高吸水性树脂研究进展_夏世斌

Ｖｏｌ．４２Ｎｏ．１·１０·化　工　新　型　材　料

ＮＥＷ　ＣＨＥＭＩＣＡＬ　ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ第４２卷第１期

２０１４年１月

高吸水性树脂研究进展

，２

余云祥１，　张　义３　夏世斌１２＊

（武汉理工大学资源与环境工程学院，武汉４１．３００７０；

湖北省重点实验室，武汉４２．３００７０；

）中国科学院水生生物研究所淡水生态与生物技术国家重点实验室，武汉４３．３００７２

摘　要　分析了高吸水性树脂的吸水机理，总结了各类树脂的特点和不足，揭示了其应用领域和发展趋势。最后，结合国内外高吸水性树脂的研究状况，建议了高吸水性树脂的研究和发展方向。

关键词　高吸水性树脂，吸水机理，应用，进展

Ｒｅｓｅａｒｃｈａｄｖａｎｃｅｏｆｈｉｈｗａｔｅｒａｂｓｏｒｔｉｖｅｒｅｓｉｎ　　　　－　ｇｐ

１２３１２

ＹｕＹｕｎｘｉａｎｈａｎＹｉｉａＳｈｉｂｉｎ　　　Ｘ　ｇ　Ｚｇ　

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随着社会经济、科技的不断发展，高吸水性树　　近些年来，

）脂（作为一种新型功能的高分子材料ｓｕｅｒａｂｓｏｒｂｅｎｔｒｅｓｉｎ　　ｐｐ医疗、建筑、交通等社会生活的各个方面发挥着日益在农业、

同时重要的作用。由于它具有轻度的交联的三维网络结构，如羧基、磺酸基、酰胺基、羟其分子链上含有的强亲水性基团（

，基等）可让这种既不溶于水也不溶于有机溶剂的材料能快速

１］

。在吸收可达自重数百倍、吸收大量水分并膨润成凝胶状［

２］

。随着我国人甚至千倍的水分时，它还有极强的保水能力［

目前根据相关研究，影响树脂吸水能力主要有三大前提条件，

它们分别是：http:///
一、高吸水性树脂与水混合自由能；二、聚因素，

合物网络的弹性收缩能力；三、树脂内吸水固定离子。

其中它的结构主要由高分子骨架和吸水官能团这两部分构成的。高吸水性树脂的高分子骨架是具有一定交联度的网，络状结构（见图１）而吸水官能团则包括－ＣＯＯＨ和－ＣＯＯＮａ

等一系列亲水性基团。它的微观结构在不同的合成体系下呈

［］

现出不同的状态，ＮａｋａｍｕｒａＫ等５用ＤＳＣ，ＮＭＲ法分析树脂　

口的增加，耗地和水资源的相对减少，高吸水性树脂作为蓄水在种子包衣、苗木移栽、无土栽培等方面有着更为广阔材料，

］３４－。但是考虑到我国在高吸水性树脂方面的研的应用前景［

微观结构中水的结合状态，结果表明水在树脂中呈现三种状态，即不冻结结合水、冻结结合水、自由水，其中自由水占大部而分。这就表明了高吸水性树脂是高度扩展的网络状结构，网络结构内外的渗透压在树脂吸水中起到关键作用。

吸水材料在吸水过程中一般有两种主要的吸水方式：一种是通过材料表面的毛细管吸附及水分子的自由扩散作用来达到吸水的目的；另一种是水分子通过氢键与吸水材料中的亲水基团紧密结合，形成结合水。在高吸水性树脂的吸水过程中，这两种吸水方式都发挥了重要作用，而其超高的吸水量

６］

。首先，则主要是靠后一种吸水方式［水分子通过毛细管吸

同时其方向也比较单一，因此在树脂合成机理与究起步较晚，

吸水机理上还有很长的一段路要走。因此，笔者综述了国内并探究了其未来的发展趋势及外高吸水性树脂的研究现状，应用前景。

１　高吸水性树脂的吸水机理

高吸水性树脂的吸水原理是未来树脂分子设计及应用的

）；）基金项目：国家“十二五”科技支撑计划（污水处理环境功能材料研制及应用（资助２０１１ＢＡＣ０９Ｂ０２２０１３ＢＡＣ０１Ｂ０１，作者简介：余云祥（男，硕士研究生，研究方向：环境材料。１９８９－）

联系人：夏世斌，博士，教授，博士研究生导师，主要从事环境生物技术、废水与废弃物资源化新技术研究与开发。

第１期余云祥等：高吸水性树脂研究进展

·１１·

附作用和自由扩散作用开始慢慢进入树脂吸水体。当水分子其高分子网络是处于固态的束缚状态，离还未进入吸水体前，

子还没有电离成离子对。一旦水分子进入吸水体，其内的亲水性基团在水合作用下与水分子结合，高分子网络随即被激活。同时亲水基团开始离解，高分子网逐渐扩张，离子浓度差在层架间形成。通过内外渗透压差，水分子进一步向高分子

］７８－。伴随网内部渗透，直到网络内外的渗透压逐渐趋于平衡［

１３］

利、陈峰等［以Ｎ，过硫酸钾Ｎ′－亚甲基双丙烯酰胺为交联剂，

在微波辐照下合成了凹凸棒复合丙和亚硫酸氢钠为引发剂，

烯酸高吸水性树脂，并且研究了凹凸棒用量、微波反应功率和同时在极短反应时间等因素对高吸水树脂吸液性能的影响，

／，的反应时间里制备出了吸水倍率为１吸盐水倍率为２５０ｇｇ

１４］

／同时来水利、韩武军等［以丙烯酸（２１０ＡＡ）ｇｇ的树脂产品；

和丙烯酰胺（为原料，采用敞开体系快速水溶液聚合方ＡＭ）法，能在５大大降低了ｍｉｎ内使有机单体迅速聚合成高聚物，且省去通氮等步骤，简化了合成工艺，缩短反应过反应时间，程，降低了成本。

着吸水量的不断增多，水分子渐渐占满树脂内部低交联度的这时三维空间网络结构对于其内部的水三维空间网络结构，

分子的弹性束缚力也随之增加，当两者达到动态平衡时，高吸水性树脂就完成了吸水过程

。

２．３　可生物降解类树脂研究

随着人类社会经济的不断发展，环保观念日益深入人们的生活中，然而面对我国日益增长的高吸水性树脂的消费，那些大量废弃未得到妥善处置的树脂必然会造成环境污染问题。因此可生物降解的绿色环保树脂成为如今高吸水性树脂

［５］

研究领域中的一个热门方向。Ｙ以棉纤维和丁ｏｓｈｉｍｕｒａ等１

／，制备了一种高吸水树脂，吸水率可达４二酸酐为原料，００ｇｇ且降解性能较好，自然条件下２张小红５ｄ可基本完全降解；

１６］等［用土壤掩埋法和微生物降解法对聚丙烯酸盐海藻酸钠高

吸水性树脂进行了生物降解性能的研究，实验结果表明，树脂能被土壤和微生物较好的降解。树脂在土壤中埋置６０ｄ后降

图１　高吸水性树脂的离子网络

解率可达３而放置在芽孢杆菌培养液中６７．６％，０ｄ后的降解

１７］率则超过５湖南大学的贺倩、郭文迅［以丙烯酸接枝淀０％；

２　高吸水性树脂的研究进展

面对全球高吸水性树脂研究的迅猛发展，我国的研究与国外的先进水平仍存在一定的差距，但是我国的科研工作者经过不懈的努力也在高吸水性树脂研究的各个领域做出了不少贡献。

粉为基体，不饱和聚酯酰胺脲树脂为交联剂制备出一种可降解高吸水性树脂，该树脂不加任何光引发剂即可紫外光固化成膜，同时该高吸水性树脂的降解从表面开始，逐渐向里面降解。

２．４　复合类树脂研究

复合类树脂是材料研究的新方向，通过对高吸水性树脂不但可以降低树脂合成的成本，更能加强树脂的复合功能化，

［８］的性能与功效。如Ｃ将丙烯酸和二甲基二烯丙基氯ｈｅｎ等１

２．１　吸水机理研究

作为高吸水性树脂的理论研究，吸水机理为未来树脂反

９］

应机理和合成方向指明了前进道路。如张立颖、廖朝东等［

的共聚物接枝共聚到羧甲基壳聚糖中，制备了一种新型高吸并研究了该实验方法下的最佳的工艺条件和该产水性树脂，

］１９２０－

品在不同酸碱度下的吸水倍率；李杰，杨小敏等［分别研究

对高吸水性树脂的吸水机理提出了讨论并以机械活化淀粉和龙明策、王鹏、丙烯酸为原料对其吸盐性的性能进行了改进；

１０］

郑彤等［通过溶液热力学理论探究了高吸水性树脂溶胀热力

和制备了聚丙烯酸钾－高岭土、高岭土／ＡＭＰＳ－ＡＡ复合型的高吸水性树脂，通过对产品的实验研究，我们可以看出丙烯酸

２１］

与高岭土、云母、膨润土、滑石粉等［无机粉末制得的无机－有

学与吸水机理之间的联系，同时得出了亲水基离子产生的渗透压是吸水的动力因素，交联网状结构的存在是吸水的结构

［１］

因素的结论；在凝胶溶胀动力学方面，通过ＰｏｕｒａｖａｄｉＡ等１　ｊ

机复合材料，不但可降低生产成本，而且材料具有强度高、耐

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