高吸水性功能高分子要点课件

LOGO高吸水性高分子高吸水性高分子LOGO性能性能吸水机理吸水机理 主主要要内内容容简介简介应用应用合成方法合成方法制备制备背景背景展望展望1 背景背景吸吸水水材材料料传统吸水传统吸水材料材料高吸水性高分子高吸水性高分子医药卫生使用：脱脂棉、医药卫生使用：脱脂棉、海绵海绵日常生活中使用：餐巾、日常生活中使用：餐巾、毛巾毛巾水凝胶使用：冻胶、水凝胶使用：冻胶、明胶明胶传统吸水材料的缺点：1、吸水能力小,只能吸收自重几倍至几十倍的水；2、保水能力差，一加压就失水2 高吸水性高分子简介高吸水性高分子简介高吸水性高分子（Superabsorbent polymers，简称SAP，也叫高吸水性树脂，超强吸水机，高吸水性聚合物）是一种含有羧基、羟基等强亲水性基团的/水溶胀型的、含有一定交联度的高分子聚合物。v定义：定义：高吸水性高分子属于功能高分子材料，吸水能力特别强，吸水量为自重的几百倍至数千倍，保水性能优异，同时又具备高分子材料的优点,有良好的加工性能和使用性能。2 高吸水性高分子简介高吸水性高分子简介v吸水能力：受溶液离子浓度影响吸水能力：受溶液离子浓度影响原因：属于水凝胶，能够通过和水分子连接的氢键吸收溶液在去离子水和蒸馏水中:高吸水性高分子可以吸收500倍于本身重量（30-60倍于本身体积）0.9%盐水中，吸收能力下降到50倍于本身重量。溶液中的价态阳离子的出现会妨碍高分子与水分子形成价键的能力。v总吸收性和膨胀能力由和高分子的交联类型和交联度所控制总吸收性和膨胀能力由和高分子的交联类型和交联度所控制低密度交联高吸水性高分子通常具有较高吸水能力，并膨胀到比较大的程度。高交联密度的高分子显示出来低吸收能力和膨胀能力。胶的强度较强，能在适当的压力下保持颗粒的形状。2 高吸水性高分子简介高吸水性高分子简介v结构特点：结构特点：1）分子中具有强亲水性基团，如羟基、羧基等，聚合物分子能与水分子形成氢键或其他化学键，因此对水等强极性物质有一定表面吸附能力；2）聚合物为交联型高分子，在溶剂中一般不溶解，吸水后迅速溶胀，体积增大许多倍，由于水被包裹在呈凝胶状的分子网络内部，不易流失与挥发；3）高吸水性高分子材料一般具有特殊的立体结构，有利于吸水后保持一定的机械强度，保持水分；4）聚合物应该具有较高的分子量，分子量的增加，溶解度下降，吸水后的机械强度也增加，同时吸水能力也可以提高。2 高吸水性高分子简介高吸水性高分子简介v发展简史发展简史1960 1970 1980 1990 2000 1960 1970 1980 1990 2000 美国 C.R.Russe ll淀粉接枝丙烯腈美国和日本相继成功开发，品种、制造方法、性能及应用领域纤维素为原料1976 年 Hercules 公 司、Personal Products 公司等用丙烯腈接枝纤维素，得到了片状、粉末状和丝状产品西欧各国：各种类型的高吸水性树脂。同时市场需求也影响着厂商的技术转让。急速增长到平稳增长的过程，向精细化、功能化、智能化方向发展2 高吸水性高分子简介高吸水性高分子简介多种亲水基团系多种亲水基团系按亲水基团按亲水基团种类种类按原料按原料阴离子系阴离子系非离子系非离子系两性离子系两性离子系阳离子系阳离子系合成树脂类合成树脂类纤维素类纤维素类淀粉类淀粉类羧酸类、磺酸类、磷酸类羧酸类、磺酸类、磷酸类胺类、季胺类胺类、季胺类羧酸羧酸-季胺类、磺酸季胺类、磺酸-叔胺类叔胺类羟基类、酰胺基类羟基类、酰胺基类羟基羟基-羧酸类、羧酸类、羟基羟基-羧酸基羧酸基-酰胺基类、酰胺基类、磺酸基磺酸基-羧酸基类羧酸基类淀粉接枝、羧甲基化淀粉、淀粉接枝、羧甲基化淀粉、磷酸酯化淀粉、淀粉黄原酸盐磷酸酯化淀粉、淀粉黄原酸盐纤维素接枝、羧甲基化纤维素、纤维素接枝、羧甲基化纤维素、羟丙基化纤维素、黄原酸化纤维素羟丙基化纤维素、黄原酸化纤维素聚丙烯酸盐类、聚乙烯醇类、聚丙烯酸盐类、聚乙烯醇类、聚氧化烷烃类、无机聚合物类聚氧化烷烃类、无机聚合物类分分类类3 高吸水性高分子性能高吸水性高分子性能v吸水性能：吸水性能：所谓吸收能力是指树脂在溶液中溶胀和形成凝胶以吸收液体的能力。它可用饱和吸液量来表示,并含有两方面的意义：(1)树脂从接触表面吸入水分发生溶胀的能力(即吸水力)；(2)使被吸收的水分呈凝胶状并失去流动性的能力(即凝胶力)。通过改变高分子的组成和产品形状高分子的组成和产品形状可以有选择地获得上述两种吸收能力,从而设计出不同的产品。普通吸水材料的吸水能力仅为自重的数十倍,而高吸水性树脂可达数百倍至数千倍,最高可达 5300 倍。3 高吸水性高分子性能高吸水性高分子性能v保水能力：保水能力：所谓保水能力指的是吸水后的凝胶能保持其水溶液不离析状态的能力。高吸水性树脂一旦吸水溶胀形成水凝胶,即使加压也不易将水挤出。将吸水后的高吸水性树脂置于大气中,其水分蒸发速度比通常的水蒸发要慢得多,这一特性在土壤保湿剂方面很有用。高吸水性树脂的保水能力分加压保水性、加压保水性、热保水性、热保水性、在土壤的保在土壤的保水性水性等几种。3 高吸水性高分子性能高吸水性高分子性能v吸液速率：吸液速率：吸液速率是指单位质量的高吸水性树脂在单位时间内吸收的液体质量。吸液速率与其本身的化学组成及物理状态有关,如微粒的表面积、微粒的表面积、毛细管现象、毛细管现象、吸液时是否形成吸液时是否形成“粉团粉团”等等。一般表面积越大即微粒越小表面积越大即微粒越小,吸液速率越快吸液速率越快,但微粒过小则会形成“粉团”反会阻碍吸液。高吸水性树脂的吸液速率很高吸液速率很高,一般在几分钟至几分钟至半小时内半小时内吸收的液体已达饱和吸液量。3 高吸水性高分子性能高吸水性高分子性能v热稳定性：热稳定性：吸水树脂的热稳定性指两个方面,一方面是吸水剂被加热一定时间后再测其吸水性能是否发生改变；另一方面是指它吸水时加热,测定不同温度下的吸水能力。一般高吸水性树脂随加热温度的升高随加热温度的升高,加热时间的增加吸水能力都有加热时间的增加吸水能力都有一定程度的下降一定程度的下降,但在但在130130以下变化不是很大。以下变化不是很大。所以其热稳定性较好,而使用时一般温度都不高,所以适应性较广。3 高吸水性高分子性能高吸水性高分子性能v高吸水性凝胶所含水在土壤中的移动性：高吸水性凝胶所含水在土壤中的移动性：高吸水性树脂作土壤改良剂作土壤改良剂在和土壤混合的场合下,吸水凝胶的水分向土壤的移动也很重要。一般凝胶含水率越大凝胶含水率越大,水分移动的速度越快水分移动的速度越快,且到达的距离越远。且到达的距离越远。这方面的性能使高吸水性树脂在水量较多时能保存下来,而当环境缺水时,又可以将原来所吸水分释放出来。这在农业上、农业上、治理沙化治理沙化等方面有很好的应用前景。3 高吸水性高分子性能高吸水性高分子性能v吸氨能力：吸氨能力：高吸水性树脂是含羧基的阴离子物质,残存的羧基(约30%)往往使树脂显示弱酸性,并可吸收氨类等弱碱性物质。这一特性可将土壤中氮可将土壤中氮肥的利用率提高肥的利用率提高10%10%。3 高吸水性高分子性能高吸水性高分子性能v其他主要性能：其他主要性能：增粘性增粘性可获得比使用普通水溶性高分子系列增粘剂更高的粘度；重复吸液性指树脂吸液后干燥,再进行吸收仍可保持较高的吸液率,即树脂的再生树脂的再生。另外高吸水性树脂还具有粘着性、粘着性、选择吸收性、选择吸收性、缓释性及蓄热性缓释性及蓄热性等方面的性能。4 高吸水性高分子吸水机理高吸水性高分子吸水机理高吸水性树脂的离子网状结构高吸水性树脂亲水基团周围水的结构模型结构结构热力学理论热力学理论4 高吸水性高分子吸水机理高吸水性高分子吸水机理(1)Flory-Huggins热力学原理Q吸水倍数Ve/V0交联密度（1/2-x1）/V1对水的亲和力Vu单体单元的摩尔体积i/Vu固定在树脂上的电荷密度S外部溶液的电解质离子强度可简化为：可简化为：4 高吸水性高分子吸水机理高吸水性高分子吸水机理(2)溶液热力学原理2 高聚物的密度V1溶剂的摩尔体积Mc交联高聚物交联网络的大小 X1交联高聚物与溶剂的相互作用参数热力学理论热力学理论4 高吸水性高分子吸水机理高吸水性高分子吸水机理动力学理论动力学理论（t）t时刻的吸水倍率0Voigt 模型中的起始应力EVoigt 模型中弹簧的弹性模量0/E吸水过程中高分子自身扩散时受到的阻力0水渗透时所受到的阻力5 高吸水性高分子合成方法高吸水性高分子合成方法合合成成方方法法本体聚合本体聚合反相乳液聚合反相乳液聚合溶液聚合溶液聚合反相悬浮聚合反相悬浮聚合5 高吸水性高分子合成方法高吸水性高分子合成方法本体聚合法就是不加入其它介质,只有单体自身在引发剂或催化剂、热、光、辐射等作用下进行聚合的方法。自由基聚合、离子聚合、缩聚都可选用本体聚合。气态、液态、固态单体均可进行本体聚合。优点：方法简单,产品纯度高,可根据成型的要求制成多种形状缺点：（1）由于无散热介质,随着反应的进行,反应热难以排除,加之凝胶效应,易造成局部过热,严重者发生爆聚（2）反应产物粘度很高,易凝聚成固体,反应产物不易出料。本体聚合法已很少采用。本体聚合本体聚合5 高吸水性高分子合成方法高吸水性高分子合成方法溶液聚合溶液聚合溶液聚合法是将单体和添加剂溶于适当溶剂中,经光照或加热、辐射、引发剂(或催化剂)的作用而进行聚合的方法。优点：操作简便,适于较大规模生产缺点:单体浓度较低,聚合反应速率较慢；聚合物分子量较低,颗粒分布不均匀,吸水倍率低,防潮性和流动性较差；溶剂分离回收费用高,固体聚合物出料困难溶液聚合法较为成熟,应用广泛。5 高吸水性高分子合成方法高吸水性高分子合成方法反相悬浮聚合反相悬浮聚合反相悬浮聚合法是以油相作为分散介质,借剧烈搅拌和悬浮剂的作用,使水溶性单体和引发剂分散成水相液滴悬浮于油相中进行聚合的方法。悬浮聚合体系由单体、油溶性引发剂、水、分散剂四个基本组分组成。优点：易排除聚合热,聚合过程稳定,操作方便,产品分子量较高,成粒状,吸水、耐盐、防潮性较好,后处理简单缺点：原料成本高,聚合过程采用间歇式生产,效率较低,难以实现工业化生产5 高吸水性高分子合成方法高吸水性高分子合成方法反相乳液聚合反相乳液聚合反相乳液聚合法是指水溶性单体在油性介质中借助乳化剂的作用,并经强烈搅拌或振荡分散成乳液状态而进行聚合的方法。主要特点:单体是亲水性或水溶性物质；乳化剂采用油包水型；引发剂为油溶性；聚合速率与产品分子量同时提高；粒径较小；最终产物可以是乳液,也可破乳制成微粒粉末。6 常见高吸水性高分子的制备常见高吸水性高分子的制备淀粉系高吸水性高分子淀粉系高吸水性高分子淀粉系高吸水性高分子的合成是按自由基型或离子型接枝共聚机理进行。在引发剂存在下或辐射作用下，淀粉变成自由基，并与乙烯类单体反应生成淀粉大分子自由基，继而再与乙烯类单体进行链增长、链终止反应，从而得到淀粉类高吸水性高分子。常见的有淀粉接枝丙烯腈类高吸水性高分子、淀粉接枝丙烯酸类高吸水性高分子、淀粉接枝丙烯酰胺类高吸水性高分子、淀粉接枝丙烯酸酯类高吸水性高分子。6 常见高吸水性高分子的制备常见高吸水性高分子的制备淀粉系高吸水性高分子淀粉系高吸水性高分子淀粉接枝丙烯腈类高吸水性树脂制备工艺过程6 常见高吸水性高分子的制备常见高吸水性高分子的制备纤维素系高吸水性高分子纤维素系高吸水性高分子纤维素原料来源广，能与大量低分子反应。但天然纤维素的吸水能力不强，为了提高其性能，主要通过化学反应使其具有更强或者更多的亲水基团，而且仍要保持其纤维状态，以保证其较大的表面积和多毛吸管性。Christian等采用柠檬酸作交联剂，与羟甲基纤维素钠和羟乙基纤维素发生交联反应来制备高吸水性树脂，其吸水率为900g/g。采用该方法来制备吸水性树脂，既可以降低成本，又可以避免产生有毒的中间体。6 常见高吸水性高分子的制备常见高吸水性高分子的制备合成系高吸水性高分子合成系高吸水性高分子合成系高吸水性树脂是指完全采用合成的分子结构形成的树脂。常用的亲水性单体有丙烯酸、丙烯酰胺等具有活性双键的物质，也有采用聚乙二醇、聚乙烯醇等亲水性高分子进行的接枝共聚。合成系高分子可以根据性能需要，比较方便地调整结构，实现吸水性能。7 高吸水性高分子的应用高吸水性高分子的应用卫生用品卫生用品：婴儿襁褓、纸尿布、止血栓、汗毛巾农林园艺及荒漠化治理：农林园艺及荒漠化治理：土壤保水和种子包衣；改善土壤团粒结构并增加土壤的透气性生物医药生物医药：用于制备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；用于接触眼镜、人体埋入材料、保温保冷材料等医疗用品；用于制造人工玻璃体、人工角膜、人工皮肤、人工血管、人工肝脏、人工肾脏等人工器官；用于保持部分被测液的医用检验试片；用于制备含水量大、使用舒适的外用软膏污水处理污水处理：有效去除工业废水中的有毒重金属离子，回收贵金属离子和过渡金属离子8 展望展望随着应用领域的拓广以及环境意识、资源意识的增强，现有的高吸水性树脂不能满足要求或存在环保、资源等方面的问题。为此，目前高吸水性树脂研究的发展主要有以下几个方面:（1 1）生产工艺的改善）生产工艺的改善（2 2）相关理论研究）相关理论研究（3 3）树脂的复合化）树脂的复合化（4 4）利用天然可再生资源为原料）利用天然可再生资源为原料（5 5）生物降解性）生物降解性随着对高吸水性树脂的理论研究和应用开发的不断推进,高吸水性树脂的生产将会带来明显的经济效益和社会效益。LOGO