高吸水性高分子

高吸水性高分子的應用研究淮海工學院材料102周淑楠051002237摘要：高吸水性高分子基本上是具有與水親和性高之離子基的高分子，高分子的分子間具架構(gòu)結(jié)合的構(gòu)造。其中具羧酸鈉基的丙烯酸鈉聚合體的架橋物，因產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)輕易、成本低，故為最適用的吸水性高分子。關鍵字：高吸水性、架橋、網(wǎng)狀化、親水性、混合高分子。高吸水性高分子（Superabsorbentpolymers，簡稱SAP，也叫高吸水性樹脂，超強吸水機，高吸水性聚合物），是一種能夠吸收并保留相對于其本身質(zhì)量要大得很多的液體的新型功能高分子材料。吸水高分子，屬于水凝膠，能夠通過和水分子連接的氫鍵吸收溶液。因此，高吸水性高分子吸水能力受溶液離子濃度影響。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），但是如果放入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?？偽招院团蛎浤芰τ珊透叻肿拥慕宦?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。膠的強度較強，能在適當?shù)膲毫ο卤３诸w粒的形狀。高吸水性高分子最大的用途是一次性個人衛(wèi)生用品，比如小孩兒尿布，成人安全內(nèi)褲和衛(wèi)生巾。上個世紀80年代，由于擔心和中毒性休克癥有關，衛(wèi)生棉條中不再使用高吸水性高分子。高吸水性高分子也被也可用于阻止水或地下電力通信電纜，園藝保水劑，以及廢物的泄漏控制水的滲透液，以及電影或者舞臺劇中人工造雪。高吸水性高分子是指其吸水能力超過自身質(zhì)量數(shù)百倍甚至幾千倍的吸附樹脂，它屬于功能高分子范疇。在吸水前，高分子的長鏈相互交纏，且分子鏈間以架橋結(jié)合形成三次元網(wǎng)目構(gòu)造，故成一整體。但因高分子鏈上的羧酸鈉基為親水性，且易解離（于水中分解為離子與(離子），故吸水后即如溶解般擴大。高分子鏈網(wǎng)目內(nèi)被水侵入后，羧酸鈉基(－coo(na)中的離子即解離、離開，剩下羧酸基留在高分子鏈上，這些同帶負電荷的羧酸基會互相排斥，于是使高分子鏈的網(wǎng)目進一步擴大，因此可吸收并保持更多的水。同時因三次元網(wǎng)目內(nèi)保持很多離子與(離子，此高離子濃度的吸水的三次元網(wǎng)目構(gòu)造產(chǎn)生的橡膠彈性力）之作用，當兩種力量平衡時，水的吸收及高分子鏈的擴張均停止，形成安定水凝膠。一、制造高吸水性高分子時的架橋、不溶化方式使用架橋劑使網(wǎng)狀化架橋劑具有二個以上可與羧基反應的官能基，故可形成分子間的架橋。導入架橋性單體使網(wǎng)狀化導入divinyl化合物與高分子合成，可使網(wǎng)狀化自行架橋使網(wǎng)狀化丙烯酸鹽聚合時，增大單體濃度使急速聚合，即可得不溶于水的高分子。使用此原理，經(jīng)逆相乳化聚合即得自架橋型聚丙烯酸鹽凝膠。光放射線照射網(wǎng)狀化疏水性單體的共聚合使不溶化(架橋)長鏈烷基(c10~30)丙烯酸酯與短鏈烷基(c1~9)丙烯酸酯行三次元共聚合，則雖無化學架橋也可得凝膠。結(jié)晶性高分子中導入團塊(block)使不溶化(架構(gòu))使用多價金屬陽離子來架橋聚丙烯酸形成的陰離子性高分子電解質(zhì)在低ph范圍可與多價金屬陽離子以離子結(jié)合生物復合物。金屬陽離子有鋁、鐵、鎘等，常用添加劑有a1(oh)3、a12so4、a1(ch3coo)3、cac12等。導入氫鍵結(jié)合使架橋pva水凝膠的凍結(jié)、解凍、干燥，可形成彈性體、明膠等天然膠。以聚丙烯酸鈉系高吸水性高分子為例，在其制程中，以丙烯酸為單位的高分子要在堿中行中和處理，使變成以親水性高的丙烯酸鈉為單位的高分子，藉由中和處理，高分子的分子鏈亦架橋而形成三次元網(wǎng)目制造聚丙烯酸鈉架橋體的高吸水性高分子之途徑有四，產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)上，為獲得高效率，高質(zhì)量且安定的高吸水性高分子，多采用第二途徑。欲獲得高質(zhì)量的高吸水性高分子，聚合時基本聚合物的分子量、分子量分布要嚴密控制，架橋點要均一，聚合粒子的表面狀態(tài)，粒徑也是調(diào)整要點，因此聚丙烯酸鈉系高吸水性高分子的合成，是用逆相懸浮聚合法（在有機溶劑中將含單體原的水溶液以粒狀分散后再聚合），聚合條件要小心控制。二、高吸水性高分子材料從結(jié)構(gòu)上來說主要具有以下特點：1）分子中具有強親水性基團，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鍵，因此對水等強極性物質(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械強度，保持水分；4）聚合物應該具有較高的分子量，分子量的增加，溶解度下降，吸水后的機械強度也增加，同時吸水能力也可以提高。三、近代高吸水性高分子的合成：共聚物化學高吸水性高分子通常在引發(fā)劑的存在下由丙烯酸和氫氧化鈉混合進行聚合來生成聚合丙烯酸鈉鹽（有時指的是丙烯腈鈉）。這種聚合物是現(xiàn)在世界上高吸水性高分子中最普通的類型。其他材料也被用來生產(chǎn)高吸水性高分子，諸如聚丙烯酰胺共聚物，乙烯與馬來酸酐共聚物，交聯(lián)羧甲基纖維素，聚乙烯醇共聚物，交聯(lián)聚環(huán)氧乙烷和淀粉接枝聚丙烯腈共聚物。淀粉接枝聚丙烯腈共聚物是最早的高吸水性高分子形態(tài)?，F(xiàn)在高吸水性高分子主要用下面兩種方法中的一種生產(chǎn)：溶液聚合或懸浮聚合。兩種過程和其他的比起來都有優(yōu)點，也能產(chǎn)出質(zhì)量一致的產(chǎn)品。1、溶液聚合溶液聚合物以溶液的形式提供粒狀聚合物的吸水性，在用前可以將溶液和密封罐蒸餾。管子上可以涂上大多數(shù)底物，用來飽和。在特定溫度下干燥一定時間，結(jié)果是底層附上具有高吸水性的物質(zhì)。比如，這個化學可以直接用在電線或電纜上，盡管這個過程針對輥狀物體或者層狀底物組分進行特別的優(yōu)化。溶液聚合現(xiàn)在是高吸水性高分子生產(chǎn)最普通的過程。這一過程有效，通常耗費較低。溶液過程采用水基單體來生產(chǎn)一定量的反應聚合膠。聚合的反應能（放熱）被用來驅(qū)動這一過程，來減少生產(chǎn)成本。反應物聚合物膠然后被粉碎，干燥并研磨到最終的粒徑。任何提高高吸水性高分子性能的措施通常在最終粒徑完成后進行。2、懸浮聚合有些公司實踐了懸浮液過程，因為在聚合過程中，它可以提供較高的生產(chǎn)控制和產(chǎn)品工程水平。這一過程，將水基反應物懸浮在烴基溶液。最終的結(jié)果是懸浮聚合能夠在反應器中生成初級高分子顆粒而不是在反應后機械粉碎。在反應階段中或者后也可以進行性能增強。高吸水性材料在生產(chǎn)生活中的應用:復合材料和層壓板、殺蟲劑和除草劑的釋放控制(或用于某些生醫(yī)藥物的釋放控制研究)、尿布和失禁服、過濾應用、阻燃凝膠、香水攜帶劑、青蛙帶(設計用于乳膠漆的高科技膠帶)、水脹玩具（例如：水晶寶寶、尸墊、不動水床、泄漏控制、手術墊等。四、耐鹽性的改良高吸水性高分子朝多方面研發(fā)其用途時，所遭遇的問題為會受水中?類之影響而使吸水倍率下降。以代表性的丙烯酸鈉系高分子架橋體為例，其在純水中的吸水重量為本身重量的500倍，在自來水中時為300倍，在尿或生理食鹽水中約50倍，海水中時僅7倍，隨著鹽濃度的增加，吸水倍率即下降。這是因鹽類所帶來的離子使高吸水性高分子的離子無法解離，因而無法藉靜電排斥使高分子鏈的網(wǎng)目擴大之故。尤其是鈣鹽、鎂鹽、鋁鹽所帶來的多價金屬離子，會于高吸水性高分子中結(jié)合，使吸水倍率大幅下降。改良其耐鹽性使不受鹽類影響的方式有以下三個：(1)使用不與金屬離子結(jié)合的非離子性親水基來構(gòu)成高吸水性高分子。(2)并用離子交換樹脂或螯合劑，來除去會影響高吸水性高分子的金屬離子。(3)用不易與多價金屬離子結(jié)合的解離基來構(gòu)成高吸水性高分子。其中(1)法有使吸水倍率降低、吸水速度緩慢及耐久性變劣等問題；(2)法的價格高，長期應用影響成本；(3)法的改良方法最受重視，相關研發(fā)與專利也最多。例如導入羧基、氫氧基以外的親水基，如磺酸基、磷酸基等。耐鹽性改良后的高吸水性高分子，用于水泥管止水環(huán)、與海水接觸的密封材、含肥料之土壤保水材等用途上，均能發(fā)揮良好性能。五、水的構(gòu)造與高吸水性高分子的關系為充分發(fā)揮高吸水性高分子的性能，對水作進一步的了解是有必要的，水的化學式為h2o，但在液態(tài)的場合，它幾乎是不以單分子形態(tài)存在的。水分子藉氫鏈接合而形成數(shù)個～數(shù)十個的集團(cluster)。此常溫下的液態(tài)水在加熱后，由氫鏈接合而成的水分子集團即崩解，成為單分子的水蒸氣。固態(tài)的冰則是排列整潔地藉氫鏈接合形成巨大的集團。高吸水性高分子材料按照原料的不同可以分3類：淀粉系列、纖維素系列和合成系列。前兩類以淀粉或纖維素為主要原料，在主鏈上接枝共聚上親水性或水解后為親水性基團的烯烴單體；后一類主要由聚丙酸型樹脂或聚乙烯醇型樹脂為主要原料，經(jīng)過適度的交聯(lián)即可制得，近年來已經(jīng)成為了高吸水性高分子材料的熱點。六、高吸水性高分子的開發(fā)動向自從1974年美國農(nóng)業(yè)部研發(fā)所發(fā)表高吸水性高分子的開發(fā)后，日本的住友、三洋化成、花王、日本合成、昭和電子、日本觸媒化學……等樹脂廠商亦相繼投入研發(fā)，使得相關的專利申請案件大幅增加，每年達二百余件。在1980年前后，高吸水性高分子的最重要使用即為生理用品、紙尿布方面，而隨著使用的擴增，汽車、電機、土木／建筑等行業(yè)亦加入使用研發(fā)的行列。根據(jù)專利申請的內(nèi)容，可看出其在研發(fā)研發(fā)的趨勢。最近，在感應器等電機、電子零件或光學顯示元件、機械化學材料（因化學刺激而產(chǎn)生氣械能的材料）等機能性材料之研發(fā)很多，以高吸水性高分子作為醫(yī)療載體，對新藥的研發(fā)有很大幫助。以高吸水性高分子為對象的研發(fā)，則一面倒向聚丙烯酸鹽系，另混合高分子組成型，或n－取代丙烯酸胺系高分子、pva凍結(jié)型等高架橋型亦逐漸發(fā)展中。高分子微粒子的制造與使用科技未來定義奈米技術的正式用語，則是一針見血的表現(xiàn)。所謂超微細科技一語吾人最直接思索的對象即是粒子，微米粒子的全球已經(jīng)不足為奇，如今進步到千分之一微米的奈米粒子，則在制法與使用上帶來革命性的突破。超微細粒子在。七、水性高分子共摻混之性質(zhì)討論高吸水性樹脂(SAP)簡介倍,并可在數(shù)秒內(nèi)生成凝膠,且保水性強,在受熱,加壓條件下也不易失水,對光,熱,酸堿的穩(wěn)定性好,具有良好的生物降解性能,同時又具備高分子材料的優(yōu)點.高吸水性樹脂是我公司與中國科技大學經(jīng)過幾年的研究共同開高分子微粒子的制造與使用科技未來(續(xù))衍生的特征來分析其用途時，則更輕易理解其實際的使用價值。換言之，以高分子微粒子為核心的科技，可以涵蓋聚合科技、接著原理、高分子純化、微?；?、高分子設計、機能設計、涂布與造型、設備系統(tǒng)研發(fā)、熱傳媒體科技。高分子材料的使用、研發(fā)與改性常識簡介橡膠裂解可得異戊二烯，但是不知它們之間如何連接以及它的末端結(jié)構(gòu)，因為也認為是二聚環(huán)狀結(jié)構(gòu)的締合體?？茖W科技的發(fā)展使科學家們有可能用物理化學和膠體化學的方式去研發(fā)天然和實驗室合成的高分子物質(zhì)的結(jié)構(gòu)。液晶高分子的最近行情與使用發(fā)展>液晶高分子(liquidcrystalpolymers,簡稱lcp)是眾多高分子材料當中，結(jié)構(gòu)與性能相稱非凡的族群。最近在技術水性聚胺酯/聚苯胺互穿高分子網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)體的研發(fā)h)引進雙馬來西亞胺改質(zhì)的聚胺酯的鏈上，接著將苯胺單體加到雙馬來西亞胺改質(zhì)的聚胺酯。藉由磺酸的存在摻雜聚苯胺以增加兩者之間的兼容性，進而形成逐步聚合型高分子網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)體。希望藉由兼容性的提高可以得多孔性生物高分子制備簡介藥物釋放系統(tǒng)的使用甚為廣泛，其中多孔性基材制備的科技發(fā)展扮演了要害的角色。以組織工程為例，其要害科技即是使用生物可分解性的高分子，研發(fā)出具有三度空間骨架的基材，配合細胞、成長養(yǎng)份、藥物及活性因子的植入。生醫(yī)材料用之聚胺脂與幾丁聚醣互穿型高分子網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)之研發(fā)鹽官能基含量的puipn薄膜.另外由于幾丁聚醣具有良好的生物兼容性及無毒性,故籍由起始劑的起始將其與水性聚胺酯形成互穿型高分子網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(ipn)薄膜,以期得到一種機械性質(zhì)良好,生物兼容性佳及抗凝血高吸水性高分子吸水后形成的吸水凝膠，是高分子的親水基與水分子混合形成氫鏈而成，而高分子之分子鏈所構(gòu)成的三次元網(wǎng)目又與水分子集團交錯滲透，這是高吸水性高分子所以能夠大量吸水的原因。高吸水性高分子的親水性官能基之周邊，如圖8所示，可視為有不凍水（a領域）、拘束水（b領域）、自由水（c領域）等三種水的存在，此項假設已藉由nmr、dsc的儀器試驗證明。不凍水是指水分子與親水基行氫鏈接合而被固定之范圍的水，在－20℃也不會結(jié)凍；拘束水是指與不凍水連結(jié)的水分子之范圍的水，－10℃以下才會凍結(jié)；而0℃以下即急速凍結(jié)的是自由水。與高吸水性高分子結(jié)合而不凍結(jié)之水的存在，就猶如冬天的樹木細胞中有不凍結(jié)的水存在一樣，是很自然的事。參考文獻1、趙文元,王亦軍.功能高分子材料化學[M].北京：化學工業(yè)出版社,1996:2592612、鄒新禧,超強吸水劑[Ｍ].北京:化學工業(yè)出版社，1991：6567.3殷樹梅,李文