高吸水性树脂的吸水理论及吸水结构.doc

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1、述情况，本节对焉吸收树脂的基本结构、形态、吸收理论加以概述。 1．2．1高吸水性树脂的吸水理论及吸水结构 (1)高吸水性树脂的吸水结构 高吸水性树脂是一种三维网络结构，它不溶于水而大量吸水膨胀形成高 含水凝胶。高吸水性树脂的主要性能是具有吸水性和保水性。要具有这种特 性，其分子中必须含有强吸水性基团和一定的网络结构，即具有一定的交联 度。实验表明：吸水性基团极性越强，含量越多，吸水率越高，保水性也越好。而交联度需要适中，交联度过低则保水性差，尤其在外界有压力时水很 容易脱去；交联度过高，虽然保水性好，

2、但由于吸水空间减少，使吸水率明 显降低。 根据高吸水性树脂的交联结构可分为三种类型：①化学交联；②物理交 联；③混合交联(既有化学交联，又有物理交联)。以下从几种典型的吸水 性树脂阐述其结构和形态。 ①淀粉接枝物和纤维素接枝物淀粉和纤维素都属于多糖类高分子化 合物，是由葡萄糖结构单元结合而成的大分子。丙烯酸类单体与之接枝共 聚，就得支链高分子化合物。 日本三洋化成工业公司温品谦二等根据VonE．Gruber等的方法探讨了 淀粉接枝丙烯酸的聚合物结构。从接枝聚合物侧链的分子量、溶解性的比较 等研究结构，

3、得出如图1-1所示的结 构。即淀粉的葡萄糖环在约2000个单 元中用一个单元接枝丙烯酸。每个葡萄 糖环用两个以上的丙烯酸通过氢键沿淀 粉链生长构成聚合度约2000的侧链。 又因侧链部分体型结构化，并用氢氧化 钠中和，侧链的钠盐部分从淀粉中游离 出来，而侧链中未中和部分通过氢键结 合在淀粉主链上，并且可推定这种钠盐 和酸是互相交换的。因此，该类高吸水 性树脂的吸水能力可以看作主要是通过 图1-1淀粉一丙烯酸接枝 物推定的结构 水中的高分子电解质的离子电荷相斥引起伸展，与由交联结构(化学交联) 及氢键而引

4、起的阻止扩张相互作用所产生的结果。若交联度不够，可增加氢 键或采用化学交联(如加交联剂)以增强交联。 另外，由于淀粉及纤维素分子中有大量的羟基，各种淀粉分子间也可互 相形成氢键(起交联作用)，并且能形成结晶(特别是纤维素结晶性更强，相形成氢键(起交联作用)，并且能形成结晶(特别是纤维素结晶性更强， 淀粉链分子也能构成螺旋状排列，如天然纤维素和淀粉都具有结晶结构)， 也起交联作用。而淀粉及纤维素的大量羟基也能与水分子形成氢键，具有相 当强的亲水吸水能力，它们在接枝物中起到吸水和交联的双重作用。 ②聚酰胺

5、吸水性材料K．Hashimoto等指出聚酰胺膜的吸水和透水性 优越，根源在于其分子结构。对聚BOL膜(聚四氢吡喃二亚胺碳酰膜)的 吸水形态研究表明，包括极性的亲水微区和非极性的疏水微区，交替分布呈嵌段状，分子结构和排列以及水分子沿极性基方向的形态表示如图1-2。结图l-Z粜IJUL刖莱水任钡匹中聃吸水形念俣A图 果表明疏水区排水作用呈紧密排列；亲水区通过酰氨基及吡喃中的氧，与水 分子形成氢键，吸收大量的水而膨胀。由此可知疏水区起到物理交联的 作用。 ③聚丙烯酸盐吸水性树脂聚丙烯酸盐吸水性树脂有两种：一

6、种是通 过加入交联剂进行交联，一种是不加交联剂，而只是自行交联。前者是由羧 酸盐电解质的离子电荷相互排斥引起分子的伸展，与由于化学交联而引起的 阻止扩张相互作用产生的结果，而后者是由自行交联引起的阻止扩张。目前 对于自行交联的机理尚未明确，可以认为是由于未完成中和的羧酸单元互相 以氢键排列在一起形成微区，限制了羧酸盐的扩张作用，起到了相互交联的 效果。 弹性凝胶包括高吸水性树脂，大多数属于高分子化合物，它们具有直 链、支链、交联的网状结构；另外就其分子的排列情况，有结晶态和非结晶 态结构；以亲水情况有

7、疏水和亲水结构；此外还有电解质和非电解质结构。 水凝胶除化学交联能使它成为有限膨胀外，还有物理交联也能起到同样 作用。化学交联主要是共价键交联和离子键交联以及交联剂交联等；而物理 交联，对水凝胶来说氢键、部分结晶、疏水区等均可起到交联作用。 总之，高吸水性树脂的吸水能力是由于高分子电解质的离子排斥，或高 亲水基团与水分子形成氢键吸引所产生的分子扩张膨胀，与起交联作用的网 状结构引起阻碍分子的扩张相互作用所产生的结果。(2)高吸水性树脂的吸水理论 从化学组成和分子结构分析可知，高吸水性树脂是分子中含有亲

8、水性基 团和疏水性基团的交联型高分子电解质。当亲水性基团与水分子接触时会相 互作用形成各种水合状态；疏水基部分因疏水作用而易于折向内侧，形成局 部不溶性的微粒结构，使进入网格的水分子由于极性作用而局部冻结，失去 活动性，形成“伪冰”(Falseice)结构。研究表明，高吸水性树脂处于凝胶 状态时，存在大量的冻结水和少量的不冻水。其亲水性水合分子可在分子表 面形成厚度为0．5～o．6nm的2～3个水的分子层。其中第一层为极性离子 基团与水分子形成配位键或氢