[00056442]高吸（保）水剂（树脂）的性质与应用

　　一、引言

　　吸水性物质与人类生活、生产及工作等的关系十分密切。长期以来，人类在水的取得、保存、利用和排除中，使用了许多吸水性质，例如日常生活中吸水用的毛巾、餐巾、抹布等，医药卫生中使用的脱脂棉、纸尿布、卫生纸、卫生巾等；作为水凝胶使用的凉粉、冻胶、明胶、琼脂、大豆、甘露聚糖等；作为吸湿干燥用的硅胶、氯化钙、氧化钙、硫酸、分子筛等。这些吸水和吸湿材料多直接采用天然物质或通过简单加工制得，也有通过化学反应而制成。它们的特点是来源广泛，价格低廉；但吸水能力小，仅能吸收自身质量的百分之几十甚至更少的水，且吸水后加压易失水，保水能力很差，远远不能满足人们的要求。因此，它们的应用受到了极大的限制，必须开发性能更好的吸水材料。

　　高吸水树脂（super absorbent polymer, SAP）是具有较高吸水性能和保水性能的高分子聚合物的总称。高吸水树脂含有强亲水性基因，经适度交联而具有三维网状结构，可通过水合作用迅速地吸收自身质量十几倍乃至上千倍的水而呈凝胶状。这类材料具有吸水容量大、吸水速率快、保水能力强且无毒无味等优越性能，是一般吸水材料难以比拟的，因而被称为高吸水树脂、高吸水性树脂、超吸水性树脂、高吸水性聚合物等。由于这类材料所吸收的水分在加压条件下也难以释放出来，具有优良的保水性能，因而也称为高保水材料、高保水性树脂、高保水性高分子、高保水剂、保水剂等。

　　高吸水树脂既具有独特的吸水功能和保水能力，又是高分子化合物，具有一般高分子化合物的基本特性，所以它可归属于功能高分子材料。与对光、电、热、磁、声等具有响应功能的传统功能材料不同，高吸水树脂是一种对水或其他溶剂具有响应功能的特殊功能材料。从结构上看，高吸水树脂是具有轻度交联的高分子材料，它不溶于水和有机溶剂，吸水后溶胀，形成含水量很高的水凝胶，具有弹性凝胶的基本性质，这些性质可用于弹性凝胶的基本理论解释，因而在学科上归属于高弹性凝胶。

　　二、高吸水树脂的性质

　　高吸水树脂主要有以下几项性能：

　　1．高吸水性 高吸水树脂的高吸水性包括：①吸水能力大。高吸水树脂的吸水倍率一般为自身质量的几十倍、几百倍甚至几千倍；②吸水速率快。离子型高吸水树脂达到饱和需几小时到几十小时，0.5h左右可达饱和吸水量的1/2；非离子型高吸水树脂达到饱和只需20～60min，几秒钟至两分钟就可达到饱和吸水量的1/2以上。③吸湿能力强，吸湿速率快。能吸收空气及土壤环境中的气态水分子。高吸水树脂的吸湿能力和吸湿速率主要取决于高吸水树脂的种类和环境湿度的大小。

　　2．高保水性 高吸水树脂不但吸水能力强，而且保水能力也非常强。所谓保水能力指的是吸水后的膨胀体能保持其水溶液不离析的状态的能力。众所周知，含有大量水的一般水凝胶都具有加压难脱水、蒸发慢、对水的保持能力高的特点。高吸水树脂是水凝胶，所以其吸收的水分在自然条件下蒸发速度很慢，而且加压也不易离析。

　　通常物质的脱水主要有加热蒸发脱水和加力脱水两种。因此，高吸水树脂也有自然条件保水性、热保水性和加压保水性等几种保水功能。

　　3．有效持续性强 保水剂具有反复吸水功能，即吸水--释水--干燥--再吸水。

　　4．增稠性 高吸水树脂凝胶具有特殊的流变性能，增稠性是其显著特性。由于高吸水树脂在水中可吸收溶剂，高度溶胀。溶液体系被溶胀的树脂颗粒紧密填充而变稠密，溶液黏度显著增加，即很少量的树脂就可使溶液黏度大大提高。

　　5．安全性 高吸水树脂的水溶液呈弱酸性或弱碱性，无刺激性。经大量动物试验和农业试验证明，用于食品、医药卫生等方面的保水剂安全无毒，用于农林业方面的保水剂不会改变土壤的酸碱度。

　　除以上性能外，高吸水树脂还具有吸氨性、扩散性、相容性等特殊性能。

　　三、高吸水树脂的应用

　　高吸水树脂由于其优良的吸水性和保水性，应用范围在不断扩展，已广泛应用于卫生材料、农林园艺、脱水剂、化学蓄冷剂、蓄热剂、污泥固化剂、防露水用壁材、食品保鲜剂、水膨胀涂料和复合吸水材料等方面。因此，这类产品的生产能力迅速增加，特别是美国和日本发展最快，年产量已超过20万吨。

　　1．农林、园艺方面的应用 很早以前就有人利用水溶性高分子与土壤结合，改良土壤的团粒结构，增加透水性、透气性以达到提高农作物产量的目的。高吸水树脂问世后，许多研究者用它与土壤结合改替土坡团粒结构、改善土壤的保水性能和保温性能，这样既有利于作物生长，又可节约灌溉用水、减少灌溉次数。日本鸟取大学砂丘利用研究组在砂地20cm深处放一层含有0.1%～0.3%高吸水树脂作保水剂和砂土，种植菠菜等五种蔬菜，对比试验表明，使用保水剂可提高2～3倍的收获量，并明显地减少了灌溉的费用。在美国，有人把大豆和玉米的种子浸渍在高吸水树脂里，在种子表面形成一层含水的薄层，一方面可以提高种子的发芽率，另一方面可以缩短发芽时间，这对于在干旱地区播种是很有价值的。在移植苗木时，有时需要长途运输，根部暴露的时间长，影响成活率。如在苗木根部加上一些吸水后的树脂，可以提高苗木移植的成活率，还可提高移植苗木的保存时间。

　　我国土地辽阔，有大面积的沙漠及干旱、半干旱土地，改造治理沙漠、防止水土流失、提高干旱半干旱地带的绿化率，为高吸水树脂提供了用武之地。研究者发现，在农业上应用高吸水树脂可以减少灌溉水的损耗、降低植物的死亡率、提高土壤的肥力、加快作物的生长速率、增加作物的产量。而且可使土壤形成团粒结构，可以增加土壤的透水性、透气性、降低土壤的昼夜温差。同时与肥料、农药作用可使它们缓慢释放、增加肥料和农药的利用率和有效性。用于耕作的高吸水树脂可以是薄膜状、凝胶状和泡沫状，其用途是用于正在生长的蔬菜和花的种子，以增加生产的稳定性和产量，节省劳动力。高吸水树脂吸水后，保存在苗床下面的适当位置，利用毛细作用，逐渐供给植物水分，这样可以达到缓释水分作用。对我国特别是西北及华北干旱、半干旱地区而言，高吸水树脂的节水、保水、抗旱保苗、改良土壤、促进植物生长的特殊性能，无疑是一个福音，越来越受到广大农民和科技工作者的关注。

　　2．改造沙漠方面的应用 将高吸水性聚合物配制成0.3%～0.4%的凝胶液，撒入10～15cm深的沙漠中，就可在其中种植蔬菜和一般农作物。日本已在中东和非洲地区作了近20年的试验工作，收到了较好的效果，引起世人关注。同样，这项工作的开展对改善我国北方少雨多旱地区、土地沙化地区的现状具有重要的意义，也具有很好的市场前景，但此项工程的实施还有许多工作要做。

　　3．医药卫生用品方面的应用 制造卫生用品是高吸水聚合物应用研究比较成熟的一个领域，也是目前最大的市场，约占总量的70%。以纸尿布为例，1973年在日本的普及率为5%～6%，1987年增加到30%，同年，瑞典、法国和美国的普及率分别为100%、98%和80%。仅这一方面，发达国家SAP的年需要量就达15万吨/年。在我国，由于高吸水聚合物本身质量尚有一定的欠缺，再加上人们对此还需有一个适应的过程，所以卫生用品制造商很少用SAP，即使使用也基本依靠进口。随着人们生活水平的提高，此类需求将大大增加，因而国内市场具有很大的潜力，研究高性能的高吸水聚合物具有重要的意义。

　　高吸水性聚合物吸水后形成的凝胶比较柔软，具有人体适应性，如对人体无刺激性、无副反应、不发生炎症、不引起血液凝固等，这些都为其在医药上的应用创造了条件。近年来，SAP已被广泛应用于医药各个方面：如用于保持部分被测液的医用检验试片；含水量大、使用舒适的外用软膏；能吸收手术及外伤出血或者分泌液，并可防止化脓的医用绷带和棉球；能使水分和药剂通过，而微生物不能透过的抗感染性人造皮肤等。另外，SAP还在隐形眼镜、缓释药物基材等制造中得到广泛应用。采用高吸水树脂作为医药释放材料，可以通过调节其结构以适宜生物体特点及含水率，可以控制药物释放的速度。

　　高吸水树脂吸水后形成的凝胶比较柔软，对生物组织没有机械刺激作用，在三维构造的微小空间中含有大量的水，该凝胶与生物组织十分相近，且凝胶具有优良的溶质透过性、组织适应性和抗血液凝固性，同时还可以采用高分子材料增强其机械强度，这些特性为其作为医用材料的研究奠定了基础。

　　近年来，高吸水树脂作为抗血栓材料的应用研究已取得了进展。研究表明，高分子吸水树脂凝胶可控制血浆蛋白质和血小板黏着，使血栓难以形成；同时它能把尿激酶等线溶性活性酶固定在凝胶表面，并能溶解初期形成的血栓膜。这为研究制造抗血栓药剂提供了两条新的途径。

　　用高分子吸水树脂作控制药剂释放速度的载体，不仅其生物适应性好，还能通过调节药剂的含水率而改变药剂的释放速度，使药剂基本维持定值，可避免随时间推移而药剂的释放速度逐渐降低。例如，氟离子可以有效地预防龋齿，其原因是使牙齿的珐琅质被氟化，在甲基丙烯酸-α-羟基乙酯和丙烯酸甲酯共聚物的凝胶中分散氟化钠，可控制氟离子缓慢放出，达到防止龋齿的目的。

　　用高分子吸水树脂凝胶制作的柔软隐形眼镜，已经在市场上出售，其主要成分是含水38%左右的聚甲基丙烯酸-α-羟基乙酯与角膜含水率相近的N-乙烯吡啶。这种产品和坚硬隐形眼镜比较，其氧气透过性好，配戴者具有良好舒适感，可长时间连续使用。

　　此外，应用高分子吸水树脂制造的其他医用材料也不断出现。例如，用甲基丙烯酸-α-羟基乙酯和聚乙二醇制成的人造皮肤，敷于烧伤处，水分和药剂通透过，但微生物不能透过，故能有效地防止烧伤处感染；甲基丙烯酸-α-羟基乙酯和丙烯酸甲酯共聚物的凝胶可用作避孕药剂；聚甲基丙烯酸-α-羟基乙酯凝胶可用作膜包人造肾脏净化血液的活性炭和制造人造胰腺膜等。

　　4．工业方面的应用 利用高吸水树脂高温吸水、低温释放水的功能制作工业防潮剂。在油田采油作业中，尤其老油田的采油作业，利用超高相对分子质量的聚丙烯酰胺的水溶液进行驱油效果非常好。还可以用于有机溶剂的脱水，尤其对极性小的有机溶剂其脱水效果十分显著。还有工业用的增稠剂、水溶性涂料等。

　　5．建筑材料方面的应用 随着现代化建设的发展，各行各业都在突飞猛进的发展，水是建设中必须考虑的重要因素。在各项建设中节水保水、综合治理水资源是当务之急。目前，高吸水树脂在建材工业中主要应用于止水堵漏、防结露、调湿除湿、建材涂料、提高建筑工效等方面。

　　6．其他方面的应用 除以上几个应用方面外，高吸水树脂在日用化工、石油工业、环保工业、纤维工业、电子工业等方面同样具有广阔的应用前景。高吸水树脂在日常生活中也得到了很好的应用。如在食品保鲜剂、化妆品添加剂、香水缓释剂、油田处理剂等方面，高吸水树脂均发挥了巨大的作用。在日用品方面，可用于化妆品的保湿、保香、滋润皮肤、防干。在电子工业中，用作湿度传感器、水分测量传感器、漏水检测器等；在消防制品方面，用于凝胶防火剂、防火布等。此外，高吸水聚合物还可作为重金属离子吸附剂、吸油材料等。