也許我們正在為沙漠變綠洲的美麗夢想而奮鬥；也許我們正在為水資源的汙染而擔憂；也許我們正在為親人失去身體的某個器官而憂心忡忡；也許我們還在為昂貴的醫藥費而緊鎖眉頭；你想知道是什麼新材料在幫我們實現沙漠變綠洲的夢想嗎？你想知道是什麼新材料在幫我們守住清新的水世界嗎？你想知道是什麼新材料為我們的生命保駕護航嗎？在這一章我們將一一為大家揭開這新材料神秘的麵紗。
4.1特能“喝”水的超強吸水性樹脂
自古以來，一代又一代的先輩們一直在為荒漠變成綠洲的美麗夢想而奮鬥，但都未能如願以償。眾所周知，沙漠中之所以不能生長植物，關鍵原因不是缺水，而是無法將水保留住。當雨水降落到沙漠之地時，顆粒粗糙的沙子，不能像土壤那樣吸附住相當的水分，隻好任憑雨水快速滲入到地下消失不見，大雨之後的沙漠，用不了多久就會變得和原來一樣幹旱。麵對沙漠的這種特點，現在科學家研製出一種超強性能吸水樹脂，它不僅不憎水，反而能大量吸附周圍的水分，受熱之後，又可以將這些水分緩慢地釋放出來。今天，超強吸水樹脂經過不斷地改良，已達到能吸附自身重量200倍的水，最多的甚至達到幾千倍。要使沙漠變綠洲，就必須使沙漠儲存足夠的可供植物吸收的水分。超強吸水樹脂的出現，給沙漠變綠洲帶來了新的希望。現在超強吸水性樹脂應用於沙漠的改造工作，已經取得了較好的效果，引起了世人的極大關注。
4.1.1超強吸水性樹脂吸水機理
現在對功能高分子材料的研製和開發已經成為材料學領域的研究熱點之一。其中，超強吸水性樹脂就是近年來得到迅速發展的一類新型的功能高分子材料。它的研究開發始於20世紀60年代後期，1966年美國農業部北方研究所Fanta等進行了澱粉接枝丙烯腈的研究，從此開始了超強吸水性樹脂的發展。
超強吸水性樹脂為網狀結構：①水分子與高分子電負性強的氧原子形成氫鍵結合；②水分子與疏水基團的相互作用；③水分子與親水基團的相互作用。
4.1.2超強吸水性樹脂的類型
（1）澱粉
澱粉是一種原料來源廣泛、種類多、價格低廉的多羥基天然化合物，與澱粉進行接枝共聚反應的單體主要是親水性和水解後變成親水性的乙烯類單體。目前合成超強吸水樹脂通常采用的是自由基型接枝共聚。
（2）合成樹脂係
合成樹脂係的種類很多，且隨著研究的深入，種類也越來越多。主要有丙烯酸類、聚丙烯醇類等，其中以丙烯酸類最重要。
（3）纖維係類
由於澱粉係超強吸水性樹脂的出現，人們想到用纖維素為原料製備超強吸水性樹脂。纖維原料來源廣泛，能與多種低分子反應，是近十年來超強吸水性樹脂發展的一個方麵。
（4）有機-無機複合超強吸水性樹脂
20世紀80年代Pandurange等將超強吸水性樹脂與其他材料複合，發現可以有效地改善其耐鹽性、凝膠強度、熱穩定性和保水性等性能。因此，有機-無機複合材料得到迅速的發展，並在超強吸水性樹脂領域占據了重要位置。
4.1.3超強吸水性樹脂的應用
（1）石油化工方麵
隨著石油開采領域的不斷擴大，開采強度和難度也不斷增大。功能性新型超強吸水性樹脂具有奇特的吸水性和較好的耐鹽性，可作為油田固化劑、堵水劑、泥漿凝膠劑、鑽頭潤滑劑等。將超強吸水性樹脂與塑料或橡膠材料混合，再加入表麵活性劑，使它們的相容性提高，可製成密封材料，當這種材料遇到水或其他水性流體時就急劇膨脹，具有很好的密封性，特別是對於輸油、輸氣管線的密封。此外，超強吸水性樹脂還可用作油田的化學堵漏材料。超強吸水性樹脂亦可有效脫除油品中的少量水分，在含有少量水分的煤油中加入超強吸水性樹脂，充分攪拌後，濾出樹脂，可以得到脫除全部水分的油品。由於超強吸水性樹脂對不同鹽溶液的吸液能力不同，使得其在應用過程中受到了一定程度的限製，因此有必要進一步提高其耐鹽性。
（2）農林抗旱有保障
超強吸水性樹脂不但具有奇特的吸水、保水能力，而且能在土壤中形成團狀顆粒，從而降低晝夜溫差，同時還能有效吸收肥料、農藥，防止水土流失，因此，在農林業生產中占據著重要的地位。在果樹栽培中進行了高吸水性樹脂抗旱保水實驗，不僅減少了灌溉次數，還有利於提高水果產量和質量。將羧甲基纖維素接枝丙烯酸保水劑施入農田後，提高了土壤的保水能力，並且可防止表土結皮，有效抑製土壤中水分蒸發。薄膜狀、凝膠狀或泡沫狀的高吸水性樹脂用於正在生長的蔬菜和花的種子，可以增加生產的穩定性和產量。
（3）食品保鮮更持久
利用超強吸水保水劑的吸液性，將其與成膜劑、殺菌劑、除氧劑等混合製成保鮮劑，塗抹在水果、蔬菜的表麵，或將蔬菜、水果浸在保鮮劑中，可達到保鮮效果。將玉米澱粉接枝丙烯酸鹽超強吸水保水劑、水、丙二醇以一定配比均勻混合製成水凝膠，把魚浸入其中10秒後取出，保鮮12天後仍保持原有的光澤，且肉質彈性良好，而未經處理的魚在第6天就已黴爛變質。
（4）助推醫療衛生上新台階
超強吸水性樹脂吸水後形成的凝膠比較柔軟，具有人體適應性，對人體無刺激性、無不良反應、不發生炎症、不引起血液凝固等，這些都為其在醫藥方麵的應用創造了條件。近年來，超強吸水性樹脂已被廣泛地應用於醫藥的各個方麵，如用於保持部分被測液的醫用檢驗試片；含水量大、使用舒適的外用藥膏，能吸收手術及外傷出血和分泌液、並可防止化膿的醫用繃帶和棉球，能使水分和藥劑通過而微生物不能透過的抗感染性人造皮膚等。衛生及醫用材料是超強吸水性樹脂應用研究較為成熟的領域。有的國家90%左右的超強吸水樹脂用於生產衛生及醫用材料。在我國，由於超強吸水樹脂本身質量還有一定的欠缺，再加上人們對此還需要一個適應的過程，所以衛生用品製造商很少使用超強吸水性樹脂，即便是使用也基本靠進口解決。隨著人們生活水平的提高，此類需求將大大增加，因而國內市場具有很大的潛力。
（5）在建築及其他領域毫不遜色
超強吸水性樹脂在建築材料中可用作止水、隔水材料，如用作管道、設備及閥門墊片，用作填縫、堵水、防漏材料等。在英法海底隧道的修建中超強吸水樹脂就得到成功的應用。另外，超強吸水性樹脂既可作為耐火被覆材料，又可作為有效的滅火材料。超強吸水性樹脂還可用於建築物結露防止劑、調濕材料，也可用於吸水性塗料的製備等。今後在建築材料領域應重點加強超強吸水性樹脂在房屋漏水、牆壁滲水、改造江河、防洪抗災、光纜和電纜的止水防水等方麵的實際應用開發研究。人工智能材料方麵是超強吸水性樹脂應用的一個比較有前景的領域。超強吸水性樹脂高分子水凝膠在水溶液中，環境的變化（如溫度、pH值、其他溶劑濃度、離子強度、光、電等條件的變化）都會引起它的結構和形態發生改變，即發生膨脹和收縮的可逆轉變。由於這種隨外界環境條件變化而發生的力化學能的變換、傳遞的材料是一種感知材料，具有高度敏感性、應答性，因而是一種新型的智能高分子材料，可以廣泛應用於化學活門、光活門、轉換器、記憶元件、指示裝置、調節控製器、藥物釋放控製器、機器人等的製造。因此，加強這一領域的研究開發和應用具有十分重要的意義。除此之外，超強吸水性樹脂還有很多用途，如製作吸水性衣料、酶的提純和固定、藥劑的回收、溶液的分離、太陽能的利用、人造雪的製造、放射性物質的處理、鑄造用的黏結劑、礦石的小顆粒化劑、煤的成型劑、靜電防止劑、電池陽極凝膠化劑、纖維製冷係統等。現在，超強吸水性樹脂已廣泛地應用於各個領域，在國民經濟建設中也將會起到越來越重要的作用。
（6）沙漠變綠洲不再是癡人說夢
超強吸水性樹脂的出現使人們能夠戰勝幹旱，從而實現沙漠變成綠洲的理想。目前很多國家進行的相關研究，把超強吸水性樹脂用作土壤保水劑來治理沙漠是一項行之有效的方法。如法國製造出一種吸水土，已用於改造沙漠。日本也將吸水性樹脂的技術向印度出售，以開發印度的沙漠，日本已在中東和非洲地區做了多年試驗，將高吸水樹脂配製成0.3%～0.4%的凝膠液，撒入10～15厘米深的沙漠中，就可在其中種植蔬菜和一般農作物，收到了較好的效果。比利時、以色列、南非、北非各國數年前就將吸水性樹脂用於沙漠治理，並都取得了顯著的效果。這項工作的開展對我國北方地區少雨幹旱、土地沙化的現狀具有重要的意義和潛在的市場前景。現正在實施利用超強吸水樹脂的工程使沙漠變綠洲將逐步成為現實。
4.2隻需交換別無他求——離子交換樹脂
眾所周知，水資源是人類賴以生存的重要資源。然而隨著當今社會科學經濟的發展，在水資源匱乏的同時，水汙染狀況也令人擔憂。河流作為陸地上最為重要的水體，工業區和城市絕大部分必須建立在河流之濱才能依靠河流供水、運輸，與此同時也帶來了把廢水排入河流產生嚴重的環境汙染的現象。水體受到汙染後會對人體的健康、工業生產、農作物生產等產生許多危害和不良影響。水汙染治理的好壞可以說是關係國計民生的大事。所以，研究如何降低廢水中重金屬的含量，減輕重金屬對環境的汙染具有重大意義。離子交換樹脂的出現為解決這一問題帶來希望。
離子交換技術在治理重金屬工業廢水的同時，可實現金屬的回收利用，具有較高的經濟合理性，對增加可利用資源和改善環境質量具有十分重要的意義。
4.2.1離子交換樹脂簡介
離子交換樹脂是一類帶有活性基團的網狀結構高分子化合物。它具有一般聚合物所沒有的新功能——離子交換功能，本質上屬於反應性聚合物。在它的分子結構中，一部分為樹脂的基體骨架，另一部分為由固定離子和可交換離子組成的活性基團。離子交換樹脂具有交換、選擇、吸附和催化等功能，在工業高純水製備、醫藥衛生、冶金行業、生物工程等領域都得到了廣泛的應用。近年來，離子交換樹脂無論是從種類、結構還是性能上都出現了很大的變化，其生產和應用也都得到了很大的發展。
1935年英國的dams和Holmes發表了關於酚醛樹脂和苯胺甲醛樹脂的離子交換性能的工作報告，開創了離子交換樹脂領域的研究工作。1944年，Alelio合成了具有優良物理和化學性能的磺化苯乙烯-二乙烯苯共聚物離子交換樹脂及交聯聚丙烯酸樹脂，奠定了現代離子交換樹脂的基礎。此後，陶氏化學公司的Bauman等人開發了苯乙烯係磺酸型強酸性離子交換樹脂並實現了工業化。Rohm和Hass公司的Kunin等人則進一步研製了強堿性苯乙烯係陰離子交換樹脂和弱酸性丙烯酸係陽離子交換樹脂。這些離子交換樹脂除應用於水的脫鹽精製外，還用於藥物提取純化、稀土元素的分離純化、蔗糖及葡萄糖溶液的脫鹽脫色等。
離子交換樹脂發展史上的另一個重大成果是大孔型樹脂的開發。20世紀50年代末，國內外包括我國的南開大學化學係在內的諸多單位幾乎同時合成出大孔型離子交換樹脂。與凝膠型離子交換樹脂相比，大孔型離子交換樹脂具有機械強度高、交換速度快和抗有機汙染的優點，因此很快得到廣泛的應用。
20世紀60年代後期，離子交換樹脂除了在品種和性能等方麵得到了進一步的發展，應用方麵也得到迅速的發展。除了傳統的水的脫鹽、軟化外，在分離、純化、脫色、催化等方麵也得到廣泛的應用。例如離子交換樹脂在水處理以外的應用由80年代以前占離子交換樹脂總用量的不足10％增加到目前的30％左右。
目前，離子交換樹脂的應用已經曆了70多年的發展曆史，離子交換樹脂已發展到當前的在化工、電力、電子、環境科學、濕法冶金、分析化學、食品加工、醫療藥物甚至航天領域中大顯身手。