超吸水材料的研究進展

陳靜，沈艷琴，2，姚一軍，2，3，胡成蒙，武海良，2

（1 西安工程大學紡織科學與工程學院，陜西 西安 710048；2 西安工程大學功能性紡織材料及制品教育部重點實驗室，陜西 西安 710048；3 浙江恒祥檢測技術服務有限公司，浙江 紹興 312081）

超吸水材料是一種吸收水分超過自身百倍甚至千倍的軟物質，它的發(fā)展經歷了八十多年的歷程。20 世紀40 年代，F(xiàn)redric 等以二乙烯基苯和丙烯酸為原料，在水溶液中合成了第一種顆粒狀吸水樹脂，但產物溶脹能力不超過自身的50%[1]。隨后，美國農業(yè)部開發(fā)出一種吸水倍數(shù)超過自身400倍的淀粉接枝-交聯(lián)丙烯腈聚合物樹脂，將其引入到土壤和沙漠中用于加速植物的生長。然而，此類產品成本高，使用壽命不理想[2]。20世紀80年代，日本生產出了女性衛(wèi)生用品和嬰兒尿不濕并實現(xiàn)商業(yè)化。與此同時，歐洲國家將聚丙烯酸基合成超吸水樹脂與纖維素基絨毛漿混合，開發(fā)出了具有超強吸水能力的嬰兒尿不濕。之后，日本開發(fā)出一種僅包含4～5g 超吸水樹脂和少量填充物的商業(yè)化輕薄尿不濕產品[3]。盡管基于聚丙烯酸形成的超吸水樹脂具有優(yōu)異的吸水能力，但它們難以降解，以此為原料開發(fā)的吸水性產品廢棄后會對環(huán)境造成污染。2005 年開始，研究者嘗試將吸水功能基團或聚合物（如丙烯酸、丙烯酰胺、異丁烯馬來酸酐、聚乙烯醇）引入到具有降解能力的天然聚合物（如淀粉、羧甲基纖維素、殼聚糖、蛋白質）結構上，獲得了環(huán)保型生物質基超吸水材料[4-7]。隨后，超吸水材料取得了長足的發(fā)展，到2015 年，全球超吸水材料產量超過230 萬噸[1]。圖1(a)為1985—2020年涵蓋“超吸水聚合物”發(fā)表的研究論文和專利情況，展示出明顯的增長趨勢。

超吸水材料按照形態(tài)可分為超吸水樹脂[1]、超吸水纖維[8]、超吸水膜[9]、超吸水織物[10]、超吸水氣凝膠[11]和超吸水織物基氣凝膠等[12-13]。圖1(b)為不同形式的超吸水材料在醫(yī)用衛(wèi)生、生活用品、廢水處理、安全防護、農業(yè)領域的應用示意圖。目前，關于不同形式的超吸水材料對液體吸附能力的原理與特點未見系統(tǒng)報道。本文將從超吸水材料的吸附機理、常見超吸水材料的研究現(xiàn)狀及進展、結語與展望三部分進行綜述，在介紹超吸水原理的基礎上，重點綜述超吸水樹脂、超吸水纖維、超吸水膜、超吸水織物基氣凝膠的制備原理與性能，為合理開發(fā)超吸水織物以拓寬其在醫(yī)用防護、阻燃防護、隔熱防護等領域的應用提供參考。

圖1 超吸水聚合物的演變和廣泛的應用領域[1,12-13]

1 超吸水材料的吸附機理

目前，吸水材料對水分的吸附通常有4 種機制[14]：①通過晶體結構的可逆變化（如干燥劑和無水無機鹽）；②通過毛細作用在宏觀多孔結構中對水分的物理截留（如軟質海綿）；③通過官能團的水合作用和多孔結構對水分截留的相互協(xié)同（如紙巾）；④通過親水聚合物鏈段的自然溶解、交聯(lián)大分子鏈的熱力學溶脹與作用機制③相互協(xié)同，這也是超吸水材料的主要吸附機理。

圖2 給出了典型的超吸水樹脂吸水機理圖[15]。吸水過程中，首先通過毛細作用和網狀結構對水分子吸附和傳遞，隨后水分子與樹脂主鏈或側鏈上較強的親水基團（如羧基、酰胺基、磺酸基、羥基）相互作用，使之發(fā)生解離，陰離子固定在高分子鏈上，陽離子可以自由移動。隨親水基團的進一步解離，陰離子數(shù)目增多，離子之間的靜電排斥力促使樹脂網絡結構溶脹，為水分子吸收提供空間；但為了維持電中性，陽離子不能向外部擴散，導致陽離子在樹脂網絡內部濃度增大，產生內外滲透壓，水分不斷進入到樹脂網絡內部；隨吸水量進一步增大，內外滲透壓趨向于平衡，陰離子排斥力相互抵消，達到吸水平衡。交聯(lián)點之間的高分子鏈擴展則引起網絡結構的彈性收縮，限制了水分子運動。如果被吸附水中含有鹽時，吸水樹脂內外滲透壓降低，吸水能力降低。

圖2 超吸水材料對水和鹽水吸附機理的對比[15]

與吸水過程相比，鹽水中Na+屏蔽了吸水樹脂解離的陰離子，導致產生的陰離子靜電排斥力減小，樹脂網狀結構擴張程度降低；同時可與水相互作用的陰離子數(shù)目明顯減少，導致吸水樹脂對鹽水吸收能力有限。提高體系中陰離子靜電排斥力和吸水樹脂內外滲透壓可增大吸水材料對鹽水和合成尿的吸收能力。

2 常見的超吸水材料

2.1 超吸水樹脂

超吸水樹脂是一種由空間網絡結構形成的聚合物，它能吸收自身數(shù)百倍至千倍的水，且具有高的比表面積，表現(xiàn)出非?？斓奈俣龋趮雰耗虿粷?、土壤保濕、廢水中金屬離子吸附等領域具有廣闊的應用前景[1,16]?，F(xiàn)有超吸水樹脂種類主要包括交聯(lián)的聚丙烯酸類和聚丙烯酰胺類、丙烯酸類和丙烯酰胺類的交聯(lián)共聚、天然高分子接枝-交聯(lián)聚丙烯酸和聚丙烯酰胺類、天然高分子的交聯(lián)共聚。

近年來，研究者采用不同原料開發(fā)了一系列不同結構的超吸水樹脂聚合物。表1列出了制備超吸水樹脂聚合物的一些最新研究?？梢钥闯?，選用含有離子型親水基團（如羧酸基、磺酸基、季銨鹽）和非離子型親水基團（如羥基、酰胺基）的乙烯基類單體或天然大分子（淀粉、纖維素或其衍生物、甲殼素、海藻酸鈉、腐殖酸鈉、蛋白質）為原料，通過單一熱引發(fā)、氧化-還原引發(fā)、輻射引發(fā)等方式，在N,N-亞甲基雙丙烯酰胺（MBA）、環(huán)氧氯丙烷（ECH）、二乙烯基砜（DVS）、1-乙基-3-(3-二甲氨基丙基)碳二亞胺鹽酸鹽（WSC） 或檸檬酸（CA）交聯(lián)作用下，可以形成吸水倍數(shù)超過1000g/g的超吸水樹脂[17-19]。其中，超吸水樹脂結構上的親水基團種類、數(shù)量、分子量、交聯(lián)程度對其吸水能力有重要影響。常見的親水基團親水性大小依次為：—SO3H>—COOH>—CONH2>—OH。增加聚合物的分子量、適當?shù)慕宦?lián)程度可為創(chuàng)建具有高吸收能力的吸水材料提供途徑[1]。

表1 超吸水樹脂的制備組分和吸液能力

圖3(a)為典型的通過熱引發(fā)-交聯(lián)方式制備陰離子型超吸水樹脂反應圖。將氨基化的乙基殼聚糖和丙烯酸在引發(fā)劑APS 和交聯(lián)劑MBA 作用下形成超吸水樹脂，對去離子水和鹽水（質量分數(shù)0.9%）的吸收能力分別達到644g/g 和99g/g，超過了殼聚糖接枝-交聯(lián)丙烯酸吸液能力[圖3(b)]，有望作為一種理想的保水劑用于改善土壤環(huán)境[30]。最近，Wei等[31]在纖維素納米晶和CMC 的堿溶液中，通過交聯(lián)劑ECH 制備了超吸水凝膠，對蒸餾水、D-葡萄糖（質量分數(shù)0.5%）、尿素（質量分數(shù)0.5%）的吸收能力分別達到756g/g、750g/g、746g/g，而對鹽水和合成尿的吸收能力從500～756g/g 降低到150～200g/g[圖3(c)]。這是因為葡萄糖和尿素溶液均為非離子型，不會對樣品離子基團產生影響，而鹽水中的Na+和Cl-以及合成尿中的Ca2+、Mg2+屏蔽了CMC結構上的親水基團—COO-，水凝膠網絡靜電斥力減弱，降低了分子鏈之間的擴張，平衡膨脹比減小。在上述基礎上，他們進一步向凝膠體系引入正電荷，發(fā)現(xiàn)體系中季銨化程度高，凝膠對鹽水、合成尿吸收能力降低，這是由于季銨化增加了體系中的靜電作用，網絡結構更緊密，降低了溶脹率。

圖3 超吸水樹脂合成原理及在不同模擬生理液中的吸收能力[30-31]

與化學熱引發(fā)相比，輻照引發(fā)可有效提升超吸水樹脂的吸水能力。如以KPS-NaHSO3為引發(fā)體系、MBA 為交聯(lián)劑制備的PAM 超吸水樹脂吸水為70g/g，而輻照引發(fā)制備的超吸水樹脂吸水為700g/g[26]。研究者認為輻照在體系中產生應力場，通過膨脹或收縮引起分子重排提高了吸水能力。基于這一機理，Awadallah 等[28]制備了吸水率高達4310g/g 的聚(丙烯酸-co-2-丙烯酰胺-2-甲基丙烷磺酸)超吸水樹脂，在衛(wèi)生用品、農業(yè)等領域具有廣泛的應用前景。此外，與選用有毒交聯(lián)劑DVS或WSC形成的CMCNa和HEC聚合物樹脂相比，環(huán)保型交聯(lián)劑CA 避免了有毒中間體產生，并引入額外的親水羧基，表現(xiàn)出更高的吸水能力[19]。

除了改變引發(fā)方式、親水基團種類和數(shù)量、分子量、交聯(lián)程度來提高吸附能力外，增加吸水過程內外滲透壓、吸水材料比表面積、添加無機粒子（如硅、滑石、高嶺土、硫酸鋁）也可提高超吸水樹脂的吸收能力[1,22-23]。研究者通過在聚合物鏈上引入磺酸等強酸基團[17]、將多糖與離子基交聯(lián)[32]、中和部分親水基團[33]三種方式提高滲透壓，賦予超吸水材料更好的吸液能力。其中，將多糖與離子基交聯(lián)增加滲透壓的機理是：聚丙烯酸類分子鏈是柔性的，而多糖骨架是剛性的，這種剛度增加了離子基團間的距離，降低了表面電荷密度，從而有效降低了離子強度。以—COOH為例介紹中和親水性基團增加滲透壓的機理：當—COOH 被Na+中和后，吸水過程中離子發(fā)生電離，形成離子濃度梯度，產生了滲透壓差和靜電排斥力，為水分向凝膠內部擴散提供了驅動力和空間。無機粒子可促進凝膠內孔洞的形成抑制堵塞，同時可吸附電解質中的金屬離子，降低樹脂外部陽離子濃度，內外滲透壓增大，促使水向凝膠顆粒內部擴散[34]。高吸水樹脂能改善藥物在人體中的吸收速度，實現(xiàn)藥物可控釋放[35]。

盡管超吸水樹脂可以吸收超過自身質量千倍的去離子水，但對含電解質的水溶液吸收能力仍然有限。因此，現(xiàn)有尿不濕產品中為了保證對尿液的充分吸收，通常需添加大量的超吸水樹脂，容易在滲透層與不滲透層之間發(fā)生位移。此外，超吸水樹脂制備過程中需長時間高溫反應，形成的樹脂存在功能單一、吸水后各向異性膨脹的問題。

2.2 超吸水纖維

超吸水纖維是一種能吸收自身幾十到幾百倍水的纖維狀聚合物，因其高的長徑比和大的比表面積，表現(xiàn)出更快的吸收速度。將超吸水樹脂演變成纖維形態(tài)，可方便與其他纖維混紡，通過紡紗、織造或非織造加工形成具有特殊功能的紡織品[8,36]，拓寬了紡織材料在醫(yī)用衛(wèi)生、食品包裝、油水分離及園林領域的廣泛應用。目前，主要采用水解法[37]、直接涂覆[38]、親水單體與纖維接枝共聚[39]、溶液紡絲[40]、熔融紡絲[39]、靜電紡絲[41]方法制備超吸水纖維。

Gupta 等[37]將聚丙烯腈短纖維表面的部分氰基進行堿水解，使纖維表面形成大量的親水羧基和酰胺基，這種方法獲得的纖維對水和生理鹽水的吸收倍數(shù)僅達到200%和100%。采用直接涂覆法可提高纖維的吸水能力，這是制備超吸水纖維最簡單的方法。通過將超吸水樹脂分散液涂覆在纖維表面、在纖維中添加粉末狀吸水樹脂或將纖維在超吸水聚合液中浸漬獲得超吸水纖維。如將淀粉接枝聚丙烯酸形成的超吸水樹脂半成品漿液整理到纖維表面，可制備出吸水能力為14.7kg/m2的超吸水纖維（纖維表面漿液量為374g/m2），但吸水后的樹脂與纖維結合能力弱，難以長時間停留在纖維表面[38]。

通過將親水單體與纖維進行接枝-交聯(lián)共聚反應，可在吸水樹脂與纖維之間產生化學鍵合作用，有效提高纖維的吸水保水能力。如將丙烯酸鹽接枝到聚丙烯腈纖維上可制備以聚丙烯酸鹽為外層、聚丙烯腈纖維為內層的雙層結構超吸水纖維，其吸水和生理鹽水的倍率分別為150g/g 和50g/g，吸水后外層凝膠表現(xiàn)出強的保水能力。進一步將制備的雙層結構超吸水纖維抽絲后加工成無紡布，可在醫(yī)療止血、食品保鮮和包裝防結露水等領域應用。將吸水飽和的纖維冷凍干燥得到具有多孔結構的海綿狀纖維，可提高超吸水纖維的吸液速度和能力[39]。

對親水性單體形成的聚合物溶液紡絲可獲得超吸水纖維。該方法要求紡絲液的化學交聯(lián)度盡可能低，保證良好的流變性，使紡絲正常進行；成纖后對其進行交聯(lián)，在纖維內部產生網狀結構。如鄧新華等[40]以AA 和AM 為單體，在聚乙烯醇溶液中共聚，通過溶液紡絲制備了PAA 基超吸水纖維。該超吸水纖維對水的吸收能力達到243g/g，在不同濃度（0～3%）的NaCl 溶液中吸收倍數(shù)為30～120g/g，隨Na+濃度增加，吸液倍率呈遞減趨勢。這與超吸水樹脂吸附機理一樣，當超吸水纖維與水分子接觸時，通過毛細作用使水分在纖維表面?zhèn)鬟f，束縛在高分子結構內的親水基團與水分子作用，通過內外滲透壓促使水分子向內部傳遞。當Na+濃度較低時，纖維內外滲透壓大，呈現(xiàn)高的吸水倍率；隨Na+濃度增大，纖維內外滲透壓減小，可進入纖維內部的水分子變少，導致吸液倍率降低。

靜電紡絲可得到直徑在微米和納米之間的超細纖維，成為近年來制備超吸水纖維的重要手段。Liu 等[41]通過靜電紡絲制備了直徑為1～2μm 的羧基化（芳基醚酮）超細纖維[圖4(a)]，當紡絲液濃度從質量分數(shù)16%增加到22%時，形成的超細纖維最大吸水率從55g/g 降低到12g/g，見圖4(b)。這是因為較低濃度溶液形成的纖維直徑小、比表面積高、孔隙率大[圖4(c)、(d)]，導致離子溶劑化過程中更多的水結合在纖維表面。最近，Djafari Petroudy 等[42]從廢棄的小麥秸稈中提取纖維素，對其進行TEMPO 體系氧化預處理，然后與高吸水聚丙烯酸鈉在三氟乙酸溶劑中復合，通過靜電紡絲得到了環(huán)境友好型超吸水纖維素納米纖維。該超吸水纖維在蒸餾水和NaCl 溶液中的最大溶脹率分別為225g/g 和208g/g，在傷口護理、藥物輸送和衛(wèi)生用品領域具有廣泛的應用前景。此外，研究者將制備的超吸水纖維與其他纖維（如丙綸纖維）通過梳理成網和熱軋方式隨機混合或層狀結合，開發(fā)了具有多層結構的超吸水非織造材料，其吸水倍率達到180倍。由于丙綸纖維的骨架支撐作用，超吸水非織造纖維在吸水后形成的凝膠體保持良好的形態(tài)，可防止凝膠孔道堵塞，促使液體定向流動[43]。

圖4 靜電紡絲制備超吸水纖維流程圖和吸水能力[41]

與超吸水樹脂相比，超吸水纖維因其高的長徑比，表現(xiàn)出更快的吸水速度，形成的凝膠緊密纏繞在纖維表面不發(fā)生遷移，超吸水纖維加工形成的非織造材料可防止吸水凝膠阻塞。但因其低的纖維直徑和少的親水基團數(shù)量，導致其只能吸收自身10～250倍的水，且利用紡絲法制備超吸水纖維對紡絲液的交聯(lián)度和黏度要求高，易導致噴嘴堵塞，存在制備效率低、難以產業(yè)化的問題。

2.3 超吸水膜

超吸水膜是一種能吸收自身幾十至幾百倍水的膜狀高分子材料[44]。近年來，研究者將AA、AM引入到殼聚糖、淀粉、羧甲基纖維素和羥乙基纖維素結構上或直接將幾種天然大分子物理共混，通過溶液澆鑄、模具熱壓等方法制備了超吸水膜材料，具有良好的溶脹保水能力、較高的黏彈性和自愈合能力，能夠用于農業(yè)、藥物輸送和生物醫(yī)學等領域[45-48]。

當前，通過溶液澆鑄法制備的殼聚糖/納米纖維素復合膜[46]、脫乙酰魔芋葡甘聚糖/殼聚糖共混膜[49]吸水能力為26～45g/g。物理共混是一種制備復合材料最簡便的方法，但容易出現(xiàn)吸水后膜膨脹溶失、保水能力差的現(xiàn)象。通過化學交聯(lián)或親水改性可獲得保水能力強的超吸水膜。圖5(a)、(b)示出了以羧甲基纖維素（CMC）、羥乙基纖維素（HEC）和再生纖維素（RC） 微球為原料，在檸檬酸（CA）交聯(lián)作用下制備超吸水膜流程圖和膜外觀[47]。發(fā)現(xiàn)在pH=6.4 水溶液中，RC 質量分數(shù)低于5%時，形成的水凝膠膜展現(xiàn)出優(yōu)異的膨脹性能（40g/g）和保水性[圖5(c)]。最近，謝婉婷等[9]以氯乙酸為醚化劑，對堿化棉纖維改性制備了吸水纖維膜，其對去離子水的吸收和保水倍數(shù)分別為163.3g/g 和73.7g/g[圖5(d)]。Abdel Bary 等[50]以 戊 二醛為交聯(lián)劑、丙三醇為增塑劑，通過熱壓法制備了吸水倍數(shù)在73～135g/g的PVA-CNC吸水膜，當CNC質量分數(shù)為10%時，吸水膜對0.1mol/L 的NaCl、CaCl2、FeCl3的溶脹能力分別為89g/g、62g/g、22g/g。這是由于陽離子與羧基絡合產生的離子交聯(lián)點引起膜內部交聯(lián)密度增加，導致吸水膜在高價陽離子FeCl3溶液中膜網收縮程度高，溶脹能力下降。此外，該吸水膜對白色念珠菌、枯草芽孢桿菌、金黃色葡萄球菌和普通變形桿菌顯示出良好的抗菌能力，可用于農作物生長和園藝領域[圖5(e)]。

圖5 超吸水膜的吸水能力及應用領域[9,47,49]

為進一步提高超吸水膜的吸水能力，將親水性單體如丙烯酰胺、丙烯腈和N-異丙基丙烯酰胺通過自由基聚合引入到殼聚糖結構上，可使殼聚糖共聚物的吸水能力提高到650g/g[1,48]。此外，在超吸水膜內部引入微孔是一種高效提高膜吸水能力的策略。Wang等[51]通過三元溶劑體系（DMSO、二氧六環(huán)和1%乙酸溶液）制備了具有微納尺度結構的殼聚糖膜，其孔徑尺寸低至5μm、壁厚為納米級，吸水能力高達896g/g，在衛(wèi)生用品和生物醫(yī)學領域可得到應用。

超吸水膜的骨架結構是可降解的天然大分子，具有環(huán)境友好、生物相容性好的特點；相比超吸水樹脂和超吸水纖維，超吸水膜形成過程無須經過專用成形設備，操作簡單、能耗低。但通常需要復雜的微結構設計來調控膜的孔隙尺寸和厚度，以暴露更多的親水基團并封閉孔隙內的水分來提高吸水保水能力。

2.4 超吸水織物基氣凝膠

氣凝膠是一種孔徑尺寸為納米級的三維多孔材料，由水凝膠在保持其孔隙和空間網狀結構完整的基礎上以空氣取代液體得到的產物，具有密度低、比表面積高（200～1000m2/g）、孔隙率高達99%等特性，能夠用于吸附/分離材料、隔熱材料、生物醫(yī)學材料等領域[52-55]，由于結構上的親水基團和內部豐富的網狀孔隙可以吸收儲存大量的水，為超吸水材料的制備提供優(yōu)勢。

近年來，研究者以纖維素、海藻酸鹽、殼聚糖、羧甲基纖維素、AA、N-異丙基丙烯酰胺為原料，CA、MBA、ECH、京尼平、衣康酸（IA）為交聯(lián)劑，通過交聯(lián)共聚結合冷凍干燥、真空干燥或超臨界流體技術制備了多種結構的氣凝膠材料[11,53-56]。如Gorgieva 等[53]采用環(huán)保型CA 交聯(lián)劑，通過溶液聚合和高溫干燥策略制備了具有溫度和pH 雙重響應吸水特性的CMC-HEC氣凝膠。該氣凝膠在不同溫度和pH 條件下表現(xiàn)出不同的吸水能力和孔徑大小，最高溶脹能力接近4000%。其中HEC 含量和交聯(lián)程度影響水凝膠對pH 和溫度的依賴性?；谒z的環(huán)境敏感特性，進一步通過填充和絲網印刷方法將CMC-HEC水凝膠整理到棉織物表面，賦予棉織物pH 和溫度響應性。但遺憾的是這種方法得到的功能織物溶脹率還不足300%，可能與織物表面沉積的水凝膠厚度和含量有關。Kaya[55]采用同樣的方法，將交聯(lián)劑CA加入到纖維素-NaOH/尿素水溶液中，在25℃下交聯(lián)反應24h制備了纖維素基氣凝膠，該氣凝膠吸水倍數(shù)為99g/g，高于未交聯(lián)的纖維素氣凝膠（84g/g）。這是由于交聯(lián)劑CA 可為纖維素結構提供豐富的親水基團—COOH，增強了吸水能力。

最近，研究人員開發(fā)出一種新型生物基氣凝膠材料[56]。他們利用小麥面筋的高吸水特性，通過改變面筋的化學成分使其膨脹能力增強了10 倍；進一步加入交聯(lián)劑京尼平和乙二胺四乙酸酐使氣凝膠材料在水中溶脹達到4000%，在鹽溶液中溶脹率為600%[圖6(a)]。該材料可作為生產可持續(xù)紙尿褲吸水材料的替代品。除此之外，采用纖維素、CMC（Na）、HEC、SA 通過交聯(lián)共聚、冷凍干燥能獲得吸水率高達500～1000g/g的大孔氣凝膠[11,57]，在生物材料領域展示出應用潛力。

圖6 氣凝膠的微結構和織物基水凝膠的制備示意圖[10,56]

利用氣凝膠優(yōu)異的隔熱性能和吸水能力強的優(yōu)勢，通過直接沉積[10]、層壓復合[58]、化學交聯(lián)[59]、物理填充[13]等方法，將氣凝膠沉積到紡織纖維中或直接嵌入多層織物中，可制備織物基氣凝膠復合材料，在安全防護紡織品領域有廣泛的應用。例如，Yu等[10]將棉織物浸漬到以APS 為引發(fā)劑、MBA 為交聯(lián)劑的海藻酸鈉/N-異丙基丙烯酰胺/納米銀水凝膠聚合反應液中，在CaCl2溶液中通過原位沉積獲得了一種水凝膠沉積厚度為1.5mm的新型阻燃織物[圖6(b)]，可應用于消防領域，但存在水凝膠與織物結合能力弱的問題。對棉織物表面羥基活化處理，然后浸漬到含單體、引發(fā)劑、交聯(lián)劑的聚合反應液中，可在織物表面與單體之間產生共價鍵，提高了水凝膠與織物結合的穩(wěn)定性[12]；進一步通過冷凍干燥能形成織物基氣凝膠，其中氣凝膠的沉積厚度和引入量對織物柔軟性有明顯的影響。防護服在新冠肺炎期間為保護醫(yī)護人員做出了巨大貢獻，但現(xiàn)在并未有舒適性的防護服織物，主要原因是防護服外層密封處理以防止病毒、血液、毒氣等侵入，導致不透氣、不透濕，汗水無法蒸發(fā)和儲存。將織物基氣凝膠作為防護服吸水儲水層，可望為熱濕舒適防護服的開發(fā)提供新途徑。

與超吸水樹脂、超吸水纖維、超吸水膜材料相比，將超吸水材料制備成三維形式的氣凝膠，具有吸水后各向同性、吸水倍數(shù)高、保水能力強的優(yōu)勢，但存在吸水速率慢、與織物結合能力弱、使用有毒交聯(lián)劑、需長時間高溫反應的問題。需要指出的是，不是可以形成氣凝膠就具備高的吸水能力。如液態(tài)金屬鎵銦合金與氯化膽堿體系（LM-AA/PDES）在無需熱引發(fā)和交聯(lián)劑條件下，室溫攪拌2min 就可形成凝膠，但冷凍干燥形成的氣凝膠吸水能力非常低，不足自身的10 倍[60]?？梢詫⑦@一機理與傳統(tǒng)制備凝膠方法結合改善其反應時間長、溫度高、使用熱引發(fā)劑和有毒交聯(lián)劑的問題。

對于不同形式的超吸水材料，它們適用于不同的應用領域，因此對其吸水能力評價指標也有所不同。通?？刹捎米杂蓧毫ο碌奈芰Α毫ο碌奈芰?、吸收速度三個關鍵參數(shù)評價吸收能力[1]。其中自由壓力下的吸水能力是最關鍵的參數(shù)，通過“茶袋法”、離心法、需求潤濕法測試；壓力下的吸水能力是超吸水材料在自然壓力下的吸水能力。這一特性對評估在壓力下使用超吸水材料的性能非常重要，例如在嬰兒尿布或成人護理產品中。吸收速度也是嬰兒尿不濕等相關產品所要求的關鍵參數(shù)。增大比表面積和抑制凝膠堵塞是提高吸收速度的重要因素。現(xiàn)有超吸水材料的測試指標通常為自由壓力下的吸水能力，后期研究可針對產品應用要求合理選擇測試參數(shù)。

3 結語與展望

本文簡要介紹了幾種常見的超吸水材料（如超吸水樹脂、超吸水纖維、超吸水膜、超吸水織物基氣凝膠）制備原理及對液體的吸收能力差異，這些超吸水材料已廣泛應用于衛(wèi)生、傷口敷料、土壤保濕、安全防護等領域。盡管對超吸水材料的研究已經持續(xù)多年，但仍有一些問題需要解決。

（1）為提高超吸水樹脂的吸水能力和凝膠強度，還需依賴不可降解的丙烯酸類聚合物，且大多需長時間高溫反應才能形成凝膠，如何兼具優(yōu)異的吸水性、足夠的力學性能和良好的生物降解性是一項具有挑戰(zhàn)性的工作。

（2）采用紡絲法制備超吸水纖維時，對聚合物溶液的交聯(lián)度和黏度要求高，控制不當易導致噴嘴堵塞，存在制備效率低、難以產業(yè)化的問題。

（3）超吸水膜制備過程中存在微結構（如孔隙尺寸和厚度）難以調控的問題，且缺乏三維網狀結構，超吸水膜過度溶脹后力學性能顯著降低。

（4）氣凝膠由于相對高的交聯(lián)密度，存在吸水后凝膠阻塞導致吸水速率慢的問題。紡織品具有加工方便、柔性好、孔隙率高等優(yōu)良性能，將多孔結構的氣凝膠負載到織物表面和孔隙內，賦予織物多功能性（如吸水保水性、抗菌性等），可將其作為醫(yī)用防護服的吸水儲水層，為吸濕涼爽舒適防護服的開發(fā)提供新方法。以生物質為基材開發(fā)具有高吸附鹽水和合成尿能力、可重復吸液、廢棄后可完全降解的超吸水材料是未來的重要研發(fā)方向。此外，在超吸水材料聚合過程中引入具有特定功能的液態(tài)金屬粒子可使體系快速形成凝膠，并賦予超吸水材料抗菌和自愈合能力，吸水后具有各向同性特征，為其在醫(yī)用防護、阻燃防護和隔熱防護等領域的應用提供新思路。