高吸水樹脂的發(fā)展及應(yīng)用

唐曉璐

(大連航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧 大連 116000)

高吸水樹脂的發(fā)展及應(yīng)用

唐曉璐*

(大連航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)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(duì)高吸水樹脂的研究進(jìn)展，對(duì)高吸水樹脂的發(fā)展歷史及其在如環(huán)境、農(nóng)林、建筑及個(gè)人護(hù)理等領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了概述，并對(duì)高吸水樹脂目前存在的問題及未來的研究方向及發(fā)展進(jìn)行了探討。

高吸水樹脂；發(fā)展；應(yīng)用

高吸水樹脂(sap)是人工合成的一系列具有較強(qiáng)親水能力的高分子材料，以一定的交聯(lián)度，形成了三維的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。由于其分子鏈上帶有許多基團(tuán)，如羥基、羧基、氨基等，這些基團(tuán)具有良好的親水性，能夠在水解時(shí)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(shù)千倍的水分，并且吸水速度較快，且能吸收和保持自身質(zhì)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(yīng)用領(lǐng)域[1-2]。

1 高吸水樹脂的發(fā)展

1.1 國外高吸水樹脂的發(fā)展歷史

高吸水樹脂首次進(jìn)入人們的視野是在1961年，當(dāng)時(shí)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(chǎn)物。此后日本的三洋公司開發(fā)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(jìn)的發(fā)展。

20世紀(jì)70年代，Hereules等公司對(duì)丙烯腈與纖維素制備高吸水樹脂的工藝進(jìn)行了大量的探索，并經(jīng)加工得到了不同形態(tài)的產(chǎn)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(jìn)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(shí)驗(yàn)研究。

20世紀(jì)80年代，高吸水樹脂的研究熱點(diǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)橐蕴烊划a(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)品耐鹽能力比市場上的產(chǎn)品要高。由于高吸水樹脂的實(shí)際應(yīng)用要求高吸水樹脂具有吸水率高、吸水快、耐鹽性強(qiáng)、機(jī)械性能好等優(yōu)點(diǎn)，所以復(fù)合高吸水樹脂的研究越來越受到關(guān)注。1980年，H.Asaka等利用含有SO3H基團(tuán)的單體作為原料與淀粉等天然產(chǎn)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(fā)展十分迅速，高吸水樹脂產(chǎn)品的多元化及各種性能都在不斷提高。

1.2 國內(nèi)高吸水樹脂的發(fā)展歷史

與國外相比，我國高吸水樹脂的研發(fā)起步較為落后，最早研制成功的是吉林石化設(shè)計(jì)院和河南化學(xué)所。目前國內(nèi)對(duì)高吸水樹脂已經(jīng)開展大量研究，如中科院化學(xué)所、長春應(yīng)化所及蘭州大學(xué)等幾十個(gè)單位，但是基本都處于實(shí)驗(yàn)室研究階段。蘭州大學(xué)的柳明珠團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)的研究了耐鹽性高吸水樹脂的合成及優(yōu)化。烏蘭、張旭分別以玉米淀粉和瓜爾膠為原料，對(duì)其與丙烯酸進(jìn)行接枝聚合進(jìn)行研究，制備了性能優(yōu)良的高吸水樹脂[5-6]。此外，北京林業(yè)大學(xué)、西北農(nóng)林大學(xué)等林業(yè)院校對(duì)高吸水樹脂應(yīng)用于農(nóng)林方面及其與肥料的相互作用機(jī)理進(jìn)行了研究探討[7-8]。

1998年我國高吸水樹脂工業(yè)化生產(chǎn)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(duì)高吸水樹脂進(jìn)行了投產(chǎn)。隨著高吸水樹脂研究的進(jìn)行，我國在性能提升、制備方法改良及領(lǐng)域擴(kuò)寬等方面取得了顯著的進(jìn)步，但整體的研究水平仍處于落后，高吸水樹脂的生產(chǎn)工藝與國外相比差距較大，加強(qiáng)加快高吸水樹脂的研究較為迫切。

2 高吸水樹脂的應(yīng)用

2.1 高吸水樹脂在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用

目前，高吸水在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)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(jià)材料作為包衣，研究尿素在包衣材料種的緩釋效果，結(jié)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(yè)大學(xué)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(tǒng)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(duì)土壤溫度和水分動(dòng)態(tài)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(fā)效果越好，土壤能夠?yàn)橹参锾峁┏渥愕乃? 有利于植物的生長發(fā)育。朱紅等[12]利用環(huán)境礦物材料與高吸水樹脂復(fù)合得到新型吸水樹脂, 其吸水后可以作為土壤濕潤劑，使細(xì)沙土壤不會(huì)發(fā)生板結(jié)現(xiàn)象，為沙漠化治理打下基礎(chǔ)。

2.2 高吸水樹脂在環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用

高吸水樹脂在環(huán)境治理中也有較廣泛的應(yīng)用。高吸水樹脂表面具有豐富官能團(tuán)，能夠?qū)Νh(huán)境中，尤其是水體中各種污染產(chǎn)生較好的吸附作用。如Babel S[13]等通過研究得知?dú)ぞ厶菍?duì)Hg+、Cd2+、Mn2+、Zn2+等離子均有較好的吸附能力，利用殼聚糖復(fù)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(duì)3種陽離子染料：孔雀石綠、亞甲基藍(lán)和中性紅的吸附性能。研究結(jié)果表明，含羧基和磺酸基較多的樹脂對(duì)三種染料吸附較好，吸附率均超過90%，且吸附平衡時(shí)間較短。George Z. Kyzas 等[15]研究了殼聚糖高吸水樹脂對(duì)染料分子的吸附及解吸動(dòng)力學(xué),結(jié)果表明該類樹脂對(duì)堿性染料有比較弱的螯合作用力，靜電作用力在對(duì)活性染料吸附中占有較大比重。

此外高吸水樹脂在路面揚(yáng)塵的抑制中也能取得一定的治理效果。傳統(tǒng)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(shí)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(fā)的作用, 但會(huì)較快的腐蝕設(shè)備。高吸水性樹脂具有良好的耐蒸發(fā)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(píng)價(jià)該樹脂在煤塵抑制中的應(yīng)用性能, 表明該樹脂對(duì)煤塵具有長效的抑制作用。

2.3 高吸水樹脂在建筑領(lǐng)域的應(yīng)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(huì)發(fā)生較大變形，混凝土結(jié)構(gòu)的自收縮變形被限制，內(nèi)部就會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力超過混凝土的抗拉強(qiáng)度，混凝土就會(huì)產(chǎn)生裂縫。因此，混凝土需要進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，而目前混凝土的養(yǎng)護(hù)方法分為外部養(yǎng)護(hù)和內(nèi)部養(yǎng)護(hù)兩種。絕大多數(shù)混凝土結(jié)構(gòu)工程的養(yǎng)護(hù)方法為外部養(yǎng)護(hù)法，但這些養(yǎng)護(hù)方法成本較大，又因高性能混凝土結(jié)構(gòu)密實(shí)，外部養(yǎng)護(hù)用水很難進(jìn)入混凝土內(nèi)部，養(yǎng)護(hù)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(xué)者傾向于使用一些吸水材料作為內(nèi)養(yǎng)護(hù)劑從混凝土內(nèi)部提供水源進(jìn)行內(nèi)養(yǎng)護(hù)。內(nèi)養(yǎng)護(hù)劑可以通過攪拌而充分均勻地?fù)饺氲交炷林?，從而在混凝土?nèi)部形成微型“蓄水庫”，然后在毛細(xì)孔負(fù)壓以及濕度梯度作用下釋放水分使水泥漿得到"內(nèi)部潮濕養(yǎng)護(hù)"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(chǔ)存一部分水分，于后期緩慢釋放，進(jìn)而促進(jìn)水化，用于內(nèi)部自養(yǎng)護(hù)，使結(jié)構(gòu)更加致密，減小其自收縮，且加入混凝土后對(duì)強(qiáng)度影響不大，可以作為一種理想的內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料[18]。

此外，將高吸水性樹脂與橡膠等材料進(jìn)行改性加工，可得到隔水、止水復(fù)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(gòu)造物熱膨脹、收縮以及工程設(shè)計(jì)收縮誤差等所導(dǎo)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(shè)計(jì),探討了該類型溫拌瀝青混合料拌和工藝。結(jié)果表明，高吸水樹脂作為溫拌劑優(yōu)于熱拌劑，高吸水樹脂可以推廣為一種價(jià)格低廉，效果優(yōu)良的溫拌劑。

2.4 高吸水樹脂在個(gè)人護(hù)理領(lǐng)域的應(yīng)用

蘇州大學(xué)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(fā)聚合，制備得到高吸水樹脂。利用該樹脂高抗張強(qiáng)度得特點(diǎn)，將其制成水凝膠膜傷口敷料，適用于面積較大或者活動(dòng)度較大的皮膚傷口。岳凌等[22]應(yīng)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(duì)象，研究其緩釋機(jī)理，結(jié)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(jī)理屬于骨架型擴(kuò)散釋放機(jī)制。展望

高吸水樹脂雖然有著許多優(yōu)勢，但其也有不足之處，如成本過高，對(duì)鹽份較為敏感，凝膠強(qiáng)度過低，在環(huán)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(gè)方面：首先可以提高高吸水樹脂的凝膠強(qiáng)度；其次可以從環(huán)境友好型高吸水樹脂入手，研發(fā)易降解產(chǎn)品，可以更好的為農(nóng)業(yè)服務(wù)；最后應(yīng)該從高吸水樹脂生產(chǎn)工藝入手，降低生產(chǎn)成本，這樣才能更好開闊高吸水樹脂的市場前景。

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(本文文獻(xiàn)格式：唐曉璐.高吸水樹脂的發(fā)展及應(yīng)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