高吸水保水材料

第一章 概论

第一节 高吸水保水材料

第二节 高吸水保水材料的发展

第三节 高吸水保水材料的分类

第四节 开发高吸水保水材料的意义

参考文献

第二章 高吸水保水材料的原料

第一节 天然高分子原料

一、糖类高分子

二、淀粉

三、纤维素

四、半纤维素、糖原、果胶等

第二节 合成高分子原料

一、聚丙烯酸

二、聚丙烯酰胺

聚丙烯酰胺（PAM）为水溶性高分子聚合物，不溶于大多数有机溶剂，具有良好的絮凝性，可以降低液体之间的磨擦阻力，按离子特性分可分为非离子、阴离子、阳离子和两性型四种类型。

高吸水保水材料产品特性

1，无毒.安全环保，无毒无味，不污染植物，土壤和地下水，果树花卉，植树造林，无土栽培，植物保鲜运输，大田作物等.

土壤保水剂和防水土流失剂到最终分解物为二氧化碳，水，氨态氮和钠或钾离子，无任何残留.

2，保墒省水.可有效抑制水分蒸发，防止水土流失，即使在有灌溉的条件下，仍然可省水50%以上.

3，改善土壤结构.使粘重土壤，漏水肥的沙土和次生盐碱土壤得以改良.同时促进土壤微生物发育，提高土壤有机物的周转利用效率.

4，使用寿命长.集多种聚合物之特性，可反复吸水膨胀和释放收缩，在生产中使用寿命可达6年以上，是目前市场上使用寿命最长的土壤保湿产品.

5，吸水速度快.一般自然水吸至饱和最长时间约为15-40分钟，最快0.4分钟.

6，水肥利用率高.土地保水剂在土壤中形成的"小水库"接受施肥，灌溉（或降雨）造成淋溶流失的微量元素减少1/3，保护环境；当再次干旱时，吸足水的保水剂使周围的土壤保持潮湿,以供给植物根系水分.即使在沙漠地区和极端的干旱气候，在年降雨量达200mm时，也可种草植树.

7，蓄水不烂根吸足似水的保水剂分子膨胀成为水凝胶晶体，即使紧靠植物根系也不会烂根.

8，性能稳定即使是极端的干旱，也不会倒吸植物水分.

高吸水保水材料保水功能

1,保水.保水剂不溶于水，但能吸收相当自身重量成百倍的水.保水剂可有效抑制水分蒸发.土壤中渗入保水剂后，在很大程度上抑制了水分蒸发，提高了土壤饱和含水量，降低了土壤的饱和导水率，从而减缓了土壤释放水的速度，减少了土壤水分的渗透和流失，达到保水的目的.还可以刺激作物根系生长和发育，使根的长度增加、条数增多，在干旱条件下保持较好长势。

2，保肥.因为保水剂具有吸收和保蓄水分的作用，因此可将溶于水中的化肥，农药等农作物生长所需要的营养物质固定其中，在一定程度上减少了可溶性养分的淋溶损失，达到了节水节肥，提高水肥利用率的效果.

3，保温.保水剂具有良好的保温性能.施用保水剂之后，可利用吸收的水分保持部分白天光照产生的热能调节夜间温度，使得土壤昼夜温差减小.在砂壤土中混有0.1%～0.2%的保水剂，对10厘米土层的温度监测表明，对土温升降有缓冲作用，使昼夜温差减少为11～13.5℃，而没有保水剂的土壤为11～19.5℃.

4，改善土壤结构.保水剂施入土壤中，随着吸水膨胀和失水收缩的规律性变化，可使周围土壤由紧实变为疏松，孔隙增大，从而在一定程度上改善土壤的通透状况.

高吸水保水材料应用范围

草业

⑴,草坪：在新建草坪上的应用极为广泛：出苗率高，成坪快，保湿时间长，施工简便.多用于高尔夫球场，足球场。

方法A在整地时将保水剂按比例（根据土壤类型和保墒情况每平方米播撒20-50g）撒在碎土地表，用铁齿耙梳理拌匀整平，灌足水即可等待播种；

方法B将保水剂与草种按上述比例混播，但播后需覆上表土，方能撒水浇透.如灌溉不便的干旱地段，在浇水时干撒或喷洒（用量：乳状0.2-0.4kg/亩，干粉0.08-0.15kg），以减少水分蒸发.

方法C在已成坪的草坪上施用保水剂，将草修剪至5cm以下并清理干净后，按比例每平米不超过40g（可与草坪肥混播），之后用铁齿耙松土，使其能与土壤充分结合均匀，灌水即可.

方法D公路护坡，岩石绿化通常采用高压罐车喷播（该方法仅限于使用），根据喷播载体性质增减用量或搭配比例.混合喷播用量少，成本低. 护坡（中性沙壤土为例）每平方米使用干粉6-10g;

岩石绿化（又称植被混凝土）的载体多为人工混凝土骨架，受养分和水资源的约束，混合比例略有提高每平方米使用干粉9-15g.

⑵，牧草：在年降雨量不足200mm的荒漠或纯沙地恶劣地带，一般选种较为抗旱的豆料，菊科牧草品种居多，可以用MP3005S进行种子"保湿包衣",简便节省，能有效促进种子发芽，提高发芽率；山地，平原种植牧草，将保水剂与种子混合播种，在年降雨量200mm以上可不用灌溉.

植树

⑴，蘸根——根据需要蘸根的苗木数量，将保水剂搅入30升水中（视水的硬度适量增减)，充分搅拌溶解后即可浸根移栽（可根据苗木根系情况，按比例加入已经稀释的生根剂，以促进根系生长）.如需长途运输，用塑料薄膜包扎根部或密封保鲜运输，以防止干枯，提高成活率.

⑵，洒根——在移栽幼苗时（在沙地，沙壤土的情况下），在回填熟土至苗根处，按15-25g/株撒入保水剂，充分与碎土拌匀，填土灌足水即可；如是土壤粘性较强，需要成比例挖大坑穴，沙拌土回填至苗根下10cm处，将事先吸足水的保水剂与土壤（最好再加少量沙）充分混合回填压实，地表覆土.

⑶，挖沟拌土——三年以上的大树，在其树冠投影垂直约2/3处环绕挖沟（宽25cm，深不超过40cm，但要防止伤根），将保水剂与碎土混合（按0.3‰加保水剂）回填，覆土后留出凹槽，灌水再覆土（若是山地或其它无法灌溉的地区可吸足水后使用）.

⑷，沙漠植树时直接用保水剂襁褓.大树移栽方法同"2",数量按比例增加.

高吸水保水材料是近四十多年来开发的新型高分子功能材料，在国民经济和人们生活中发挥越来越重要的作用。本书系统地介绍了高吸水保水材料的发展状况、原料来源、制备方法、吸水理论、性能测试、结构表征、加工应用等方面的内容，并对淀粉系、纤维素系、合成高分子系、其他天然产物系吸水保水材料做了较详细的介绍。此外，结合作者多年来在此领域的研究，对高吸水保水复合材料做了较详细的论述。

本书可供从事吸水性材料、复合材料和功能高分子研究和生产的科技人员阅读，还可作为从事农林、园艺、卫生、建材、化学化工、环保、食品、生化技术、日用品、土壤等其他方面的研究者、技术人员、管理人员和高等学校师生等有关人员的参考书。

高吸水保水材料吸水原理

保水剂的吸水原理相同于一般SAPs，是高分子电解质分子链在水中酰胺基和/或羧基团同性相斥使分子链扩张力和由于交联点的限制分子链的扩张力而相互作用而成的。以聚丙烯酰胺为例，保水剂会有大量酰胺和羧基亲水基团，利用树脂内部离子和基团与水溶液相关成分的浓度之差产生的渗透压及高分子电解质与水的亲和力而可大量吸水直至浓度差消失为止。而控制保水剂达到令人满意吸水程度的是橡胶弹力。分子结构交联度越高，橡胶弹力越强，而橡胶弹力和吸水力的平衡点即是其表观吸水能力。

由于分子结构交联，分子网络所吸水分不能用一般物理方法挤出而起到保水作用。

由此，同样组成的聚合物交联度越低，吸水倍率相对越高，其保水性、稳定性和凝强度就越低，反之亦然。所以，国际上对于使用周期较长的保水剂自然需要较高的交联度，并不追求高吸水倍率和速率。以聚丙烯酰胺为例，其表观倍率并不高，吸水速率也依粒径不同差别很大，凝强度高的保水剂吸水后有一定形状，不易解体，利于土壤透气，吸放水可逆性好。因为保水剂一般掺入地下5至15厘米，故国际上现在更强调加压下的吸水倍率。依粒径不同，聚丙烯酰胺型吸纯水倍率150-300。

高吸水保水材料产品类别

目前国内外的保水剂共分为两大类，一类是丙烯酰胺-丙烯酸盐共聚交联物（聚丙烯酰胺、聚丙烯酸钠、聚丙烯酸钾、聚丙烯酸铵等）；另一类是淀粉接枝丙烯酸盐共聚交联物(淀粉接枝丙烯酸盐）。

聚丙烯酰胺--聚丙烯酰胺呈白色颗粒晶体状，主要成分为：丙烯酰胺65%-66% 丙烯酸钾23%-24% 水8%-10% 交联剂0.5%-1.0%。在国际上，法国、德国、日本、美国和比利时等国所生产的保水剂大多属于这类成分的产品。该产品的特点是：使用周期和寿命较长，在土壤中的蓄水保墒能力可维持4年左右，但其吸水能力会逐年降低。据黄土区造林试验观察，使用该类保水剂造林后的当年，其吸水倍率维持在100-120倍，第二年吸水倍率降低20%-30%，第三年降低约40%-50%，第四年降低更多。

聚丙烯酸钠--聚丙烯酸钠为白色或浅灰色颗粒状晶体，主要成分有：聚丙烯酸钠88%（其中含钠24.5%) 水8%-10% 交联剂0.5%-1.0%。国内生产的保水剂大多是这种成分的产品。其主要特点是：吸水倍率高，吸水速度快，但保水性能只能保持2年有效。据造林试验观测，这类产品的吸水能力和吸水速率明显高于聚丙烯酰胺产品，在土壤中如遇充分给水，0.5-1.0小时后便迅速吸收自重的130-140倍的水分；但第二年的吸水倍率要降低约60%左右。由于聚丙烯酸钠会造成土壤中钠离子含量的递增，林业和农业用保水剂的生产厂家大多改为生产聚丙烯酸钾或聚丙烯酸铵。

淀粉接枝丙烯酸盐--淀粉接枝丙烯酸盐为白色或淡黄色颗粒状晶体，主要成分为：淀粉18%-27% 丙烯酸盐62%-71% 水10% 交联剂0.5%-1.0%。这种产品在用于造林地蓄水保墒时，使用寿命一般只能维持1年多的时间，但吸水倍率和吸水速度等性状极佳。据实验室对黄土浸提液的吸水对比试验，该类保水剂在遇水后的15-20分钟内即可吸收自重150-160倍的水分。

高吸水树脂按原料分类

高吸水树脂是一类含有亲水基团和交联结构的大分子，最早由Fanta 等采用淀粉接枝聚丙烯腈再经皂化制得。按原料划分，有淀粉系(接枝物、羧甲基化等)、纤维素系(羧甲基化、接枝物等)、合成聚合物系(聚丙烯酸系、聚乙烯醇系、聚氧乙烯系等)几大类。其中聚丙烯酸系高吸水树脂较淀粉系及纤维素系相比，具有生产成本低、工艺简单、生产效率高、吸水能力强、产品保质期长等一系列优点，成为当前该领域的研究热点。目前世界高吸水树脂生产中，聚丙烯酸系占到80%以上。

高吸水树脂吸水性能

高吸水树脂一般为含有亲水基团和交联结构的高分子电解质。吸水前，高分子链相互靠拢缠在一起，彼此交联成网状结构，从而达到整体上的紧固。与水接触时，水分子通过毛细作用及扩散作用渗透到树脂中，链上的电离基团在水中电离。由于链上同离子之间的静电斥力而使高分子链伸展溶胀。由于电中性要求，反离子不能迁移到树脂外部，树脂内外部溶液间的离子浓度差形成反渗透压。水在反渗透压的作用下进一步进入树脂中，形成水凝胶。

同时，树脂本身的交联网状结构及氢键作用，又限制了凝胶的无限膨胀。

当水中含有少量盐类时，反渗透压降低，同时由于反离子的屏蔽作用，使高分子链收缩，导致树脂的吸水能力大大下降。通常，高吸水树脂在0.9% NaCl溶液中的吸水能力只有在去离子水中的1/10左右。

吸水和保水是一个问题的两个方面，在一定温度和压力下，高吸水树脂能自发地吸水，水进入树脂中，使整个体系的自由焓降低，直到平衡。若水从树脂中逸出，使自由焓升高，则不利于体系的稳定。差热分析表明，高吸水树脂吸收的水在150°C以上仍有50%封闭在凝胶网络中。因此，常温下即使施加压力，水也不会从高吸水树脂中逸出，这是由高吸水树脂的热力学性质决定的。

高吸水树脂发展

高吸水聚合物是上世纪60年代末发展起来的。1961年美国农业部首次将淀粉接枝于丙烯腈，制成一种超过传统吸水材料的 HSPAN淀粉丙烯腈接枝共聚物。1978年日本率先将高吸水聚合物用于一次性尿布，从此引起了世界各国科学工作者的高度重视。上世纪70年代末，美国提出用放射线处理交联各种氧化烯烃聚合物，合成了非离子型高吸水聚合物，其吸水能力达到2000倍，从而打开了合成非离子型高吸水聚合物的大门。1983年，日本又采用丙烯酸钾在甲基二丙烯酰胺等二烯化合物存在下，进行聚合制取高吸水聚合物。之后，又连续制成了各种改性聚丙烯酸和聚丙烯酰胺组合的高吸水聚合物体系。上世纪末，各国科学家又相继进行开发，使高吸水聚合物在世界各国迅速发展。

高吸水树脂用途

高吸水聚合物用途广泛，应用前景非常广阔。目前其主要用途仍然是卫生用品，约占市场总量的70%左右。由于聚丙烯酸钠高吸水树脂吸水能力很大，并具有优异的保水性能，所以作为土壤保水剂在农业、林业方面应用范围很广。如果在土壤中加入少量的高吸水性聚丙烯酸钠，就能提高某些豆类的发芽率和豆苗的抗旱能力，使土壤的透气性能增强。另外，由于高吸水树脂的亲水性及优良的防雾性和抗结露性能，所以又可作为新的包装材料。利用高吸水聚合物独特性能制成的包装薄膜可有效地保持食品鲜度。在化妆品中加入少量的高吸水聚合物，还可使其乳液粘度增大，是一种理想的增稠剂。利用高吸水聚合物只吸水不吸油或有机溶剂的特点，在工业上又可作为脱水剂。

由于高吸水聚合物具有无毒、对人体无刺激性、无副反应、不引起血液凝固等特点，近年来，已被广泛应用于医药领域。例如，用于含水量大、使用舒适的外用软膏；生产能吸收手术及外伤出血和分泌液，并可防止化脓的医用绷带及棉球；制造能使水分和药剂通过而微生物不能透过的抗感染性人造皮肤等。

随着科学技术的发展，环境保护已越来越受到人们的关注。如果将高吸水聚合物装入到一个可溶于污水的袋中，并将此袋浸入污水中，当袋子被溶解后，高吸水聚合物就可迅速地吸收液体而使污水固体化。

在电子工业中，高吸水聚合物还可用作湿度传感器、水分测量传感器及漏水检测器等。高吸水聚合物可作为重金属离子吸附剂及吸油材料等。

总之，高吸水聚合物是一种用途非常广泛的高分子材料，大力开发高吸水聚合物树脂具有巨大的市场潜力。今年在我国北方大部分地区干旱少雨的情况下，如何进一步推广和使用高吸水聚合物，是摆在农业和林业科技工作者面前的一项迫切任务。在西部大开发战略实施过程中，在改良土壤的工作中，大力开发和应用高吸水聚合物的多种实用功能，具有现实的社会效益和潜在的经济效益。

高吸水性高分子材料是指其吸水能力至少超过自身重量数百倍的特殊吸附性树脂，能够表现出超强的吸水能力，是一种重要的功能高分子材料。最早的高吸水性高分子材料是在1974年由美国农业部的研究人员首先研制的，并首先用于农业上的保水和制造纸尿裤和妇女卫生巾。高吸水性树脂已经开发出淀粉衍生物系列、纤维素衍生物系列、甲壳质衍生物系列、聚丙烯酸系列和聚乙烯醇系列等。近年来由于其重要的应用价值，各国都在研究和开发方面投入大量人力和物力，在科研和生产方面都取得了快速发展，到2000年为止，全世界的年产量已经超过百万吨，我国国内的市场需求量在2005年也将达到3万吨以上。当前高吸水性树脂已经成为重要的工业产品，已经有各种商品出售。高吸水树脂的研究开发以美国和日本处于领先地位，我国在这方面的研制工作起步较晚，但是已有一些科研单位和高等院校在这一领域取得一批研究成果。

高吸水性树脂从其原料角度出发主要分为两类，即天然高分子改性高吸水性树脂和全合成高吸水性树脂。前者是指对淀粉、纤维素、甲壳质等天然高分子进行结构改造得到的高吸水性材料。其特点是生产成本低、材料来源广泛、吸水能力强，而且产品具有生物降解性，不造成二次环境污染，适合作为一次性使用产品。但是产品的机械强度低，热稳定性差，特别是吸水后的性能较差，不能应用到诸如吸水性纤维、织物、薄膜等场合。淀粉和纤维素是具有多糖结构的高聚物，最显著的特点是分子中具有大量羟基作为亲水基团，经过结构改造后还可以引入大量离子化基团，增加吸水性能。后者主要指对聚丙烯酸或聚丙烯腈等人工合成水溶性聚合物进行交联改造，使其具有高吸水树脂的性质。特点是结构清晰、质量稳定、可以进行大工业化生产，特别是吸水后的机械强度较高，热稳定性好。但是生产成本较高，而吸水率偏低。常见的合成高吸水树脂类主要有聚丙烯酸体系、聚丙烯腈体系、聚丙烯酰胺体系和改性聚乙烯醇等。在结构上多以羧酸盐基团作为亲水官能团，聚合物具有离子性质，吸水能力受水中盐浓度的影响较大。以羟基、醚基、氨基等作为亲水官能团的树脂属于非离子型，吸水能力基本不受盐浓度的影响，但其吸水性能较离子型低很多。

从材料的外型结构上来说，已经有粉末型、颗粒型、薄膜型、纤维型等高吸水产品，其中纤维型和薄膜型材料具有使用方便，便于在特殊场合使用的特点。高吸水树脂由于采用原料不同，制备方法各异，产品牌号繁多，单从产品名称上不易判断其结构归属。