摘要：本文主要介绍了国内外高吸水高分子材料不同的研究方法和工艺方法,重点综述了淀粉系、纤维素系和合成聚合物等三大类高吸水高分子材料的研究进展。
关键词：高吸水材料,淀粉系,纤维素系,合成聚合物
1 引言
中国人均水资源仅为世界平均水平的四分之一,水资源的短缺对农业、林业以及工业的发展产生了极大的影响,研究和使用土壤保水剂极其必要。土壤保水剂对缓解干旱,提高水资源的充分利用具有非常积极的作用。传统的吸水材料,如纸、海绵、棉花等吸水能力低下,保水能力差,受到外力后易脱水。
1960年代,C. R. Russell等人开发了一种新型的高吸水性材料(SAP),其吸水能力为其自身重量的300～1 500倍,且不溶于水和有机溶剂,高温和高压条件下,也不容易失水,稳定性强,在酸、碱条件下可以保持其自身结构,重复利用性优异[1]。自此成果发表以来,SPA得到了广泛的应用研究,展示了其在建筑、绿化、医卫、环保等领域非常广阔的应用空间。
2 国内外同类研究概况
根据主要原料的来源,SAP主要分为淀粉系、纤维素系和合成聚合物系三大类。
2.1 淀粉系
刘建树等[2]以淀粉为原料,磷酸盐为交联剂,反应得到淀粉磷酸酯SAP。发现SAP的吸水率(WUP)与反应时间、温度、搅拌速率、交联剂质量、淀粉质量和分散剂质量都有关,WUP随着搅拌速率增加而增加,随着淀粉质量的增加而降低。此SAP可完全生物降解,在土壤中40天左右会完全消失。
刘晓洪等[3]通过黑曲霉菌等三种微生物生长试验、土壤包埋试验和毒性试验研究了淀粉接枝SAP的生物降解性和毒性。发现几种霉菌均生长较好。土埋42天后,SAP中仅有少许淀粉未分解完全,生物降解性优异。
乔冬玲[4]借助Haake密炼机成功构建淀粉基SAP,并考察了体系水分含量对其分子结构及宏观性能的影响,结果表明,低水分含量所构建的淀粉基SAP的三维网格结构不均一,该结构在提高其WUP的同时,降低了其吸水倍数(WUR)及凝胶强度(GS)。
赵伟等[5]采用溶液聚合法合成了淀粉接枝丙烯酸酯高吸水树脂。通过正交实验发现木薯淀粉与丙烯酸的质量比为1∶3时的SAP具有更好的吸水效果,达346 g/g,并且其降解性优异,在15天内即降解近半。
于九皋等[6]以高锰酸钾为引发剂,使淀粉接枝丙烯腈共聚物皂化制得SAP,通过实验探讨了接枝反应机理。Fatemeh Kazeminejadfard等[7]利用木薯淀粉的羟丙基二淀粉磷酸酯(HDP)与丙烯酸(AA)接枝共聚,沸石、APS和MBA分别作为填料,合成了分别在蒸馏水和0.9wt%NaCl溶液中具有1 075和67 g/g的最大吸水性的SAP。
2.2 纤维素系
史艳茹等[8]采用原位插层共聚,以木质纤维素和丙烯酸为原料,加入无机物蒙脱土制备三维网络水凝胶LNC-g-AA/MMT。得到的产品在水溶液中对亚甲蓝的吸附容量可达2000 mg/g;在盐酸溶液中对亚甲蓝染料的脱附率高达85%,再生性优异,且热稳定性优于LNC- g- AA。
Chen Yu[9]通过将丙烯酸钠和1-乙烯基-2-吡咯烷酮接枝共聚到N,O-羧甲基壳聚糖链上制备新型SAP。所制得的SAP的吸水率很高,其溶胀过程表现出一级动力学,溶胀率与 pH有关。
Qian Li[10]等以小麦秸秆为原料,丙烯酸(AA)、丙烯酰胺(AM)和二甲基二烯丙基氯化铵接枝共聚制备了SAP,并研究离子对其溶胀行为的影响。该产品在蒸馏水中的WUP为134 g/g,在0.9wt%的NaCl盐溶液中为34 g/g。 FTIR和SEM表明,单体成功地接枝到秸秆上。离子对溶胀的影响顺序为:Na+>K+>Mg2+>Ca2+、Cl->SO42-。
王瑞[11]以小麦秸秆为原料,丙烯酸、丙烯酰胺为单体,通过水溶液聚合法合成SAP,并添加膨润土以增强GS。SAP的WUP可达198 g/g,盐水吸收率可达25 g/g,耐盐性得到改善。
Nádia S.V.Capanema等[12]研究基于羧甲基纤维素(CMC)的环保水凝胶膜的合成和综合表征,并用柠檬酸(CA)进行化学交联以调节它们的性质。另外,通过与10wt%聚乙二醇(PEG)共混制备基于CMC的杂化物。 结果表明,生产的SAP的溶胀度通常为100%～5 000%。
Zhang Yong等[13]以亚麻纱废料(FYW)为原料,在均相水溶液中,通过自由基接枝共聚,将AA和AM接枝到预处理后的 FYW上。得到的SAP对蒸馏水,雨水和0.9%重量分数NaCl溶液的最佳吸水性分别为875 g/g、490 g/g和90 g/g。
2.3 合成聚合物
和淀粉系SAP、纤维素系SAP相比,以聚丙烯酸类SAP为代表的合成聚合物SAP生产成本低,合成过程简单。目前,其产量占SAP总产量的80%以上。
孔炎炎[14]以N-马来酰化壳聚糖为交联剂,以马来酸酐(MA)和丙烯酸为原料制备SAP。最优条件下得到的SAP的WUP为1 560.42 g/g,盐吸收率为83.7 g/g。
孙小然等[15]以AA和MA作为单体,中和之后在水相中反应形成交联的耐盐SAP。WUP和抽吸纯水率分别为140 g/g和1 270 g/g或更高。该溶液聚合体系粘度低,易混合、传热,温度控制容易,效率高,成本低,生产过程污染少,易于清洗和生产。
陈育宏等[16]采用反相悬浮聚合法,将Span80在环己烷中分散均匀,和中和过的AA、引发剂K2S2O8与交联剂 N, N'-亚甲基双丙烯酰胺反应,制备聚丙烯酸酯SAP,研究了各种条件对聚合物吸水性的影响。
Jchowdhury Nath等[17]在MMT存在下通过自由基接枝聚合合成了一系列基于丙烯酸酯接枝的Ge和AAc的纳米复合水凝胶(NWG)。制备的NWG在蒸馏水中表现出更好且高度增强的溶胀,溶胀百分比值约为37 563%。
李贺敏等[18,19]通过聚谷氨酸交联缩水甘油醚反应制备聚谷氨酸SAP, 并以不同分子量的PEG缩水甘油醚为变量研究最佳的工艺条件。该产品最高WUP高达2 200倍,吸水性能优异,热稳定性好,吸水后在250℃才快速分解。
徐鸽等[20]以AA为原料进行着色聚合反应制备彩色水晶SAP,该产品具有储水、供水、肥料储存、肥料供应等功能,还可支持植物生长,色泽晶莹剔透,防水,防光,具有良好的观察性和耐用性。
A.Pourjavadi等[21]研究了丙烯酸酯水凝胶的合成和溶胀性能。通过均相合成将AA基团引入淀粉主链上,制备三种具有不同取代度的淀粉单体,以(NH4)2S2O8作为引发剂,使丙烯酸酯淀粉与AA和AM在水溶液中进行聚合,利用FTIR和TG证实了水凝胶的化学结构,通过SEM检查样品的形态,在各种条件下评估了它们的平衡溶胀度。
结语
目前,SAP仍处于发展阶段,我国自1980年以来便一直在关注这一领域,虽然近些年的发展逐渐缩小了与发达国家的差距,但由于起步较晚,现在仍然处于相对落后状态,在SAP的合成工艺和改性以及产品的开发方面尚有待更深入的研究,特别是在SAP的耐盐性、水释放速率和凝胶强度方面仍然需要进一步改善。
参考文献
[1] 刘强,何曦.高吸水高分子材料的研究[J].中国环保产业,2018(02):64-68.
[2] 刘建树,廖丽金,邹黎明.可生物降解高吸水材料的制备以及制备工艺对吸水倍率的影响[J].东华大学学报(自然科学版),2002(05):80-85.
[3] 刘晓洪,曾莹.淀粉接枝类高吸水性树脂的生物降解性与毒性研究[J].精细石油化工,2003(06):25-26.
