高吸水树脂的应用

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1、 化学推进剂与高分子材料Chemical Propellants KJ2009B120Z)作者简介: 谭德新(197 7 -)， 男， 吉林市人， 讲师， 博士研究生， 主要从事功能高分子与复合材料研究。电子信箱: 高吸水树脂又称水凝胶、超强吸水剂1，是 一种新型的功能高分子材料，它具有奇特的吸水能力和保水能力，能够迅速吸收比自身重数百倍乃至千倍的液态水，其保水性也好，所吸收的水 即使在高压下也不会溢出2。鉴于这些优点，近 年来高吸水树脂已成为一种重要的高分子材料， 被广泛地应用于农林、园艺、石油开采、医用 卫生34、矿山开采、日用化工、环境保护和食 品加工57等领域。高吸水树脂最早是1961

2、年美国农业部北方研 究所 C. R. Rissell 等人从淀粉接枝丙烯腈开始研 究的，其后 G. F. Fanta 等人接着进行研究89， 于 1966 年首先发表“淀粉衍生物的吸水性材料 具有优越的吸水能力，吸水后形成的膨润凝胶体 保水性很强，即使加压也不与水分离，甚至具有 吸湿放湿性，这些特性都超过以往的高分子材 料。 ”该吸水性树脂最初由 Henkl Co.工业化成 功，其商品名为 SGP。我国目前也在研究和开发、推广应用高吸水 树脂10。我国起步较晚，从 20 世纪 80 年代中期 才开始，先后有 40 多家单位从事这方面的研究，经过 20 多年的研究，取得了不少成果，已有许多专利成

3、果和生产厂家。但我国的产品同国外产 品相比，无论从技术上还是规模上都有较大的差 距，国内高档的吸水剂产品仍需进口。1 高吸水树脂的吸水机理高吸水树脂不仅可以吸收大量的水分，而且 其保水性能也相当强。高吸水树脂吸水后与水之间存在 3 种作用：水分子与高分子电负性强的 氧原子形成氢键结合；水分子与疏水基团的相互作用；水分子与亲水基团的相互作用。高吸水树脂的亲水基团周围存在 3 种水：结 合水、束缚水、自由水。其中结合水主要是通 过溶剂化、配位键或氢键在凝胶的内外表面结合 的水，束缚水是通过氢键或取向力与结合水连接 的另一种水，自由水与一般的液态水相同，主要 是靠高聚物的三维空间网络作用，将大量的自

4、由 水储存在吸水树脂的网络内。 高吸水树脂的吸水分几个阶段(图 1)。W 水分子；A 结合水；B 束缚水；C 自由水图 1 高吸水树脂的吸水机理Fig.1 Water-absorbing mechanism ofhigh water-absorbing resin最初阶段其吸水速率很慢，因为此时的吸水是通过毛细管吸附和分散作用来实现的，接着水 分子通过氢键与树脂的亲水基团作用，使之发生离解，阴离子固定在高分子链上，阳离子则可自 由移动。随着亲水基团的进一步离解，阴离子数目增多，离子之间的静电排斥力使树脂的网络扩 张；同时为了维持电中性，阳离子不能向外部溶剂扩散，导致阳离子在树脂网络内浓度增大，

5、于 是网络内外产生渗透压，水分进一步渗入。随着高分子骨架官能团10- 6s 10- 9s 10- 12sWWWA B C 27 谭德新等 高吸水树脂的应用吸水量的增大，网络内外的渗透压差趋向于零； 而网络扩张的同时，其弹性收缩力也在增加，逐渐抵消阴离子的静电排斥，最终达到吸水平衡。2 高吸水树脂的制备方法高吸水树脂的合成原理是自由基引发聚合，可分为亲水性单体均聚、共聚和接枝共聚，目前其传统合成方法主要有静置溶液聚合1113、反相 乳液聚合1415、反相悬浮聚合1617等，但是在这些方法中由于机械搅拌及助剂的加入，存在反应工艺繁琐、影响因素复杂等缺陷，因此产生了一些新的方法如：使用- 射线辐射引

6、发1819、紫外光辐射引发2021、微波辐射引发2224和超声引发25等方法合成高吸水树脂。其中微波辐射法和 紫外辐射法与传统方法相比具有反应时间短、运行费用低廉、安全高效和操作简便等优点，因而 受到广泛关注。而超声法作为一种高效、清洁、 简便的新方法也逐渐进入了人们研究的视野。近期，由颜荣华等人26探索研究的冷冻诱导 相分离法制备出了具有大孔结构的高吸水树脂。 这项研究在对提高树脂的吸水性和保水性上又提 供了一种新的方法。3 高吸水树脂的应用3.1 医药卫生中的应用高吸水树脂在卫生材料领域内的应用开发最 早，也最成熟。1979 年日本三洋化成公司最先 将高吸水树脂用于卫生巾、一次性婴儿尿布等

7、生理卫生用品，从而引起了吸水保水材料的广泛应用研究27。高吸水树脂不但可提高吸湿能力，而 且还能使卫生巾或尿布变得更薄、更轻，使用更 方便舒适。高吸水树脂吸水后形成的凝胶比较柔软，对 生物组织没有机械刺激作用。用高吸水树脂凝胶制作的柔软隐形眼镜，已经在市场上出售。这种 产品和坚硬隐形眼镜比较，其氧气透过性好，配戴者具有良好舒适感，可长时间使用。近年来， 高吸水树脂作为抗血栓材料的应用研究已取得了一定的进展。此外，应用高吸水树脂制造的其他 医用材料也不断出现。例如，高吸水树脂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2 8；用于制造人工玻璃体、人工角膜、人工皮

8、肤、人工血管、 人工肝脏、人工肾脏等人工器官29；用于人体埋入材料、保温保冷材料等医疗用品的生产和制造 中；用于制备含水量大、使用舒适的外用软膏等。高吸水树脂在医用材料方面的开发和应用，已受到全世界的关注，许多研究机构已在积极地开发研制中。3.2 农林及园艺中的应用很早以前就有人利用水溶性高分子与土壤结 合，改良土壤的团粒结构，增加透水性、透气性以达到提高农作物产量的目的。高吸水树脂问世后，许多研究者用它与土壤结合改善土壤团粒结构、改善土壤的保水性能和保温性能，这样既有利于作物生长，又可节约灌溉用水、减少灌溉次数30。日本鸟取大学砂丘利用研究组在砂地 20cm 深处放一层含有质量分数 0.1%

9、0.3% 吸水树脂作砂土的保水剂，种植菠菜等 5 种蔬菜。对比试验表明，使用保水剂可提高 23 倍的收获 量，并明显地减少了灌溉的费用31。在美国有 人把大豆和玉米的种子浸渍在高吸水树脂里，在 种子表面形成一层含水的薄层，一方面可提高种 子的发芽率，另一方面可缩短发芽时间，这对于 在干旱地区播种很有价值。Silberbush 等人32对 高吸水保水剂的应用研究表明，高吸水保水剂中 90% 以上的水分能被作物吸收利用，有的可在当 季维持 23 个月，有的可在土壤中维持有效作用 2 年以上。将高吸水保水剂配制成质量分数 0.4% 的凝胶撒入 l0l5cm 深的沙漠中，就可在其中种 植蔬菜和一般农作

10、物。赵小雯等人33的研究结果 表明，添加高吸水保水剂的土壤的累积水分蒸发 总量明显低于对照土样。在移植苗木时需长途运输，根部暴露的时间长，影响成活率。如在苗木根部加上一些吸水后的树脂，可提高苗木移植 的成活率，还可提高移植苗木的保存时间。 我国已把高吸水树脂在农业中的应用与推广定为重点科研项目，中国农业科学院栽培研究所在山西屯留等县定了10个示范点。通过试验让广 大农民认识高吸水树脂在保苗、抗旱及水土保持 等方面的巨大效能，从而大幅度地提高我国农业的经济效益。 3.3 建筑及化工中的应用 高吸水树脂用于混凝土中可提高混凝土的抗 压强度，并维持养护所需的水分。混凝土中加入少量高吸水树脂可以吸收并

11、保持大量的水分，然后慢慢释放出来，提供养护所需水分，减少洒水 次数，节省人力34，同时也增加混凝土破断强化学推进剂与高分子材料Chemical Propellants water absorption; water retentivity; applicationResearch Progress of Energetic Oligomer PlasticizersWANG Lian-xin, NIU Qun-zhao, CUI Xiao-jun, WANG Bo, FENG Han-xing(Liming Research Institute of Chemical Industry, Lu

12、oyang 471000, China)Abstract: Synthesis, properties and research progress of the energetic oligomer plasticizers of azido polyether type,nitrate polyether type and polyester type are reviewed. Energetic oligomer plasticizer is regarded as an important developmentdirection of the future plasticizer r

13、esearch.Key words: energetic plasticizer; oligomer; binder* * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * *拜耳公司关闭树脂装置拜耳材料科技公司称， 作为其全球重组计划的一 部分，它将于2009年年底停止在西佛吉尼亚州New Martinsville的聚酯、 聚氨酯分散

14、液和聚天门冬酸酯树脂的生产。这些产品被用于汽车、家具和建筑行 业。在这些关停中受到影响的 40 名员工将被调配 到拜耳公司的其他岗位。拜耳公司称，该处的工厂 总计有员工约 300 人，将继续生产聚氨酯原材料。于剑昆摘译自Chemical Week 2009, 171(20): 24* * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * *