超强吸水剂

类型
用交联剂进行网状化反 应
重要品种
聚乙烯醇－顺丁烯二酸酐； 纤维素羧甲基化－环氧氯 丙烷、聚丙烯酸－多价金 属阳离子 (铁、铝、锌、 钙等)、甘油、乙二醇、 N,N-二甲基甲酰胺
自行交联网状化反应 丙烯酸钠（钾）盐
放射线照射网状化反应 聚乙烯醇；聚氧化乙烯
水溶性聚合物导入疏水 基或结晶结构
1
表5 超强吸水剂按制品形态分类
CH2OH O
OH HO
O OH
O
OH
OH
非还原端
CH2OH O
OH
HOH
OH
还原端
支链淀粉的多糖结构 （通过α-D-(1→6)苷键交联）
O
CH2OH
CH2OH O
OH
OH
OH O
α-D-
OH
O
(1→6) 苷键
CH2
O
O OH
O
OH
CH2OH O
OH
OH
B）纤维素的结构
（D-葡萄糖基通过β-1,4苷键连接）
B）由反应性聚合物制备吸水性聚合物
a)利用羟基侧基的反应引入亲水性更强的基 团, 纤维素→羧甲基化纤维素（CMC）：
[C6H7O2(OH)3 ]n + n ClCH2COOH + n NaOH [ C6H7O2(OH)2OCH2COOH ]n+ nNaCl + nH2O
b)聚丙烯酰胺生成强吸水性离子型化合物。 c)聚丙烯酸酯、聚醋酸乙烯酯及聚丙烯腈等
纤维 纤维素 状 合成树脂
接枝共聚、羧甲基化
再生纤维素
薄膜 合成树脂； 状 纤维素纸浆
改性 加工
1、一些物质的化学结构
6 CH2OH
5O
4 OH 1
HO
3
2
OH
OH
α-D-吡喃葡萄糖
CH2OH O OH
OH 1
HO OH
β-D-吡喃葡萄糖
A）淀粉的结构
直链淀粉的多糖结构
CH2OH O
α-D(1→4) 苷键
E）嵌段反应：端基有反应基团的聚合物 与亲水性单体反应或端基聚合物之间反应
1）超强吸水剂为弹性凝胶，吸水后形 成水凝胶。
2）吸水能力为通过水中的高分子电解 质的离子电荷相斥而引起分子的伸展扩 张和由交联结构及氢键而引起的阻止分 子扩张的相互作用产生的结果。
3
3）热力学：
标准化学位差∆U<0, 水可在高分子吸水 剂中稳定存在，到满足平衡为止；
吸液速度
定义：单位吸水剂在单位时间内吸收 的液体体积或重量。
由于吸水剂在不同时间内吸收速度可 能无显著不同，所以多用吸液量与吸液 时间的关系曲线描述不同时期的吸液速 率。
吸液速度同吸液能力大小并不一定同 步。
测定方法
a)测定凝胶体积膨胀法 (测得吸水剂不同时间吸收液体的体积) 袋滤法
b) 测定凝胶重量法 自然过滤法
其它应用
具体用途
吸水剂作用
1.使食品保水，形成凝 天然水凝胶如淀粉、蛋白
胶
质、果胶、海藻等
2.作食品保鲜材料，增 天然衍生物及合成吸水剂
稠、保 型添加剂，脱 的吸水、保水及无毒性
水剂等
1.芳香剂的释放基材 2.日用品方面 3.提高结晶水物质热稳 定性 4.冷却剂的添加剂 5.重金属离子吸附剂
6
反应性单体：至少有两个反应性基团， 聚合后有吸水能力或有再反应能力以进 一步生成吸水性树脂
聚合性基团(P) -CH2=CH2反应性基团(R) –CN, -COOH, -CH2OH 亲水性基团(F) -CONH2, -CH2OH, -COOH
P-P：生成有再反应能力聚合物 P-R：生成有再反应能力聚合物 P-F：生成有吸水能力聚合物 R-R：生成有再反应能力聚合物 R-F：生成有吸水能力聚合物
具体用途
吸水剂作用
1.止水-隔水材料
度膨润性、黏着性、机械
强度、化学稳定性、耐燃
2.结露防止剂,调湿剂 耐候性
3.泥浆、污泥、粪便等 防水、防湿、透气
固化剂
强度高、防泄露
4.地基加固剂
脱除各种固体、液体、 水不溶性水凝胶强度及稳
气体中的水
定性优越
防结露、调湿、防污、 易剥离涂料
5
水凝胶在 食品中的 应用
Q 超强吸水剂的分类 Q 超强吸水性剂的结构与化学反应 Q 各类超强吸水剂的制备 Q 超强吸水剂的吸水特性 Q 超强吸水剂的用途
表2 超强吸水剂按原料来源分类
类别 重要品种
淀粉系
淀粉接枝丙烯腈、丙烯酸盐、丙烯酰胺 淀粉羧甲基化反应 淀粉黄原酸化接枝丙烯酸盐 淀粉、丙烯酸、丙烯酰胺、顺丁烯二酸酐接枝共聚
如果存在相反作用限制∆U，则吸水剂的 膨胀就受到限制。如交联。
4）只有适当控制交联度才能同时获得吸 水剂的高吸水能力和刚性，达到实用目 的。
Flory提出公式：
Q5/3 = [ ( i / 2VuS1/2 ) 2 + ( 1/2 - X1) / V1 ] / (Ve / Vo)
渗透压
高分子与水 交联密度 的亲和力
纸袋法
另外还有毛细管法、搅拌停止法、水不流动 法等，膨胀速度也可在显微镜或其他高级仪 器上进行测定，方法很多，但并不常用。
表6 超强吸水剂的用途
农林园 艺
医疗、 医药与 生理卫 生
具体用途
吸水剂作用
1.植物生育促进剂 2.植物生长促进剂
3.苗木移植保存剂 4.森林或其它方面的灭火
5.水果、蔬菜的保鲜
超强吸水剂
表1 吸水性物质与超强吸水剂
吸水性物质
超强吸水剂
材料 天然材料或通过对其进行简 功能高分子材料 来源 单加工制得
1.脱脂棉、海绵、餐巾、毛 巾、卫生纸、尿布 2.凉粉、冻胶、明胶、琼脂 3.硅胶、氯化钙、石灰、活 性炭、硫酸
特点 优点: 来源广泛，价廉易得 优点: 良好的加 缺点: 物质吸水能力较小， 工性和使用性; 只能吸收自身的几倍至20倍 吸水量为自身的 的水，尤其保水能力更差。 几十倍乃至几千 倍，保水能力高。
纤维素系 纤维素羧甲基化 纤维素接枝丙烯腈、丙烯酸盐、丙烯酰胺 纤维素黄原酸化接枝丙烯酸盐 纤维素羧甲基化后环氧氯丙烷交叉交联
聚丙烯酸系：聚丙烯酸盐、聚丙烯酰胺、丙烯酸酯
与醋酸乙烯酯共聚、丙烯酸与丙烯酰胺共聚
合成树脂 聚乙烯醇系：聚乙烯醇-酸酐交联共聚、
系
聚乙烯醇-丙烯酸接枝共聚、醋酸乙烯-丙烯酸酯共
疏水性聚 淀粉接枝丙烯酸盐、丙烯酰胺 合物上接 纤维素接枝丙烯酸盐、丙烯酰胺 枝聚合亲 淀粉、丙烯酸、丙烯酰胺、顺丁烯二酸酐接枝共聚 水性单体
腈基、酯 淀粉接枝丙烯腈后水解基的水解 纤维素接枝丙烯腈后水解
反应
丙烯酸酯与醋酸乙烯酯共聚后再水解
丙烯腈、甲基丙烯酸、N-甲基丙烯酰胺共聚后水解
表4 超强吸水剂按交联的方法分类
4
b)吸收能力的测定
(按膨胀力来定义的吸收能力测定法)
自然过滤法 流动法 离心分离法
为一种加压去水的方法。也可作为加压保 水测定法。
纸袋法：将已称重的吸水剂放入纸 袋，浸入溶液，待吸液饱和后测出吸液 的量。
除上述方法，还有薄片法、量筒法 等。由于吸水剂的组成、分子量、形态 等对结果均有影响，所以每种方法各有 千秋。其中自然过滤法用得较普遍
3) 吸收能力的测定
a)吸收的液体
去离子水：离子含量对吸收性能有严重影响 1%或0.9%氯化钠水溶液：测定树脂耐盐能力
，人的体液含盐约1%。
血液：可采用人血、羊血或人工血液。 人工尿: 人尿因人不同，组成有差别，所以
采用人工尿。 根据美国农物研究所的标准人工尿组成： 水97.09%、 尿素1.94%、 氯化钠0.80%、 MgSO4⋅7H2O 0.11%、 CaCl2 0.06%。
聚水解、醋酸乙烯-顺丁烯二酸酐共聚
聚氧撑系
表3 超强吸水剂按亲水化方法分类
类别 重要品种
亲水性单 聚丙烯酸盐、聚丙烯酰胺 体的聚合 醋酸乙烯-顺丁烯二酸酐共聚
丙烯酸-丙烯酰胺共聚
疏水性聚 淀粉羧甲基化反应
合物的羧 纤维素羧甲基化反应
甲基化反 聚乙烯醇-顺丁烯二酸酐交联
应
纤维素羧甲基化后环氧氯丙烷交叉交联
通过醇解或水解成为亲水性聚合物。 d)环氧类树脂与醇加成反应引入羟基，提高
吸水性。
C）接枝合成反应制备高吸水性树脂
a) 自由基接枝：引发剂方式、链转移法、高 能辐射、光聚合 b) 离子型接枝：阴离子型、阳离子型
D）交联反应：聚合物在光、热、高能射 线或交联剂作用下分子间形成交联，使吸 水剂强度、弹性、形变稳定性提高，溶解 性降低。
类型 原 料
制造方法 重 要 组 成
粉末 淀粉 状
水解 共聚
淀粉接枝丙烯腈水解、丙 烯酸盐、丙烯酰胺 淀粉、丙烯酸、丙烯酰胺、 顺丁烯二酸酐接枝共聚
羧甲基化 羧甲基化淀粉
纤维素
接枝共聚 纤维素接枝丙烯腈水解、 丙烯酸盐等
亲水性单体； 聚合或共聚 聚丙烯酸交联物 非亲水性但水解 反应；可溶 丙烯酸酯-醋酸乙烯共聚 后为亲水性单体 性树脂交联 聚乙烯醇-酸酐共聚物
其中Q：吸水倍率 Ve/Vo：交联密度 i/Vu：固定在树脂上的电荷密度 S：外部溶液的电解质的离子强度
Q 吸水剂的吸收能力、吸液速度、保液 能力、粘性、增稠等; Q 吸水剂的稳定性(热稳定性、耐寒性、 耐光性、储存稳定性等); Q 根据实用要求所需具备的特殊性能(加 工性能、强度、柔软性、溶解性、储热 性能、弹性、安全性等)。
吸收能力
1)吸收能力
膨胀力: 一般指在水溶液中膨润凝胶化 而使水失去流动性的能力，即指超强吸 水剂的一般吸收能力；
吸收力: 是指对水溶液吸引的能力，实 质与材料表面结构有关(如多孔材料)。