1、 1 本科毕业论文 文献综述 环境 工程 高吸水树脂的发展现状及前景 摘要： 本文综述了高吸水树脂的研究现状，简要介绍了高吸水树脂的吸水机理及不同种类高吸水树脂的合成方法，以及高吸水树脂在各领域的应用现状及未来发展的展望。 关键词： 高吸水树脂 ；丙烯酸；吸水性；保水性 前言 高吸水树脂又称为超强吸水剂 (super absorbent polymer，简称 SAP)，是一种含强亲水性基团、并经过适度交联的功能高分子材料，能在短时间内吸收其自身质量几百倍甚至几千倍的水并具有良好的保水性能。 高吸水树脂是一种新型的功能高分子材料 ,因其有良好的保水性 ,吸水性在医用材料、农业园艺、土壤改造、环保
2、等方面有广阔的应用前景 ,符合“绿色环境”的要求 1。可见高吸水性树脂对我们的生活有着巨大的影响。但是我国高吸水树脂的研究起步较晚。从 20世纪 80年代中期才开始，虽然先后有 40多家单位从事这方面的研究，经过近 20年的研究，已取得了不少成果，已有许多专利成果和生产厂家，但是我国的产品同国外产品相比，无论从技术上还是从规模上都有较大差距，国内高档的吸水剂产品都是依靠进口2。所以，在国内高吸水树脂的发展前景较为广阔。 1. 高吸水树脂 的吸水机理和 种类及其特点 1.1 高级吸水树脂的吸水机理 高吸水树脂吸水能力及保水性能力都很强。其吸水机理为高吸水树脂吸水后与水之间存在着如下作用： (1)
3、水分子与高分子电负性强的氧原子形成氢键结合； (2)水分子与疏水基团的相互作用； (3)水分子与亲水基团的相互作用。高吸水树脂在水溶液中，吸收水分子与交联聚合物的基团发生水合，经过水合，构成了与自由水不相同的环境，内外存在很强的渗透压。通过这种渗透压的作用，周围水分子可以持续进入交联聚合物网络中，导致了聚电解质具有很强的吸水能力 3。 1.2 各种类高级吸水树脂合成方法 及特点 根据聚合物的种类，高吸水性树脂可分为：淀粉类高吸水树脂、纤维素类高吸水树脂、合成聚合物类高吸水树脂 4。 2 1.2.1 淀粉类高吸水树脂 淀粉类高吸水性树脂是指淀粉与乙烯基单体在引发剂交联剂的作用下或经辐射制得吸水性
4、淀粉接枝共聚树脂。淀粉系研究开发最早，由于它是由极性吸水基团组成，吸水后凝胶强度比较低。在吸水状态下会发生缓慢水解，尤其是在光照或加热情况下，容易出现凝胶溶解现象。因而淀粉类高吸水性树脂仅适合于一次性使用。此外，由于其无毒性和生物降解性且对环境无害，目前多用来制造妇女卫生巾和婴儿尿布 5。 1.2.2 纤维素类高吸水树脂 纤维素高吸水剂的制备一般是通过非均相法、醚化、酯化、接枝共聚等方法合成。由于人口增长对粮食需求的增加，为了节约淀粉，纤维素类吸水剂的研究可能会越来越多，但是由于这类吸水剂的吸水倍率普遍不高所以现在的应用还比较少 6。 1.2.3 合成聚合物类高吸水树脂 聚丙烯酸类是目前研究最
5、多、产量最大的一类合成高分子吸水剂，其聚合方法和生产工艺已相当成熟，产品的各种性能指标都较好 7。 聚乙烯醇类的吸水倍率不及聚丙烯酸类，但它吸水速度快， 2 3 min内即可达 到饱和吸水量的一半，所以也具有相对广阔的应用前景 8。 主要制备方法有反相悬浮聚合法和水溶液法。 2. 高吸水树脂在各领域的应用现状 2.1 高吸水树脂在农业上的应用 干旱是个世界性难题，解决干旱问题的出路之一就是发展节水农业，即是推广灌溉技术和普及运用高吸水树脂。近年来世界各国倍加重视化学保水剂在农业上的应用并把它作为一项早作农业新技术扩大试验、示范和推广。而超强吸水能在农业上得到广泛的运用是由于它的四个特点： 1、
6、高吸水能力； 2、高供水能力； 3、不溶于水； 4、 制作过程简易、成本低廉且高效环保。 1969年，美国农业部北部研究中心首先研制出吸水剂并将其应用于玉米、大豆种子涂层及树苗移栽等方面 9。我国从“七 五”计划开始把超强吸水剂在农业的应用与推广定为重点科研项目，在粮、棉、油、糖、果、菜等 60多种作物上应用面积超过 6.67万 hm2，已肯定了保水剂对作物的增产效果。据研究资料报道，高吸水树脂吸收的水分 85%以上可供作物利用 10。在农业上高吸水树脂应用初步可归纳为： 1.种子涂层和包衣剂，经超强吸水包衣后能使肥、药不受雨水冲刷而缓慢释放，优良种子经包衣剂处理后，更能发挥品种优良性能，并兼
7、具防伪功能； 2.肥料、农药缓释剂，显著提高氮、钾肥的利用率； 3.土壤改良剂，改善土壤环境； 4.苗木移植保活剂，大大提高移栽苗木存活率； 5.无土栽培保水剂，提高无3 土栽培的发芽率； 6.果蔬保鲜剂，延长果蔬贮藏期和货架期，且无毒无害，使用安全 11。 2.2 高吸水树脂在林业上的应用 沙漠化越来越严重的今天，人工造林也是目前比较受关注的。 高吸水树脂在林业上发挥的作用主要在于造林方面。其中将高吸水树脂充分吸水后，与栽植穴内的土壤混匀，后栽苗，上面覆盖一层浮土；或者将吸水剂土壤充分拌匀，将拌土放入穴的底层，然后植 苗，然后用浮土覆盖，可大大提高造林成活率 12。而在保持水土方面，由于高吸
8、水树脂在土壤中必然会与土壤中的 粘粒发生相互作用，特别是吸附作用。由于黏土微粒表面呈负电性，在高吸水树脂分子链上引入一定量的有机阳离子基团，强化它与黏土微粒间的吸附作用，可以使土壤的水化、膨胀和分散作用被抑制，从而防止水土流失 13。 2.3 高吸水树脂在医药卫生方面的应用 近年来高吸水树脂在医药卫生方面的应用十分广泛。高吸水树脂材料可用于制备能吸收手术及外伤出血和分泌液，并可防止化脓的医用绷带、棉球和纱布等；用于生产制 造接触眼镜、人体埋入材料、保温保冷材料等医疗用品；用于制造人工玻璃体、人工角膜、人工皮肤、人工血管、人工肝脏、人工肾脏等人工器官；用于保持部分被测液的医用检验试片；用于制备含
9、水量大、使用舒适的外用软膏。此外，高吸水性树脂还在缓释药物基材等制造中得到应用 14。而超强吸水树脂在生理卫生用品方面的应用是比较成熟的一个领域，如婴儿襁褓、纸尿布、失禁片、妇女卫生巾、卫生棉、止血栓、生理棉、汗毛巾等产品中都可以应用超强吸水树脂。另外，如手术垫、手术手套、手术衣、手术棉、贴身衬衫、内裤、鞋垫等一些生理用品中也广泛用到 超强吸水树脂。它的超强吸水能力和保水能力使得生理卫生方面的产品大大轻便化、小型化、舒适化，消除了人们的许多烦恼 15。 2.4 高吸水树脂在工业上的应用 高吸水树脂在工业中的应用十分普遍。石油工业、矿山工业、冶金工业、环保工业、日用化学品工业、食品工业都有其涉及
10、。在石油工业中吸水树脂可对油井进行选择性堵水，调整地层的吸液剖面，使水转入低渗透层，增加驱油效果，提高采收率。同时吸水树脂的变形能力好、在多孔介质中运移性好，能起到油藏深部调驱的作用，也可根据漏失通道的尺寸大小进行形状调节，遇水发生吸水膨胀，溶胀但 不溶解，膨胀后具有填充堵塞的作用，在油井堵漏中发挥重要的作用 16。由于超强吸水性树脂具有缓释作用、吸附作用、并且有吸湿放湿成膜的特点，因此在日用化学品工业中的应用具有很多独特之处。可用作化妆品中的添加剂、增稠剂、头发定型剂、染发水等。还可用于营养型、药物型化妆品的制造 17。此外还有很多的工业要运用到高吸水树脂。 4 2.5 高吸水树脂在其他领域
11、的应用 高吸水树脂在建筑业中也起到重要作用，比如在建筑混凝土中，与未掺高吸水树脂的混凝土相比较，掺高吸水树脂的混凝土的早期内部湿度有了明显的提高，其内部湿度分布均 匀且随龄期的经时变化减小；而且 随高吸水树脂掺量提高，效果继续增强，尤其是在于热环境以及低水灰比混凝土，高吸水树脂的作用更好。高吸水树脂通过内部引水可以提高混凝土内部的含湿量，改善内部湿度梯度，能够为混凝土提供自养护 18。此外高吸水树脂作为灭火剂的特点也十分具有优越性，超强吸水剂做为森林灭火剂的增稠剂，其优点在于：第一、增稠效果显著，药液的有效牯度太，空中飘散损失小。第二、与灭火主荆适配性好，药液在可燃物表面铺展均匀。第三、药液具
12、有吸故湿性能，具备阻、灭火双重高长效特征。第四、超强吸承荆本身具有生物可降 解性，对环境无污染作用 19。 3 高吸水树脂的发展展望 最近几年，欧洲、美国、日本等国的高吸水性树脂市场开始成熟，对世界高吸水性树脂的发展起到了支撑作用，而中国、东南亚和拉丁美洲正在成为新兴的高吸水性树脂市场 20。随着各种行业对高吸水树脂的需求量的不断扩增，解决高吸水树脂大多对吸盐率不足是目前的研究方向。 (1)理论研究缓慢。目前国内每年发表的有关高吸水性树脂的文章中，多数是产品开发方面的，对高吸水性树脂基础理论方面的研究鲜见报道。所以需要进一步研究聚合物的结构与性能的关系，如交联结构与吸水性能的 关系、分子链结构
13、和聚集态结构与性能的关系等，以适应吸水性树脂进一步快速发展的需要，逐步达到高吸水性聚合物的分子设计水平。 (2)功能不完善。淀粉类高吸水性树脂虽具有较高的吸水倍率，但其耐盐碱性差、凝胶差、使用寿命短。因此，有必要根据各种用途的要求，采用合适的原材料、助剂，选择合适的方法和条件进行合成。同时拓宽单体的选择范围，选择多元单体，并探讨这些组合单体的协同作用，解决其相容性、互补性及协同性，达到降低成本、使用范围扩大的目的，使其能达到更优的工业化水平。 (3)淀粉利用率低。在淀粉接枝制备高吸水性树脂时，可 以采用变性淀粉或复配淀粉降低成本，提高淀粉的使用率和附加值 21。 结束语 随着科技的不断发展，高
14、吸水树脂的研究开发会不断地更新以及深入，使高吸水树脂的用途更加广泛，更加方便安全，更加高效环保。这将会给人类的生活带来巨大的便利和福音。 5 参考文献 1 FengJunHua,MengPingQian.Synthesis of self-crosslinking sodium polyacrylate hydrogel and water-absorbing mechanismJ.Journal of materials science. 2001,3(36): 731-738. 2 李成林 .超强吸水剂的应用及展望 J.化工纵横 ,2003,17(8):9. 3 许建生 .超强吸水剂在现代
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