高吸水性高分子材料

具有选择分离功能的高分子材料1•1、高吸水性高分子材料；•2、离子交换树脂2功能高分子材料：指在高分子链上接上带有某种功能的宫能团，使其在物理、化学、生物、医学等方面具有特殊功能的高分子材料。几种功能高分子材料的应用:（1）高吸水性材料—亲水性高聚物（分子链带有许多亲水原子团）旱地种植、改良土壤、改造沙漠、尿不湿等34强吸水能力的功能高分子材料：如无土栽培、改良土壤、改造沙漠等。保水剂是一种吸水能力特强的功能高分子材料。无毒无害，反复吸水、释水——“微型水库”。同时，它还能吸收肥料、农药、并缓慢释放，增加肥效、药效。高吸水性树脂广泛用于农业、林业、园艺、建筑等。56聚丙烯腈水解物将聚丙烯腈用碱性化合物水解，再经交联剂交联，即得高吸水性树脂。如将废晴纶丝水解后用氢氧化钠交联的产物即为此类。由于氰基的水解不易彻底，产品中亲水基团含量较低，故这类产品的吸水倍率不太高，一般在500～1000倍左右。高吸水性树脂7《时代周刊》评出20世纪最伟大的100项发明，其中“尿不湿”榜上有名为什么“尿不湿”能评为20世纪最伟大的100项发明呢?最初是为谁专门设计的呢？8美国在上世纪六十年代初，航天事业崛起，如何解决宇航员的排尿问题迫在眉睫，华人唐鑫源成为“尿不湿”的发明人，后来他被誉为美国“太空服之父”。美国从1959起甄选的7位宇航员合影太空服之父——唐鑫源9“神舟”系列上天的航天员都使用了“尿不湿”航天员专用“尿不湿”1克能吸收约1000克水，吸水性远强于一般婴儿使用的“尿不湿”10“尿不湿”是航天产品“下凡”的成功典范！现在不仅是婴幼儿使用，还有供特殊成人使用的，更有趣的是有些宠物也系上了“尿不湿”出门溜达，以保护公共卫生。资料显示：1987年，英国一次性尿布销售利润达2亿英镑。设想一下我们中国这样一个人口大国，利润有多么惊人！11吸水前吸水后尿不湿吸水前后的变化12你了解“尿不湿”的材料吗？它应该有什么性能？“尿不湿”起作用的物质是一种功能高分子材料，具有很强的吸水能力。它所用的材料是高吸水性树脂（常用网状结构的聚丙烯酸钠)聚丙烯酸钠如何合成？CH2=CHCOOHCH2=CHCOONa加交联剂得网状结构13吸水机理•基于高分子电解质的离子网络理论：在高分子电解质的立体网络构造的分子间，存在可移动的离子对，由于显示高分子电解质电荷吸引力强弱的可移动离子浓度，在高吸水性树脂的内侧比外侧高，即产生渗透压。•渗透压及水和高分子电解质之间的亲和力，产生了异常的吸水现象。14实例：含羧酸钠盐的高吸水性树脂在未接触水时是固态网络，与水接触后亲水基与水作用，水渗入树脂内部，羧酸基解离成羧酸根和Na+,羧酸根不能往水中扩散，Na+也不能自由渗入水中，这样网络内外有渗透压，使水分子渗入网络内。这样高分子链间出现纯溶剂区，部分Na+,向纯溶剂区扩散，导致高分子链上带净电荷，静电斥力使高分子网束扩展，大量水分子封存在高分子网内，因为受网络结构束缚，水分子运动受到限制，阻挡失水。15高吸水性树脂加交联剂的目的是变线型结构为体型结构，使其既有吸水性而又不溶于水，耐挤压。吸水前吸水后16吸水性高分子高吸水性树脂的结构特征：a.分子中具有强亲水性基团，如羟基、羧基，能够与水分子形成氢键；b.树脂具有交联结构；c.聚合物内部具有较高的离子浓度；d.聚合物具有较高的分子量。17高吸水性树脂的基本特征•1、吸水性：吸水量为其重量的500-1000倍，最大可达到5300倍。交联度很重要：未交联的聚合物是水溶性的无吸水性，如果交联度过大，网络空间减小，会降低吸水能力。2、保水性：高吸水性树脂吸收水就溶胀为凝胶状，高分子网络被扩展而具有一定的弹性，在加压下也挤不出水来，而且吸水性树脂可与环境水份保持平衡。183、吸水状态的凝胶强度树脂具有一定的交联密度，故凝胶强度高，不易破碎。4、吸氨性高分子树脂是含羧基的阴离子聚合物，由于部分羧基被中和，部分呈酸性，故可吸氨，具有除臭作用。19亲水基OHOHOHOHOHOHHOHHOHHOHHOHH纤维素链亲水基OHOHOHOHOHOHOHOHOHOHOHOHOHOHOHOHHOHHOHHOHHOHHOHHOHHOHHOHHOHHOHHOHHOHHOHHOHHOHHOHHOHHOHH纤维素链纤维素链纤维素的结构简式传统吸水性的材料棉花为何有一定的吸水性？发现其每个链节上都有—OH，它是一种亲水基20吸水性高分子材料传统吸水性材料吸水性高分子材料传统吸水性材料吸水性吸收与自重等量或最多几十倍水吸收相当于自重几百倍到几千倍水遭受外力易挤出水保水性遭受外力不挤出水十分有限用途惊人效益纸、棉布(纤维素)、动物胶、海绵、泡沫塑料种类聚丙烯酸钠等小结：结论良好吸水性优异吸水性、保水性21上世纪70年代发展起来的亲水隐形眼镜具有特点：吸收相当于自重80%水，才变得柔软、透气、舒适、戴时长制备隐形眼镜所用的原料主要是丙烯酸羟乙酯（CH2=CHCOOCH2CH2OH）22高吸水性树脂的应用开发（1）农业应用方面a.土壤保水剂、改良剂。由于高吸水性树脂具有惊人的吸水性和保水性，因而可用作土壤保水剂。在天旱、水土流失严重的土壤中添加少量此类树脂，即能改善土壤的湿度及透气性，现已在阿拉伯沙漠中应用。23b.植物幼苗移植用保水剂。•将移植树苗的根部在含1％高吸水性树脂的凝胶中处理后，大大延长了移植保存期，并提高了树苗成活率。它还可用于提高蔬菜等其它农作物幼苗移植成活率，如烟草在移栽过程中使用淀粉吸水树脂可提高成活率30％左右。目前在国外市场上已有专供植树用的保水剂出售。24c.提高种子发芽率。•高吸水性树脂可用于保护蔬菜、大豆、小麦、玉米等种子所需要的水分，提高发芽率5～10％，增产5～30％。如将树脂与草籽拌种，会大大提高飞机插种植草的成活率。25d.果、蔬保鲜剂。•水果、蔬菜在一般条件下难以保鲜。现用高吸水性树脂开发出一种可调节水分的包装薄膜，用于包装水果、蔬菜，可在一定程度上调节局部体系的气氛、湿度，从而有效地控制水果、蔬菜的呼吸代谢，保鲜效果很好。26（2）工业应用方面•a.涂料添加剂。由于高吸水性树脂具有平衡水分的功能，在高湿度下能吸收水分，在低湿度下又能释放水分。为此可制造涂料涂覆于无纺布上，用于内墙装饰防止结露。含有这种树脂的涂料用于电子仪表上可作为防潮剂。27b.工业脱水剂。高吸水性树脂对有机物的吸收能力较差，因而可脱除苯类、石油类等与水不相溶的物质中的水分，效果很好。28c.建筑工程中的应用。•在许多建筑工程和地下工程中，高吸水性树脂的应用越来越受到重视。例如将树脂混在堵塞用的橡胶或混凝土中可作堵水剂；与聚氨酯、聚醋酸乙烯酯、聚氯乙烯、各种橡胶等配合可作水密封剂；还可用作水泥养护剂，在水泥中加入少量高吸水性树脂，可吸收保持大量水分并缓慢放出，保证了水泥内部水化完全、均匀，水泥制件强度高。29（3）医用材料方面•把高吸水性树脂添加于纸或纤维中，制作可吸收液体的卫生纸、垫褥、绷带、外科手术垫等。其制作方法是：把高吸水性树脂粉末撒在薄砂纸上，上面放上吸收纸做成夹层，在水汽中润湿后再用压纹法将树脂固定在纸上，通过一次或数次工艺即可制得具有超级吸水能力的产品，含0.4g吸水树脂的这种纸制品（总重量5.5g）可吸收121g水，吸尿能力为40～50g。30高吸水性树脂部分地水作用后可制得一种水凝胶•用其医治动物皮肤创伤、处理褥疮、溃疡病特别有效，感染少，焦痂少。•吸收树脂凝胶还可抑制血浆蛋白质和血小板的粘着，因而可作抗血栓材料。用高吸水性树脂制成人工肾过滤材料，可以调节血液中水分含量。将树脂添加于药物中可改善在人体内的释放速度，从而大大提高药效。31离子交换树脂32•物质的分离是化学、化工的一个重要课题。•化工单元操作中常见的分离方法有筛分、过滤和蒸馏等，然而具有高层次的分离则难以达到精度。•具有选择分离功能的高分子材料的出现则有效地解决了以上的问题。33离子交换树脂•在100多年前英国人Thompson和Way就发现了土壤中的离子交换过程，从而引起人们极大的注意。•1935年Adams和Holmes研究合成了具有离子交换功能的高分子材料――酚醛型离子交换树脂，•后来各种类型的离子交换树脂相继出现，应用技术不断改善，应用范围也日益扩大。•现在，离子交换树脂已发展成为应用极广泛的化学功能高分子材料。34离子交换树脂是带有官能团(有交换离子的活性基团)、具有网状结构、不溶性的高分子化合物。是最早工业化的功能高分子材料，通常是球形颗粒物。经过各种官能化的树脂（聚苯乙烯），含有H+离子结构，能交换各种阳离子的称为阳离子交换树脂，含有OH-离子结构能交换各种阴离子的称为阴离子交换树脂。它们主要用于水的处理。离子交换膜还可以用于饮用水处理、海水淡化、废水处理、牛奶和酱油的脱盐、酸的回收以及作为电解隔膜和电池隔膜。离子交换树脂35离子交换树脂36离子交换树脂的分类•离子交换树脂是一类能显示离子交换功能的高分子材料。•在其大分子骨架的主链上带有许多化学基团，这些化学基团由两种带有相反电荷的离子组成，一种是以化学键结合在主链上的固定离子；另一种是以离子键与固定离子相结合的反离子。37•反离子可以被离解成为能自由移动的离子，并在一定条件下可与周围的其它同类型离子进行交换。•离子交换反应一般是可逆的，在一定条件下被交换上的离子可以解吸，使离子交换树脂再生，因而可反复利用。38•目前使用的离子交换树脂绝大多数是以苯乙烯－二乙烯苯共聚体和丙烯酸或其衍生物与二乙烯苯共聚体为基体的，二乙烯苯起了交联剂的作用。•树脂的交联结构使其既不溶解又不熔融，保证它在受热或介质中正常工作。•离子交换树脂的交联度通常以交联剂在整个单体中的百分含量来表示。39离子交换树脂品种繁多，分类方法也不统一,根据离子交换树脂交换基团的性质进行划分：阳离子交换树脂：带有酸性基团（即可解离的反离子是H＋或金属阳离子）能与阳离子进行交换反应；阴离子交换树脂：带有碱性基团（即可解离的反离子是OH－或其它酸根离子）能与阴离子进行交换反应。40•离子交换树脂实际上是不溶、不熔的高分子酸、碱或盐，根据解离程度的不同，它们中又有:强酸性弱酸性强碱性弱碱性41通常可将离子交换树脂的种类分类于下：•421）强酸性阳离子交换树脂•这类树脂的大分子骨架上带有磺酸基（－SO3H），如以R代表高分子骨架，这种树脂可用R－SO3H来表示，它在水溶液中可如下式解离：R－SO3HR－SO3－＋H＋•例如典型的强酸性苯乙烯系阳离子交换树脂的结构式为：43其酸性与硫酸、盐酸相近，它在碱性、中性甚至酸性溶液中都能解离。442）弱酸性阳离子交换树脂•带有羧酸基（－COOH）、磷酸基（－PO3H2）、酚基的离子交换树脂是弱酸性阳离子交换树脂，其中以含羧酸基的树脂用途最广。•这些功能基酸性弱，因而只能在中性或碱性溶液中才能解离而显示离子交换功能，其解离反应用下式表示：R－COOHR－COO－＋H＋453）强碱性阴离子交换树脂•交换基团为季胺基（－NR3OH）的离子交换树脂属于强碱性阴离子交换树脂，它在水中的解离为•R－N＋R’3O-HR－N＋R’3+OH-•在季胺型强碱性阴离子交换树脂中，把带三甲基胺[－N（CH3）3]的称作Ⅰ型树脂，把带二甲基乙醇基胺[－(CH3)2C2H4OH]的称作Ⅱ型树脂。其结构式分别是：46•---CH2---CH---CH2---CH---•C6H4C6H4•-CH2-CH-CH2－N（CH3）3ClⅠ型树脂47•---CH2---CH---CH2---CH---•C6H4C6H4•-CH2-CH-CH2－NC(CH3）2ClCH2CH2OHⅡ型树脂这类树脂碱性较强，能在酸性、中性甚至碱性溶液中进行离子交换反应。484）弱碱性阴离子交换树脂•这类树脂的交换基团是伯胺（－NH2）、仲胺（－NHR’）或叔胺（－NR’2）。它们在水中解离程度较小，只能在中性及酸性溶液中进行离子交换反应。它的解离反应如下式：•RNH2+H2ORN-H3+OH-495）其它离子交换树脂a.螯合树脂在交联大分子链上带有螯合基团的树脂称作螯合离