大学材料科学与工程——超强吸水高分子材料.pptx

第八章 吸附性高分子材料主要内容分类分类制备制备性能性能应用应用2024/4/7 周日周日材料材料高分子吸附剂的定义是一种具有物质传递功能的高分子材料利用高分子材料与被吸附物质之间的物理或者化学作用，使两者发生暂时或者永久性结合，进而发生各种功效物理或者化学作用包括物理吸附，范德华力，静电力，配位键及离子键的形成2024/4/7 周日周日材料材料2024/4/7 周日周日材料材料CLASSIFICATIONAccording to the source天然天然Natural Absorbent polymeric materials always biodegradable改性淀粉，纤维素，壳聚糖（Modified starch，cellulose,chitosan）合成合成Synthetic Absorbent polymeric materials离子交换树脂（聚苯乙烯骨架）ion exchange resin高分子螯合剂（骨架含O，N，P，S，可与金属形成配位键）polymeric chelator高吸水树脂（骨架上含亲水基团，如-OH，-COOH，COOM，-NH2等）Super water-absorbent resin2024/4/7 周日周日材料材料2024/4/7 周日周日材料材料MOLECULAR ARCHITECTURE DESIGN引入不同官能团调节极性Polarity调整交联度(Cross-linking degree)改善溶胀性(swelling capacity)调节制备工艺以制备多规格多孔材料(Pore size and density)2024/4/7 周日周日材料材料2024/4/7 周日周日材料材料2024/4/7 周日周日材料材料2024/4/7 周日周日材料材料2024/4/7 周日周日材料材料2024/4/7 周日周日材料材料2024/4/7 周日周日材料材料2024/4/7 周日周日材料材料超强吸水高分子材料超强吸水高分子材料优点优点用途用途一、吸一、吸 水水 原原 理理二、分类二、分类三、基本结构三、基本结构四、四、SAPSAP结构结构五、合成高吸水分子中一些重要术语五、合成高吸水分子中一些重要术语六、接枝共聚反应实例六、接枝共聚反应实例Super2024/4/7 周日材料高吸水性树脂高吸水性树脂(Super Absorbent Polymer简称简称SAP)也称为也称为高吸水性树脂高吸水性树脂、超强吸水剂超强吸水剂、高吸水性聚合物高吸水性聚合物，是一种具有优异吸水能力和保水能力的新型功能高分子材料是一种具有优异吸水能力和保水能力的新型功能高分子材料。高吸水性树脂高吸水性树脂Super2024/4/7 周日材料既然安上既然安上super这个头衔这个头衔,那我们就要看看它们和传统吸水材料的区别那我们就要看看它们和传统吸水材料的区别普通吸水材料普通吸水材料SAP超强吸水高分子材料综述超强吸水高分子材料综述Super2024/4/7 周日材料吸水能力高吸水能力高:可达自身重量的几百倍至几千倍。可达自身重量的几百倍至几千倍。SAP优点优点吸水前吸水前吸水后吸水后超强吸水高分子材料综述超强吸水高分子材料综述Super2024/4/7 周日材料SAP优点优点保水能力高保水能力高:即使受压也不易失水即使受压也不易失水 超强吸水高分子材料综述超强吸水高分子材料综述Super2024/4/7 周日材料用途用途超强吸水高分子材料综述超强吸水高分子材料综述Super2024/4/7 周日材料用途用途植物养护泥植物养护泥各式吸潮剂各式吸潮剂超强吸水高分子材料综述超强吸水高分子材料综述Super2024/4/7 周日材料一、吸一、吸 水水 原原 理理1.吸吸 水水 实实 质质化学吸附化学吸附物理吸附物理吸附棉花、纸张、海绵等。棉花、纸张、海绵等。毛细管的吸附原理。毛细管的吸附原理。有压力时水会流出。有压力时水会流出。通过化学键的方式把水和亲水通过化学键的方式把水和亲水性物质结合在一起成为一个整性物质结合在一起成为一个整体。加压也不能把水放出。体。加压也不能把水放出。H2O阶段阶段2吸水树脂的离子型网络吸水树脂的离子型网络2.SAP2.SAP的吸水原理的吸水原理网络内外产生网络内外产生渗透压渗透压,水份进一步渗入水份进一步渗入.阶段阶段1 较慢。通过较慢。通过毛细管吸附毛细管吸附和和分散作用分散作用吸水。吸水。水分子通过水分子通过氢键氢键与树脂的亲水基团作用与树脂的亲水基团作用,亲水基团离解亲水基团离解,离子之间的静电排斥力使离子之间的静电排斥力使树脂的网络扩张。树脂的网络扩张。交交联联点点（内）（内）（外）（外）随着吸水量的增大随着吸水量的增大,网络内外的渗透压差趋向于零网络内外的渗透压差趋向于零;而网络扩张的同时而网络扩张的同时,其弹性收缩力也在增加其弹性收缩力也在增加,逐渐抵逐渐抵消阴离子的静电排斥消阴离子的静电排斥,最终达到最终达到吸水平衡吸水平衡。阶段阶段3吸水剂微球吸水过程的体积变化示意图吸水剂微球吸水过程的体积变化示意图 SAP合成高分子系合成高分子系淀粉系淀粉系纤维素系纤维素系二、分二、分 类类甲壳质衍生物甲壳质衍生物聚丙烯酸类聚丙烯酸类聚丙烯酸钠交联物聚丙烯酸钠交联物丙烯酸丙烯酸乙烯醇共聚物乙烯醇共聚物丙烯腈聚合皂化物丙烯腈聚合皂化物其它其它聚乙烯醇类聚乙烯醇类聚乙烯醇交联聚合物聚乙烯醇交联聚合物乙烯醇乙烯醇其它亲水性单体接枝共聚物其它亲水性单体接枝共聚物其它其它纯合成高分子纯合成高分子淀粉类淀粉类淀粉淀粉丙烯腈接枝聚合水解物丙烯腈接枝聚合水解物淀粉淀粉丙烯酸共聚物丙烯酸共聚物淀粉淀粉丙烯酰胺接枝聚合物丙烯酰胺接枝聚合物其它其它纤维素类纤维素类纤维素接枝共聚物纤维素接枝共聚物纤维素衍生物交联物纤维素衍生物交联物其它其它其它其它多糖类多糖类(琼脂糖、壳多糖琼脂糖、壳多糖)、蛋白质类等、蛋白质类等天然高分子加工产物天然高分子加工产物合成超高吸水高分子材料合成超高吸水高分子材料 目前主要分为聚丙烯酸（盐）目前主要分为聚丙烯酸（盐），聚乙烯醇两大类。，聚乙烯醇两大类。其中，聚丙烯酸（盐）类的研究最多，产量最大。其中，聚丙烯酸（盐）类的研究最多，产量最大。类别类别聚聚 丙烯酸（盐）类丙烯酸（盐）类 聚聚 乙乙 烯烯 醇醇 类类比比较较 吸水性强，工艺成吸水性强，工艺成熟，合成方法多样。熟，合成方法多样。吸水倍率不及聚丙烯酸吸水倍率不及聚丙烯酸类类,但它的特点是吸水速度快但它的特点是吸水速度快,23分钟内即可达到饱和吸分钟内即可达到饱和吸水量的一半。水量的一半。三、基本结构三、基本结构线型聚丙线型聚丙 烯烯 酸酸 结构示意图结构示意图 合成超高吸水高分子材料合成超高吸水高分子材料80年代我国开始了对淀粉系高吸水性树脂的研究年代我国开始了对淀粉系高吸水性树脂的研究。超强吸水剂的研究起源于淀粉系，美国北方农业省研究所从淀粉接枝丙烯腈开始，超强吸水剂的研究起源于淀粉系，美国北方农业省研究所从淀粉接枝丙烯腈开始，接着于接着于1966年完成该项研究，并投入生产。年完成该项研究，并投入生产。淀粉系超高吸水高分子材料淀粉系超高吸水高分子材料直链淀粉直链淀粉支链淀粉支链淀粉淀粉结构淀粉结构纤维素系超高吸水高分子材料纤维素系超高吸水高分子材料纤维素结构纤维素结构区区别别与与联联系系 淀淀 粉粉 系系纤维素系纤维素系合成系合成系价格低廉、生物降解性能好价格低廉、生物降解性能好抗霉解性优抗霉解性优工艺简单，吸水、工艺简单，吸水、保水能力强保水能力强 吸吸水速度较快耐水水速度较快耐水解，吸水后凝胶解，吸水后凝胶强度大，保水性强度大，保水性强强.抗菌性好抗菌性好.但但可降解性差可降解性差.适适用于工业生产用于工业生产缺缺点点 合成工艺复杂，易腐败，耐热性不合成工艺复杂，易腐败，耐热性不佳，吸水后凝胶强度低，长期保水性佳，吸水后凝胶强度低，长期保水性差，耐水解性较差差，耐水解性较差。优优点点 储量丰富，可不断再生，成本低储量丰富，可不断再生，成本低;无毒且能微生物分解，可减少对环境无毒且能微生物分解，可减少对环境的污染。的污染。共共同同点点 均是葡萄糖的多聚体，可以采用相均是葡萄糖的多聚体，可以采用相类似的单体、引发剂、交联剂进行吸类似的单体、引发剂、交联剂进行吸水树脂的制备水树脂的制备甲壳质衍生物四、四、SAP结构结构 主链或侧链上含有亲水性基团，如主链或侧链上含有亲水性基团，如 -3、-、-2、-等等 吸水能力：吸水能力：-3-2-低交联度的三维网络。网络的骨架可以低交联度的三维网络。网络的骨架可以是淀粉、纤维素等天然高分子，也可以是合成树脂是淀粉、纤维素等天然高分子，也可以是合成树脂(如聚如聚丙烯酸类）。丙烯酸类）。从化学结构看：从化学结构看：从物理结构看：从物理结构看：淀粉聚丙烯酸钠接枝聚合物模型图淀粉聚丙烯酸钠接枝聚合物模型图微观结构微观结构多孔网状结构多孔网状结构术语术语 解释解释 影影 响响引引发发剂剂 引发自由引发自由基聚合反应基聚合反应 用量：一般为单体的用量：一般为单体的0.010.8%用量过多：用量过多：网络变小网络变小 吸水率吸水率 用量过少：用量过少：可溶部分增多可溶部分增多 吸水率吸水率交交联联剂剂 令聚合物令聚合物链相互交联链相互交联 决定了树决定了树脂空间网络脂空间网络的大小的大小 用量：一般为用量：一般为0.20.8%用量过多：网络收缩用量过多：网络收缩 吸水率吸水率 用量太少：树脂溶解度用量太少：树脂溶解度 吸水率吸水率五、合成高吸水分子中一些重要术语五、合成高吸水分子中一些重要术语天然产物的接枝改性天然产物的接枝改性原料原料糊化糊化通氮净化通氮净化硝酸铈胺硝酸铈胺硝硝酸酸丙丙烯烯腈腈氢氢氧氧化化钠钠溶溶液液离心中和离心中和产品产品粉碎粉碎调调PH 干燥干燥淀粉与丙烯腈制造实例淀粉与丙烯腈制造实例制造制造SAPSAP的新方法的新方法微波法微波法高效节能，无环境污染高效节能，无环境污染加热速度快、均匀、有选择性、无滞后效应加热速度快、均匀、有选择性、无滞后效应纸浆纤维纸浆纤维2.53.5min单体丙烯酸单体丙烯酸