A超吸水樹脂的研究進(jìn)展課件

LOGO超吸水樹脂的研究進(jìn)展Contents1.超吸水樹脂概述2.結(jié)構(gòu)及吸水機(jī)理3.分類及研究現(xiàn)狀4.實(shí)際應(yīng)用及展望1.1超吸水樹脂的定義超吸水樹脂（SuperAbsorbentPolymer，簡(jiǎn)稱SAP）,又叫水凝膠、超強(qiáng)吸水劑、保水劑、保濕劑，是一種含有羥基、羧基等強(qiáng)親水性基團(tuán)并具有一定交聯(lián)度的水溶脹型高分子聚合物，不溶于水也不溶于有機(jī)溶劑[1-3]。

1.2超吸水樹脂概況保水能力展示:即使受壓也不易失水1.3超吸水樹脂的發(fā)展[1,4]196119711978198321世紀(jì)淀粉接枝丙烯腈丙烯晴接枝淀粉或纖維素日本SAP工業(yè)化SAP應(yīng)用于紙尿布廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域2.1超吸水樹脂的結(jié)構(gòu)物理結(jié)構(gòu)低交聯(lián)度的三維網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)的骨架可以是淀粉、纖維素等天然高分子，也可以是合成樹脂?；瘜W(xué)結(jié)構(gòu)主鏈或接枝側(cè)鏈上含有羧基、羥基等強(qiáng)親水性官能團(tuán).超吸水樹脂結(jié)構(gòu)[5]2.1超吸水樹脂的結(jié)構(gòu)淀粉接枝丙烯酸呈海島型結(jié)構(gòu)纖維素接枝丙烯酰胺呈峰窩型結(jié)構(gòu)部分水解的聚丙烯酞胺樹脂則呈粒狀結(jié)構(gòu)從微觀結(jié)構(gòu)看：超吸水樹脂的微觀結(jié)構(gòu)呈多樣性[6]2.1超吸水樹脂的結(jié)構(gòu)多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)淀粉－聚丙烯酸鈉接枝聚合物模型圖2.2超吸水樹脂的吸水機(jī)理吸水機(jī)理[7,8]：超吸水性樹脂是由三維空間網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的高聚物,它的吸水,既有物理吸附,又有化學(xué)吸附。物理吸附：傳統(tǒng)的吸水性材料如棉花、紙張、海綿等,其吸水主要是毛細(xì)管的吸附原理,吸水能力不高,只能吸收自重的幾十倍的水,一旦施壓,水就逸出?；瘜W(xué)吸附：通過化學(xué)鍵的方式把水和親水性物質(zhì)結(jié)合在一起成為一個(gè)整體。此種吸附結(jié)合很牢,加壓也不會(huì)失水。2.2超吸水樹脂的吸水機(jī)理H2O（外）交聯(lián)點(diǎn)（內(nèi)）吸水劑微球吸水過程的體積變化示意圖[9]:吸水樹脂的離子型網(wǎng)絡(luò)2.3超吸水樹脂的性能表征吸水速率吸水倍率凝膠強(qiáng)度反復(fù)性吸鹽倍率保水性性能指標(biāo)3.1超吸水樹脂的分類[10,11]官能團(tuán)原料來源親水性交聯(lián)方法a.離子型b.非離子型a.淀粉類b.纖維素類c.合成類a.親水單體直

接聚合b.疏水性單體

羧甲基化c.疏水性聚合

物用親水單

體接枝d.腈基、酯基

水解a.用交聯(lián)劑

網(wǎng)

狀化反應(yīng)b.自身交聯(lián)網(wǎng)

狀化反應(yīng)c.輻射交聯(lián)d.在水溶性聚

合物中引入

疏水基團(tuán)或

結(jié)晶結(jié)構(gòu)3.1.1淀粉類[12-15]AdvantagesDisadvantages來源廣泛，產(chǎn)量巨大價(jià)格便宜吸水率高，通常千倍以上生物降解性，環(huán)境友好耐鹽堿性差凝膠強(qiáng)度小耐候性差易水解，使用壽命短3.1.1淀粉類淀粉糊化→冷卻→接枝共聚→加壓水解→冷卻→酸化→離心分離→中和→干燥→成品包裝淀粉類吸水樹脂的制備方法3.1.1淀粉類研究進(jìn)展：Prafulla等[16]以淀粉、甲基丙烯酸乙酯為原料，通過接枝共聚制備了一種可降解型高吸水性樹脂，經(jīng)過28天降解約70%。JunpingZhang等[17]采用丙烯酸接枝淀粉水溶液自由基聚合，由N,N′-亞甲基雙丙烯酰胺作為引發(fā)劑合成一種新型快速溶漲多孔超強(qiáng)吸水劑，該吸水劑比無孔的超吸水劑吸收能力大，吸水速度快。劉秀清等[18]用輻照引發(fā)淀粉接枝丙烯酸合成高吸水樹脂,結(jié)果表明其具有快速的吸水和儲(chǔ)水能力,吸水能力為去離子水達(dá)766mL/g,生理鹽水64mL/g,生物相容性好,且具有生物降解性。3.1.2纖維素類存在問題纖維素不能溶于一般溶劑纖維素類吸水樹脂可以在纖維素溶液中，通過氫鍵物理交聯(lián)形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)制得。但由于分子間和分子內(nèi)的氫鍵作用，這使得它不溶解于普通溶劑，所以制備纖維素吸水樹脂的主要問題是缺少合適的溶劑。3.1.2纖維素類解決問題破壞氫鍵，化學(xué)改性

一種是與纖維素發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成衍生物來達(dá)到溶解目的。一種是直接溶劑[23-26],即不與纖維素發(fā)生化學(xué)變化直接溶解纖維素。兩種方法[22]3.1.2纖維素類氫氧化鈉/尿素離子液體PF/DMSO聚甲醛/二甲基亞砜LiCl/DMAc（二甲基乙酰胺)NMMODMSO/TEAC纖維素主要溶劑體系3.1.2纖維素類研究進(jìn)展：HiroyukiKono等[27]將纖維素溶與LiCl/NMP(N-甲基吡咯烷酮)溶液中，通過與丁烷四羧酸（BTCA）簡(jiǎn)單的酯化交聯(lián)反應(yīng)，制備出生物可降解超吸水樹脂，改變BTCA的投料比，吸水率最高可達(dá)720g/g。ChunyuChang等[28]在NaOH/urea溶液中，用氯丙烷作為交聯(lián)劑，交聯(lián)CMC和纖維素，制備出溶脹比可控的超吸水樹脂。以纖維素作為骨架，CMC提供較高的溶脹比，得到的最大吸水率為1000g/g。3.1.2纖維素類Yoshimura等[29]以棉纖維和丁二酸酐為原料，制備了一種高吸水樹脂，可吸收水400g/g，且降解性能較好，自然條件下25天可基本完全降解。吳文娟等[30]以漂白漿板纖維素為原料，在最佳工藝條件下接枝丙烯酸制備的高吸水性樹脂，具有較好的吸水速率和保水性能，吸水倍率達(dá)550g/g，吸水后的樹脂，經(jīng)過重復(fù)吸水實(shí)驗(yàn)，仍具有吸水性，但隨著再生次數(shù)的增加，吸水性能遞減，該高吸水性樹脂屬于可降解型。周智敏等[31]采用水溶液聚合法，以親水性單體AM和陽(yáng)離子單體DMC(碳酸二甲酯)與CMC接枝共聚得到耐鹽高吸水性樹脂，研究了接枝共聚反應(yīng)條件對(duì)樹脂吸水性能的影響，得到了一種有實(shí)用價(jià)值的耐鹽好的高吸水性樹脂。3.1.3合成類研究進(jìn)展：蔡籌等[32]以丙烯酸為主要原料，采用先乳化后聚合的方式，制備具有多孔結(jié)構(gòu)的共聚物，然后進(jìn)行表面交聯(lián)處理得到吸水速度較快的高吸水性樹脂。王艷麗等[33]利用超聲引發(fā)合成了丙烯酰胺/2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AM/AMPS)高吸水性樹脂，并通過單因素實(shí)驗(yàn)得到最佳反應(yīng)條件下合成的樹脂吸蒸餾水倍率和吸生理鹽水倍率分別為1627及102倍。這是首次利用超聲輻射引發(fā)單體聚合制備高吸水性樹脂，對(duì)以后的研究具有重要的意義。3.1.3合成類Francisca等[34]用十二烷基甲基氯化銨將膨潤(rùn)土有機(jī)化,再與丙烯酸復(fù)合制得高吸水性樹脂,吸水倍率可達(dá)955g/g。Yasemin等[35]用丙烯酸和膨潤(rùn)土復(fù)合成高吸水性樹脂,并考察樹脂對(duì)Pb2+、Ni2+、Cd2+、Cu2+等重金屬離子溶液的吸附性,試驗(yàn)得到其吸附性分別為1666.6、270.2、416.6和222.2mg/g,具有良好的吸附重金屬離子性能。蔡培等[36]用SiO2與丙烯酸和丙烯酰胺復(fù)合制得高吸水材料對(duì)耐熱性和凝膠強(qiáng)度有較大的提高,并且在一定程度上增強(qiáng)了材料的吸水性能,吸水倍率為600g/g,溶液中吸液倍率為98.5g/g。3.2超吸水樹脂的制備方法傳統(tǒng)方法新技術(shù)

本體聚合

溶液聚合

反相懸浮聚合

反相乳液聚合

超聲引發(fā)

紫外光輻射引發(fā)

微波輻射引發(fā)

γ-射線輻射引發(fā)3.3超吸水樹脂的改性方法提高耐鹽性提高吸水速率提高凝膠強(qiáng)度1.同時(shí)引入離子基團(tuán)和非離子基團(tuán)2.以一定分子質(zhì)量且含親水基團(tuán)的物質(zhì)為交聯(lián)劑3.利用具有表面羥基和親水性等特點(diǎn)與SAP復(fù)合1.引入非離子基團(tuán)2.增加表面積3.SAP表面進(jìn)行親水改性1.對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行后處理，如表面交聯(lián)2.在SAP中引入無機(jī)礦物3.離子型SAP與非離子型共混4.1超吸水樹脂的應(yīng)用土壤保水劑生理衛(wèi)生用品水泥保濕劑醫(yī)藥緩釋電子工業(yè)包裝材料密封材料污水處理超吸水樹脂的應(yīng)用4.1.1生理衛(wèi)生用品制造生理衛(wèi)生用品是高吸水性樹脂應(yīng)用研究比較成熟的一個(gè)領(lǐng)域，也是目前最大的市場(chǎng)，約占總量的70%。其也可用于化妝品、洗滌劑、水性涂料等的增稠。4.1.2農(nóng)業(yè)、沙漠治理

由于高吸水性樹脂良好的吸水能力和保水性，農(nóng)業(yè)上用作土壤保水劑。只要在土壤中混入0.1%的高吸水性樹脂，土壤的干濕程度會(huì)得到很好的調(diào)節(jié)，使作物長(zhǎng)勢(shì)旺盛，節(jié)省勞力。同樣有效治理沙漠化。4.1.3電子工業(yè)中的應(yīng)用用高吸水性樹脂直接包覆電纜或制成帶子包覆電纜，可以防止水對(duì)電纜的侵害，目前在電力電纜和通訊電纜方面正在擴(kuò)大應(yīng)用，尤其是在光纖電纜方面有廣闊的市場(chǎng)。4.2超吸水樹脂的展望超強(qiáng)吸水樹脂在短短的三十多年時(shí)間里,無論從產(chǎn)品的種類及生產(chǎn)的數(shù)量,還是從應(yīng)用的情況來看,都獲得了巨大的發(fā)展。超強(qiáng)吸水樹脂的出現(xiàn)為婦女兒童帶來了福音,為病人減輕了痛苦;超強(qiáng)吸水樹脂的出現(xiàn)進(jìn)一步推動(dòng)了工農(nóng)業(yè)的發(fā)展;超強(qiáng)吸水樹脂的出現(xiàn)使人們能夠戰(zhàn)勝干旱,從而實(shí)現(xiàn)沙漠變成綠洲的理想。另外,超強(qiáng)吸水樹脂的應(yīng)用發(fā)展必將帶動(dòng)相關(guān)學(xué)科如醫(yī)學(xué)、生物工程學(xué)、生理衛(wèi)生學(xué)等學(xué)科的快速發(fā)展。超強(qiáng)吸水樹脂的發(fā)展已經(jīng)成為關(guān)系整個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和人民生活的大事?？梢哉f,凡是與水相關(guān)的領(lǐng)域,都是超強(qiáng)吸水樹脂發(fā)揮作用的場(chǎng)所,都有待于人們進(jìn)一步去開發(fā)應(yīng)用,以便創(chuàng)造出更加美好的未來。參考文獻(xiàn)[1]吳會(huì)梅,王文珍.高吸水樹脂研究進(jìn)展[J].河北化工，2006，1：24-26.[2]田巍,白福臣,李天一,等.高吸水樹脂的發(fā)展與應(yīng)用[J].遼寧化工，2009，38（1）：38-45.[3]陳明亮.高吸水性樹脂[J].廣州化學(xué)，2004，29（2）：57-66.[4]孫福強(qiáng),崔英德,尹國(guó)強(qiáng),等.超強(qiáng)吸水樹脂的應(yīng)用研究進(jìn)展[J].廣州化工，2002，30（4）：119-122.[5]盧潮陵.高吸水樹脂的研究現(xiàn)狀及其應(yīng)用前景[J].能源與環(huán)境，2011，2：7-9.[6]陳雪萍,翁志學(xué),黃志明.高吸水性樹脂的結(jié)構(gòu)與吸水機(jī)理[J].化工新型材料，2002,30(3):19-21.[7]林潤(rùn)雄,姜斌,黃毓禮.高吸水性樹脂吸水機(jī)理的探討[J].北京化工大學(xué)學(xué)報(bào)，1998，25（3）：20-25.[8]譚德新,王艷麗,修樂平.高吸水樹脂的應(yīng)用[J].化學(xué)推進(jìn)劑與高分子材料,2009,7(6):26-30.[9]惠建斌,趙博欣,劉會(huì)洲,等.和反應(yīng)、聚丙烯酸(鹽)與質(zhì)子敏感型智能水凝膠[J].化學(xué)通報(bào)，1999，7：50-53.[10]馬鳳國(guó),廖雙泉,周貴忠,等.超強(qiáng)吸水樹脂的吸水性能研究[J].高分子材料科學(xué)與工程，2002.18（5）：199-201.[11]薛峰,王芳平,修國(guó)華,等.高吸水樹脂的制備、應(yīng)用及發(fā)展前景[J].沈陽(yáng)化工，1995，4：17-21.參考文獻(xiàn)[12]吳建寧,劉志勇,孟桂花,等.淀粉接枝共聚高吸水樹脂的研究進(jìn)展及應(yīng)用[J].河北化工，2010，33（12）：5-14.[13]楊小玲,陳佑寧.淀粉-丙烯酸/聚丙烯酰胺復(fù)合吸水樹脂的制備及性能[J].應(yīng)用化工，2012，41（5）：427-429.[14]黃亞瓊,彭少賢,李龍.可生物降解超強(qiáng)吸水劑的研究進(jìn)展[J].化工新型材料，2011,39(4):9-17.[15]李銘杰,李仲謹(jǐn),諸曉鋒,等.天然高分子改性制備高吸水性樹脂研究進(jìn)展[J].化工進(jìn)展，2010，29（3）：573-578.[16]PrafullaK，SahooPradeepK，Rana．Synthesisandbiodegradabilityofstarch-g-ethylmethacrylate/sodiumacrylate/sodiumsilicatesuperabsorbingcomposite[J].J.Mater.Sci.，2006，41：6470-6475.[17]JunpingZhang,LiWang,AiqinWang.PreparetionandSwellingBehaviorofFast-SwellingSuperabsorbentHydrogelsBasedOnStarch-g-Poly(acrylicacid-co-sodiumacrylate)[J].MacromolecularMaterialsandEngineering,2006,291:612-620.[18]劉秀清,馮建,等.60Coγ射線輻照淀粉接枝丙烯酸制備高吸水樹脂[J].核農(nóng)報(bào),2010,2:196.[19]王艷.纖維素系高吸水樹脂的合成及種類[J].化工時(shí)刊,2010,24(12):48-50.參考文獻(xiàn)20]ChunyuChang,LinaZhang.Cellulose-basedhydrogels:Presentstatusandapplicationprospects[J].CarbohydratePolymers,2011,84:40-53.[21]高源,李帥,等.纖維素接枝丙烯酰胺高吸水樹脂的制備與表征[J].化工新型材料，2010，38：135-139.[22]劉會(huì)茹,劉猛帥，等.纖維素溶劑體系的研究進(jìn)展[J].材料導(dǎo)報(bào)A，2011,25:135-139.[23]付林林,李賀,任培兵,等.天然纖維素溶劑的研究進(jìn)展[J].河北化工，2010，33（9）：14-17.[24]ChunyuChanga,LingzhiZhanga,JinpingZhoua.StructureandpropertiesofhydrogelspreparedfromcelluloseinNaOH/ureaaqueoussolutions[J].CarbohydratePolymers,2010,82:122-127.[25]G.deMarcoLima.Characterisationofbacterialcellulosepartlyacetylatedbydimethylacetamide/lithiumchloride[J].MaterialsScienceandEngineeringC,2011,31:190-197.[26]DaisukeIshii,DaisukeTatsumi.Effectofsolventexchangeonthesupramolecularstructure,themolecularmobilityandthedissolutionbehaviorofcelluloseinLiCl/DMAc[J].CarbohydrateResearch,2008,343:919-928.參考文獻(xiàn)[27]HiroyukiKono,SayakaFujita.Biodegradablesuperabsorbenthydrogelsderivedfromcellulosebyesterificationcrosslinkingwith1,2,3,4-butanetetracarboxylicdianhydride[J].CarbohydratePolymers,2012,87:2582-2588.[28]ChunyuChang,BoDuan.Superabsorbenthydrogelsbasedoncelluloseforsmartswellingandcontrollabledelivery[J].EuropeanPolymerJournal,2010,46:92-100.[29]YoshimuraT，MatsuoK，F(xiàn)ujiokaR．Novelbiodegradablesuperabsorbenthydrogelsderivedfromcottoncelluloseandsuccinicanhydridesynthesisandcharacterization[J].JournalofAppliedPolymerScience，2006，99：