高吸水樹(shù)脂(super absorbent polymer，sap)是一種新型功能高分子材料。它具有吸收比自身重幾百到幾千倍水的高吸水功能，并且保水性能優(yōu)良，一旦吸水膨脹成為水凝膠時(shí)，即使加壓也很難把水分離出來(lái)。因此，它在個(gè)人衛(wèi)生用品、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、土木建筑等各個(gè)領(lǐng)域都有廣泛用途。
高吸水樹(shù)脂是一類(lèi)含有親水基團(tuán)和交聯(lián)結(jié)構(gòu)的大分子，最早由fanta 等采用淀粉接枝聚丙烯腈再經(jīng)皂化制得。按原料劃分，有淀粉系(接枝物、羧甲基化等)、纖維素系(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)幾大類(lèi)。其中聚丙烯酸系高吸水樹(shù)脂較淀粉系及纖維素系相比，具有生產(chǎn)成本低、工藝簡(jiǎn)單、生產(chǎn)效率高、吸水能力強(qiáng)、產(chǎn)品保質(zhì)期長(zhǎng)等一系列優(yōu)點(diǎn)，成為當(dāng)前該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。目前世界高吸水樹(shù)脂生產(chǎn)中，聚丙烯酸系占到80%。
高吸水樹(shù)脂一般為含有親水基團(tuán)和交聯(lián)結(jié)構(gòu)的高分子電解質(zhì)。吸水前，高分子鏈相互靠攏纏在一起，彼此交聯(lián)成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到整體上的緊固。與水接觸時(shí)，水分子通過(guò)毛細(xì)作用及擴(kuò)散作用滲透到樹(shù)脂中，鏈上的電離基團(tuán)在水中電離。由于鏈上同離子之間的靜電斥力而使高分子鏈伸展溶脹。由于電中性要求，反離子不能遷移到樹(shù)脂外部，樹(shù)脂內(nèi)外部溶液間的離子濃度差形成反滲透壓。水在反滲透壓的作用下進(jìn)一步進(jìn)入樹(shù)脂中，形成水凝膠。
同時(shí)，樹(shù)脂本身的交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)及氫鍵作用，又限制了凝膠的無(wú)限膨脹。
當(dāng)水中含有少量鹽類(lèi)時(shí)，反滲透壓降低，同時(shí)由于反離子的屏蔽作用，使高分子鏈?zhǔn)湛s，導(dǎo)致樹(shù)脂的吸水能力大大下降。通常，高吸水樹(shù)脂在0.9% nacl溶液中的吸水能力只有在去離子水中的1/10左右。
吸水和保水是一個(gè)問(wèn)題的兩個(gè)方面，林潤(rùn)雄等對(duì)此進(jìn)行了熱力學(xué)探討。在一定溫度和壓力下，高吸水樹(shù)脂能自發(fā)地吸水，水進(jìn)入樹(shù)脂中，使整個(gè)體系的自由焓降低，直到平衡。若水從樹(shù)脂中逸出，使自由焓升高，則不利于體系的穩(wěn)定。差熱分析表明，高吸水樹(shù)脂吸收的水在150°c以上仍有50%封閉在凝膠網(wǎng)絡(luò)中。因此，常溫下即使施加壓力，水也不會(huì)從高吸水樹(shù)脂中逸出，這是由高吸水樹(shù)脂的熱力學(xué)性質(zhì)決定的。
高吸水聚合物是上世紀(jì)60年代末發(fā)展起來(lái)的。1961年美國(guó)農(nóng)業(yè)部北方研究所首次將淀粉接枝于丙烯腈，制成一種超過(guò)傳統(tǒng)吸水材料的 hspan淀粉丙烯腈接枝共聚物。1978年日本三洋化成株式會(huì)社率先將高吸水聚合物用于一次性尿布，從此引起了世界各國(guó)科學(xué)工作者的高度重視。上世紀(jì)70年代末，美國(guó)ucc公司提出用放射線(xiàn)處理交聯(lián)各種氧化烯烴聚合物，合成了非離子型高吸水聚合物，其吸水能力達(dá)到2000倍，從而打開(kāi)了合成非離子型高吸水聚合物的大門(mén)。1983年，日本三洋化成又采用丙烯酸鉀在甲基二丙烯酰胺等二烯化合物存在下，進(jìn)行聚合制取高吸水聚合物。之后，該公司又連續(xù)制成了各種改性聚丙烯酸和聚丙烯酰胺組合的高吸水聚合物體系。上世紀(jì)末，各國(guó)科學(xué)家又相繼進(jìn)行開(kāi)發(fā)，使高吸水聚合物在世界各國(guó)迅速發(fā)展。目前，已形成日本觸媒、三洋化成和德國(guó)stockhausen公司三大生產(chǎn)集團(tuán)三足鼎立態(tài)勢(shì)，它們控制著當(dāng)今世界70％的市場(chǎng)，彼此之間又以技術(shù)合作方式進(jìn)行國(guó)際性聯(lián)合經(jīng)營(yíng)，壟斷世界所有國(guó)家的高吸水聚合物銷(xiāo)售權(quán)。
高吸水聚合物用途廣泛，應(yīng)用前景非常廣闊。目前其主要用途仍然是衛(wèi)生用品，約占市場(chǎng)總量的70％左右。由于聚丙烯酸鈉高吸水樹(shù)脂吸水能力很大，并具有優(yōu)異的保水性能，所以作為土壤保水劑在農(nóng)業(yè)、林業(yè)方面應(yīng)用范圍很廣。如果在土壤中加入少量的高吸水性聚丙烯酸鈉，就能提高某些豆類(lèi)的發(fā)芽率和豆苗的抗旱能力，使土壤的透氣性能增強(qiáng)。另外，由于高吸水樹(shù)脂的親水性及優(yōu)良的防霧性和抗結(jié)露性能，所以又可作為新的包裝材料。利用高吸水聚合物獨(dú)特性能制成的包裝薄膜可有效地保持食品鮮度。在化妝品中加入少量的高吸水聚合物，還可使其乳液粘度增大，是一種理想的增稠劑。利用高吸水聚合物只吸水不吸油或有機(jī)溶劑的特點(diǎn)，在工業(yè)上又可作為脫水劑。
由于高吸水聚合物具有無(wú)毒、對(duì)人體無(wú)刺激性、無(wú)副反應(yīng)、不引起血液凝固等特點(diǎn)，近年來(lái)，已被廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥領(lǐng)域。例如，用于含水量大、使用舒適的外用軟膏；生產(chǎn)能吸收手術(shù)及外傷出血和分泌液，并可防止化膿的醫(yī)用繃帶及棉球；制造能使水分和藥劑通過(guò)而微生物不能透過(guò)的抗感染性人造皮膚等。
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，環(huán)境保護(hù)已越來(lái)越受到人們的關(guān)注。如果將高吸水聚合物裝入到一個(gè)可溶于污水的袋中，并將此袋浸入污水中，當(dāng)袋子被溶解后，高吸水聚合物就可迅速地吸收液體而使污水固體化。
在電子工業(yè)中，高吸水聚合物還可用作濕度傳感器、水分測(cè)量傳感器及漏水檢測(cè)器等。高吸水聚合物可作為重金屬離子吸附劑及吸油材料等。
總之，高吸水聚合物是一種用途非常廣泛的高分子材料，大力開(kāi)發(fā)高吸水聚合物樹(shù)脂具有巨大的市場(chǎng)潛力。今年在我國(guó)北方大部分地區(qū)干旱少雨的情況下，如何進(jìn)一步推廣和使用高吸水聚合物，是擺在農(nóng)業(yè)和林業(yè)科技工作者面前的一項(xiàng)迫切任務(wù)。在西部大開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略實(shí)施過(guò)程中，在改良土壤的工作中，大力開(kāi)發(fā)和應(yīng)用高吸水聚合物的多種實(shí)用功能，具有現(xiàn)實(shí)的社會(huì)效益和潛在的經(jīng)濟(jì)效益。