高吸水树脂应用与发展
高吸水树脂的发展与应用
摘要:高吸水树脂是一种新型的功能高分子材料,由于它具有很强的吸水性和优良的保水性,近年来,高吸水性树脂的开发在我国发展较快。在工业、农林、园艺及日常生活等方面具有广阔的应用前景。介绍了高吸水树脂的研究状况、应用现状、发展现状及其在各方面的应用, 并讨论了改进高吸水树脂性能的方法以及目前的主要研究趋势,并对对今后的研究发展进行了展望并提出建议 。
关键词:高吸水树脂;现状;应用;发展
一、高吸水树脂
1、高吸水性树脂的定义
高吸水树脂 (super —absorbent Polymer,简称SAP) ,是一种出现与2O 世纪60年代的一种经适度交联的具有三维网络结构的新型功能高分子材料。由于该材料分子中含有大量的羧基、 羟基等 强亲水性基团而具有高分子电解质的分子扩张性能。同时,由于微交联三维网络结构阻碍了分子的进一步扩张,使得分子在水中只溶胀不溶解,具有奇特的吸水和保水能力,它能吸收相当于自身重量几百倍甚至几千倍的水,并有很强的保水能 力,已经被广泛应用于农林、园艺、工业、医 疗、环保等各个领域。
2、高吸水树脂的特点
(1)吸水量高
常用的吸水材料海绵等吸水能力为自身重量20倍左右,而淀粉类树脂可吸收自身重量的数百千倍的水。
(2)保水性好
普通吸水材料吸水后,受到压力,易放出水,但高吸水性树脂受压,水不容易从树脂中放出来,也就是说它在外加压力下仍具有良好的保水性。
(3)热稳定性好
不同吸水树脂,有不同的热稳定性。淀粉类在150度加热1h ,开始变黑,吸水能力下降,如把高吸水树脂储存在密封容器中,可储存3-4h ,其吸水能力不变。
(4)增稠性
高吸水性树脂吸水后呈水凝状,比普通水溶性的更高的黏度,明显的增稠效果。
3、高吸水树脂的分类
(1)淀粉类
淀粉是一种原料来源广泛、种类多、价格低廉的多羟基天然化合物。与淀粉进行接枝共聚应的单体主要是亲水性和水解后变成亲水性的乙烯类单体。目前合成高吸水树枝通常采用的是自由基型接枝共聚。
(2)合成树脂系
它的种类很多,且随着研究的深入,也越来越多。主要有丙烯酸类、聚丙烯醇类等,其中以丙烯酸类最重要。
(3)纤维系类
由于淀粉系高吸水性树脂的出现,人们想到用纤维素为原料制备高吸水树脂。纤维原料来源广泛,能与多种低分子反应,是近十年来高吸水树脂发展的一个方面。
(4)有机-无机复合高吸水性树脂
二、高吸水树脂的发展现状
1、国外情况
1978年日本三洋化成公司开始规模化生产SAP ,并成功的将SAP 添加到妇女卫生巾中,1983年开始在婴儿纸尿裤中应用,很快在欧美卫生用品市场流行,从此打开了SAP 的消费市场,并很快拓展到其它应用领域,SAP 消费直线攀升。1980年世界SAP 产能不足0.57万吨/年,到2004年发展到147万吨/年,预计到2010年将达160万吨/年以上。
2、国内情况
二十世纪八十年代初.国内开始研究高吸水性树脂,1988年开始有了SAP 专利,先后有40多个单位从事过此项目的研究,并陆续建设了一些小型装置.规模在100~5000吨/年。2002年广东中山锐迪有限公司有几千吨SAP 产量.产品用于农业和卫生材料两方面。目前.国内装置总产能在i0000~15000吨/年,产量只有5000吨/年左右。大多数由于装置规模小,生产成本高.产品质量不能与进口产品抗衡,价格又不具竞争优势。产品的综合能力欠佳,研发能力与世界水平尚有一定距离,这种种原因阻碍着国内SAP 行业的发展,生产的产品只能用于农林业,尚未掌握卫生用品用SAP 生产技术,市场被国外产品所占领。所以90%的SAP 消费领域一一卫生材料行业用的SAP 绝大部分依靠进口,至今国内没有一套颇具规模的SAP 生产装置。SAP 生产企业生产工艺较为落后,产品质量不稳定且与国外产品质量有差距,同时又面临着进口产品的冲击.所以立足于国内的SAP 市场十分的困难.这些企业不是在夹缝中求得生存,就是在竞争中被市场淘汰,甚至有的研究单位由于种种原因自动放弃研究开发。例如国内有一家研究单位.主攻方向是SAP 的反向悬浮聚合法生产工艺,所研制的产品性能指标与当时日本住友(生产工艺也是反向悬浮) 产品的技术指标非常接近,但由于种种原因,研究已终止,很可惜。就是生存下来的企业所占的市场份额也是较少。国内规模较大的SAP 生产企业是河北唐山博亚科技开发公司和河北保定科翰树脂厂,其生产能力均为0.3万吨/年,但近期由于国家对进口丙烯酸实行反倾销,导致原料价格上涨,博亚科技开发公司SAP 装置已经停产,科翰树脂厂也已经大幅减产,其它一些规模小的工厂也已纷纷停产。最近,日本触媒在扩大其国内和比利时生产厂的产能之后,叉准备在中国建设一套2~3万吨/年的SAP 生产装置,地点选在中国长江下游地域。San —dia 公司成立后,已拥有产能ii .5万吨/年,到2003年5月又增加1万吨/年的能力,目前已把目光投向中国市场,他们预测今后几年中国消费纸尿裤的人数会有较大增加,已在江苏南通建设~套3万吨/年的生产装置,2005年中期将竣工投产。德国BASF 已在南京建了一套16万吨/年的丙烯酸(AA)生产装置,预计2005年3月投产。该装置也有用于生产SAP 的高纯丙烯酸原料。SAP 是AA 的下游产品,中国SAP 市场潜力巨大,SAP 行业的头号种子选手BASF 公司是不会放过这天赐良机的,在中国建设一套SAP 生产装置的可能性极大。国内亦有若干企业试图建设SAP 装置。但市场容量有限,要上装置的单位切忌盲目,最终造成供远大于求的不良局面。
三、高吸水树脂的应用前景
1、农林方面
随着SAP 的不断发展,它在农业上的应用也显示出广阔的前景。SAP 有良好的吸水性和保水性, 因此可以作为土壤和沙漠的改良剂和保水剂, 它在土壤中可形成团粒结构, 增强土壤的透气性和透水性,同时便于对肥料的吸收。在缺水地区,SAP 在降水和灌溉期间大量吸收的水分可以在干旱时期缓慢放出,从而节约灌溉用水, 减少劳动强度, 抗旱保收。随着人们对 SAP研究的进一步加深,既能吸水、保水、抗旱保墒,又能给作物供给养分且具有缓释肥功能的SAP 成为当前研究的热点。
2、土木建筑方面
SAP 还可作为土木工程的止漏水或渗水材料,例如英法间的多巴海峡海底隧道、香港与新加坡的地铁、开罗的下水道隧道、日本神田川地下调节池、各地铁工程以及东京湾横穿公路工程中长约15km 的路段从川崎一侧的9.4km 隧道,其止水工程全面采用了SAP 材料用SAP 和橡胶或塑料共混后加工成各种形状的材料在防止油气渗漏等油田化学中作密封或包装密封得到广泛应用。SAP 还可应用于水泥改性,制造高强度的混凝土。利用SAP 在高湿度时吸湿、低湿度时放湿的呼吸性,将它添加在清漆或涂料内可防止墙面及天花板返潮,起到防霉剂作用。
3、医疗保健方面
SAP 作为吸水剂,已用于能保持部分被测溶液的医用检验试片,含水量大、舒适的外用软膏,能吸收浸出液的治伤绷带及人工皮肤、缓释性药剂等。吸水性树脂的凝胶,可抑制血浆蛋白和血小板的粘连,因而可作为抗血栓材料用于制造人工脏器。 4、其他
SAP吸湿量大、无毒、无腐蚀,可用于食品、水果蔬菜的储存与包装。另外SAP 还可作为通讯电缆的防水剂、洗涤剂中的抗再沉积组分、人造雪、湿度调节剂、凝胶传动装置、 活性酶载体、化妆品增湿剂等。
四、展望
目前,国内外研制的各种高吸水树脂大部分对去离子水或蒸馏水有较高的吸水率,在盐水中的吸水率却降到 1/50--1/10,这就造成其在实际应用中大打折扣。因此要解决以上难题可从以下几个方面进行研究,这也是目前这类高吸水树脂的发展方向: ①开发抗盐性好的高吸水树脂,扩大使用范围。可采用接枝单体含有非离子、两性离子的基团或引入氨基和磺酸基等多种方法。
②目前国内对高吸水树脂研究中,大约 90%以上是产品开发方面的,涉及高吸水树脂基础理论的研究很少。今后应在基础理论方面下功夫,进而指导工作的方向。
③研发新型的复合型高吸水树脂。利用无机或有机材料与高吸水树脂物理混合或参与聚合反应而制得的复合型高吸水树脂,不但可提高树脂的吸水性能、耐盐性能和保水性能,也可降低成本。
④采用新的引发方法,特别是微波辐射方法、紫外辐射方法和超声辐射法,并实现其工业生产,是目前研究的热点之一。
⑤改进工艺路线。研究开发天然型吸水剂,是在人们环保意识、资源意识不断增强的条件下展开的,符合世界研制绿色工艺产品,追求环境友好的发展趋势。天然植物功能高分子材料产品,原料取自自然,产品发挥作用经生物降解又回归自然。如能顺应市场需求开发这类产品,必将有良好的应用前景。
五、结语
近年来全世界高吸水树脂工业化趋势迅猛,市场需求前景广阔,1980 年世界 SAP 生产能力约 0.5 万吨,1990 年增加到 20.7 万吨,1999 年猛增到 129.2 万吨。1980~1990 年,世界 SAP 年产能力年均增长速度高达 45.11%,1990~1999 年则为 22.56%,明显高于其他功能高分子材料。1996 年我国的高吸水性树脂产量约为 1200 吨,到了 1999 年,产量则在2000~3000 吨之间。据统计,高吸水树脂 80%左右用于卫生用品,5%~7%用于农林园艺。随着高吸水树脂的耐电解质性能的改善,不仅可以降低用量和成本,而且可以大大地拓宽其应用领域,将其应用于长期接触海水、地下水、水泥砂浆等含电解质的场合,如用于水溶胀密封材料、电缆防露剂、农业园艺保水剂、土壤改进剂、砂浆混凝土改性剂等;高吸水树脂在其它方面的应用也很广泛, 如在电子工业中,用作湿度传感器、水分测承传感器等,在工业上用作油水分离剂、干燥剂等; 在日常生活中用作室内防结露剂、空气清新剂、人造雪、膨胀玩具等。此外,吸水树脂还可作凝胶传动器、机器人的人工“肌肉”等,在隐形眼镜、缓释药物基材等制造中也得到应用。加强对高吸水性树脂的研究、开发和生产可望带来明显的经济效益和社会效益。
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