[科普中国]-高吸水性高分子

高吸水性高分子材料主要指高吸水性树脂，又称为超级吸水剂。在日常生活中能吸收水分的物质很多，包括合成产品和天然产物，如聚氨酯海绵、棉花、手纸等高分子材料。它们能够吸收水分最高可达自身重量的数百倍，是非常好的吸水性材料。

发展情况高吸水性高分子材料是指其吸水能力至少超过自身重量数百倍的特殊吸附性树脂，能够表现出超强的吸水能力，是一种重要的功能高分子材料。最早的高吸水性高分子材料是在1974年由美国农业部的研究人员首先研制的，并首先用于农业上的保水和制造纸尿裤和妇女卫生巾。高吸水性树脂已经开发出淀粉衍生物系列、纤维素衍生物系列、甲壳质衍生物系列、聚丙烯酸系列和聚乙烯醇系列等。近年来由于其重要的应用价值，各国都在研究和开发方面投入大量人力和物力，在科研和生产方面都取得了快速发展，到2000年为止，全世界的年产量已经超过百万吨，我国国内的市场需求量在2005年也将达到3万吨以上。当前高吸水性树脂已经成为重要的工业产品，已经有各种商品出售。高吸水树脂的研究开发以美国和日本处于领先地位，我国在这方面的研制工作起步较晚，但是已有一些科研单位和高等院校在这一领域取得一批研究成果。1

分类高吸水性树脂从其原料角度出发主要分为两类，即天然高分子改性高吸水性树脂和全合成高吸水性树脂。前者是指对淀粉、纤维素、甲壳质等天然高分子进行结构改造得到的高吸水性材料。其特点是生产成本低、材料来源广泛、吸水能力强，而且产品具有生物降解性，不造成二次环境污染，适合作为一次性使用产品。但是产品的机械强度低，热稳定性差，特别是吸水后的性能较差，不能应用到诸如吸水性纤维、织物、薄膜等场合。淀粉和纤维素是具有多糖结构的高聚物，最显著的特点是分子中具有大量羟基作为亲水基团，经过结构改造后还可以引入大量离子化基团，增加吸水性能。后者主要指对聚丙烯酸或聚丙烯腈等人工合成水溶性聚合物进行交联改造，使其具有高吸水树脂的性质。特点是结构清晰、质量稳定、可以进行大工业化生产，特别是吸水后的机械强度较高，热稳定性好。但是生产成本较高，而吸水率偏低。常见的合成高吸水树脂类主要有聚丙烯酸体系、聚丙烯腈体系、聚丙烯酰胺体系和改性聚乙烯醇等。在结构上多以羧酸盐基团作为亲水官能团，聚合物具有离子性质，吸水能力受水中盐浓度的影响较大。以羟基、醚基、氨基等作为亲水官能团的树脂属于非离子型，吸水能力基本不受盐浓度的影响，但其吸水性能较离子型低很多。

从材料的外型结构上来说，已经有粉末型、颗粒型、薄膜型、纤维型等高吸水产品，其中纤维型和薄膜型材料具有使用方便，便于在特殊场合使用的特点。高吸水树脂由于采用原料不同，制备方法各异，产品牌号繁多，单从产品名称上不易判断其结构归属。1

结构特点高吸水性高分子材料之所以能够吸收高于自身重量数百倍，甚至上千倍的水分，其特殊的结构特征起到了决定性的作用。作为高吸水性树脂从化学结构上来说主要具有以下特点。

(1)树脂分子中具有强亲水性基团，如羟基、羧基等。这类聚合物分子都能够与水分子形成氢键，因此对水有很高的亲和性，与水接触后可以迅速吸收并被水所溶胀。

(2)树脂具有交联型结构，这样才能在与水相互作用时不被溶解成溶液。事实上用于制备高吸水性树脂的原料多是水溶性的线型聚合物，如果不经过交联处理，吸水后将部分成为流动性的水溶液，或者形成流动性糊状物，达不到保水的目的。而经过适度交联后，吸水后树脂仅能够迅速溶胀，不能溶解。由于水被包裹在呈凝胶状的分子网络内部，在液体表面张力的作用下不易流失与挥发。

(3)聚合物内部应该具有浓度较高的离子性基团，大量离子性基团的存在可以保证体系内部具有较高的离子浓度，从而在体系内外形成较高的指向体系内部的渗透压，在此渗透压作用下，环境中的水具有向体系内部扩散的趋势，因此，较高的离子性基团浓度将保证吸水能力的提高。

(4)聚合物应该具有较高的分子量，分子量增加，吸水后的机械强度增加，同时吸水能力也可以提高。

作用机制高吸水性树脂之所以能够吸收大量水分而不流失主要是基于材料亲水性、溶胀性和保水性等性质的综合体现。具有较高吸水能力的高吸水性树脂均含有强亲水性基团并具有比较高的离子浓度，而且经过一定程度的交联。其吸水过程主要经过以下几个步骤。

(1)首先由于树脂内亲水性基团的作用，水分子与亲水性基团之间形成氢键，产生强相互作用进入树脂内部将树脂溶胀，并且在树脂溶胀体系与水之间形成一个界面，这一过程与其他交联高分子的溶胀过程相似。

(2)进入体系内部的水将树脂的可解离基团水解离子化，产生的离子(主要是可移动的反离子)使体系内部水溶液的离子浓度提高，这样在体系内外由于离子浓度差别产生渗透压，此时，渗透压的作用促使更多的水分子通过界面进入体系内部。由于聚合物链上离子基团对可移动反离子的静电吸引作用，这些反离子并不易于通过扩散转移到体系外部，因此，渗透压得以保持。

(3)一方面随着大量水分子进人体系内部，聚合物溶胀程度不断扩大，呈现被溶解趋势；另一方面，聚合物交联网络的内聚力促使体系收缩，这种内聚力与渗透压达到平衡时水将不再进入体系内部，吸水能力达到最大化。水的表面张力和聚合物网络结构共同作用，吸水后体系形成类似凝胶状结构，吸收的水分呈固化状态，即使在轻微受压时吸收的水分也不易流失。在这一点上与常规吸水材料的外部吸水模式明显不同。

高吸水树脂达到平衡时的吸水量被称为最大吸水量。为了便于测量，有时也用24h吸水量来代替最大吸水量，用来衡量树脂的吸水能力。单位时间进入体系内部的水量被称为吸水速度，是衡量吸水树脂工作效率的指标。2

影响因素(1)树脂化学结构的影响作为高吸水性树脂，结构中含有亲水性基团是首要条件，只有含有强亲水性基团才能使水与聚合物分子间的相互作用大于聚合物分子间的相互作用，使聚合物容易吸收水分而被水溶胀。多数高吸水性树脂在结构内部都含有大量的羟基和羧基等亲水性基团就是基于上述理由。不过要使树脂能够吸收超过自身重量几百倍甚至上千倍的水，仅靠亲水性基团是不够的。第二个结构因素是分子内要含有大量可离子化的基团，从而在溶胀后可以提供较大渗透压，这也是制备高吸水量树脂的必备条件。以纤维素类高吸水性树脂为例，经过碱性处理后可以使大量羟基和衍生化后引入的羧基离子化就是出于上述目的。因此可以说，高吸水性树脂具有强亲水性和可离子化基团等化学结构是高吸水的重要前提条件。通常情况下高吸水性树脂中含有上述基团的数目与其吸水性能成正比。

(2)聚合物链段结构的影响 仅仅有上述两个结构条件还不能构成高吸水性高分子，因为还必须解决如何保水的问题，才能够将大量吸收的水分不易流失。事实上大量的含有上述结构的水溶性聚合物和水溶性小分子没有大量吸水能力就是证据。适度交联结构使亲水性树脂在水溶液中仅能溶胀不能溶解是高吸水性树脂的第二个必要条件。所有的高吸水性树脂都是由线型水溶性聚合物经过适度交联制备的。交联主要起两方面的作用，首先是保证聚合物不被水所溶解，其次是为保持吸收的水分提供封闭条件，并为溶胀后的水凝胶提供一定机械强度。一般来说，交联度越高，机械强度越好。但是，在一定范围内，高交联度将限制溶胀程度，因此交联度与最大吸水量成反比。如何平衡上述两个因素是制备高吸水性树脂考虑交联度时的主要目的。

(3)外部影响因素 对于高吸水性树脂吸水性能的外部影响因素主要是水溶液的组成和温度、压力等。水的组成中最重要的是盐的浓度，因为从上面分析中我们已经知道，最大吸水量是聚合物网络内聚力与体系内外渗透压之间平衡的结果。水中如果存在盐成分，盐浓度将直接降低渗透压差，导致最大吸水量下降。盐浓度越高，最大吸水量下降越大。虽然对于耐盐型高吸水型树脂的研究也取得了一定进展，主要采用黄胶原与丙烯酸酰胺共聚，对于0.9%食盐水的吸附能力可达623倍，但是仍大大小于对纯水的吸附量。此外，由于某些高吸水性树脂易于水解，因此，考虑到树脂的稳定性，水溶液的酸碱度也是重要的影响因素。温度和压力对吸水指标的影响是可以预见的，因为外界压力将直接叠加到聚合物网络内聚力上，压力增加显然对最大吸水量不利。环境温度会影响水的表面张力，将对树脂的保水能力产生影响。2

本词条内容贡献者为:

曹慧慧 - 副教授 - 中国矿业大学