高吸水樹脂的發展與應用淺析

＊周 琦（陜西省西安市第六中學 陜西 710002 ）

高吸水樹脂的發展與應用淺析

＊周 琦（陜西省西安市第六中學 陜西 710002 ）

高吸水樹脂是一種具有良好吸水性及保水能力的功能高分子聚合物。本文總結了高吸水樹脂的吸水作用機理；綜述了高吸水樹脂在醫療衛生、農林園藝、食品保鮮和土木建筑中的應用現狀；展望了高吸水樹脂進一步研究方向。

高吸水樹脂；吸水機理；應用；現狀

引言

高吸水性樹脂（SAP）也叫超強吸水劑或超吸水性聚合物，是一種結構上含有大量的羥基、羧基、酰胺基、羧酸鹽基等親水集團的功能高分子材料。吸水能力可為自身重量的十倍乃至上千倍，最終能夠形成一種高含水凝膠。相比于一般的吸水材料，高吸水性樹脂在三維結構上呈現三維網絡孔，正是因為這種結構上的復雜性，使其能形成高含水凝膠呈現出超強的保水性能。另外高吸水樹脂受溫度和壓力的影響較小，即使再高溫和壓力作用力依舊表現出良好的保水性。因此，它在醫療衛生領域、農林及園林、食品保鮮、土木建筑等很多領域得到廣泛關注和應用。高吸水性樹脂最早是二十世紀六十年代美國農業部將其應用于淀粉接枝丙烯晴，1983日本以丙烯酸鉀和甲基二丙烯酰胺等成功制得高吸水性樹脂。二十世紀末，高吸水性樹脂的吸引和無數的研究人員的研究和廣泛應用，目前依舊作為研究熱點受到廣泛關注。

1.高吸水樹脂的吸水機理

高吸水性樹脂吸水機理主要有以下兩個方面：(1)高吸水性樹脂結構上含有大量的羥基、羧基、酰胺基、羧酸鹽基等親水集團，這些親水基團可以和水分子形成氫鍵而產生化學吸附。改變了高吸水樹脂在未吸水之前緊緊交聯纏繞的網狀結構，使得結構在水中不斷的發生伸展，體積也不產生相應變化。另外由于靜電作用，親水基團的不斷電離使得高吸水性樹脂的內部陽離子濃度遠大于水濃度，內外滲透壓差異，加速水分子與高吸水性樹脂的結合，樹脂的網狀空間結構也進一步舒展。隨著陽離子的進一步電離，直到內外滲透壓達到平衡，高吸水樹脂達到最大吸水量，同時所形成的水凝膠的彈性收縮作用發揮作用來限制高吸水性樹脂體積的無限增大。圖1是高吸水性樹脂的吸水的幾個階段。(2)通過毛細管作用來吸收水分子，吸水能力相對較小，遠不及化學吸附作用，且毛細管中的水分子很容易流失，因此幾乎很難保水。

高吸水性樹脂的理論基礎主要是Flory所給出的高吸水性樹脂溶漲機理以及相轉變理論，其中Flory認為高吸水性樹脂的吸水能力主要取決于高吸水性樹脂本身的交聯度、與水的親和力、該吸水性樹脂本身的電荷密度以及外部的離子濃度；相轉變理論認為高吸水性樹脂本身屬于凝膠，凝膠體的吸水能力主要取決于其滲透壓的變化，一旦滲透壓接近于零，則高吸水性樹脂達到吸水飽和狀態。

圖1 高吸水性樹脂吸水機理

2.高吸水樹脂的應用

(1)醫療衛生領域的應用

醫療領域中用高吸水性樹脂制得各種醫療用品得到了非常廣泛應用。主要有將其與無機粉末、抗凝固劑進行混合后分散于疏水性樹脂中而值得抗血栓材料；利用高吸水性樹脂呈凝膠態和良好的保水性可制得人工皮膚、人工肌肉、人工腎等人工臟器材料。另外還可以作為藥用制劑的基質材料以及良好的保冷蓄熱材料。因此，高吸水性樹脂在醫療方面的應用研究也備受關注，且其研究在進一步不斷的擴大和深入。

隨著1979年日本將高吸水性樹脂應用于衛生巾和嬰兒尿布等衛生用品取得成功后，很大的促進了高吸水樹脂在衛生領域廣泛研究和應用。后來很快在兒童尿布、尿袋、尿墊、成人失禁用品婦女衛生巾產生了很大的市場。目前隨著人民生活水平的進一步提高和科技的進一步發展，高吸水樹脂在衛生領域的應用也逐漸向更輕、更薄發展。

(2)農林及園藝中的應用

將高吸水性樹脂與土壤或者與農作物種子進行結合，不僅可以很大程度的改善土壤的保水、保溫、透水性能，減少農作物在生長過程中的澆灌次數和用水量，而且對于晝夜溫差較大的氣候惡劣地區，高吸水性樹脂和泥土進行混合后，可以減小泥土的晝夜溫差，有利于提高農作物的氣候適用性和產量。除此之外，高吸水性樹脂還可以增強農作物對于肥料的吸收作用，提高肥料的使用效率，節約農民的農作物生產投入成本。因此，隨著研究的進一步廣泛和深入，目前高吸水性樹脂在農業中的應用也很多種多樣。

國外的相關研究中日本研究者將高吸水樹脂置于距離砂土一定深度處，然后在砂土上種植農作物，所種植的農作物的產量提高了2～3倍且也顯著的減少作物生長過程中的灌溉成本。美國有學者將植物種子在高吸水樹脂中浸泡后與未樹脂浸泡過植物種子進行對比，發現高吸水性是指浸泡過的種子發芽率明顯提高而且發芽時間也明顯縮短。國內的研究中有人將高吸水樹脂應用在旱地中種植農作物，發現作物不僅產量明顯提高，而且單粒的粒重也明顯增加。趙小雯等研究發現高吸水樹脂可以明顯的提高植物在移植過程中的成活率。但是目前由于研究還未成熟，因此高吸水性樹脂在農業園林領域反面的應用還受到很多限制，仍需要進一步的研究和推廣使用。

(3)食品保鮮中的應用

利用高吸水樹脂良好的吸水性和保水性可以保持食品的新鮮和清潔度，便于蔬菜水果、肉制品等的長途運輸。因此目前在該領域中的應用一種是將高吸水樹脂制成復合型蓄冷相變材料，相比于傳統的蓄冷材料具有無毒、節約能源、無污染、可多次使用等優點而廣泛應用于食品的保鮮和運輸。另一種是制得高吸水樹脂涂膜材料，對食品進行涂膜處理而達到食品保鮮的目的。國外的有研究這利用高吸水樹脂研制的蓄冷材料其相變溫度為-40℃～-2℃。

廖列文等通過用高吸水樹脂制得的保鮮材料對魚產品進行保鮮，發現經高吸水樹脂處理的魚產品的儲蓄時間明顯變長，而且其在儲蓄過程中的細菌含量也明顯減少。李妮妮等人用高吸水樹脂保鮮劑對柑橘進行涂膜處理后發現高吸水樹脂保鮮材料能夠限制其呼吸作用，減少水分和質量損失等，增大儲存周期。

(4)土木建筑中的應用

高吸水樹脂在建筑中常被用來做以混凝土為代表的建筑材料的內養護材料。傳統上對于混凝土材料的養護主要是通過在混凝土的表面直接噴水、覆蓋濕草袋、塑料薄膜等養護技術進行養護，但是這種養護技術不僅會消耗大量的財力和物力，隨著目前混凝土的高性能化的推廣，通常傳統的養護方法很容易產生養護不均勻，造成混凝土內部缺陷的產生。因此很多研究者就提出了利用高吸水樹脂的強吸水和保水性的特點，將其單獨或者與其他的無機材料進行復合加入到混凝土中，當混凝土中的溶液濃度和pH滿足一定的條件時，高吸水性樹脂就可以釋放出水分，保證混凝土內部的水分含量，來促進混凝土材料的水化反應，從而提高混凝土的密實度，減小混凝土內部缺陷。另外，高吸水樹脂還可以被用來制成防水防漏等建筑材料，以及將其與涂料或者紙漿等進行混合，制得具有吸水性的涂料和壁紙等，從而很大的改善洗手間、浴室、玻璃窗戶等表面的結露問題，并可以起到調節空氣濕度的作用。

3.前景展望

高吸水樹脂的研究依舊處于發展階段，不論是對于高吸水樹脂的研究還是生產，我國都相對落后于發達國家，因此需要進一步擴大從事該方面的研究工作。

目前主要充分利用了高吸水樹脂具有超強的吸水和保水能力等特點所制得的產品應用領域和市場需求在迅速擴大，但是由于高吸水性樹脂本身屬于功能性高分子聚合物，溶液中鹽離子的濃度會其吸液能力，以及目前其在應用過程中釋水速率的難以控制等問題很大程度上限制了其應用。因此研究人員還需要從以下方面開展進一步深入研究：

(1)提高高吸水樹脂的耐鹽性。在保證高吸水樹脂良好吸水和保水性的基礎上，研究如何提高高吸水樹脂的耐鹽性，使其在鹽溶液中也具有良好的性能，從而提高其應用范圍。

(2)控制高吸水樹脂釋水速率。目前利用高吸水樹脂所生產的眾多產品(如與含高吸水樹脂土壤、混凝土的內養護材料等)其釋水速率難以控制，這也是高吸水樹脂在農業和建筑方面使用受限的很重要的原因。

(3)提高高吸水樹脂凝膠強度。高吸水樹脂吸水后其凝膠態的強度通常較低也很大的限制了其使用。因此可以通過研發復合或者改性型高吸水樹脂來提高凝膠強度。

(4)改善可降解性（綠色環保）。隨著可持續發展觀的不斷推進和深入，人們的環保意識也在不斷加強，這就要求我們所生產的高吸水性樹脂類產品在滿足性能要求的基礎上，能夠提高高吸水性樹脂類產品的多次使用性以及可降解性，實現綠色產品，綠色應用，這樣高吸水性樹脂類產品的應用才會有更為廣闊的前景。

[1]劉榮進．有機-無機復合混凝土內養護材料設計、合成與性能研究[D]．武漢:武漢理工大學,2013．

[2]鄒新禧．超強吸水機[M]．北京:化學工業出版社,2002:340-344．

[3]丁以兵．高性能混凝土自養護技術研究[D]．合肥:合肥工業大學,2006．

[4]孫克時,李志強．水溶液共聚法合成耐鹽性高吸水性樹脂[J]．化學與粘合,2000,07(3)105- 107．

[5]盧潮陵．高吸水樹脂的研究現狀及其應用前景[J]．能源與環境,2011,18(2): 7-9．

[6]Zhuo R X, Li W． Preparation and characterization of macroporous poly(N-isopropylacrylamide) hydrogels for the controlled release of proteins[J]． Polym Sci, Part A: Polym Chem, 2003, 41: 152-159．

[7]謝華飛,張翠榮,賈振宇等．原位聚合法制備殼聚糖_g_聚丙烯酸/高嶺土復合樹脂[J]．化工新型材料,2012, 40(2): 49-52．

[8]沈樸．高吸水性樹脂的發展,結構及吸水理論研究現狀[J]．榆林學院學報,2010,20(2):53-55．

周琦（1998～），男，陜西省西安市第六中學，研究方向：對高吸水樹脂的研究。

(責任編輯王恒）

Analysis of the Development and Application of High Water-absorbing Resin

Zhou Qi
（The Sixth Middle School in Xi’an Shanxi, Shanxi, 710002）

High water-absorbing resin is a kind of functional high-molecular polymer with water-absorbing mechanism and water retention ability. This paper concludes functional mechanism of high water-absorbing resin and summarizes the application status of high waterabsorbing resin in medical and health, forestry and gardening, food preservation and civil engineering and construction, finally, makes prospect of the further research direction of high water-absorbing resin.

high water-absorbing resin；water-absorbing mechanism；application；current situation

T

A