高吸水樹脂sap詳盡介紹課件

高吸水性樹脂BY:化科院08(3)胡登平概述自古以來，吸水材料的任務(wù)一直是由紙,棉花和海綿以及后來的泡沫塑料等材料所承擔(dān)的。但這些材料的吸水能力通常很低，所吸水量最多僅為自身重量的20倍左右，而且一旦受到外力作用，那么很容易脫水，保水性很差。60年代末期，美國首先開發(fā)成功高吸水性樹脂。這是一種含有強(qiáng)親水性基團(tuán)并通常具有一定交聯(lián)度的高分子材料。它不溶于水和有機(jī)溶劑，吸水能力可達(dá)自身重量的500～2000倍，最高可達(dá)5000倍，吸水后立即溶脹為水凝膠，有優(yōu)良的保水性，即使受壓也不易擠出。吸收了水的樹脂枯燥后，吸水能力仍可恢復(fù)。由于上述的奇特性能，高吸水性樹脂引起了人們較大的興趣。問世30多年來，開展極其迅速，應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)滲透到各行各業(yè)。如在石油、化工、等部門中被用作堵水劑、脫水劑、等；在醫(yī)療衛(wèi)生部門中用作外用藥膏的基材、緩釋性藥劑、抗血栓材料等；在農(nóng)業(yè)部門中用作土壤改進(jìn)劑等。在日常生活，用作吸水性抹布、一次性尿布、插花材料等。高吸水性樹脂是一類高分子電解質(zhì)。水中鹽類物質(zhì)的存在會顯著影響樹脂的吸水能力，在一定程度上限制了它的應(yīng)用。提高高吸水性樹脂對含鹽液體〔如尿液，血液、肥料水等〕的吸收能力，將是今后高吸水性樹脂研究工作中的一個(gè)重要課題。此外，對高吸水性樹脂吸水機(jī)理的理論研究工作也將進(jìn)一步開展，以指導(dǎo)這一類功能高分子材料向更高水平開展。高吸水性樹脂定義高吸水性樹脂(SuperAbsorbentPolymer，簡稱SAP)是一種新型的功能高分子材料,是一種含有羥基、羧基等強(qiáng)親水性基團(tuán)并具有一定交聯(lián)度的具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)新型功能高分子材料，它具有超強(qiáng)的吸水保水能力，廣泛應(yīng)用林、園藝、工業(yè)、醫(yī)療、環(huán)保等各個(gè)領(lǐng)域。它無毒無害，反復(fù)釋水、吸水，因此農(nóng)業(yè)上人們把它比喻為"微型水庫"。高吸水性樹脂的形成條件a.分子中具有強(qiáng)親水性基團(tuán)，如羥基、羧基，能夠與水分子形成氫鍵；b.樹脂具有交聯(lián)結(jié)構(gòu)；c.聚合物內(nèi)部具有較高的離子濃度；d.聚合物具有較高的分子量。

結(jié)構(gòu)：

高分子骨架：適度交聯(lián)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)

吸水官能團(tuán):-COONa-SO3Na-CONH2

-CH2-NH2

-CH2-OH-C≡N

--CH2—O—CH2---

樹脂骨架的立體結(jié)構(gòu)對吸水性能有影響吸水功能團(tuán)的種類對吸水性能有很大的影響，如SO3Na和COONa

最好，—OH，-C≡N較差。

樹脂骨架：均勻的立體籠狀，高分子鏈柔性，籠網(wǎng)適當(dāng)大些，有利于高吸水性。吸水基種類：強(qiáng)電解質(zhì)，如SO3Na(k)、COONa(k)

吸水基的數(shù)量和分布：數(shù)量越多越好，分布越均勻越好高吸水性樹脂的結(jié)構(gòu)與性能根本結(jié)構(gòu)微觀結(jié)構(gòu)：淀粉聚丙烯酸鈉接枝聚合物模型圖SAP的多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)根本特性及影響因素1.吸水能力高吸水可達(dá)自身重量的幾百倍至幾千倍。吸水前吸水后考察和表征高吸水性樹脂吸水性的指標(biāo)通常有兩個(gè)，一是吸水率，二是吸水速度。1.吸水率吸水率是表征樹脂吸水性的最常用指標(biāo)。物理意義為每克樹脂吸收的水的重量。單位為g〔水〕/g〔樹脂〕。影響樹脂吸水率有很多因素，除了產(chǎn)品本身的化學(xué)組成之外，還與產(chǎn)品的交聯(lián)度、水解度和被吸液體的性質(zhì)等有關(guān)。〔1〕交聯(lián)度對吸水率的影響高吸水性樹脂在未經(jīng)交聯(lián)前，一般是水溶性的，不具備吸水性或吸水性很低，因此通常需要進(jìn)行交聯(lián)。但實(shí)驗(yàn)說明，交聯(lián)密度過高對吸水性并無好處。交聯(lián)密度過高，一方面，網(wǎng)格太小而影響水分子的滲透，另一方面，橡膠彈性的作用增大，也不利于水分子向網(wǎng)格內(nèi)的滲透，因此造成吸水能力的降低?！?〕水解度對吸水率的影響高吸水性樹脂的吸水率一般隨水解度的增加而增加。但事實(shí)上，往往當(dāng)水解度高于一定數(shù)值后，吸水率反而下降。這是因?yàn)殡S著水解度的增加，親水性基團(tuán)的數(shù)目固然增加，但交聯(lián)劑局部也將發(fā)生水解而斷裂，使樹脂的網(wǎng)格受到破壞，從而影響吸水性?！?〕被吸液的pH值與鹽分對吸水率的影響高吸水性樹脂是高分子電解質(zhì)，水中鹽類物質(zhì)的存在和pH值的變化都會顯著影響樹脂的吸水能力。這是因?yàn)樗?、堿、鹽的存在，一方面影響親水的羧酸鹽基團(tuán)的解離，另—方面由于鹽效應(yīng)而使原來在水中應(yīng)擴(kuò)張的網(wǎng)格收縮，與水分子的親和力降低，因此吸水率降低。2.吸水速率在樹脂的化學(xué)組成、交聯(lián)度等因素都確定之后。高吸水性樹脂的吸水速度主要受其形狀所影響。一般來說，樹脂的外表積越大，吸水速度也越快。所以，薄膜狀樹脂的吸水速度通常較快，而與水接觸后易聚集成團(tuán)的粉末狀樹脂的吸水速度相對較慢。2.加壓保水性與紙張、棉花和海綿等材料的物理吸水作用不同，高吸水性樹脂的吸水能力是由化學(xué)作用和物理作用共同奉獻(xiàn)的。即利用分子中大量的羧基、羥基和酰氧基團(tuán)與水分子之間的強(qiáng)烈范德華力吸收水分子，并由網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的橡膠彈性作用將水分子牢固地束縛在網(wǎng)格中。一旦吸足水后，即形成溶脹的凝膠體。這種凝膠體的保水能力很強(qiáng)，即使在加壓下也不易擠出來。3.吸氨性高吸水性樹脂一般為含羧酸基的陰離子高分子，為提高吸水能力，必須進(jìn)行皂化，使大局部羧酸基團(tuán)變?yōu)轸人猁}基團(tuán)。但通常樹脂的水解度僅為70％左右，另有30％的羧酸基團(tuán)保存下來，使樹脂呈現(xiàn)一定的弱酸性。這中弱酸性使得它們對氨那樣的堿性物質(zhì)具有強(qiáng)烈的吸收作用。4.增稠性

聚氧乙烯、羧甲基纖維素、聚丙烯酸鈉等均可作為水性體系的增稠劑使用。高吸水性樹脂吸水后體積可迅速膨脹至原來的幾百倍到幾千倍，因此增稠效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于上述增稠劑。二.吸水原理物理吸附吸水實(shí)質(zhì)化學(xué)吸附棉花、紙張、海綿等，毛細(xì)管的吸附原理。有壓力時(shí)水會流出。通過化學(xué)鍵的方式把水和親水性物質(zhì)結(jié)合在一起成為一個(gè)整體。加壓也不能把水放出。吸水原理：

階段1：吸水較慢。通過毛細(xì)管吸附和分散作用吸水。

階段2：水分子通過氫鍵與樹脂的親水基團(tuán)作用,親水基團(tuán)離解,

離子之間的靜電排斥力使樹脂的網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)張。

網(wǎng)絡(luò)內(nèi)外產(chǎn)生滲透壓,水份進(jìn)一步滲入.H2O內(nèi)吸水樹脂的離子型網(wǎng)絡(luò)外交聯(lián)點(diǎn)階段3：隨著吸水量的增大,網(wǎng)絡(luò)內(nèi)外的滲透壓差趨向于零;而網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)張的同時(shí),其彈性收縮力也在增加,逐漸抵消陰離子的靜電排斥,最終到達(dá)吸水平衡。吸水劑微球吸水過程的體積變化示意圖

高吸水性樹脂的分類分類方法類別按原料來源分類

淀粉類；纖維素類；合成聚合物類：聚丙烯酸鹽系；聚乙烯醇系；聚氧乙烯系等。按親水基團(tuán)引入方式分類

親水單體直接聚合；疏水性單體羧甲基化；疏水性聚合物用親水單體接枝；腈基、酯基水解。按交聯(lián)方法分類用交聯(lián)劑網(wǎng)狀化反應(yīng)；自身交聯(lián)網(wǎng)狀化反應(yīng)；輻射交聯(lián)；在水溶性聚合物中引入疏水基團(tuán)或結(jié)晶結(jié)構(gòu)。按產(chǎn)品形狀分類粉末狀；顆粒狀；薄片狀；纖維狀。淀粉類淀粉糊化→冷卻→接枝共聚→加壓水解→冷卻→酸化→離心別離→中和→枯燥→成品包裝?！菜膬r(jià)鈰為引發(fā)劑，三氯化鋁為交聯(lián)劑〕淀粉類樹脂的制備方法纖維素類纖維素改性高吸水性樹脂也有兩種形式。一種是纖維素與一氯醋酸反響引入羧甲基后用交聯(lián)劑交聯(lián)而成的產(chǎn)物；另一種是由纖維素與親水性單體接枝共聚產(chǎn)物。纖維素改性高吸水性樹脂的吸水倍率較低，同時(shí)亦存在易受細(xì)菌的分解失去吸水、保水能力的缺點(diǎn)。合成樹脂系高吸水性樹脂目前的種類很多。主要有丙烯酸(鹽)類、丙烯腈類、聚乙烯醇類等。其中以聚丙烯酸(鹽)類最重要。以甘油為交聯(lián)劑，聚丙烯酸鈉鹽進(jìn)行交聯(lián)反響為例，其產(chǎn)物的交聯(lián)結(jié)構(gòu)如下：合成樹脂系高吸水性樹脂合成高吸水性樹脂

合成高吸水性樹脂目前主要有四種類型：〔1〕聚丙烯酸鹽類這是目前生產(chǎn)最多的一類合成高吸水性樹脂，由丙烯酸或其鹽類與具有二官能度的單體共聚而成。制備方法有溶液聚合后枯燥粉碎和懸浮聚合兩種。這類產(chǎn)品吸水倍率較高，一般均在千倍以上?！?〕聚丙烯腈水解物將聚丙烯腈用堿性化合物水解，再經(jīng)交聯(lián)劑交聯(lián)，即得高吸水性樹脂。如將廢晴綸絲水解后用氫氧化鈉交聯(lián)的產(chǎn)物即為此類。由于氰基的水解不易徹底，產(chǎn)品中親水基團(tuán)含量較低，故這類產(chǎn)品的吸水倍率不太高，一般在500～1000倍左右?！?〕醋酸乙烯酯共聚物將醋酸乙烯酯與丙烯酸甲酯進(jìn)行共聚，然后將產(chǎn)物用堿水解后得到乙烯醇與丙烯酸鹽的共聚物，不加交聯(lián)劑即可成為不溶于水的高吸水性樹酯。這類樹脂在吸水后有較高的機(jī)械強(qiáng)度，適用范圍較廣?！?〕改性聚乙烯醇類這類高吸水性樹脂由聚乙烯醇與環(huán)狀酸酐反響而成，不需外加交聯(lián)劑即可成為不溶于水的產(chǎn)物。這類樹脂由日本可樂麗公司首先開發(fā)成功，吸水倍率為150～400倍，雖吸水能力較低，但初期吸水速度較快，耐熱性和保水性都較好，故是一類適用面較廣的高吸水性樹脂。SAP的優(yōu)點(diǎn)：保水能力高:即使受壓也不易失水。而普通吸水材料一旦受到外力作用，則很容易脫水，保水性很差。吸水能力高:可達(dá)自身重量的幾百倍至幾千倍。

普通吸水材料吸水能力通常很低，所吸水量最多僅為自身重量的20倍左右，SAP的優(yōu)點(diǎn)高吸水性樹脂的制備方法SAP的制備主要包括親水基團(tuán)的引入〔羧化〕以及不溶化處理〔交聯(lián)〕。制備方法有本體聚合法、溶液聚合法、懸浮及反相懸浮聚合法、乳液及反相乳液合成法、輻射聚合法等。

高吸水性樹脂的應(yīng)用〔1〕日常生活:嬰兒一次性尿布、宇航員尿巾、餐巾、手帕、繃帶、脫脂棉等。〔2〕農(nóng)林園藝：SAP保水劑廣泛用于農(nóng)業(yè)、林業(yè)、園藝等領(lǐng)域,可起到保水、節(jié)水、抗旱的作用?！?〕醫(yī)藥領(lǐng)域：用于含水量大、使用舒適的外用軟膏，生產(chǎn)醫(yī)用繃帶及棉球，制造抗感染皮膚?！?〕建材工業(yè)：SAP可用作混凝土添加劑,改善混凝土的性能，還可用于瀝青改性、防洪工程等?！?〕食品工業(yè):包裝材料、保鮮材料、脫水劑、食品增量劑等?！?〕光電纜業(yè)：包括膨脹橡膠、電線和電纜用阻水帶、阻水紗、阻水油膏等。展望目前，國內(nèi)外研制的各種高吸水樹脂大局部對去離子水或蒸餾水有較高的吸水率，在鹽水中的吸水率卻降到1/50~1/10，這就造成其在實(shí)際應(yīng)用中大打折扣。因此要解決以上難題可從以下幾個(gè)方面進(jìn)行研究：〔1〕開發(fā)抗鹽性好的高吸水樹脂，擴(kuò)大使用范圍?！?〕目前國內(nèi)對高吸水樹脂研究中，大約90%以上是產(chǎn)品開發(fā)方面的，涉及高吸水樹脂根底理論的研究很少?！?〕研發(fā)新型的復(fù)合型高吸水樹脂利用無機(jī)或有機(jī)材料與高吸水樹脂物理混合或參與聚合反響而制得的復(fù)合型高吸水樹脂?！?〕采用新的引發(fā)方法，特別是微波輻射方法、紫外輻射方法實(shí)現(xiàn)其工業(yè)生產(chǎn)?！?〕改進(jìn)工藝路線，符合世界研制綠色工藝產(chǎn)品，追求環(huán)境友好的開展趨勢。復(fù)合高吸水性樹脂概況高吸水性樹脂與其它材料復(fù)合開始于20世紀(jì)80年代,復(fù)合后可以有效地改善耐鹽性、吸水速率、凝膠強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性、保水性等性能,到達(dá)了均聚物難以到達(dá)的效果,因此得到了迅速的開展。引入無機(jī)組分制備的有機(jī)-無機(jī)復(fù)合高吸水性樹脂,綜合了有機(jī)物和無機(jī)物的優(yōu)良性能,實(shí)現(xiàn)了材料的互補(bǔ)和優(yōu)化,可以有效地降低本錢,有利于工業(yè)化生產(chǎn)。

復(fù)合的無機(jī)成分和方法有機(jī)-無機(jī)復(fù)合高吸水性樹脂所用的無機(jī)成分主要是黏土類物質(zhì)，包括凹凸棒黏土、膨潤土、高嶺土、云母和蛭石等。復(fù)合方法主要包括：〔1〕親水性單體插層到黏土的層間，進(jìn)行原位聚合；〔2〕親水性單體與黏土顆粒外表的羥基發(fā)生酯化反響，形成高分子網(wǎng)絡(luò)；〔3〕黏土顆粒外表的羥基產(chǎn)生自由基，引發(fā)親水性單體接枝聚合；〔4〕親水性單體與黏土外表通過氫鍵相互作用；〔5〕黏土顆粒物理填充在高吸水性樹脂的網(wǎng)絡(luò)中。復(fù)合高吸水性樹脂優(yōu)點(diǎn)復(fù)合類SAP具有工藝簡單，生產(chǎn)本錢低，生產(chǎn)效率高，吸水性能好。同時(shí)它還能吸收肥料、農(nóng)藥、并緩慢釋放，增加肥效、藥效。復(fù)合類SAP所得產(chǎn)品不易腐敗，還能改善制成薄膜狀態(tài)時(shí)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。復(fù)合成分的引入不僅大大降低了高吸水性樹脂的本錢，而且也改善了高吸水性樹脂的吸水保水、耐鹽堿和重復(fù)使用等性能，同時(shí)也為非金屬礦的高值化應(yīng)用開辟了新的途徑。微波輻射法制備高吸水樹脂微波是一種高頻率的電磁波，其頻率范圍約在300～300000MHz之間。它具有波動(dòng)性、高頻性、熱特性和非熱特性四大根本特性。從1986年RGedye等對微波爐內(nèi)進(jìn)行的酯化、水解、氧化和親核取代反響及Giguere等對蒽與馬來酸二甲酯的Diels2Alder環(huán)加成反響的研究以來,微波已經(jīng)從有機(jī)合成中的應(yīng)用擴(kuò)展到催化、無機(jī)固相反響等領(lǐng)