神奇的吸水材料—高吸水性树脂

背景

相信大家小时候都玩过这样一类玩具，我们称其为“海洋宝宝”，海洋宝宝买回来时是一颗颗五颜六色的小珠子，我们将其浸泡在水中一段时间后，会惊讶地发现小珠子竟然会“长大”十几倍，捏起来软软的富有弹性并且不易被捏碎。然而就是这样一个平平无奇的玩具经常出现在儿童事故新闻中，由于儿童误食，因其膨胀特性可能会导致儿童出现呼吸道阻塞或肠梗阻，已被列入具有高安全隐患玩具行列[1]。经查阅资料，原来“海洋宝宝”属于高吸水性树脂，接下来我们一起走进化学的世界，看看高吸水性树脂究竟为何物。

图1. 吸水前后的“海洋宝宝”(图来源于网络)

高吸水性树脂(SAP)是一种既不溶于水，也难溶于有机溶剂的水溶胀型功能高分子聚合物，该分子链上含有羟基（-OH），羧基（-COOH）酰氨基（-CONH2）、磺酸基（-SO3H）等亲水基团和松散网络结构[2]，具有超强吸附能力，能够吸收比自身重量几百至上千倍的水，当它吸水膨胀后，与水发生凝固会成为一种水凝胶，具有吸水速率快、保水性能好等优点。

之所以具有这么强大的功能，是因为该材料中具有羧基、羟基等亲水性基因与水分子中的氢键发生作用，并且其分子链网格结构可高度溶胀，将水分子牢牢束缚其中，在受热、加压的条件下液体依旧不易挤出。除此以外，当周围环境比较干燥时，吸收的液体又可以缓慢释放出来，正因为SAP特殊的优良特性，已经广泛应用于卫生用品、农业等领域。

近年来，SAP发展迅速，原料来源丰富，按原料来划分，一般可分为合成聚合物类、生物质类（淀粉系、纤维素系等）、有机-无机复合物三大类[3]。合成聚合物类的吸水树脂是小分子经过聚合件交联得到的，原料主要有聚乙烯醇类（PVA）、聚丙烯酸盐类(PAA)、聚丙烯酰胺（PAM）类等，其中，PAA原料简便易得、具有耐热性好、对大多数酸碱具有良好的抵抗性、长期存储也不易腐败等优点，正是基于其良好的性能已经成为当前研究最多、应用最广的品种。

但是这种吸水性树脂很难被生物降解，容易污染土壤，因此寻找可降解的吸水性材料便成了研究人员们的另一热点，生物质类的吸水树脂恰好具有此种性能，其原料有淀粉、纤维素、蛋白质、壳聚糖、柠檬酸等天然产物，这类吸水树脂的原料具有成本价格低廉又容易得到，并且能够被生物降解，极大地降低了环境污染，因此，在农业生产中有很大的前景。有机-无机复合类的吸水树脂是为了解决传统SPA吸水能力强，但机械性能不好，耐盐性以及反复溶胀能力较差的缺点，因此，可以利用纳米材料的优越性能，通过将无机纳米材料加入有机SPA中进行改性，来提高吸水材料的稳定性、机械性能、耐盐性等综合性能。

高吸水性树脂在生活中的应用

1、在化妆品的应用

高吸水性树脂材料可用于化妆品中的添加剂、增稠剂、染发剂等，在化妆品中的添加这种材料具有一定的保湿作用，如在一些化妆品中为了达到清凉的效果，会向化妆品中添加酒精，而酒精具有易挥发的特性，向其中加入一定量的高吸水性树脂便可起到防止挥发的作用。其次，吸水后的树脂呈凝胶状，具有很好的粘度，可用作化妆品的增稠剂。日常生活中，人们为了使自己看着年轻时尚，经常会进行染发，工业中常利用聚丙烯酸盐高吸水性树脂、甲基溶纤剂、酸性染料和水配制成的染发水，加入高吸水性树脂便可使材料之间更加融合，并且具有一定的护发效果，最后显示出的染色效果也会得到提高。

化妆品中载体材料应用最多的就是高吸水性树脂，除以上应用外，人们可以在SAP中附载营养剂或药物之类的物质，这样就可以制成营养型化妆品、药物型化妆品，使得化妆品具有一定的功效，更好的满足人们日常生活的需要。

2、在农业生产中的应用

SAP在吸收水、保持水以及保肥方面性能优异，因此在农业生产中有着重要的应用。在干旱缺水的环境中，可用作保水剂处理土壤[4]，使得土壤在较长时间保持较高的水分含量，水利用率得到极大的提高，实现最大的经济效应，SAP在水量充沛时可大量吸水，在干旱期间缓慢释放出水分，能够极好地保存储蓄雨水，既减少灌溉次数，又节约灌溉成本。高吸水性树脂还可以改良土壤，其促进土壤团粒结构的形成，这些团聚体可以稳定土壤结构、改善土壤的通透性、极大地减缓了土面的蒸发，且土壤的抗侵蚀能力也得到显著的增强。由于SAP具有吸收和保蓄水肥的作用，人们常用吸水性树脂将肥料包裹或者络合其中，使肥料缓慢释放，相同的水肥条件下，该方法不仅提高农作物的产量，并且提高了肥料利用率。

3、其他应用

在日常卫生产品中，SAP可用于常见生理用品，如卫生巾、纸尿裤等，为人们生活提供了极大的便利。还可以用于除臭剂、留香产品中，如在制作固体芳香剂时，可以将适量的SAP和丙三醇相混合，固化后加入一定量的香料，便得到性能良好的固体芳香剂。除此以外，在生鲜运输过程中，生鲜类食物自身含水量较多，在与干燥空气接触后容易失去水分，并且生鲜类储藏的时间越长越容易变质。为了提高生鲜食品的保鲜期，可以用SAP和具有抑菌作用的丙二醇配制的保鲜剂对食物进行保鲜处理，延长食品储存时间。

图2. PVA膜（图来源网络）

随着科学技术的不断发展，高吸水性树脂在日常生活中得到了广泛的应用，然后再神奇的功能材料都有其利弊，我们要学会辩证地使用这些材料，在不断深入研究的同时，也要对发现的问题进行及时的解决，这样才能更好的建设我们美丽的地球家园。