高吸水樹脂的發展及應用

唐曉璐

(大連航運職業技術學院，遼寧 大連 116000)

高吸水樹脂的發展及應用

唐曉璐*

(大連航運職業技術學院，遼寧 大連 116000)

高吸水樹脂是一種功能性高分子化合物，本文針對高吸水樹脂的研究進展，對高吸水樹脂的發展歷史及其在如環境、農林、建筑及個人護理等領域的應用進行了概述，并對高吸水樹脂目前存在的問題及未來的研究方向及發展進行了探討。

高吸水樹脂；發展；應用

高吸水樹脂(sap)是人工合成的一系列具有較強親水能力的高分子材料，以一定的交聯度，形成了三維的網狀結構。由于其分子鏈上帶有許多基團，如羥基、羧基、氨基等，這些基團具有良好的親水性，能夠在水解時電離，從而使得高吸水樹脂依靠滲透壓而溶脹吸水。它通常可吸水溶脹從而保持自身重量幾百至數千倍的水分，并且吸水速度較快，且能吸收和保持自身質量幾百倍甚至幾千倍的水, 在加壓和加熱條件下也不容易脫水, 具有吸水和保水能力其還具有緩釋、吸附、吸濕放濕作用, 具有較廣的應用領域[1-2]。

1 高吸水樹脂的發展

1.1 國外高吸水樹脂的發展歷史

高吸水樹脂首次進入人們的視野是在1961年，當時美國科研人員Fanta等[3]利用淀粉與丙烯腈作為原料接枝聚合制備得到產物。此后日本的三洋公司開發出淀粉-丙烯酸、淀粉-磺酸接枝共聚物等高吸水樹脂，而日本在高吸水樹脂研究方面取得了突飛猛進的發展。

20世紀70年代，Hereules等公司對丙烯腈與纖維素制備高吸水樹脂的工藝進行了大量的探索，并經加工得到了不同形態的產品。由于考慮到殘留的丙烯腈單體有毒性，日本三洋化成公司進而開展了丙烯酸與淀粉接枝的研究，并取得了成功。另外，丙烯酰胺、丙烯醋酸類等不同單體與纖維素共聚合的高吸水樹脂也得到了實驗研究。

20世紀80年代，高吸水樹脂的研究熱點轉變為以天然產物衍生物作為原料制備高吸水樹脂，比如殼聚糖、纖維素、海藻酸鹽等。日本的研究人員在90年代將氨基酸作為原料制備得到可生物降解的高吸水樹脂產品。隨后日本其他公司以天冬氨酸制備高吸水樹脂，得到的產品耐鹽能力比市場上的產品要高。由于高吸水樹脂的實際應用要求高吸水樹脂具有吸水率高、吸水快、耐鹽性強、機械性能好等優點，所以復合高吸水樹脂的研究越來越受到關注。1980年，H.Asaka等利用含有SO3H基團的單體作為原料與淀粉等天然產物及衍生物聚合，制備出具有耐鹽能力的高吸水樹脂[4]。目前國外高吸水樹脂研制發展十分迅速，高吸水樹脂產品的多元化及各種性能都在不斷提高。

1.2 國內高吸水樹脂的發展歷史

與國外相比，我國高吸水樹脂的研發起步較為落后，最早研制成功的是吉林石化設計院和河南化學所。目前國內對高吸水樹脂已經開展大量研究，如中科院化學所、長春應化所及蘭州大學等幾十個單位，但是基本都處于實驗室研究階段。蘭州大學的柳明珠團隊系統的研究了耐鹽性高吸水樹脂的合成及優化。烏蘭、張旭分別以玉米淀粉和瓜爾膠為原料，對其與丙烯酸進行接枝聚合進行研究，制備了性能優良的高吸水樹脂[5-6]。此外，北京林業大學、西北農林大學等林業院校對高吸水樹脂應用于農林方面及其與肥料的相互作用機理進行了研究探討[7-8]。

1998年我國高吸水樹脂工業化生產由河北科瀚樹脂公司首先開展，成功研制出“科瀚98”系列高效抗旱高吸水樹脂，之后許多公司都對高吸水樹脂進行了投產。隨著高吸水樹脂研究的進行，我國在性能提升、制備方法改良及領域擴寬等方面取得了顯著的進步，但整體的研究水平仍處于落后，高吸水樹脂的生產工藝與國外相比差距較大，加強加快高吸水樹脂的研究較為迫切。

2 高吸水樹脂的應用

2.1 高吸水樹脂在農業領域的應用

目前，高吸水在農業領域應用較為廣泛，如將高吸水樹脂作為緩釋材料，增加肥料利用率，郎德龍[9]利用聚乙烯醇，高吸水樹脂，淀粉三種廉價材料作為包衣，研究尿素在包衣材料種的緩釋效果，結果表明高吸水樹脂作為尿素包衣，具有較好的緩釋效果，能夠提升尿素利用率。

長春工業大學秦磊[10]通過常溫制備工藝，研究得到磺化腐殖酸-丙烯酸吸水樹脂，研究了該樹脂的最佳制備條件及其作為鹽堿土改良劑的可能性。通過研究得出，磺化腐植酸-聚丙烯酸吸水樹脂相較于傳統高吸水樹脂，不僅具有高耐鹽性，而且還能有效地提高土壤的離子交換性能和吸附性能，改善鹽堿土，使得作物能夠較好生長。

陳寶玉[11]等研究了保水劑對土壤溫度和水分動態變化的影響，研究表明隨保水劑用量的增加, 混劑土的保溫效果、抑制水分蒸發效果越好，土壤能夠為植物提供充足的水分, 有利于植物的生長發育。朱紅等[12]利用環境礦物材料與高吸水樹脂復合得到新型吸水樹脂, 其吸水后可以作為土壤濕潤劑，使細沙土壤不會發生板結現象，為沙漠化治理打下基礎。

2.2 高吸水樹脂在環境領域的應用

高吸水樹脂在環境治理中也有較廣泛的應用。高吸水樹脂表面具有豐富官能團，能夠對環境中，尤其是水體中各種污染產生較好的吸附作用。如Babel S[13]等通過研究得知殼聚糖對Hg+、Cd2+、Mn2+、Zn2+等離子均有較好的吸附能力，利用殼聚糖復合高吸水性樹脂可以作為水體中重金屬離子的良好吸附劑。

余響林等[14]研究了丙烯酸高吸水樹脂對3種陽離子染料：孔雀石綠、亞甲基藍和中性紅的吸附性能。研究結果表明，含羧基和磺酸基較多的樹脂對三種染料吸附較好，吸附率均超過90%，且吸附平衡時間較短。George Z. Kyzas 等[15]研究了殼聚糖高吸水樹脂對染料分子的吸附及解吸動力學,結果表明該類樹脂對堿性染料有比較弱的螯合作用力，靜電作用力在對活性染料吸附中占有較大比重。

此外高吸水樹脂在路面揚塵的抑制中也能取得一定的治理效果。傳統的方法是通過灑水,抑制塵土，但是需要頻繁灑水才能起到一定效果,人工成本與時間成本較大。而通過水中添加助劑如CaCl2、NaCl等能夠起到防止水分蒸發的作用, 但會較快的腐蝕設備。高吸水性樹脂具有良好的耐蒸發性和吸濕放濕性, 通過噴灑高吸水樹脂，利用高吸水樹脂的保水保濕性能及其表明的粘性，能夠有效防止飛塵[16]。李翔[17]等人通過淀粉接枝共聚丙烯酸- 丙烯酰胺制得吸水樹脂, 從多方面研究評價該樹脂在煤塵抑制中的應用性能, 表明該樹脂對煤塵具有長效的抑制作用。

2.3 高吸水樹脂在建筑領域的應用

混凝土是全世界最通用的建筑材料，然而混凝土由于水泥與水的水化以及在水化過程中混凝土基體的自干燥會發生較大變形，混凝土結構的自收縮變形被限制，內部就會產生拉應力，當拉應力超過混凝土的抗拉強度，混凝土就會產生裂縫。因此，混凝土需要進行養護，而目前混凝土的養護方法分為外部養護和內部養護兩種。絕大多數混凝土結構工程的養護方法為外部養護法，但這些養護方法成本較大，又因高性能混凝土結構密實，外部養護用水很難進入混凝土內部，養護效果也不佳。因此為了從根本上解決混凝土早期自收縮和開裂的問題，許多學者傾向于使用一些吸水材料作為內養護劑從混凝土內部提供水源進行內養護。內養護劑可以通過攪拌而充分均勻地摻入到混凝土中，從而在混凝土內部形成微型“蓄水庫”，然后在毛細孔負壓以及濕度梯度作用下釋放水分使水泥漿得到"內部潮濕養護"來抑制其自收縮。高吸水樹脂直接摻入混凝土中，前期吸收儲存一部分水分，于后期緩慢釋放，進而促進水化，用于內部自養護，使結構更加致密，減小其自收縮，且加入混凝土后對強度影響不大，可以作為一種理想的內養護材料[18]。

此外，將高吸水性樹脂與橡膠等材料進行改性加工，可得到隔水、止水復合材料。通過在隧道工程中的弓形鋼筋混凝土片塊在拼合間隙之間使用該類材料, 能夠有效防止地下水的入侵。也可以將其作為構造物熱膨脹、收縮以及工程設計收縮誤差等所導致的裂縫的隔水及止水材料[19]。

高吸水樹脂還可以作為瀝青溫拌劑，如袁曉斌[20]以吸水樹脂作為溫拌劑,研究了 AC-13和AC-20瀝青混合料配合比設計,探討了該類型溫拌瀝青混合料拌和工藝。結果表明，高吸水樹脂作為溫拌劑優于熱拌劑，高吸水樹脂可以推廣為一種價格低廉，效果優良的溫拌劑。

2.4 高吸水樹脂在個人護理領域的應用

蘇州大學楊占山、魏召陽等[21]聚丙烯酸鈉及聚乙烯醇為原料，采用電子束輻射引發聚合，制備得到高吸水樹脂。利用該樹脂高抗張強度得特點，將其制成水凝膠膜傷口敷料，適用于面積較大或者活動度較大的皮膚傷口。岳凌等[22]應用冷凍-解凍法制備出一種水凝膠藥物緩釋膜，以硫酸大慶霉素作為研究對象，研究其緩釋機理，結果表明該水凝膠具有良好的理化性能及緩釋作用，其緩釋機理屬于骨架型擴散釋放機制。展望

高吸水樹脂雖然有著許多優勢，但其也有不足之處，如成本過高，對鹽份較為敏感，凝膠強度過低，在環境中難以降解等，此外許多高吸水樹脂中的單體殘留也具有毒性。因此高吸水樹脂在許多方面仍需提升，未來的研究主要可以集中在以下幾個方面：首先可以提高高吸水樹脂的凝膠強度；其次可以從環境友好型高吸水樹脂入手，研發易降解產品，可以更好的為農業服務；最后應該從高吸水樹脂生產工藝入手，降低生產成本，這樣才能更好開闊高吸水樹脂的市場前景。

[1] 杜太生,康紹忠,魏華.保水劑在節水農業中的應用研究現狀與展望[J].農業現代化研究,2009,21(5):317-320.

[2] 鄒新禧.超強吸水劑[M]. 2版北京:化學工業出版社,2002:1-11.

[3] Fanta G F, Burr R C, Russell C R, et al. Graft coplymers of starch I: copolymerization of gelatinized wheat starch with acrylonitrile, formation of copolymer and effect of solvent on copolymer composition[J].Jounral of Application Polmyer Science.1996, 10: 929-937.

[4] Asaka H, Yada A, Saeki S. Absorbents for salt-containing water:JP , 8016 016[P]. 1980-02-04.

[5] Kuehnlw M R, Peeken H, Troeder C, et al. The toroidal drive[M]. Mechanical Engineering, 1981, 103 (2):32-39.

[6] 張 旭.瓜爾膠接枝聚丙烯酸鈉高吸水樹脂的合成及其性能研究[D].蘭州：蘭州大學，2011.

[7] 肖輝杰.土壤保水劑持水特性及對土壤結構和林木生長的影響研究[D].北京：北京林業大學,2004.

[8] 杜建軍,茍春林,崔英德,等.保水劑對氮肥氨揮發和氮磷鉀養分淋溶損失的影響[J].農業環境科學學報,2007,26(4):1296-1301.

[9] 郎德龍.光度法測定包衣尿素緩釋濃度變化[J].山東化工, 2015, 44(22): 92-93,95.

[10] 秦 磊. 蘇打鹽堿地用新型土壤改良劑的制備及應用[D].長春: 長春工業大學,2012.

[11] 陳寶玉,王洪君,滕 軼, 等, 黃選瑞.保水劑對土壤溫度和水分動態的影響[J].中國水土保持科學 2008,6(6):32-36.

[12] 朱 紅,商 平,趙 鵬，等.環境礦物材料復合型高吸水性樹脂的研究[J].農業環境科學學報,2006,25(增刊):729- 732.

[13] Babel S, Kurniawan T A. Low-cost adsorbents for heavy metals uptake from contaminated water :a review[J].Hazard Mater , 2003 , 98(28):219-243.

[14] 余響林, 秦 天, 劉旭華，等. 丙烯酸高吸水樹脂吸附陽離子染料廢水研究[J]化工新型材,2103,41(7):166-169.

[15] Kyzas Z G, Kostoglou M, Lazaridis N K. Relating interactions of dye molecules with chitosan to adsorption kinetic data[J].Langmuir, 2010, 26(12):9617-9626.

[16] 王海寧, 邱貴鐘. 露天礦汽車運輸路面抑塵劑研究[J].南方冶金學院學報, 2003 , 24(5):99-102.

[17] 李 翔,李長有.淀粉接枝共聚丙烯酸-烯酰胺煤塵抑塵劑的合成及應用[J].化學研究, 2010 , 21(1):56-58.

[18] 陳 錐.高吸水樹脂在混凝土中的應用研究[J].福建建材,2016,184(8)14-15.

[19] 王 勇,汪水平.高吸水樹脂在建材工業中的應用[J].廣東建材,2003(5):4-5

[20] 袁曉斌,張金喜.高吸水樹脂類溫拌瀝青混合料路用性能研究[J].中外公路,2017,37(1):200-203.

[21] 魏召陽.PAAS/PVA高吸水性樹脂和水凝膠傷口敷料的制備及其性能研究[D].蘇州：蘇州大學，2012.

[22] 岳 凌,楊占山,楊淑琴,等.一種水凝膠藥物緩釋膜的制備及其性能研究[J].輻射研究及輻射工藝學報,2009,27(5):312-315.

(本文文獻格式：唐曉璐.高吸水樹脂的發展及應用[J].山東化工，2017，46(14)：55-56，58.)

Review of the Development and Application of Super Absorbent Polymers

TangXiaolu

(Dalian Shipping Vocational and Technical College, Dalian 116000,China)

Super Absorbent Polymers is a kind of artificial high-molecular polymer, in this paper we reviewed the history of the development of Super Absorbent Polymers and the application in various fields like environment protect, agriculture and forestry, architecture, personal care and so on. Also the problem in the research so far and the prospect of the future study were discussed here.

super absorbent polymer; development; application

2017-05-16

唐曉璐(1981—)，女，山東萊州人，碩士，主要從事化工研究。

TQ324.8

A

1008-021X(2017)14-0055-02