超强吸水高分子材料解析
超强吸水材料SAP应用和研究进展
超强吸水材料SAP应用和研究进展胡登平学号08080323摘要：超强吸水树脂作为一种新型的功能高分子材料，其具有两个显著特点:高吸水性和高保水性。
考虑其重要应用价值和经济价值[1-4]，人们对它的研究越来越立体化，多角度，本文先是简单介绍了超强吸水材料SAP的组成，结构，吸水原理和分类。
后面重点介绍了现在国内关于SAP的研究，着重讲解了SAP对农作物的生长，环境保护以及石油开采中的应用。
关键字：超强吸水材料应用现状研究进展一．SAP的组成和结构：SAP的中文全称是高吸水树脂，英文全称是Super absorbent polymer,它是一种功能高分子材料，具有很高的分子量，主要是有碳氢原子和杂原子组成。
其结构特征有三点：一是分子中具有强亲水性基团，如羟基、羧基，能够与水分子形成氢键；二是树脂具有交联结构；三是聚合物内部具有较高的离子浓度。
再从三个角度解剖一下SAP的结构：从化学结构看，主链或侧链上含有亲水性基团，如-SO3H，-COOH，-CONH2，-OH等；从物理结构看，低交联度的三维网络，网络的骨架可以是淀粉，纤维素等天然高分子，也可以是合成树脂(如聚丙烯酸类）。
从微观结构看，因其合成体系不同而呈现多样性：淀粉接枝丙烯酸呈海岛型结构，纤维素接枝丙烯酰胺呈峰窝型结构，部分水解的聚丙烯酞胺树脂则呈粒状结构。
二．SAP的吸水原理和分类：一般吸水的原理分为物理吸附和化学吸附，而SAP正是通过化学键结合把水和亲水性基团结合在一起，从而达到吸水的目的，具体的吸水过程可以分为三步，首先是通过毛细管吸附和分散作用吸水，这一步的速度很慢的；而到了第二步速度明显增快，是水分子通过氢键与树脂的亲水基团作用,亲水基团离解,离子之间的静电排斥力使树脂的网络扩张。
最后随着吸水量的增大,网络内外的渗透压差趋向于零;而网络扩张的同时,其弹性收缩力也在增加,逐渐抵消阴离子的静电排斥,最终达到吸水平衡。
SAP的分类方法很多，可以根据原料来源分为淀粉系，纤维素系以及合成高分子系[5-6]。
高吸水性功能高分子要点
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
1960
1970
1980
1990
2000
美国和日本相继成功开发， 品种、制造方法、性能及 应用领域
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。
2 高吸水性高分子简介
阴离子系 阳离子系 羧酸类、磺酸类、磷酸类 胺类、季胺类 羧酸-季胺类、磺酸-叔胺类 羟基类、酰胺基类 羟基-羧酸类、 羟基-羧酸基-酰胺基类、 磺酸基-羧酸基类 淀粉接枝、羧甲基化淀粉、 磷酸酯化淀粉、淀粉黄原酸盐 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 聚丙烯酸盐类、聚乙烯醇类、 聚氧化烷烃类、无机聚合物类
3 高吸水性高分子性能
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、 毛细管现象、 吸液时是否形成“ 粉团”等。 一般表面积越大即微粒越小,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, 一般在几分 钟至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
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, 加热时间的增加吸水能力都有 一定程度的下降, 但在130℃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。
2 高吸水性高分子简介
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
吸水性好的材料
吸水性好的材料吸水性好的材料在日常生活和工业生产中具有重要的应用价值。
它们可以被用于吸收水分、调节湿度、防水防潮、过滤净化等多种用途。
目前市面上常见的吸水性材料主要包括超吸水树脂、吸水性纤维、吸水性聚合物等。
本文将就吸水性好的材料进行介绍和分析。
首先，超吸水树脂是一种高分子化合物，具有极强的吸水性能。
它可以在短时间内吸收大量的水分，并且可以保持较长时间的稳定状态。
超吸水树脂广泛应用于卫生用品、农业、建筑材料等领域。
例如，它可以被用于制作生产卫生巾、纸尿裤等产品，能够有效地吸收和锁住体液，保持表面干燥。
在农业领域，超吸水树脂可以用于土壤改良，提高土壤保水保肥能力，增加作物产量。
在建筑材料方面，超吸水树脂可以被添加到混凝土中，提高混凝土的抗渗透性和耐久性。
其次，吸水性纤维是一种具有良好吸水性能的纤维材料。
它可以通过表面处理或者材料本身的特性来实现吸水性能。
吸水性纤维广泛应用于纺织品、卫生巾、湿巾等领域。
例如，它可以被用于制作运动服、毛巾等产品，能够快速吸收汗水，保持身体干爽。
在卫生用品领域，吸水性纤维可以被用于制作卫生巾、湿巾等产品，能够快速吸收体液，保持表面干燥。
最后，吸水性聚合物是一种高分子化合物，具有良好的吸水性能。
它可以通过改变分子结构或者添加特殊功能单体来实现吸水性能。
吸水性聚合物广泛应用于医疗卫生、环境保护、工业生产等领域。
例如，它可以被用于制作医用敷料、水凝胶等产品，在伤口愈合和水分调节方面发挥重要作用。
在环境保护领域，吸水性聚合物可以被用于油水分离、废水处理等方面，发挥净化和治理作用。
在工业生产方面，吸水性聚合物可以被用于制备防水材料、吸附材料等产品，提高产品的性能和品质。
综上所述，吸水性好的材料在各个领域具有重要的应用价值。
它们不仅可以满足日常生活和工业生产的需求，还可以为环境保护和资源利用做出贡献。
随着科技的不断进步和创新，相信吸水性好的材料将会有更广阔的发展空间和应用前景。
媖洁卫生巾成分表
媖洁卫生巾成分表
一、SAP高分子：
超强吸水高分子材料（简称SAP）也称为高吸水性树脂、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。
因此，被广泛应用在姨妈巾等个人卫生用品中。
倍舒特企业的采购的SAP高分子都是进口自日本住友。
二、绒毛浆：
说到绒毛浆，大家就会想到“黑心棉”，告诉大家，不必担心，只要选择正规的大型商家（例如：北京倍舒特妇幼用品有限公司）或品牌商（苏菲、七度空间、护舒宝、高洁丝、倍舒特、洁婷等），他们都不会使用不卫生、质量不合格的“黑心棉”用于卫生巾的加工制造。
倍舒特企业选用的都是来自美国GP绒毛浆。
绒毛浆的材质美国的南方松，纤维长，适合做绒毛浆。
三、底膜：
1、按是否透气可分为：普通底膜和透气底膜；
2、按材质分类可以分为 PE底膜和SMS复合底膜；
四、小包膜：
单片卫生巾的小包膜，按材质分为：PE包膜、铝箔包膜、PE淋膜纺
粘无纺布包膜、PE复合热风无纺布包膜等。
五、包装：
关于包装型式：
铝箔包装：。
第八章超强吸水高分子材料
其它
多糖类(琼脂糖、壳多糖)、蛋白质类等
三、基本结构
合成超高吸水高分子材料
目前主要分为聚丙烯酸（盐） ，聚乙烯醇两大类。 其中，聚丙烯酸（盐）类的研究最多，产量最大。
类别 比
较
聚 丙烯酸（盐）类
聚乙烯醇类
吸水性强，工艺成
吸水倍率不及聚丙烯酸 类,但它的特点是吸水速度
从物理结构看： 低交联度的三维网络。网络的骨架可以 是淀粉、纤维素等天然高分子，也可以是合成树脂(如聚 丙烯酸类）。
微观结构
多孔网状结构
淀粉－聚丙烯酸钠接枝聚合物模型图
五、合成高吸水分子中一些重要术语
术语 引
解释
引发自由 发
基聚合反应
剂
交
令聚合物
链相互交联
联
决定了树
剂 脂空间网络 的大小
影
响
用量：一般为单体的0.01~0.8%
均是葡萄糖的多聚体，可以采用 相类似的单体、引发剂、交联剂进行 吸水树脂的制备
解，吸水后凝胶 强度大，保水性 强.抗菌性好.但 可降解性差.适 用于工业生产
甲壳质衍生物
四、SAP结构
从化学结构看： 主链或侧链上含有亲水性基团，如 -ＳＯ3Ｈ、 -ＣＯＯＨ、 -ＣＯＮＨ2、 -ＯＨ等
吸水能力：-ＳＯ3Ｈ>-ＣＯＯＨ>-ＣＯＮＨ2>-ＯＨ
• 大孔型 树脂内部有永久微孔；不需溶胀的状态也 可使用
弱酸型阳离子大孔树脂 凝胶树脂
制备
• 一般采用常规的悬浮聚合方法
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，形成具大孔结构的球状树脂母体。
高吸水性树脂
高吸水性树脂高吸水性树脂是一种典型的功能高分子材料，能够吸收并保持自身重量数百倍乃至数千倍的水分或数十倍的盐水，通常又称为“高吸水性聚合物”、“吸水性高分子材料”、“吸水性高分子树脂”或者“超强吸水剂”等。
高吸水性树脂与普通吸水或吸湿材料，如脱脂棉、海绵、琼脂、硅胶、氯化钙和活性炭等相比，具有吸水速度快、保水能力强等特点，可以广泛应用于农业、林业和日常生活等领域中。
而普通水或吸湿材料一般只能吸收自身质量的几十倍或仅仅十几倍的水分，并且容易在加压时失水，保水能力很差，其开发应用因此受到了很大的限制。
高吸水性树脂发展很快，种类也日益增多，并且原料来源相当丰富，由于高吸水性树脂在分子结构上带有的亲水基团，或在化学结构上具有的低度联度或部分结晶结构又不尽相同，由此在赋予其高吸水性能的同时也各自形成了一些各自的特点，从不同角度出发，就形成了多种多样的分类方法。
按原料来源进行分类。
按照原料来源对高吸水性树脂进行分类，在高吸水性树脂的发展过程中，人们的分类方式也是随着发展水平的提高而不断变化和完善的。
日本的温品谦二曾将高吸水性树脂分为淀粉系列、纤维素系列和合成树脂系列三个系列。
后来，邹新禧结合高吸水性树脂的发展和自己的研究成果，从原料来源的角度提出了六大系列，即淀粉系、纤维素系、合成聚合物系、蛋白质系、其他天然物及其衍生物系和共混物及复合物系。
按亲水化方法进行分类。
高吸水性树脂在分子结构上具有大量的亲水化化学基团，这些化学基团的亲水性很大程度上影响着高吸水性树脂的吸水保水性性能，如何有效获得这些化学基团在高吸水性树脂化学结构上的组织结构，充分发挥各化学基团所在亲水点的效能，也是影响高吸水性树脂性能的重要方面。
因此，为了获得具有良好性能的高吸水性树脂，需要从亲水性化学基团的选择和化学结构的组织构造两个方面进行考虑，即从亲水化方法考虑。
从这个角度，可以将高吸水性树脂分为两大类。
亲水性单体直接聚合法：选择丙烯盐酸、丙烯酰胺等亲水性良好的单体，直接进行均聚合或者进行共聚合反应，获得如聚丙烯盐酸、聚丙烯酰胺或者丙烯酸/丙烯酰胺共聚物等高吸水性树脂。
高吸水性树脂的特性及其应用
重视，如婴儿襁褓、纸尿布、失禁片、妇女卫生巾，宇航员尿袋、餐巾、手帕、母乳垫
片、卫生棉、止血栓、生理棉、汗毛巾等产品中都可以应用高吸水性树脂。另外，如手
术垫、手术手套、手术衣、手术棉、贴身衬衣、内裤、鞋垫等一些生理用品中也广泛用
到高吸水性树脂。它的高吸水能力和保水能力使得生理卫生方面的产品大大轻便化、小
生物组织十分接近，且凝胶具有溶质透过性，组织适应性和抗血凝固性等，这些特性都
为其作为医用材料在医疗卫生方面的应用奠定了基础。
高吸水性树脂在生物体中的适应性方面，已经有不少学者进行过相关的研究，结果
表明，某些合成和半合成的高吸水性物质，具有一定的生物适应性（本单位制得的高吸
水性树脂没有进行过此方面验证）。
五、高吸水性树脂的应用
目前高吸水性树脂已成功地应用于个人卫生护理产品等诸多领域，如妇女用卫生巾、
婴儿纸尿布、老年失禁纸尿布、纸床单等。高吸水性树脂在农艺园林方面的应用也已表
现出令人鼓舞的前景，高吸水性树脂的应用有利于节水灌溉、降低植物死亡率、提高土
壤保肥能力、提高作物发芽率等。超强吸水树脂在沙漠治理方面的应用更是具有无可估
由于高吸水性树脂是分子中含有亲水基团和疏水基团的交联型高分子电解质，当亲 水基团与水分子形成自由水合状态时，树脂的疏水基团因疏水相互作用而折向内侧，形 成局部疏水性的微粒结构，可使进入网络的水失去活动性。因此，高吸水性树脂的吸水 主要是靠内部的三维网络的作用，吸收大量的自由水储存在网状结构内，也就是说水分 子封闭在网络里,这是网络的物理吸附,只是水分子运动受到限制，而不是牢固的化学吸 附。
目前，我国西部 10 省(区、市)的 16 个荒漠化治理示范区，就已经应用了高吸水性 树脂作为水分保持剂，使得苗木成活率达到 98%。另外北京的 20 公里“申奥大道”绿色 长廊工程也采用了高分子吸水树脂作为水分保持剂。
吸水高分子材料
吸水高分子材料1.吸水高分子材料的研究进度目前,对吸水性树脂的研究多是从吸水速度、吸水率、凝胶强度三个方面做工作。
通过改进树脂粒子的形状,增大比表面积,可以提高其吸水率。
离子型的高吸水性树脂,如聚丙烯酸盐,由于同离子屏蔽效应造成其耐盐性差,通过于非离子型单体共聚,可以提高其耐盐性。
复合吸水材料是改进吸水性树脂凝胶强度的新方法。
林建明等人合成了膨润土的部分水解交联的聚丙烯酰胺树脂,通过SEM 电镜观察,发现膨润土全部吸附于树脂交联网络,使凝胶的刚性增强。
日本三菱公司将淀粉接枝丙烯酸与PVC 塑料共混,不仅提高了吸水树脂的凝胶强度,也增强了PVC 的吸水能力。
为了提高吸水性树脂的吸水性能,广大科研工作者已经做了大量工作,不断优化和改进已有的合成体系,同时还在努力探索新的聚合方法和聚合体系.2.吸水高分子材料的吸水机理高吸水性树脂的吸水分几个阶段。
最初阶段其吸水速率很慢,因为此时的吸水是通过毛细管吸附和分散作用来实现的,接着水分子通过氢键与树脂的亲水基团作用,使之发生离解,阴离子固定在高分子链上,阳离子则可以自由移动。
随着亲水基因的进一步离解,阴离子数目增多,离子之间的静电排斥力使树脂的网络扩张;同时为了维持电中性,阳离子不能向外部溶剂扩散,导致阳离子在树脂网络内浓度增大,于是网络内外产生渗透压,水份进一步渗入。
随着吸水量的增大,网络内外的渗透压差趋向于零;而网络扩张的同时,其弹性收缩力也在增加,逐渐抵消阴离子的静电排斥,最终达到吸水平衡。
3.材料吸水能力的差异与原因人们追求的目标是使吸水性材料具有更高的吸水能力和吸水速度。
由材料的结构和吸水原理可知，影响树脂吸水能力的因素有很多，主要有交联密度.结构组成.溶液性质.表面形态.制备方法.流体力学体积等。
如未经交联的树脂基本上没有吸水功能，而交联后，吸水率会成千倍的上升，但随着交联密度的增加，吸水率反而下降。
在聚丙烯酸树脂中引入亲水性非离子型单体共聚，可提高吸水速度，但影响了吸水能力。
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系
共 同 点
储量丰富，可不断再生，成本低; 无毒且能微生物分解，可减少对环境 的污染。
均是葡萄糖的多聚体，可以采用 相类似的单体、引发剂、交联剂进行 吸水树脂的制备
解，吸水后凝胶 强度大，保水性 强.抗菌性好.但 可降解性差.适 用于工业生产
甲壳质衍生物
合成高吸水分子中一些重要术语
术语 引
较
聚 丙烯酸（盐）类
聚乙烯醇类
吸水性强，工艺成
吸水倍率不及聚丙烯酸 类,但它的特点是吸水速度
熟，合成方法多样。 快,2～3分钟内即可达到饱和
吸水量的一半。
合成超高吸水高分子材料
CH2 CH CH2 CH CH2 CH CH2 CH CH2 CH CH2 CH
COOH
COOH COOH COOH COOH COOH
线型聚丙 烯 酸 结构示意图
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腈开始， 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。
淀粉结构 支链淀粉 直链淀粉
H OH
O HO
HO
H H
OH
O HO
OH
HO
H H
H
使溶胀不至于溶解，对吸收的水起到封闭作用，使吸水后树脂凝胶保持 一定机械强度。但交联度不能太高，太高将限制树脂的溶胀。
3）外部因素的影响 水中盐浓度、温度（影响水表面张力）和压力。
合成超高吸水高分子材料
目前主要分为聚丙烯酸（盐） ，聚乙烯醇两大类。 其中，聚丙烯酸（盐）类的研究最多，产量最大。
类别 比
Super 结构外型分
粉末、纤维、颗粒、薄膜
Ab s o rb e nt po lym e r
一、吸 水 原 理
1.
物理吸附 棉花、纸张、海绵等。
吸
毛细管的吸附原理。
水
有压力时水会流出。
实
质 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。
2.SAP的吸水原理
Ab s o rb子性基团，保证内部有高的离子 浓度，从而有高的渗透压。
Super 4）聚合物分子量较高，分子量增加，吸水后的机 械强度会较高，吸水能力也会高一些。 Ab s o rb e nt po lym e r
Super Ab s o rb e nt po lym e r
二、分
类
甲壳质衍生物
淀粉系
SAP
纤维素系
Super 合成高分子系 Ab s o rb e nt po lym e r
纯合成高分子
聚丙烯酸类
聚丙烯酸钠交联物 丙烯酸—乙烯醇共聚物 丙烯腈聚合皂化物、聚丙烯酰胺 其它
聚乙烯醇类 聚乙烯醇交联聚合物
Super 乙烯醇—其它亲水性单体接枝共聚物 其它
Ab s o rb e nt po lym e r
四、SAP结构
1）从化学结构看： 主链或侧链上含有亲水性基团，如 -ＳＯ3Ｈ、 -ＣＯＯＨ、 -ＣＯＮＨ2、 -ＯＨ等
吸水能力：-ＳＯ3Ｈ>-ＣＯＯＨ>-ＣＯＮＨ2>-ＯＨ
Super 2）从物理结构看： 低交联度的三维网络。网络的骨架可以是 淀粉、纤维素等天然高分子，也可以是合成树脂(如聚丙 烯酸类）。
3）交联骨架防止溶解达到平衡
吸水剂微球吸水过程的体积变化示意图
最大吸水量-可用24小时吸水量表示。
1）树脂化学结构的影响 首先要含有大量的强亲水性基团，这样可使水 与聚合物间的作用大于聚合物之间的作用力，因而后者易于吸水而溶胀。 其次，分子中要含有大量的可离子化的基团，从而在溶胀后可以提供较大 渗透压。 2）树脂链段结构的影响 这是为了解决保水的问题，适度的交联度可以
天然高分子加工产物
淀粉类 淀粉—丙烯腈接枝聚合水解物
淀粉—丙烯酸共聚物
淀粉—丙烯酰胺接枝聚合物
其它
纤维素类 纤维素接枝共聚物
Super 其它
纤维素衍生物交联物 其它
多糖类(琼脂糖、壳多糖)、蛋白质类等
Ab s o rb e nt po lym e r
亲水基团上分
离子型（多以羧酸盐基团） 非离子型（羟基、醚键和氨基）
超强吸水高分子材料综述
既然安上super这个头衔, 那我们就要看看它们和传统吸水材料的区别
Super 普通吸水材料
SAP
Ab s o rb e nt po lym e r
超强吸水高分子材料综述
SAP优点
吸水能力高:可达自身重量的几百倍至几千倍。
Super 吸水前
吸水后
Ab s o rb e nt po lym e r
OH O HO
OH HO
H H
OH O
纤维素系超高吸水高分子材料
纤维素结构
O O
O
O O
O O
淀粉 系
纤维素系
价格低廉、生物降解性能好 抗霉解性优
区缺
点
别
合成工艺复杂，易腐败，耐热性 不佳，吸水后凝胶强度低，长期保水 性差，耐水解性较差。
合成系
工艺简单，吸水、 保水能力强 吸 水速度较快耐水
与优 点
超强吸水高分子材料综述
保水能力高:即使受压也不易失水
SAP优点
Super Ab s o rb e nt po lym e r
超强吸水高分子材料综述
用途
Super Ab s o rb e nt po lym e r
Super Ab s o rb e nt po lym e r
Super Ab s o rb e nt po lym e r
超强吸水高分子材料 一、吸 水 原 理 二、分类 三、基本结构
优点 用途
四、SAP结构 五、合成高吸水分子中一些重要术语 六、接枝共聚反应实例
高吸水性树脂
高吸水性树脂(Super Absorbent Polymer简称SAP) 也称为高吸水性树脂、超强吸水剂、高吸水性聚合物，
Super 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。 Ab s o rb e nt po lym e r
吸收大量水而不流失是基于材料的亲水性、溶胀性和保水性。
较慢。通过毛细管吸附和分散作用吸水。
水分子通过氢键与树脂的亲水基团作用,
亲水基团离解, 离子之间的静电排斥力使
树脂的网络扩张。
1）亲水溶胀
（外）
网络内外产生渗透压,
H2O
2）离子化保持渗透压
水份进一步渗入.
（内） 交
联 点 吸水树脂的离子型网络
随着吸水量的增大,网络内外的渗透压差趋向于零; 而网络扩张的同时,其弹性收缩力也在增加,逐渐抵 消阴离子的静电排斥,最终达到吸水平衡。