高吸水性树脂含有大量氨基、羧基、羟基等强亲水基团和独特的三维空间网络结构,且对金属有螯合作用,是一类新型功能高分子材料。高吸水性树脂通过水合作用能够迅速吸收比自身高数百倍甚至千倍质量的液态水,且在常温下具有良好的保水能力,即使在受热或受压下也不易失水,在光、热、酸、碱中的稳定性也较好。因此,相比于传统的吸水材料,高吸水性树脂具有交联密度低、高吸水膨胀、高保水性能、对弱碱性物质强吸收、不溶于水和有机溶剂、可反复使用等优点。
高吸水性树脂的种类
目前,使用最广泛的分类方式是按原材料来源分类,可分为四大类:淀粉类、纤维素类、合成树脂类及有机–无机复合类。
淀粉类高吸水性树脂
传统聚丙烯酸盐类高吸水性树脂,其原材料丙烯酸为石化产品,在自然界中需要 500年才能完全降解,对环境危害大。淀粉类高吸水性树脂主要是指以淀粉为骨架,通过与其它单体接枝共聚形成的一类高分子材料,其作为最早被发现的高吸水性树脂种类,一般由天然淀粉改性处理得到。淀粉类高吸水性树脂常以小麦淀粉、玉米淀粉、马铃薯淀粉等作为基本原材料,这些原材料在生活中随处可见,不仅来源广泛,且生产成本低,再加上原材料为生物质,一般能被微生物降解,因此为环境友好材料。
纤维素类高吸水性树脂
淀粉类高吸水性树脂为可降解生物质环境友好材料,与淀粉一样,纤维素也是自然界分布最广、含量最多的生物质原材料之一。天然纤维素分子含有大量亲水基团,具有刚性平整结构,且内部分布众多毛细管,可增大其比表面积,这些特性使得该种材料非常适合做吸水材料。纤维素是天然可再生资源,可持续利用,具有无毒、可降解、与环境相容等优点,因此纤维类高吸水性树脂有着广阔的应用前景。
合成树脂类高吸水性树脂
不同于淀粉类及纤维素类高吸水性树脂,合成树脂类高吸水性树脂的分子链上存在大量亲水基团以及交联而成的网状结构,使得该种材料能迅速吸水且将水保存在网状结构中。石油化工产品给高吸水性树脂的生产带来了大量原材料,该类原材料丰富易得,制备简便,如聚乙烯醇、聚丙烯酸、聚丙烯酰胺等。合成类高吸水性树脂吸水率较高,但易受 pH 值和盐度影响,吸水后凝胶强度较小,再加上其耐盐性、生物降解性差,废弃后易造成环境污染,极大地限制了该类吸水材料的使用范围。合成类高吸水性树脂种类中,应用面最为广泛的是聚丙烯酸盐系列,其次是聚乙烯醇系列。
有机 – 无机复合类高吸水树脂
为了克服淀粉类与纤维素类高吸水性树脂生产工艺复杂、凝胶强度较低以及合成树脂类高吸水性树脂难回收利用等问题,在天然类、合成树脂类树脂中引入新的官能团或通过共混等手段来改善树脂的综合性能,得到可降解、高性能、多功能的复合类高吸水性树脂,已成为高吸水性树脂的一个发展方向。根据复合材料种类的不同,主要可分为有机/无机复合高吸水性树脂和有机/有机复合高吸水性树脂两大类。
高吸水性树脂的应用
高吸水性树脂具有优良的吸水性和保水性特点,作为一种新型多功能材料,其在农林园艺、卫生医疗和建材工业等领域均有较为广泛的应用。
农林园艺
高吸水性树脂在农林园艺中常用于土壤改良剂、保湿剂、沙漠治理、无土栽培等,其中以土壤改良剂使用最广。作为土壤改良剂,高吸水性树脂可有效改善土壤结构,不但能节约灌溉用水,减少灌溉次数,提高土壤透气和透水性能,提高植物的出苗率和移栽成活率,同时还能提高土壤持水量,降低植物的死亡率,促进植物根系生长,使作物产量倍增。在施肥和打药的过程中,使用高吸水性树脂,能使肥料和农药的利用率和有效性得以提高,并减少传统化肥及农药对环境的危害。
吸水树脂在低温和常温下,可以正常使用,吸水基本可以达到饱和。
但在较高的温度下,吸水量随着温度的升高,而慢慢减少,一般到120℃左右,吸水效果已经非常差了。温度再高,吸附的水分就会解吸,使吸水树脂再生。