高吸水保水材料研究现状及趋势综述

2014-12-02吴帆陈洪凯

科技创新导报 2014年29期

吴帆　陈洪凯

摘要：高吸水保水材料作为一种新型的高分子功能材料，它具有能吸收自重几百倍至几千倍的水且加压下也不脱水或脱水很少的优异性能，因而在工业、农业、食品、建筑、日用化工等领域发挥着日益重要的作用。笔者基于对国内外相关文献资料的检索，从高吸水保水材料的类型、制备技术、性能三方面对研究现状进行了系统分析，对高吸水保水材料的发展趋势进行了探讨。

关键词：高吸水保水材料研究现状趋势综述

中图分类号：TB324 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）10（b）-0031-03

水是生物赖以生存和发展的必备条件。水资源问题已成为共同关注的全球性问题。水的获取、保存、利用和排除，自古以来都是人类面临的重要课题之一。当前，全球气温逐年上升，加剧了变暖现象，导致干旱缺水地区越来越多，水土流失现象增加，严重破坏了生态坏境，阻碍了我国农业的可持续发展。保持水土和抗旱节水已经成为我国农业面向未来持续发展的选择。应用高吸水性树脂作为保水剂是发展迅速的化学节水技术[1]。

用于农林业的高吸水材料通常称为保水剂（Water Retaining Agent，Agroforestry Superabsorbent AFSA）。它具有能吸收自重几百倍的水成为具有一定力学性能的水凝胶，吸水后的水凝胶可以缓慢释放水分，保水能力也很好，且加压下也不脱水或脱水很少，而且有反复吸水功能。吸水后的吸水剂相当于在植物根系周围的土壤中形成无数个微型“水库”，当土壤缺水时就会逐步释放其储藏的水分，以供植物吸收利用。同时，保水剂能增强土壤保水性、改良土壤结构、减少土壤水分养分流失、提高水肥利用效率等多种功能，其独特的优点是其他工程方法无法达到的。因而被国际上普遍认为是继化肥、农药、地膜之后第四个最有希望被农民接受的农用化学制品。

基于对国内外高吸水保水材料研究资料的综合分析，从高吸水保水材料的类型、制备技术、性能三方面对研究现状进行了系统分析、评述，据此对其研究趋势进行了探讨。

1 高吸水保水材料的类型

1966年，美国农业部北方研究所的G.F.Fanta和C.R.Russell等[2，3]研究淀粉接枝丙烯腈，开始了高吸水性材料的研究。高吸水保水材料近年来发展速度很快，种类繁多。一般按原料来源分为淀粉系、纤维素系、合成树脂系[3]。

李铭慧等[5]以玉米淀粉为原料，用水溶液聚合法制得了可生物降解的高吸水性树脂。杨富杰等[4]以蔗渣浆纤维为原料，制备吸水材料。彭娜娜等[5]以玉米秸秆为原料，采用水溶液聚合法制备高吸水性树脂。林健等[6]以丙烯酸盐、丙烯酰胺、高岭土和淀粉等为原料，用溶液聚合法制备了复合型耐盐高吸水性树脂。斯玛伊力·克热木等[7]以丙烯酸、淀粉和硅藻土为原料，用紫外光聚合装置合成了复合耐盐性高吸水树脂。栗海峰等[8]以坡缕石与聚丙烯酸（钠）为原料，用溶液聚合法制备高吸水保水复合材料。以上学者将蔗渣、玉米秆、高粱秆等天然纤维素与高岭土、海泡石、坡缕石、硅藻土等无机矿物原料混合，再与丙烯酸、丙烯酸钠或聚丙烯酸钠-丙烯酰胺二元共聚物中制备不同的高分子吸水保水复合材料。与单纯高分子吸水保水材料相比，它不仅保持了较高的吸水倍率和较快的吸水速率，而且抗盐性能得到改善，提高了凝胶强度，产品原材料成本大幅度降低。

2 高吸水保水材料的制备技术

由于采用的原料、引发方式、分散介质、反应条件的不同，高吸水性材料有不同的制备方法。高吸水性材料的合成主要采用自由基聚合、离子聚合和逐步聚合三大类[4]。其中水溶液法、反相悬浮法占绝大多数。

2.1 水溶液法

水溶液聚合法是反应性单体和添加剂溶于适当的溶剂，在光、热、辐射、引发剂（或催化剂）的作用下，生成高聚物的方法。丙烯酸在配制釜中先用氢氧化钠溶液中和，中和度为60～90%mol，加人水，使单体浓度为30～60%mol，再加人交联剂，通氮气，加入引发剂，搅拌均匀后，进入反应器静置聚合（保持氮气），加热水裕使反应温度保持30 ℃～80 ℃，聚合反应2～5 h。得到的凝胶状聚合体，经干燥、粉碎后，得到粉末状吸水剂。其特点是过程简单，可以制成膜状、片状、粉粒粉末状，也可以与其他吸水性物质复合成各种吸水材料。

2.2 反相悬浮法

反相悬浮聚合工艺是以水相为分散粒子，其他溶剂（油相）为分散介质，制成油包水（W/O型）的悬浮液，采用水溶性引发剂引发聚合反应的方法。将丙烯酸水溶液搅拌下滴加氢氧化钠水溶液，冷却至室温，加入交联剂、引发剂，再用水调节成一定浓度的待聚液。另将分散剂加人反应器中，加入表面活性剂溶解，通氮气，加热至反应温度。滴加配好的待聚液，进行聚合反应，生成颗粒状水凝胶。接着在反应器中进行共沸脱水，除去水凝胶中的水，并且继续进行反应。脱水后得到含水率较低的聚合物，于真空干燥器中干燥，得到颗粒状树脂。

3 高吸水保水材料的性能

高吸水性树脂的性能主要指吸水性能、保水性能、增稠性、强度、稳定性、加工性能、安全性、敏感性等方面。作为农林业使用的保水剂，则更注重吸水倍率、保水性能、凝胶强度等指标。

3.1 吸水倍率

吸水倍率一般指吸水保水材料吸去离子水倍率，吸生理盐水（0.9%NaC1（质量分数））倍率。2010年农业部修订的《农林保水剂》（NY886—2010）标准为中华人民共和国农业行业标准，其主要技术指标为：吸水倍率100～700 g/g，吸盐水（0.9%NaC1）倍率≥30 g/g。

影响吸水材料吸液能力的主要有内因和外因两方面。内因包括吸水材料的种类、组成、分子量、交联度、基团等；外因包括环境温度、吸水材料的浓度、所吸液体的组成、离子强度、pH值等。

杜建军等[9]研究了不同吸水倍率的聚丙烯酰胺型、聚丙烯酸盐型、淀粉接枝型高吸水性树脂与氮、磷、钾肥料的相互影响，化学肥料能显著降低高吸水性树脂的吸水倍率，并随肥料浓度的增加，高吸水性树脂吸水倍率显著降低.供试肥料对高吸水性树脂的影响程度过磷酸钙>磷酸一铵>硫酸钾>氯化铵>硫酸铵>氯化钾>尿素。

苟春林等[10]研究不同阴、阳离子对保水剂吸水性能的影响。随着各种离子浓度的增加，保水剂的吸水倍率下降。各种阳离子对保水剂吸水倍率的影响得出的共同结论为：三价阳离子>二价阳离子>一价阳离子。

徐继红等[12]考察了无机盐溶液的浓度、金属离子价态、溶液pH和单体总含量等因素对CMC-g-PAMPS树脂吸水倍率的影响。吸水倍率随无机盐溶液浓度的增加而减小；在不同价态金属离子盐溶液中，吸水倍率大小的顺序为：NaCl>CaCl2>AlCl3；在相同价态的金属阳离子盐溶液中，CMC-g-PAMPS树脂的吸水能力接近；CMC—g—PAMPS树脂在pH=4～8内能保持较高吸水倍率。

栗海峰等[14]研究了海泡石粘土在0%～10%及20%～150%添加量范围对复合材料的吸水保水、重复吸水及抗电解质溶液性能的影响。海泡石添加量在4%和40%～60%范围时，复合材料的吸蒸馏水倍率达到极大值。海泡石添加量大于60%时，复合材料吸水倍率急剧下降。复合材料吸蒸馏水的倍率随各电解质溶液离子强度的升高而不断降低，且海泡石粘土添加量高的复合材料对外界溶液离子强度的敏感程度较高。

3.2 保水性能

保水能力是指吸水后的膨胀体能保持所吸收的水溶液处于不离析状态的能力。它可通过测量水凝胶在不同环境条件下水的蒸发速率或在加压条件下的吸液率进行表征。除聚合物本身的性质、聚合条件外，环境温度，矿物含量、粒度以及复合材料的表面交联对吸水保水材料的保水能力均有一定的影响。

孙志明等[13]对四种膨润土样品在纯水及Na+，Mg2+，Ca2+等盐溶液中的滤失量及其离子交换容量进行了研究。Na+，Mg2+，Ca2+等对膨润土的滤失量均有显著影响，其中以Mg2+的影响最为显著；随着水溶液中阳离子浓度的增大，膨润土的滤失量不断增加；经过Mg2+，Ca2+溶液浸泡后，膨润土所含蒙脱石的种类由钠基蒙脱石变为钙基或镁基蒙脱石；膨润土经盐水浸泡后双电层厚度变小，保水性能变差；颗粒间出现了离析现象，盐浓度越高离析越严重。

马红梅等[16]考察了以蔗渣、高岭土与丙烯酸接枝聚合复合高吸水树脂的保水性能。复合树脂在自然条件下和在恒温箱内不同温度下（湿度为17%，温度分别为25℃、45℃和65℃）均具有良好的保水性。同时，复合高吸水树脂在2000 r.min-1离心30 min仍具有高达96.1%的保水率，具有优良的离心保水性。

凌辉等[17]考察了粉煤灰-伊利石/丙烯酸-丙烯酰胺高吸水复合材料的保水性，在 25℃条件下干燥8 d，吸水凝胶还可以保持50%的吸水量。

周潇雨等[18]考察了多孔颗粒材料内孔表面分形特征及与其保水性能的关系，多孔颗粒的内孔表面的分维值介于2.0882～2.1935之间，且分形拟合曲线相关系数大于0.98，强的相关性说明内孔表面具有显著的分形特征。多孔颗粒材料保水性能与其内孔表面分雏呈负相关。

3.3 凝胶强度

凝胶强度是农林保水剂最重要的性能之一。凝胶强度是指保水剂吸水后水凝胶在土壤中保持一定强度和形状的能力。一般而言，吸水倍率与凝胶强度互为矛盾。吸水倍率越高，保水剂的凝胶强度越差。在农林应用领域，若凝胶强度小，产品一旦吸水释水后就胶结在一起，造成土壤板结，损害植物根部成长。

要提高吸水后水凝胶凝胶强度，可采用提高交联度的方法。一般来说交联度越高，保水剂的强度也越高，否则反之。但值得注意的是交联度提高，吸水倍率也会减小。因此，必需根据所要求的吸水倍率和吸水速度，控制一定的交联度，以达到相应的强度。

余文洁等[15]以魔芋葡甘聚糖为基体，丙烯酸为单体，过硫酸钾为引发剂，分别以N，N`-亚甲基双丙烯酰胺（MBA）、甘油、聚乙二醇600（PEG600）、Ca（NO3）2·4H2O为交联剂，制备魔芋超强吸水树脂（KSAP），实验表明，以MBA为交联剂制得的KSAP的凝胶强度最大，可达到153.7 g/cm2。

4 高吸水保水材料的发展趋势

综上可见，目前在高吸水保水材料的研究还不够深入，尚未形成一套比较完整的研究体系。由于高吸水保水材料具有优异的性能，在工业、农业、食品、建筑、日用化工等领域，尤其是沙漠改造、防风固沙、水土保持、抗旱保苗、增产增收等农林业方面具有良好的市场前景。对我国来说，加强高吸水保水材料的基础研究和应用研究是一项十分迫切的任务。高吸水保水材料的发展趋势可以概化为下述四个方面。

4.1 丰富高吸水保水材料的类型

淀粉、纤维素等天然高分子材料都是地球上取之不尽、用之不竭的可再生材料，利用它们合成可降解材料应用于社会生产，有利于人类的生存与发展。将淀粉、纤维素与无机粘土矿物复合制备高吸水性材料，可以改善纯有机吸水树脂凝胶强度较低、耐盐性能差、生产成本较高等不足，提高材料综合性能。

我国无机黏土矿物的种类很多，如蒙脱土、高岭土、蛭石、伊利石等，它们不仅具有表面多羟基、可交换性阳离子、分散性和亲水性等特点，而且它们本身含有作物所需的营养元素，可用来制备多功能的无机矿物粉体/有机树脂吸水保水复合材料。

4.2 简化高吸水保水材料的制备工艺

高吸水保水材料的制备技术主要以溶液法、反相悬浮法为主，它们有一个共同的缺点是，由于介质和溶剂的加入而减少了反应器的有效利用空间，而且合成后的产品需要过滤、洗涤、脱水、干燥等一系列后处理工序，才能从溶液中分离出来，增加了生产成本。如何简化制备工艺，对高吸水材料的研究和应用具有重要的意义。

4.3 加强机理研究，进一步提高吸水保水材料的性能

吸水保水复合材料在吸水性能和凝胶强度等方面已得到较大程度的提高，但其机理尚不清楚。加强此类复合材料反应机理、吸水机理、反应过程动力学、凝胶微观结构及其性能间的关系的研究，有利于进一步提高吸水保水复合材料的耐盐碱性、凝胶强度和使用寿命。

4.4 进一步降低吸水材料的原材料成本

吸水保水材料的性能与成本直接影响多功能保水剂的性能和成本，而保水剂的价格是我国大范围使用保水剂的关键所在。

与淀粉、纤维素合成吸水材料相比，无机矿物/有机高分子吸水保水复合材料的原材料成本已下降20%～30%。但由于丙烯酸单体价格仍然是原材料成本的最主要影响因素，且矿物添加量只有在27%～50%时的性价比最高，因此，单靠添加矿物来降低保水剂的原材料成本也还是有限度的，如何进一步降低原材料成本是值得研究的问题。

参考文献

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