超高吸水性材料结构与性能共52页
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高吸水性高分子材料
2．聚丙烯晴系树脂。这类树脂是由丙烯晴 纤维用碱皂化其表面层，再用甲醛交联而 得到的。晴纶废丝水解后用Al(OH) 得到的。晴纶废丝水解后用Al(OH)3交联的 产物也属此类。后者的吸水能力可达自身 重量的700倍，而且成本低廉。 重量的700倍，而且成本低廉。
3．聚乙烯醇系树脂。这是用聚乙烯醇与粉状 酸酐(如顺酐等) 酸酐(如顺酐等)反应制备改性聚乙烯醇高吸水性 树脂的方法，顺酐溶解在有机溶剂中，然后加入 聚乙烯醇粉末，加热搅拌进行非均相反应，使聚 乙烯醇上的部份羟基酯化并引入羧基，然后用碱 处理得到高吸水性的改性聚乙烯醇树脂。改变反 应条件可控制树脂的交联密度，从而改变树脂的 特性，制备不同吸水能力的树脂。
4．聚环氧乙烷系水能力不高( 得到的高吸水性树脂虽然吸水能力不高(为 自身重量的几十倍) 自身重量的几十倍)，但它是非电解质．耐 盐性强，对盐水几乎不降低其吸水能力。
5．其它非离子型合成树脂。近年来开发 出了以羟基、醚基、酰胺基为亲水官能团 的非离子型高吸水性树脂。如将聚乙烯醇 水溶液辐射交联，得到含羧基的吸水性树 脂；将丙烯酰胺、甲叉双丙烯酰胺的水溶 液辐射交联或用引发剂引发聚合，获得了 酰胺基非离子型吸水性村脂。这类树脂吸 水能力较小．一船只能达到50倍。它们通 水能力较小．一船只能达到50倍。它们通 常不作为吸水材料用，而是作为水凝胶用 于入造水晶体和酶的固定化方面。
一、高吸水性树脂的分类及制备
高吸水性树脂种类很多，可以从不同角度 进行划分。如按亲水性分类，按交联方法分 类，按制品形态分类等，从合成反应类型的 角度可分为接枝共聚、羟甲基化及水溶性高 分子交联三种。但一般最常见的是按原料组 成分类：有天然高分子类及合成树脂类。
天然类 改性淀粉，纤维素，壳聚糖 合成类 1．聚丙烯酸系树脂 2．聚丙烯晴系树脂。 3．聚乙烯醇系树脂。 4．聚环氧乙烷系树脂。 5．其它非离子型合成树脂。
第八章超强吸水高分子材料
NH2CH3OH、R-NH(CH3)2OH 和RN(CH3)3OH等氢氧型阴离子交换树脂
第八章超强吸水高分子材料
阴离子交换树脂
在交联苯乙烯分子中的苯环上引入季铵碱基，则得到 阴离子交换树脂：
P
HCZHnOC2， l HCPl
交联苯乙烯
CH2Cl N(C3)H3 P
NaOH P
CH2N+(C3H)3OH-
非离子型吸附树脂
第八章超强吸水高分子材料
第八章超强吸水高分子材料
第八章超强吸水高分子材料
第八章超强吸水高分子材料
应用举例
（1）有机物的分离 由于吸附树脂具有巨大的比表面，不同的吸附树
脂有不同的极性，所以可用来分离有机物。例如，含 酚废水中酚的提取，有机溶液的脱色等等。
第八章超强吸水高分子材料
• 大孔型
树脂内部有永久微孔；不需溶胀的状态也
可使用
第八章超强吸水高分子材料
弱酸型阳离子大孔树脂 凝胶树脂
第八章超强吸水高分子材料
制备
• 一般采用常规的悬浮聚合方法
第八章超强吸水高分子材料
大孔型树脂母体的制备 大孔型树脂母体主要是通过在共聚单体中添加致
孔剂的方法制备的。一般合成过程如下
致孔剂通常是一类不参与聚合，能与单体混溶，使 交联共聚物溶胀或沉淀的有机溶剂。 聚合过程中， 致孔剂分布在单体及已聚合的共聚物中。随着聚合 转化率提高，油珠逐渐固化。聚合反应完成后，用 水蒸气蒸馏或溶剂提取方法除去致孔剂，结果留下 孔穴，形成具大孔第结八章构超强的吸水球高分状子材树料 脂母体。
强碱性阴离子交换树脂 水处理剂?
CH2N+(C3H)3Cl-
阴离子交换树脂——能交换阴离子的离子交换 树脂。
第八章超强吸水高分子材料
阴离子交换树脂
在交联苯乙烯分子中的苯环上引入季铵碱基，则得到 阴离子交换树脂：
P
HCZHnOC2， l HCPl
交联苯乙烯
CH2Cl N(C3)H3 P
NaOH P
CH2N+(C3H)3OH-
非离子型吸附树脂
第八章超强吸水高分子材料
第八章超强吸水高分子材料
第八章超强吸水高分子材料
第八章超强吸水高分子材料
应用举例
（1）有机物的分离 由于吸附树脂具有巨大的比表面，不同的吸附树
脂有不同的极性，所以可用来分离有机物。例如，含 酚废水中酚的提取，有机溶液的脱色等等。
第八章超强吸水高分子材料
• 大孔型
树脂内部有永久微孔；不需溶胀的状态也
可使用
第八章超强吸水高分子材料
弱酸型阳离子大孔树脂 凝胶树脂
第八章超强吸水高分子材料
制备
• 一般采用常规的悬浮聚合方法
第八章超强吸水高分子材料
大孔型树脂母体的制备 大孔型树脂母体主要是通过在共聚单体中添加致
孔剂的方法制备的。一般合成过程如下
致孔剂通常是一类不参与聚合，能与单体混溶，使 交联共聚物溶胀或沉淀的有机溶剂。 聚合过程中， 致孔剂分布在单体及已聚合的共聚物中。随着聚合 转化率提高，油珠逐渐固化。聚合反应完成后，用 水蒸气蒸馏或溶剂提取方法除去致孔剂，结果留下 孔穴，形成具大孔第结八章构超强的吸水球高分状子材树料 脂母体。
强碱性阴离子交换树脂 水处理剂?
CH2N+(C3H)3Cl-
阴离子交换树脂——能交换阴离子的离子交换 树脂。
高吸水性高分子材料
CH2OH O
O
O
OH
OH
Ce4+
CH2OOH
O
O
OH
Ce4+ OH 络合物
丙烯腈
淀粉
CH2 CH CN
NaOH H2O
CH2OOH O OH H O
HO
CH2OOH
O OHH O
O OHΒιβλιοθήκη Ce3+ H+
淀 粉 CH2 CH CH2 CH COONa CONH2
这种树脂吸水率高，可达自身重量千倍以上，但长期保水性和耐热性较差。
•。
高吸水性树脂的分子结构和吸水 机制
• 多数高吸水性树脂实际上是具有一定交 联度的高分子电解质，可以用电解质的 离子网络理论来解释，即在高分子电解 质的立体网络构造的分子间存在可移动 的离子对，由于显示高分子电解质电荷 吸引力强弱的可移动离子的浓度在高吸 水性树脂内侧往往比外侧高，即产生渗 透压，正是由于这种渗透压及水平高分 子电解质之间的亲合力，从而产生异常 的吸水现象。
• （4）聚环氧乙烷系：聚环氧乙烷交联得到 的高吸水性树脂吸水能力不高，一般几十 倍，但它是非电解质，耐盐性强，对盐水 几乎不降低其吸水能力，前面我们说的吸 水多少倍都是指去离子水或蒸馏水，如果 是盐水，其吸水能力大打折扣，下降幅度 甚至十倍以上。
• （5）其它非离子型合成树脂：近年来，开 发出了以羟基、醚基、酰胺基为亲水官能 团的非离子型高吸水性树脂，但这类吸水 性树脂吸水能力较小，一般只能达到50倍 左右，通常不做高吸水材料，而是作为水 凝胶使用，用于入造水晶体和酶的固定化 方面。
• 制备方法：淀粉和丙烯腈在引发剂存在下 进行接枝共聚，聚合产物在强碱存在下加 压水解，接枝的丙烯腈变成丙烯酰胺或丙 烯酸盐，干燥后即获得产品。
高吸水性材料的研究
高吸水性材料的研究摘要：高吸水性树脂是一种新型的功能性高分子材料，由于它能吸收自身质量几百至几千倍的水，且吸水膨胀后生成的凝胶具有优良的保水性，因此在生理卫生用品、土木建筑、农业、食品、医药等方面具有广阔的应用前景。
本文介绍了高吸水性树脂的分类、吸水机理、制备方法及应用，并对高吸水性树脂的发展前景作了展望。
关键词：高吸水性树脂；机理；制备方法；应用。
前言：高吸水性树脂（简称SAR）是一种典型的功能高分子材料。
它能吸收其自身重量数百倍、甚至上千倍的水，并具有很强的保水能力的高分子材料，所以它又成为超强吸水剂或高保水剂。
从化学结构上来讲，高吸水性树脂是具有许多亲水基团的低交联度或部分结晶的高分子聚合物。
［1］1、高吸水性树脂的吸水机理1.1高吸水性树脂的吸水结构高吸水性树脂是一种三维网络结构，它不溶于水而大量吸水膨胀形成高含水凝胶。
高吸水性树脂的主要性能是具有吸水性和保水性。
要具有这种特性，其分子中必须含有强吸水性基团和一定的网络结构，即具有一定的交联度。
实验表明：吸水性基团极性越强，含量越多，吸水率越高，保水性也越好。
而交联度需要适中，交联度过低则保水性差，尤其在外界有压力时水很容易脱去；交联度过高，虽然保水性好，但由于吸水空间减少，使吸水率明显降低。
1.2高吸水性树脂吸水量的计算高吸水性树脂的吸水量可以量化。
Flory［4］考虑聚合物中固定离子对吸水能力的贡献，从聚合物凝胶内外离子浓度差产生的渗透压出发，导出了高吸水性树脂溶胀平衡时的最大吸水性公式：Q 3/5=[（i/2VuS�~ 1/2）2+(1/2-x1)/V 1]/（Ve/Vo）1.3高吸水性树脂与水的作用方式当水与高聚物表面接触时，有三种相互作用：一是水分子与高分子中的电负性强的氧原子间的氢键作用；二是水分子与疏水基团间的相互作用；三是水分子与亲水基团间的相互作用。
［6］高吸水性树脂本身具有的亲水基和疏水基与水分子相互作用形成水合状态。
三章超高吸水材料讲课资料
2020/5/13
• 2、历史： • 1969年美国Fanta等用丙烯腈对淀粉接枝后水解
，得到一种吸水能力为自重数百倍的聚合物，从 而开发了一种新型高分子材料—高吸水性树脂。 • 1974年N.W.Taylor等研究了淀粉接Байду номын сангаас丙烯腈水解 物的性质和性能，发现它吸水后是凝胶颗粒的堆 积，有许多性质与聚电解质不同，该超吸水剂由 美国的Grafn processing Co研制成产品， 1974年进入市场，得到广泛地应用。
• 吸水基种类：强电解质， 如SO3Na(k)、COONa(k)
• 吸水基的数量和分布：数量越多越好； 分布越均匀越好。
2020/5/13
• 2. 性能： 吸水能力 保水能力（对水的束缚能力） 抗盐能力 稳定性
• ⑴吸水能力： 以每克吸水剂能吸收水的克数表示， 或以吸水的重量是其自身重量的倍数表示。
第三章 超高吸水性材料
2020/5/13
吸水树脂
2020/5/13
• 彩色花泥
2020/5/13
2020/5/13
吸水材料很早就有，如脱脂棉、硅胶、海绵等， 这些传统的吸水材料有局限： （1）吸水率只有自身重的20-40倍左右，远不能 满足人们的需要； （2）这些材料吸水后，一旦受到外力的作用（如 挤、压）就很易脱水。
2020/5/13
１、由淀粉接枝丙烯腈水解制备
淀粉：
C H2O H
O 是螺旋
结构
O
HO O H n O n > 1000
状结构
加水混合 O 加热煮沸
C H2O H
O OH
O
n
变成线 型结构
OH
CH2OH O
OH O
• 2、历史： • 1969年美国Fanta等用丙烯腈对淀粉接枝后水解
，得到一种吸水能力为自重数百倍的聚合物，从 而开发了一种新型高分子材料—高吸水性树脂。 • 1974年N.W.Taylor等研究了淀粉接Байду номын сангаас丙烯腈水解 物的性质和性能，发现它吸水后是凝胶颗粒的堆 积，有许多性质与聚电解质不同，该超吸水剂由 美国的Grafn processing Co研制成产品， 1974年进入市场，得到广泛地应用。
• 吸水基种类：强电解质， 如SO3Na(k)、COONa(k)
• 吸水基的数量和分布：数量越多越好； 分布越均匀越好。
2020/5/13
• 2. 性能： 吸水能力 保水能力（对水的束缚能力） 抗盐能力 稳定性
• ⑴吸水能力： 以每克吸水剂能吸收水的克数表示， 或以吸水的重量是其自身重量的倍数表示。
第三章 超高吸水性材料
2020/5/13
吸水树脂
2020/5/13
• 彩色花泥
2020/5/13
2020/5/13
吸水材料很早就有，如脱脂棉、硅胶、海绵等， 这些传统的吸水材料有局限： （1）吸水率只有自身重的20-40倍左右，远不能 满足人们的需要； （2）这些材料吸水后，一旦受到外力的作用（如 挤、压）就很易脱水。
2020/5/13
１、由淀粉接枝丙烯腈水解制备
淀粉：
C H2O H
O 是螺旋
结构
O
HO O H n O n > 1000
状结构
加水混合 O 加热煮沸
C H2O H
O OH
O
n
变成线 型结构
OH
CH2OH O
OH O
高吸水性高分子材料
CH2=CHCOOH
CH2=CHCOONa
加交联剂得网状结构
14
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
吸水机理
• 基于高分子电解质的离子网络理论：在高 分子电解质的立体网络构造的分子间，存 在可移动的离子对，由于显示高分子电解 质电荷吸引力强弱的可移动离子浓度，在 高吸水性树脂的内侧比外侧高，即产生渗 透压。
b. 工业脱水剂。
高吸水性树脂对有机物的吸收能力较差，因 而可脱除苯类、石油类等与水不相溶的物 质中的水分，效果很好。
29
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
c. 建筑工程中的应用。
• 在许多建筑工程和地下工程中，高吸水性树脂的 应用越来越受到重视。
例如将树脂混在堵塞用的橡胶或混凝土中可作堵水 剂；
R－SO3H R－SO3－＋H＋
• 例如典型的强酸性苯乙烯系阳离子交换树脂的结 构式为：
44
离子交换树脂
33
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
• 物质的分离是化学、化工的一个重要课题 。
• 化工单元操作中常见的分离方法有筛分、 过滤和蒸馏等，然而具有高层次的分离则 难以达到精度。
• 具有选择分离功能的高分子材料的出现则 有效地解决了以上的问题。
34
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
离子交换树脂
高吸水性高分子材料
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
2024年2月7日星期三
具有选择分离功能的高分子材料
2
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
• 1、高吸水性高分子材料； • 2、离子交换树脂
3
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
功能高分子材料：指在高分子链上接上带有 某种功能的宫能团，使其在物理、化学、生 物、医学等方面具有特殊功能的高分子材料 几。种功能高分子材料的应用: （1）高吸水性材料— 亲水性高聚物
16-超强吸水高分子材料
超强吸水高分子材料综述
60年代末期，美国首先开发成功超强吸水高 60年代末期，美国首先开发成功超强吸水高 年代末期 分子材料 • 超强吸水高分子材料(Super Absorbent 超强吸水高分子材料(Super Polymer简称SAP) 也称为高吸水性树脂、 Polymer简称SAP) 也称为高吸水性树脂、 简称 超强吸水剂、高吸水性聚合物， 超强吸水剂、高吸水性聚合物， 是一种具 有优异吸水能力和保水能力的新型功能高 分子材料。 分子材料。
4 3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 0 90 180 时间(d) 270
自 收 缩 (× 10-4)
LC0 NC0 SC0
360
不同混凝土自收缩性能对比
100
NC0
95
LC0
相 对 湿 度 (% )
SC0
90 85 80 75 70 0 90 180 时间(d) 270 360
不同混凝土湿度变化对比
超强吸水高分子材料
自古以来， 自古以来，吸水材料的任务一直是由 棉花和海绵以及后来的泡沫塑料等材 以及后来的泡沫塑料 纸、棉花和海绵以及后来的泡沫塑料等材 料所承担的。但这些材料的吸水能力通常 料所承担的。 很低，所吸水量最多仅为自身重量的20倍 很低，所吸水量最多仅为自身重量的20倍 20 左右，而且一旦受到外力作用，则很容易 左右，而且一旦受到外力作用，则很容易 脱水，保水性很差。 脱水，保水性很差。
淀粉系超高吸水高分子材料
超强吸水剂的研究起源于淀粉系，美国北方农业 省研究所从淀粉接枝丙烯氰开始， 接着于1966年完 成该项研究，并投入生产。 80年代我国开始了对淀粉系高吸水性树脂的研究。
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• 和传统吸水材料的区别
高吸水树脂(SAP)详尽介绍
按交联方法分类
a.用交联剂网状化反应； b.自身交联网状化反应； c.辐射交联； d.在水溶性聚合物中引入疏水基团或结晶 结构。
按产品形状分类
a.粉末状； b.颗粒状； c.薄片状； d.纤维状。
淀粉类
淀粉类高吸水性树脂主要有两种形式。一种是淀粉与丙 烯腈进行接枝反应后，用碱性化合物水解引入亲水性基团 的产物，由美国农业部北方研究中心开发成功；另一类是 淀粉与亲水性单体（如丙烯酸、丙烯酰胺等）接枝聚合， 然后用交联剂交联的产物，是由日本三洋化成公司首开先 河的。 淀粉改性的高吸水性树脂的优点是原料来源丰富，产 品吸水倍率较高，通常都在千倍以上。缺点是吸水后凝胶 强度低，长期保水性差，在使用中易受细菌等微生物分解 而失去吸水、保水作用。
3.吸氨性
高吸水性树脂一般为含羧酸基的阴离子高分子，为提 高吸水能力，必须进行皂化，使大部分羧酸基团变为羧酸 盐基团。但通常树脂的水解度仅为70％左右，另有30％的 羧酸基团保留下来，使树脂呈现一定的弱酸性。这中弱酸 性使得它们对氨那样的碱性物质具有强烈的吸收作用。
4.增稠性
聚氧乙烯、羧甲基纤维素、聚丙烯酸钠等均可作
为水性体系的增稠剂使用。高吸水性树脂吸水后体积 可迅速膨胀至原来的几百倍到几千倍，因此增稠效果 进进高亍上述增稠剂。
二. 吸水原理
吸水实质
物理吸附
棉花、纸张、海 绵等，毛细管的 吸附原理。 有压力时水会流 出。
化学吸附
通过化学键的方 式把水和亲水性 物质结合在一起 成为一个整体。 加压也不能把水 放出。
（4）改性聚乙烯醇类 这类高吸水性树脂由聚乙烯醇与环状酸酐 反应而成，不需外加交联剂即可成为不溶于水 的产物。这类树脂由日本可乐丽公司首先开发 成功，吸水倍率为150～400倍，虽吸水能力较 低，但初期吸水速度较快，耐热性和保水性都 较好，故是一类适用面较广的高吸水性树脂。