的區(qū)別普通吸水材料普通吸水材料SAP超強(qiáng)吸水高分子材料綜述超強(qiáng)吸水高分子材料綜述Super吸水能力高吸水能力高:可達(dá)自身重量的幾百倍至幾千倍?？蛇_(dá)自身重量的幾百倍至幾千倍。SAP優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)吸水前吸水前吸水后吸水后超強(qiáng)吸水高分子材料綜述超強(qiáng)吸

4、水高分子材料綜述SuperSAP優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)保水能力高保水能力高:即使受壓也不易失水即使受壓也不易失水 超強(qiáng)吸水高分子材料綜述超強(qiáng)吸水高分子材料綜述Super用途用途超強(qiáng)吸水高分子材料綜述超強(qiáng)吸水高分子材料綜述Super用途用途植物養(yǎng)護(hù)泥植物養(yǎng)護(hù)泥各式吸潮劑各式吸潮劑超強(qiáng)吸水高分子材料綜述超強(qiáng)吸水高分子材料綜述SuperSuperSuper一、吸一、吸 水水 原原 理理1、吸、吸 水水 實(shí)實(shí) 質(zhì)質(zhì)化學(xué)吸附化學(xué)吸附物理吸附物理吸附棉花、紙張、海綿等。棉花、紙張、海綿等。毛細(xì)管的吸附原理。毛細(xì)管的吸附原理。有壓力時(shí)水會(huì)流出。有壓力時(shí)水會(huì)流出。通過化學(xué)鍵的方式把水和親水通過化學(xué)鍵的方式把水和親水性物質(zhì)結(jié)

5、合在一起成為一個(gè)整性物質(zhì)結(jié)合在一起成為一個(gè)整體。加壓也不能把水放出。體。加壓也不能把水放出。SuperH2O階段階段2吸水樹脂的離子型網(wǎng)絡(luò)吸水樹脂的離子型網(wǎng)絡(luò)2.SAP2.SAP的吸水原理的吸水原理網(wǎng)絡(luò)內(nèi)外產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)內(nèi)外產(chǎn)生滲透壓滲透壓, ,水份進(jìn)一步滲入水份進(jìn)一步滲入. .階段階段1 較慢。通過較慢。通過毛細(xì)管吸附毛細(xì)管吸附和和分散作用分散作用吸水。吸水。水分子通過水分子通過氫鍵氫鍵與樹脂的親水基團(tuán)作用與樹脂的親水基團(tuán)作用, ,親水基團(tuán)離解親水基團(tuán)離解, , 離子之間的靜電排斥力使離子之間的靜電排斥力使樹脂的網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)張。樹脂的網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)張。 交交聯(lián)聯(lián)點(diǎn)點(diǎn)（內(nèi)）（內(nèi)）（外）（外）Super 隨著吸水量

6、的增大隨著吸水量的增大, ,網(wǎng)絡(luò)內(nèi)外的滲透壓差趨向網(wǎng)絡(luò)內(nèi)外的滲透壓差趨向于零于零; ;而網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)張的同時(shí)而網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)張的同時(shí), ,其彈性收縮力也在增加其彈性收縮力也在增加, ,逐逐漸抵消陰離子的靜電排斥漸抵消陰離子的靜電排斥, ,最終達(dá)到最終達(dá)到吸水平衡吸水平衡。階段階段3吸水劑微球吸水過程的體積變化示意圖吸水劑微球吸水過程的體積變化示意圖 SuperSuperSAP合成高分子系合成高分子系淀粉系淀粉系纖維素系纖維素系二、分二、分 類類甲殼質(zhì)衍生物甲殼質(zhì)衍生物Super聚丙烯酸類聚丙烯酸類聚丙烯酸鈉交聯(lián)物聚丙烯酸鈉交聯(lián)物丙烯酸丙烯酸乙烯醇共聚物乙烯醇共聚物丙烯腈聚合皂化物丙烯腈聚合皂化物其它其它聚乙

7、烯醇類聚乙烯醇類聚乙烯醇交聯(lián)聚合物聚乙烯醇交聯(lián)聚合物乙烯醇乙烯醇其它親水性其它親水性單體接枝共聚物單體接枝共聚物其它其它純合成高分子純合成高分子Super淀粉類淀粉類淀粉淀粉丙烯腈接枝聚合水解物丙烯腈接枝聚合水解物淀粉淀粉丙烯酸共聚物丙烯酸共聚物淀粉淀粉丙烯酰胺接枝聚合物丙烯酰胺接枝聚合物其它其它纖維素類纖維素類纖維素接枝共聚物纖維素接枝共聚物纖維素衍生物交聯(lián)物纖維素衍生物交聯(lián)物其它其它其它其它多糖類多糖類(瓊脂糖、殼多糖瓊脂糖、殼多糖)、蛋白、蛋白質(zhì)類等質(zhì)類等天然高分子加工產(chǎn)物天然高分子加工產(chǎn)物SuperSuper合成超高吸水高分子材料合成超高吸水高分子材料 目前主要分為聚丙烯酸（鹽）目前主

8、要分為聚丙烯酸（鹽） ，聚乙烯醇兩大類。，聚乙烯醇兩大類。 其中，聚丙烯酸（鹽）類的研究最多，產(chǎn)量最大。其中，聚丙烯酸（鹽）類的研究最多，產(chǎn)量最大。類別類別聚丙烯酸（鹽）類聚丙烯酸（鹽）類 聚聚 乙乙 烯烯 醇醇 類類比比較較 吸水性強(qiáng)，工藝成吸水性強(qiáng)，工藝成熟，合成方法多樣。熟，合成方法多樣。 吸水倍率不及聚丙烯酸吸水倍率不及聚丙烯酸類類,但它的特點(diǎn)是吸水速度但它的特點(diǎn)是吸水速度快快,23分鐘內(nèi)即可達(dá)到飽和分鐘內(nèi)即可達(dá)到飽和吸水量的一半。吸水量的一半。三、基本結(jié)構(gòu)三、基本結(jié)構(gòu)Super線型聚丙線型聚丙 烯烯 酸酸 結(jié)構(gòu)示意圖結(jié)構(gòu)示意圖 CH2CHCOOHCH2CHCOOHCH2CHCOOHC

9、H2CHCOOHCH2CHCOOHCH2CHCOOH合成超高吸水高分子材料合成超高吸水高分子材料Super80年代我國開始了對淀粉系高吸水性樹脂的研究年代我國開始了對淀粉系高吸水性樹脂的研究。超強(qiáng)吸水劑的研究起源于淀粉系，美國北方農(nóng)業(yè)省研究所從淀粉接枝丙烯腈開始，超強(qiáng)吸水劑的研究起源于淀粉系，美國北方農(nóng)業(yè)省研究所從淀粉接枝丙烯腈開始，接著于接著于1966年完成該項(xiàng)研究，并投入生產(chǎn)。年完成該項(xiàng)研究，并投入生產(chǎn)。淀粉系超高吸水高分子材料淀粉系超高吸水高分子材料直鏈淀粉直鏈淀粉支鏈淀粉支鏈淀粉淀粉結(jié)構(gòu)淀粉結(jié)構(gòu)OHOHH OHO HHO HOOHH OO HHHHO HOOHH OO HOHHO HS

10、uper纖維素系超高吸水高分子材料纖維素系超高吸水高分子材料OOOOOOO纖維素結(jié)構(gòu)纖維素結(jié)構(gòu)Super區(qū)區(qū)別別與與聯(lián)聯(lián)系系 淀淀 粉粉 系系纖維素系纖維素系合成系合成系價(jià)格低廉、生物降解性能好價(jià)格低廉、生物降解性能好抗霉解性優(yōu)抗霉解性優(yōu)工藝簡單，吸水、工藝簡單，吸水、保水能力強(qiáng)保水能力強(qiáng) 吸水吸水速度較快耐水解，速度較快耐水解，吸水后凝膠強(qiáng)度大，吸水后凝膠強(qiáng)度大，保水性強(qiáng)保水性強(qiáng).抗菌性抗菌性好好.但可降解性差但可降解性差.適用于工業(yè)生產(chǎn)適用于工業(yè)生產(chǎn)缺缺點(diǎn)點(diǎn) 合成工藝復(fù)雜，易腐敗，耐熱性不佳，合成工藝復(fù)雜，易腐敗，耐熱性不佳，吸水后凝膠強(qiáng)度低，長期保水性差，耐水吸水后凝膠強(qiáng)度低，長期保水性

11、差，耐水解性較差解性較差。 優(yōu)優(yōu)點(diǎn)點(diǎn) 儲(chǔ)量豐富，可不斷再生，成本低儲(chǔ)量豐富，可不斷再生，成本低;無毒且無毒且能微生物分解，可減少對環(huán)境的污染。能微生物分解，可減少對環(huán)境的污染。共共同同點(diǎn)點(diǎn) 均是葡萄糖的多聚體，可以采用相類似均是葡萄糖的多聚體，可以采用相類似的單體、引發(fā)劑、交聯(lián)劑進(jìn)行吸水樹脂的的單體、引發(fā)劑、交聯(lián)劑進(jìn)行吸水樹脂的制備制備比較比較Super甲殼質(zhì)衍生物SuperSuper四、四、SAP結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 主鏈或側(cè)鏈上含有親水性基團(tuán)，如主鏈或側(cè)鏈上含有親水性基團(tuán)，如 -3、 -、 -2、 -等等 吸水能力：吸水能力：-3-2- 低交聯(lián)度的三維網(wǎng)絡(luò)低交聯(lián)度的三維網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)的骨架可以。網(wǎng)絡(luò)的骨架

12、可以是淀粉、纖維素等天然高分子，也可以是合成樹脂是淀粉、纖維素等天然高分子，也可以是合成樹脂( (如聚如聚丙烯酸類）。丙烯酸類）。從化學(xué)結(jié)構(gòu)看：從化學(xué)結(jié)構(gòu)看：從物理結(jié)構(gòu)看：從物理結(jié)構(gòu)看：SuperSuper淀粉聚丙烯酸鈉接枝聚合物模型圖淀粉聚丙烯酸鈉接枝聚合物模型圖微觀結(jié)構(gòu)微觀結(jié)構(gòu)多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)Super術(shù)語術(shù)語 解釋解釋 影影 響響引引發(fā)發(fā)劑劑 引發(fā)自由引發(fā)自由基聚合反應(yīng)基聚合反應(yīng) 用量：一般為單體的用量：一般為單體的0.010.8% 用量過多：用量過多： 網(wǎng)絡(luò)變小網(wǎng)絡(luò)變小 吸水率吸水率 用量過少：用量過少： 可溶部分增多可溶部分增多 吸水率吸水率交交聯(lián)聯(lián)劑劑 令聚合物令聚合物鏈相

13、互交聯(lián)鏈相互交聯(lián) 決定了樹決定了樹脂空間網(wǎng)絡(luò)脂空間網(wǎng)絡(luò)的大小的大小 用量：一般為用量：一般為0.20.8% 用量過多：網(wǎng)絡(luò)收縮用量過多：網(wǎng)絡(luò)收縮 吸水率吸水率 用量太少：樹脂溶解度用量太少：樹脂溶解度 吸水率吸水率五、合成高吸水分子中一些重要術(shù)語五、合成高吸水分子中一些重要術(shù)語SuperSuperOOOHOCH2OHn-2OCH2OHOOHOOHn-2活 化17.5%NaOHmCH2CHCNK+鹽引發(fā)劑CH2CHCN mOH天然產(chǎn)物的接枝改性天然產(chǎn)物的接枝改性Super水解OOOHOCH2OHOHn-2CH2CH2HNOCyCH2CHCOONax中和濕料沉析烘干粉碎纖維素吸水樹脂干料NaOHSuper原料原料糊化糊化通氮凈化通氮凈化硝酸鈰胺硝酸鈰胺硝硝酸酸丙烯腈丙烯腈氫氧化鈉溶液氫氧化鈉溶液離心中和離心中和產(chǎn)品產(chǎn)品粉碎粉碎調(diào)調(diào)PH 干燥干燥淀粉與丙烯腈制造實(shí)例淀粉與丙烯腈制造實(shí)例S