一、高吸水树脂研究历史及现状

 1.国外研究历史

高吸水性树脂（简称SAR或SAP）是一种交联密度很低、不溶于水、高水膨胀性的功能性高分子材料。20世纪五十年代以前人类使用的吸水材料主要为天然物质和无机物。五十年代，Goodrich 公司开发了交联聚丙烯酸的生产技术，与此同时，科学家Froly通过大量的实验研究，建立了吸水性高分子的吸水理论，称Froly吸水理论，为吸水性高分子的发展奠定了理论基础。国外从六十年代开始研制吸水性材料，1961年美国农业部北方研究所C.R.Russell等从淀粉接枝丙烯腈开始研究并研制出了具有较高吸水性能力且有良好保水性的高吸水性高分子材料。其后，G.F.Fanta等接着进行研究，研制的淀粉衍生物吸水剂用于土壤改良、保水抗旱等方面。六十年代末至七十年代，美国Grain-Processing、Hercules、National Starch、General Mills Chemical，日本住友化学，花王石碱，三洋化成工业等公司相继成功地开发了高吸水聚合物。此后，世界各国对高吸水聚合物的品种、制造方法、性能和应用领域等方面进行了大量的研究工作 ,取得了成果 ,其中成效最大的是美国和日本。七十年代中期，日本开展了以纤维素为原料制成高吸水剂的研究，得到了片状、粉末状和丝状的产品。八十年代则提出了用放射线对各种氧化烯烃进行交联处理，合成了非离子型高吸水聚合物，其吸水能力为二千多倍，从而打开了合成非离子型高吸水聚合物的大门。目前日本触媒、三洋化成及德国Stockghausen三大生产集团掌握着全球高吸水聚合物70%的市场，它们之间以技术合作方式，进行着世界国际联合经营。在此过程中，各研究单位所使用的原材料趋于多样化，既包括天然材料，又包括石油化工材料；理论更加成熟，特别是日本天中丰一等研究的高分子凝胶相转移理论，进一步建立了高分子凝胶新的理论基础；高吸水性树脂的应用也从仅用于农业生产渗透到各行各业。

2.国内研究情况

在我国，长春应用化学所自1977年开始研制聚丙烯酰胺吸水树脂，开国内之先河。华南工学院张力田教授于1982年对国际上有关吸水树脂所取得的成就作了综述。之后,全国数家科研院所以不同的原料对吸水性材料进行了研究及开发。1988年开始有专利 ,先后有 40多个单位从事过这方面的研究 ,目前已有几十项专利。国内的研究侧重于降低成本、提高吸液率及吸盐水能力。郑州大学的张子勇等以水溶性单体丙烯酸和天然多羟基高分子如淀粉、面粉为主要原料，在水溶性引发剂作用下，进行高温快速聚合，使聚合和干燥一步完成，具有快速简便的显著特点，产物吸水率达1000g/g以上。苏州大学的朱秀林、路建美等先后采用表面交联与内交联法提高吸水树脂的吸液速度及吸盐水能力，有一定效果，此外他们还对吸水树脂粒径与性能进行了研究。近年来 ,国内的研究工作者也开始尝试新的合成方法。如采用γ射线辐射引发接枝共聚，用微波照射聚合等。朱秀林等还采用两次合成法，合成大粒径吸水树脂，使后处理工序得到简化。而且，国内对高吸水树脂的应用研究逐年增多，仅在农牧林方面的文章1989年8篇, 1994年33篇，1999年42篇，2001年93篇。其他方面的应用文献趋势大体同上。

二、高吸水性树脂的结构与吸水性机理

高吸水性聚合物是一类分子中含有极性基团并具有一定交联度的功能高分子，是由化学交联和聚合物分子链间的相互缠绕物理交联构成的三维网络结构。交联密度低，水分子容易渗入树脂中使树脂膨胀，进一步亲水而凝胶化，成为高吸水性的状态。但是交联度不能太低，否则就会溶解于水，因此在不溶于水的情况下处于最低交联度的树脂有可能是高吸水性树脂。而其中的极性基团则大多是羧基、酰胺基、氨基，磺酸基、磷酸基，亚磺酸基等亲水性基团或者是这些基团的共聚体。高吸水性聚合物吸水前，高分子链相互缠绕在一起；吸水后，聚合物可以看成是高分子电解质组成的离子网络和水的构成物。

三、高吸水树脂的原料及合成

1.原料：最早研究吸水树脂的原料是丙烯酸、丙烯腈接枝淀粉合成高吸水性树脂。随着研究的深入，含磺酸基、酰胺基、酯基等亲水性集团的单体，也加入到合成高吸水性树脂的队伍中。接枝骨架从开始的淀粉延伸到其他天然原料如藻酸盐、蛋白质、壳聚糖等，与此同时研究者也把目光投向合成高分子，如聚乙烯醇、聚乙烯、聚苯乙烯、聚胺酯等等。目前研究最多的还是丙烯酸及其盐接枝到其他高分子上。

2.合成方法：高吸水性树脂的合成方法一般分为两类，一类是高分子接枝合成反应制吸水剂；二是聚合物的交联和嵌段反应。

四、高吸水树脂的应用

高吸水性树脂的优良特性，决定了它的用途具有广阔的前景。目前以它的吸水性、保水性、对外界刺激的应答性为主进行就行应用开发的居多。如农林园艺土壤改良和保水保肥、水凝胶基材、石油开采、日用化妆品、食品工业、国防技术等，目前高吸水树脂在生物医药上的应用研究在国外正逐渐成为热点；而且，高吸水树脂也正在环境保护上初露头角。

（一）农林方面的应用

高吸水性树脂最初就是应用于农业的抗旱保水。土壤中混有0.1%～0.5%的高吸水树脂后，土壤水分过多或因干旱缺水时都可以保持有效湿度稳定，减少灌溉的次数。而且作物生长旺盛，产量提高，还有利于改善土壤的团粒结构的作用。高吸水树脂和中子搅拌均匀后，用于机械化大规模流体播种，不仅可以节省种子，还减少对种子的机械伤害，提高成活率^[7]。有研究表明在自然条件极其恶劣的沙地边缘，运用吸水剂后，可显著提高苗木成活率和保存率，使成活率提高3～15%，平均提高7%；保存率提高4～15%，平均提高7%；土层肥力提高48%植物生长量平均提高19.2%。另外，根据花卉的要求在合成吸水树脂时加入合适的染料，制成各种颜色的花土，添加营养成分，制成形态各异、造型别致，提高花卉的观赏性和本身价值。

（二）生理卫生方面的应用

因为高吸水树脂有良好的保水性，并且有一定强度，形成的凝胶对皮肤等生物组织无刺激和毒副作用，而广泛的用与生理卫生方面。全世界生产的高吸水树脂95%用于个人卫生用品例如：妇女用卫生巾、儿童尿不湿、老人用薄型尿布、用于电学方法检测含湿量的医用尿布等等。我国每年有几千万新生儿出生；同时，随着消费意识的变化这类卫生用品的用量会增加，随着我国老龄化对成人护理失禁片的用量也会增加的。所以高吸水树脂在这方面的应用前景良好。

（三）石油开采方面的应用

1.作密封材料：

将高分子吸水树脂与塑料或橡胶等材料混合，采用添加表面活性剂的方法，使树脂与塑料或橡胶的不相容性得到明显的改善，制成密封性材料，这种材料遇到水或其它水性流体就急速发生膨胀，因此具有很好的密封性。在石油工业中，油气管输或其它流体管输是很常见的，为防止油气渗漏、废水渗漏等污染环境，减少资源浪费，必须在管连接处，甚至整个管线做密封处理，高吸水树脂类密封材料是理想的选择。

2.钻探中用作化学堵漏材料：

化学堵漏在油气田钻探过程中是一种重要的技术措施。目前，现场已开发应用的高吸水树脂类堵漏剂已有几种，但是吸淡水倍数不高，及其他方面的技术因素只是堵漏作业效果不好，因此应开发：吸水倍数高、耐压性好、并能抗一定电解质浓度的高吸水树脂，并且成本要降低。

3.作钻井液处理剂：

近二十年来，高吸水树脂在钻井液处理上的应用得到快速的发展，用得相当普遍。可以作为降滤湿剂、降粘剂等，据统计，其应用品种有上百种。这就保证了钻井工作的快速、安全，大大降低了钻井综合成本，创造了巨大经济效益和社会效益。有报道，用高分子吸水树脂可作为钻头的润滑剂和钻井液的凝胶剂。有针对性的开发具有一定抗盐性、耐压性好的、湿度增稠剂的高吸水性树脂，就可开发出具有高效降滤湿功能的或高效抑制性功能的钻井液用的新型功能处理剂。

（四）在生物医药上的应用

高吸水树脂吸水后形成柔软的没有机械刺激作用且与生物组织十分相近，水凝胶具有溶质透过性、组织适应性和抗凝血性等等。这些特性都为高吸水性树脂在生物医药上的应用奠定了基础。

1. 1.     作医用一次性枕套

据统计，医院收治的外伤病人中大多数是头部受伤。降低头部感染是医院的重要课题之一。采用高吸水性材料作一次性枕套，可以大大降低枕头上的细菌种类和细菌数，而且高吸水性树脂的吸液速率快，保水性好，避免了病人的头部溢出物污染枕心，严防交叉感染，受到患者和家属的好评。

1. 2.     在生物医药上的应用

高吸水树脂吸水时，一部分水和树脂上的亲水基团结合，固定在其上，是高吸水树脂的网络小孔张开，一部分水作为自由水进入孔内，形成凝胶。这部分水可以溶解蛋白质药物，如果蛋白质药物负载到水凝胶上，大分子药物的释放可以通过树脂网孔的大小、孔与孔之间的相连度、药物分子的大小等来控制，这项研究在国内少见报道，在国外正在成为研究的热点。有报道称，水凝胶在胃里是稳定，当进入肠子时可以被降解，对人体无害。

人体组织器官受伤或者损坏，医学上常用器官移植来解决，但有时候器官来源是有限的。水凝胶中的网孔足够大的话可以允许水凝胶与具有生物活性的细胞相容，这些细胞可以溶解、分解、释放出增长因子、增加活性细胞可以渗透和增殖聚合的核心。因此，吸水树脂可以成为人造器官的骨架，为病人带来福音。还有研究称，高吸水树脂可以用于治疗浮肿，消除体液。

高吸水树脂可用做市售的隐形眼镜，制作材料主要成分是含水38%左右的聚甲基丙烯酸-α-羟基乙酯及与角膜含水量相近的N-乙烯吡啶。柔软隐形眼镜透氧气性良好，配戴者有良好的舒适感，配戴时间长。

另外，高吸水树脂还可以用来浓缩蛋白质溶液，苏州大学已经开展了这方面的研究缩短常规的浓缩时间。南京化工大学早在1997年就已经对水凝胶在生物大分子分离和浓缩上进行过研究，并且取得不错的效果。成都有机所近期也进行过该方面的研究。

（五）在环境保护上的应用

1. 1.     去除回收重金属离子

含重金属的废水污染环境,并且对人类也产生永久性的严重危害，因此人们非常关注它们的去除和回收。有些水凝胶本身可以形成五员环或者六员环从而与金属离子形成螯合物，再在一定的条件下回收重金属离子。也可以根据不同离子形成螯合物的稳定性不同，将各种离子分离。

1. 2.       在路面抑尘上的应用

气溶胶作为分散在大气中的固态或液态颗粒而形成的一种大气物质，在环境污染方面早以被人们所关注，王海宁等人利用将已聚合的淀粉-丙烯酸钠吸水树脂溶胶用水稀释，用NaOH适当调节到适当的pH值，然后将此溶液洒到装的30g某矿运输路面尘样的蒸发皿中，待其湿润尘样后称初重，再将其置于露天自然环境中，测其抑尘性能。我们课题组也曾经做过这方面的工作。另外，在矿山开采时也可用高吸水树脂降低空气中的颗粒物，减少对人体的伤害。

高吸水树脂还可以用作废水处理的絮凝剂。

（六）其他方面的应用

在建筑方面，水凝胶可改性混凝土，大大增加混凝土的抗压强度、耐蚀性^[21]，使其性能更加优良。当溶液pH值5～10时,有的超强吸水剂可以作为优良的增稠剂,因而可以广泛用于化工、纺织品、印刷和化妆品生产等。食品保鲜、防止结露、防火用胶、保冷剂、留香材料等，都用到高吸水树脂。另外，色谱法 ^[22]、离子交换膜、工业脱水材料业余高吸水树脂息息相关。