高吸水性功能高分子要點課件

高吸水性高分子性能吸水機(jī)理

主

要

內(nèi)

容簡介應(yīng)用合成方法制備背景展望1背景吸水材料傳統(tǒng)吸水材料高吸水性高分子醫(yī)藥衛(wèi)生使用：脫脂棉、海綿日常生活中使用：餐巾、毛巾水凝膠使用：凍膠、明膠傳統(tǒng)吸水材料的缺點：1、吸水能力小,只能吸收自重幾倍至幾十倍的水；2、保水能力差，一加壓就失水2

高吸水性高分子簡介高吸水性高分子（Superabsorbentpolymers，簡稱SAP，也叫高吸水性樹脂，超強(qiáng)吸水機(jī)，高吸水性聚合物）是一種含有羧基、羥基等強(qiáng)親水性基團(tuán)的/水溶脹型的、含有一定交聯(lián)度的高分子聚合物。定義：高吸水性高分子屬于功能高分子材料，吸水能力特別強(qiáng)，吸水量為自重的幾百倍至數(shù)千倍，保水性能優(yōu)異，同時又具備高分子材料的優(yōu)點,有良好的加工性能和使用性能。2

高吸水性高分子簡介吸水能力：受溶液離子濃度影響原因：屬于水凝膠，能夠通過和水分子連接的氫鍵吸收溶液在去離子水和蒸餾水中:高吸水性高分子可以吸收500倍于本身重量（30-60倍于本身體積）0.9%鹽水中，吸收能力下降到50倍于本身重量。溶液中的價態(tài)陽離子的出現(xiàn)會妨礙高分子與水分子形成價鍵的能力。總吸收性和膨脹能力由和高分子的交聯(lián)類型和交聯(lián)度所控制低密度交聯(lián)高吸水性高分子通常具有較高吸水能力，并膨脹到比較大的程度。高交聯(lián)密度的高分子顯示出來低吸收能力和膨脹能力。膠的強(qiáng)度較強(qiáng)，能在適當(dāng)?shù)膲毫ο卤３诸w粒的形狀。2高吸水性高分子簡介結(jié)構(gòu)特點：1）分子中具有強(qiáng)親水性基團(tuán)，如羥基、羧基等，聚合物分子能與水分子形成氫鍵或其他化學(xué)鍵，因此對水等強(qiáng)極性物質(zhì)有一定表面吸附能力；2）聚合物為交聯(lián)型高分子，在溶劑中一般不溶解，吸水后迅速溶脹，體積增大許多倍，由于水被包裹在呈凝膠狀的分子網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部，不易流失與揮發(fā)；3）高吸水性高分子材料一般具有特殊的立體結(jié)構(gòu)，有利于吸水后保持一定的機(jī)械強(qiáng)度，保持水分；4）聚合物應(yīng)該具有較高的分子量，分子量的增加，溶解度下降，吸水后的機(jī)械強(qiáng)度也增加，同時吸水能力也可以提高。2高吸水性高分子簡介發(fā)展簡史19601970198019902000美國C.R.Russell淀粉接枝丙烯腈美國和日本相繼成功開發(fā)，品種、制造方法、性能及應(yīng)用領(lǐng)域纖維素為原料1976年Hercules公司、PersonalProducts公司等用丙烯腈接枝纖維素，得到了片狀、粉末狀和絲狀產(chǎn)品西歐各國：各種類型的高吸水性樹脂。同時市場需求也影響著廠商的技術(shù)轉(zhuǎn)讓。急速增長到平穩(wěn)增長的過程，向精細(xì)化、功能化、智能化方向發(fā)展2高吸水性高分子簡介多種親水基團(tuán)系按親水基團(tuán)種類按原料陰離子系非離子系兩性離子系陽離子系合成樹脂類纖維素類淀粉類羧酸類、磺酸類、磷酸類胺類、季胺類羧酸-季胺類、磺酸-叔胺類羥基類、酰胺基類羥基-羧酸類、羥基-羧酸基-酰胺基類、磺酸基-羧酸基類淀粉接枝、羧甲基化淀粉、磷酸酯化淀粉、淀粉黃原酸鹽纖維素接枝、羧甲基化纖維素、羥丙基化纖維素、黃原酸化纖維素聚丙烯酸鹽類、聚乙烯醇類、聚氧化烷烴類、無機(jī)聚合物類分類3高吸水性高分子性能吸水性能：所謂吸收能力是指樹脂在溶液中溶脹和形成凝膠以吸收液體的能力。它可用飽和吸液量來表示,并含有兩方面的意義：(1)樹脂從接觸表面吸入水分發(fā)生溶脹的能力(即吸水力)；(2)使被吸收的水分呈凝膠狀并失去流動性的能力(即凝膠力)。通過改變高分子的組成和產(chǎn)品形狀可以有選擇地獲得上述兩種吸收能力,從而設(shè)計出不同的產(chǎn)品。普通吸水材料的吸水能力僅為自重的數(shù)十倍,而高吸水性樹脂可達(dá)數(shù)百倍至數(shù)千倍,最高可達(dá)5300倍。3高吸水性高分子性能保水能力：所謂保水能力指的是吸水后的凝膠能保持其水溶液不離析狀態(tài)的能力。高吸水性樹脂一旦吸水溶脹形成水凝膠,即使加壓也不易將水?dāng)D出。將吸水后的高吸水性樹脂置于大氣中,其水分蒸發(fā)速度比通常的水蒸發(fā)要慢得多,這一特性在土壤保濕劑方面很有用。高吸水性樹脂的保水能力分加壓保水性、熱保水性、在土壤的保水性等幾種。3高吸水性高分子性能吸液速率：吸液速率是指單位質(zhì)量的高吸水性樹脂在單位時間內(nèi)吸收的液體質(zhì)量。吸液速率與其本身的化學(xué)組成及物理狀態(tài)有關(guān),如微粒的表面積、毛細(xì)管現(xiàn)象、吸液時是否形成“粉團(tuán)”等。一般表面積越大即微粒越小,吸液速率越快,但微粒過小則會形成“粉團(tuán)”反會阻礙吸液。高吸水性樹脂的吸液速率很高,一般在幾分鐘至半小時內(nèi)吸收的液體已達(dá)飽和吸液量。3高吸水性高分子性能熱穩(wěn)定性：吸水樹脂的熱穩(wěn)定性指兩個方面,一方面是吸水劑被加熱一定時間后再測其吸水性能是否發(fā)生改變；另一方面是指它吸水時加熱,測定不同溫度下的吸水能力。一般高吸水性樹脂隨加熱溫度的升高,加熱時間的增加吸水能力都有一定程度的下降,但在130℃以下變化不是很大。所以其熱穩(wěn)定性較好,而使用時一般溫度都不高,所以適應(yīng)性較廣。3高吸水性高分子性能高吸水性凝膠所含水在土壤中的移動性：高吸水性樹脂作土壤改良劑在和土壤混合的場合下,吸水凝膠的水分向土壤的移動也很重要。一般凝膠含水率越大,水分移動的速度越快,且到達(dá)的距離越遠(yuǎn)。這方面的性能使高吸水性樹脂在水量較多時能保存下來,而當(dāng)環(huán)境缺水時,又可以將原來所吸水分釋放出來。這在農(nóng)業(yè)上、治理沙化等方面有很好的應(yīng)用前景。3高吸水性高分子性能吸氨能力：高吸水性樹脂是含羧基的陰離子物質(zhì),殘存的羧基(約30%)往往使樹脂顯示弱酸性,并可吸收氨類等弱堿性物質(zhì)。這一特性可將土壤中氮肥的利用率提高10%。3高吸水性高分子性能其他主要性能：增粘性可獲得比使用普通水溶性高分子系列增粘劑更高的粘度；重復(fù)吸液性指樹脂吸液后干燥,再進(jìn)行吸收仍可保持較高的吸液率,即樹脂的再生。另外高吸水性樹脂還具有粘著性、選擇吸收性、緩釋性及蓄熱性等方面的性能。4高吸水性高分子吸水機(jī)理高吸水性樹脂的離子網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)高吸水性樹脂親水基團(tuán)周圍水的結(jié)構(gòu)模型結(jié)構(gòu)熱力學(xué)理論4高吸水性高分子吸水機(jī)理(1)Flory-Huggins熱力學(xué)原理Q—吸水倍數(shù)Ve/V0—交聯(lián)密度（1/2-x1）/V1—對水的親和力Vu—單體單元的摩爾體積i/Vu—固定在樹脂上的電荷密度S—外部溶液的電解質(zhì)離子強(qiáng)度可簡化為：4高吸水性高分子吸水機(jī)理(2)溶液熱力學(xué)原理ρ2—高聚物的密度V1—溶劑的摩爾體積Mc—交聯(lián)高聚物交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的大小

X1—交聯(lián)高聚物與溶劑的相互作用參數(shù)熱力學(xué)理論4高吸水性高分子吸水機(jī)理動力學(xué)理論ε（t）—t時刻的吸水倍率σ0—Voigt模型中的起始應(yīng)力E—Voigt模型中彈簧的彈性模量σ0/E—吸水過程中高分子自身擴(kuò)散時受到的阻力τ0—水滲透時所受到的阻力5高吸水性高分子合成方法合成方法本體聚合反相乳液聚合溶液聚合反相懸浮聚合5高吸水性高分子合成方法本體聚合法就是不加入其它介質(zhì),只有單體自身在引發(fā)劑或催化劑、熱、光、輻射等作用下進(jìn)行聚合的方法。自由基聚合、離子聚合、縮聚都可選用本體聚合。氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)單體均可進(jìn)行本體聚合。優(yōu)點：方法簡單,產(chǎn)品純度高,可根據(jù)成型的要求制成多種形狀缺點：（1）

由于無散熱介質(zhì),隨著反應(yīng)的進(jìn)行,反應(yīng)熱難以排除,加之凝膠效應(yīng),易造成局部過熱,嚴(yán)重者發(fā)生爆聚（2）反應(yīng)產(chǎn)物粘度很高,易凝聚成固體,反應(yīng)產(chǎn)物不易出料。本體聚合法已很少采用。本體聚合5高吸水性高分子合成方法溶液聚合溶液聚合法是將單體和添加劑溶于適當(dāng)溶劑中,經(jīng)光照或加熱、輻射、引發(fā)劑(或催化劑)的作用而進(jìn)行聚合的方法。優(yōu)點：操作簡便,適于較大規(guī)模生產(chǎn)缺點:單體濃度較低,聚合反應(yīng)速率較慢；聚合物分子量較低,顆粒分布不均勻,吸水倍率低,防潮性和流動性較差；溶劑分離回收費用高,固體聚合物出料困難溶液聚合法較為成熟,應(yīng)用廣泛。5高吸水性高分子合成方法反相懸浮聚合反相懸浮聚合法是以油相作為分散介質(zhì),借劇烈攪拌和懸浮劑的作用,使水溶性單體和引發(fā)劑分散成水相液滴懸浮于油相中進(jìn)行聚合的方法。懸浮聚合體系由單體、油溶性引發(fā)劑、水、分散劑四個基本組分組成。優(yōu)點：易排除聚合熱,聚合過程穩(wěn)定,操作方便,產(chǎn)品分子量較高,成粒狀,吸水、耐鹽、防潮性較好,后處理簡單缺點：原料成本高,聚合過程采用間歇式生產(chǎn),效率較低,難以實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)5高吸水性高分子合成方法反相乳液聚合反相乳液聚合法是指水溶性單體在油性介質(zhì)中借助乳化劑的作用,并經(jīng)強(qiáng)烈攪拌或振蕩分散成乳液狀態(tài)而進(jìn)行聚合的方法。主要特點:單體是親水性或水溶性物質(zhì)；乳化劑采用油包水型；引發(fā)劑為油溶性；聚合速率與產(chǎn)品分子量同時提高；粒徑較??；最終產(chǎn)物可以是乳液,也可破乳制成微粒粉末。6常見高吸水性高分子的制備淀粉系高吸水性高分子淀粉系高吸水性高分子的合成是按自由基型或離子型接枝共聚機(jī)理進(jìn)行。在引發(fā)劑存在下或輻射作用下，淀粉變成自由基，并與乙烯類單體反應(yīng)生成淀粉大分子自由基，繼而再與乙烯類單體進(jìn)行鏈增長、鏈終止反應(yīng)，從而得到淀粉類高吸水性高分子。常見的有淀粉接枝丙烯腈類高吸水性高分子、淀粉接枝丙烯酸類高吸水性高分子、淀粉接枝丙烯酰胺類高吸水性高分子、淀粉接枝丙烯酸酯類高吸水性高分子。6常見高吸水性高分子的制備淀粉系高吸水性高分子淀粉接枝丙烯腈類高吸水性樹脂制備工藝過程6常見高吸水性高分子的制備纖維素系高吸水性高分子纖維素原料來源廣，能與大量低分子反應(yīng)。但天然纖維素的吸水能力不強(qiáng)，為了提高其性能，主要通過化學(xué)反應(yīng)使其具有更強(qiáng)或者更多的親水基團(tuán)，而且仍要保持其纖維狀態(tài)，以保證其較大的表面積和多毛吸管性。Christian等采用檸檬酸作交聯(lián)劑，與羥甲基纖維素鈉和羥乙基纖維素發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)來制備高吸水性樹脂，其吸水率為900g/g。采用該方法來制備吸水性樹脂，既可以降低成本，又可以避免產(chǎn)生有毒的中間體。6常見高吸水性高分子的制備合成系高吸水性高分子合成系高吸水性樹脂是指完全采用合成的分子結(jié)構(gòu)形成的樹脂。常用的親水性單體有丙烯酸、丙烯酰胺等具有活性雙鍵的物質(zhì)，也有采用聚乙二醇、聚乙烯醇等親水性高分子進(jìn)行的接枝共聚。合成系高分子可以根據(jù)性能需要，比較方便地調(diào)整結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)吸水性能。

7高吸水性高分子的應(yīng)用衛(wèi)生用品：嬰兒襁褓、紙尿布、止血栓、汗毛巾農(nóng)林園藝及荒漠化治理：土壤保水和種子包衣；改善土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)并增加土壤的透氣性生物醫(yī)藥：用于制備吸收手術(shù)及外傷出血和分泌液、并可防止化膿的醫(yī)用繃帶、棉球和紗布等；用于接觸眼鏡、人體埋入材料、保溫保冷材料等醫(yī)療用品；用于制造人工玻璃體、人工角膜、人工皮膚、人工血管、人工肝臟、人工腎臟等人工器官；用于保持部分被測液的醫(yī)用檢驗試片；用于制備含水量大、使用舒適的外用軟膏污水處理：