超強吸水聚合物（Superabsorbent Polymers，SAP）（一）

超強吸水聚合物（Superabsorbent Polymers，SAP）（一）
臺北市立第一女子高級中學化學科何鎮揚老師/國立台灣師範大學化學系葉名倉教授責任編輯

傳統的吸水材料如棉花、紙張、海綿、泡沫塑料等吸水倍率有限，一般只有自身重量的20倍，且稍加擠壓，極易失去水分，與之相比，高吸水樹脂（也稱超強吸水性聚合物superabsorbent polymers）則具有獨特的優勢，它是一種含有羧基（-COOH）、羥基（-OH）等強親水性基團，並具有一定交聯度的水溶脹型高分子聚合物，既不溶於水，也難溶於有機溶劑，具有吸收自身幾百倍甚至上千倍水的能力，且吸水速率快，保水性能好；即使加壓也難把水分離出來。因此，高吸水樹脂在石油、化工、建築、醫藥衛生和農業等部門有著廣泛的用途。例如用作堵水劑、脫水劑、增黏劑、速凝劑、土壤改良劑、結露防止劑、保水劑、保鮮劑和防臭劑等，加入到紙漿和布中還可做紙尿布、紙餐巾、衛生巾等衛生材料。

一、超強吸水高分子材料分類及特點
根據原料來源、親水基團引入方法、交聯方法、產品形狀等的不同，高吸水性樹脂可有多種分類方法，其中以原料來源這一分類方法最為常用。按這種方法分類，高吸水性樹脂主要可分為澱粉類、纖維素類和合成聚合物類三大類。

1.澱粉類
澱粉類高吸水性樹脂主要有兩種形武。一種是澱粉與丙烯腈（CH₂=CHCN）進行接枝反應後，用鹼性化合物水解，引入親水性基團的產物，由美國農業部北方研究中心開發成功；另一種是澱粉與親水性單體（如丙烯酸、丙烯醯胺等）接枝聚合，然後用交聯劑交聯的產物，是日本三洋化成公司發明的。澱粉改性的高吸水性樹脂的優點是原料來源豐富，產品吸水倍率較高，通常都在千倍以上；缺點是吸水後凝膠強度低，長期保水性差，在使用中易受細菌等微生物分解而失去吸水、保水作用。

2.纖維素類
纖維素改性高吸水性樹脂也有兩種形式，一種是纖維素與一氯醋酸反應，引入羧甲基後，用交聯劑交聯而成的產物；另一種是由纖維素與親水性單體接枝的共聚產物。纖維素改性高吸水性樹脂的吸水倍率較低，同時亦存在易受細菌的分解失去吸水、保水能力的缺點。

3.合成聚合物類
合成高吸水性樹脂目前主要有四種類型。
（1）聚丙烯酸鹽類 這是目前生產最多的一類合成高吸水性樹脂，由丙烯酸或其鹽類與具有二官能基的單體共聚而成。製備方法有溶液聚合後乾燥粉碎和懸浮聚合兩種。這類產品吸水倍率較高，一般均在千倍以上。

（2）聚丙烯腈水解物 將聚丙烯腈用鹼性化合物水解，再經交聯劑交聯，即得高吸水性樹脂。如將廢腈綸絲水解後用氫氧化鈉交聯的產物即為此類。由於氰基的水解不易徹底，產品中親水基團含量較低，故這類產品的吸水倍率不太高，一般在500~1000倍左右。

（3）醋酸乙烯酯共聚物 將醋酸乙烯酯與丙烯酸甲酯進行共聚，然後將產物用鹼水解後得到乙烯醇與丙烯酸鹽的共聚物，不加交聯劑即可成為不溶於水的高吸水性樹脂，這類樹脂在吸水後有較高的機械強度，適用範圍較廣。

（4）改性聚乙烯醇類 這類高吸水性樹脂由聚乙烯醇與環狀酸酐反應而成，不需外加交聯劑即可成為不溶於水的產物。吸水倍率為150~400倍，雖吸水能力較低，但初期吸水速度較快，耐熱性和保水性都較好，故是一類適用面較廣的高吸水性樹脂。

二、超強吸水高分子材料吸水原理
超強吸水高分子的高吸水性，主要與它的化學結構，和聚集態中極性基團的分散狀態有關，它具有低交聯度親水性的三維空間網絡結構。它由化學交聯和聚合物分子鏈間的相互纏繞物理交聯構成。吸水前，高分子鏈相互纏繞在一起，彼此交聯成網狀結構，從而達到整體上的緊固程度，吸水後，聚合物可以看成是高分子電解質組成的離子網絡和水的構成物。在這種離子網絡中存在可移動離子對，它們是由高分子電解質離子組成的。

從化學組成和分子結構看，高吸水性樹脂是分子中含有親水性基團和疏水性基團的交聯型高分子。從直觀上理解，當親水性基團與水分子接觸時，會相互作用形成各種水合狀態，水分子與親水性基團中的金屬離子形成配位水合，與電負性很強的氧原子形成氫鍵等。高分子網狀結構中的疏水基團，因疏水作用而易於斥向網格內側，形成局部不溶性的微粒狀結構，使進入網格的水分子由於極性作用而局部凍結，失去活動性，形成 “偽冰” （falseice）結構。親水性基團和疏水性基團的這些作用，顯然都為高吸水性樹脂的吸水性能作了貢獻。

研究發現，高吸水性樹脂中的網狀結構對吸水性有很大的影響。未經交聯的樹脂基本土沒有吸水功能。而少量交聯後，吸水率則會成百上千倍地增加。但隨著交聯密度的增加，吸水率反而下降。適當增大網狀結構，有利於吸水能力的提高。由此可見，被高吸水性樹脂吸收的水主要是被束縛在高分子的網狀結構內。據測定，當網格的有效鏈長為10^-9－10^-8m時，樹脂具有最大的吸水性。網格太小，水分子不易滲入，網格太大，則不具備保水性。此外，樹脂中親水性基團的存在也是必不可少的條件，親水性基團吸附水分子，並促使水分子向網狀結構內部的滲透。因為在普通水中，水分子是以氫鍵形式互相連接在一起的，運動受到一定限制。而在親水性基團作用下，水分子易於擺脫氫鍵的作用而成為自由水分子，這就為網格的擴張和向網格內部的滲透創造了條件。

水分子進入高分子網格後，由於網格的彈性束縛，水分子的熱運動受到限制，不易重新從網格中逸出，因此，具有良好的保水性。差熱分析結果表明，吸水後的樹脂在受熱至100 ℃時，失水僅10 ％左右；受熱至150 ℃時，失水不超過50 %，可見其保水性之優良。

高吸水性樹脂吸收水後發生溶脹，形成凝膠。在溶脹過程中，一方面，水分子力圖滲入網格內使其體積膨脹，另一方面，由於交聯高分子體積膨脹導致網格向三維空間擴展，使網鍵受到應力而產生彈性收縮，阻止水分子的進一步滲入。當這兩種相反的作用相互抵消時，溶脹達到了平衡，吸水量達到最大。