保水劑又稱為高吸水樹脂（Super Absorbent Resin，簡稱 SAR），也稱為超強吸水劑 （Super Absorbent 均聚物，簡稱 SAP），是一種含有大量羧基、羥基等強親水性官能團并具備一定交聯度的水溶脹型高分子聚合物。它有很強的吸水能力和保水性能，能在短時間內吸收它自身重量幾百倍至幾千倍的無離子水分，在外力下所吸的水分不易脫出，而是緩緩地釋放出來。保水劑無毒無害，反復釋水、吸水，因此農業上人們把它比喻為“微型水庫”。
保水劑主要分為天然高分子系列和合成聚合物系列，能夠提高土壤吸水能力、增強土壤保水和調溫能力、改善土壤結構、提高土壤保肥能力，還能吸收肥料、農藥并緩慢釋放，增加肥效、藥效。保水劑被廣泛用于農業、林業、園藝、建筑材料等領域，在工業方面可廣泛應用于石油化工、電纜、造紙、化妝品、食品保鮮、傳感器、滅火器具、纖維制品、膨脹玩具等。
歷史
超強吸水性樹脂的出現是1961年美國農業部北方研究所C，R，Russell等從淀粉接枝丙烯腈開始研究，該吸水性樹脂最初在亨克爾股份公司（Henkelcorporation）工業化成功，其商品名為SGP（Starch Graft polymer），當時美國主要以農業為中心積極推廣應用，首先應用在土壤改良、保水抗旱、育種保苗等方面。60年代末至70年代，美國Starch、General Mills Chemical，日本住友化學、三洋化成工業等公司相繼成功地開發了高吸水性樹脂。其中成效最大的是美國、日本、法國和德國等。
20世紀70年代末，美國UCC公司用放射法處理交聯各種氧化烯烴聚合物，合成了非離子型的保水劑，可達到耐鹽目的。20世紀80年代初，法國里昂沙菲姆化學公司研制成功保水劑并將其應用于沙特阿拉伯干旱地區的土壤改良。20世紀80年代，Pandurange等將高吸水性樹脂與其他材料復合，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。1985年世界生產保水劑的主要公司只有13家，至1995年全世界研究和生產的公司達近50家，世界保水劑市場以每年8%~10%的速度增長。
中國保水劑研制和應用始于20世紀80年代中期，中國有40余個單位研究開發，并陸續應用于農林生產領域。20世紀80年代初北京化學纖維研究所研制成功SA型保水劑，中科院蘭州化學物理研究所研制成LPA型保水劑，中科院化學研究所、長春應用化學研究所也分別研制出KH841型和IAC-B型保水劑，并陸續應用于農林生產領域。
性能
吸水性
保水劑的吸水能力強。保水劑是具有一定交聯度的高分子化合物，其分子含有羧基、羥基以及酷胺基、磺基一類的強親水性官能團，通過其三維網狀結構及分子內、外側電解質離子濃度差所產生的滲透壓，對水分有強烈的締合能力，其吸持水分的溶脹比在純水中一般為400~1000倍。保水劑加入土壤后能提高土壤對灌溉水及天然降水的吸收能力，但是受土壤溶液中各種鹽基離子及土壤顆粒對水分吸收作用用的影響，保水劑常常達不到其在純水中的吸水倍率。
保水劑吸水速度快。在土壤及其周圍空氣濕潤時，保水劑能很快吸收水分，完成相當自身重量580倍吸水量的時間僅為13分鐘，其中在第1分鐘就完成了總吸水量的三分之二。
保水性
保水劑的保水性好。保水劑吸水后變為水凝膠具有很強的保持作用，吸收的水分在自然條件下蒸發速度明顯下降而且加壓也不易離析。保水劑具有保溫性能，其水分蒸發速度比純水要慢得多。
釋水能力
保水性的釋水能力好，供水時期長。保水劑所吸持的水分85%~90%是自由水，作物可以吸收利用。在環境干燥時，保水劑所吸持的水分還可緩慢地釋放出來，給作物供水。保水劑的吸水和釋水過程在一定時期是可逆的，可反復地進行吸水、釋水，而且其溶脹比有逐漸加大的趨勢。當初次飽和吸水干燥后，再度吸水飽和時，其溶脹比由原來的580倍提高到760倍。吸水量增加，供水時期也相應延長。一般的保水劑品種均能反復地進行吸水和釋水，有的品種可長達3~5年。
持效性
保水劑具有反復吸水功能，即吸水一釋水一干燥一再吸水。保水劑經過多次反復吸水，一般吸水倍數下降50%~70%后而趨于穩定，有的品種甚至失去了吸水功能。
凝膠強度
吸水后的保水劑，落在平板上，表現出容易回彈行為，即使產生生大的變形也不被破壞。飽和吸水量約500倍的斯米卡吉爾保水劑，壓壞強度約500g/cm2。同樣狀態下，聚丙烯酸鹽系保水劑壓壞強度約100~200g/cm2。在吸水量低于飽和吸水量時，保水劑能顯示更大的強度。
光熱穩定性
在干燥狀態下，保水劑在100°C以下是穩定的，150°C以上隨著時間的增加吸水率開始下降，在230°C開始分解。保水劑的光穩定性大，用燈照射500小時，吸水率無變化。
作用原理
保水劑屬于聚電解質，它的吸水機理不同于紙漿、海綿等以物理吸水為主、吸水量小的普通吸水材料。保水劑的吸水是由于高分子電解質的離子排斥所引起的分子擴張和網狀結構引起阻礙分子的擴張相互作用所產生的結果。
保水劑的分子鏈無限長的連接著，分子之間呈復雜的三維網狀結構，使其具有一定的交聯度。分子結構交聯度越高，橡膠彈力越強，而橡膠彈力和吸水力的平衡點即是其表觀吸水能力。在其交聯的網狀結構上有許多羧基、羥基等親水基團，當它與水接觸時，其分子表面的親水性基團電高并與水分子結合成氫鍵，通過這種方式吸收大量的水分。
保水劑網鏈上的電解質使得網絡中的電解質溶液與外部水分之間產生滲透勢差，在這滲透勢差作用下，外部水分不斷進入分子內部。網絡上的離子遇水電解，正高子呈游離狀態，而陰離子基團仍固定在網鏈上，相鄰負離子產生斥力，引起有機高分子化合物網絡結構的膨脹，在分子網狀結構的網眼內進入大量的水分。
主要功能
保水
保水劑不溶于水，但能吸收相當自身重量成百倍的水。保水劑可有效抑制水分蒸發，土壤中摻入保水劑后，在很大程度上抑制了水分蒸發，提高了土壤飽和含水量，降低了土壤的飽和導水率，從而減緩了土壤釋放水的速度，減少了土壤水分的滲透和流失，達到保水的目的。還可以刺激作物根系生長和發育，使根的長度增加、條數增多，在干旱條件下保持較好優勢。
保肥
保水劑具有吸收和保蓄水分的作用，因此可將溶于水中的化肥、農藥等農作物生長所需要的營養物質固定其中，在一定程度上減少了可溶性養分的淋溶損失，達到了節水節肥、提高水肥利用率的效果。
保溫
保水劑具有良好的保溫性能。施用保水劑之后，可利用吸收收的水分保持部分白天光照產生的熱能調節夜間溫度，使得土場晝夜溫差減小。在沙壤土中混有0.1%~0.2%的保水劑，對10cm土層的溫度監測表明，對土溫升降有緩沖作用，使晝夜溫差減少為11°C~13.5°C，而沒有保水劑的土壤為11°C~19.5°C。
改善土壤結構
保水劑施入土壤中，隨著吸水膨脹和失水收縮的規律性變化可使周圍土壤由緊實變為疏松，孔隙增大，從而在一定程度上改善土壤的通透狀況。
應用領域
園藝
保水劑在農林園藝中常常用作土壤的改良劑、保濕劑，也被用于沙漠治理、無土栽培等，其中土壤的改良劑使用最廣。保水劑既能吸水保水，又能緩慢釋放水分，充分給予植物水分，不僅如此，保水劑中含有營養元素和礦物質供植物吸收，減少了植物的澆水施肥時間，縮減成本，提高植物的成活率，有利于防沙固土、植被恢復。
農業
保水劑在農業上的施用方法有種子表面涂層 （種子包衣、浸種）、與土壤混合、凝膠蘸根、飛播及制成包衣后流體播種以及作培養基質等。保水劑可以改善土壤肥力，使土壤團粒徑結構增加，并具有保水性和通透性。另外將保水劑涂于植物根部，可防止根部干燥，減少移植休克，提高農作物的成活率。
林業
保水劑在林業育苗中的應用可分為培育裸根苗和營養袋苗。用于培育裸根苗時可使種子提前發芽、提高出苗率、增加出圃時的苗高和地徑、減少人工澆水次數、降低育苗成本和用種量。保水劑用于培育營養袋苗可提高苗木上山造林的成活率。
衛生用品
衛生用品是最早使用高吸水性樹脂的范例，最近幾年在許多專利中所提出的使用方法，基本上都是薄紙中間夾紙漿和高吸水性樹脂的層壓結構。為提高初期吸水性，并使其能迅速吸收血液和尿液，可將非離子性表面活性劑加入樹脂粉粒中，或把樹脂分散在紙漿里，以保持好的分散性。
食品工業
高吸水性樹脂無毒、無味，不易被人體所吸收，因此還可用作食品添加劑。如在奶制品中添加高吸水性樹脂，可提高制品的固體含量，改善制品的成型工藝性。又如，將其加入到面包、蛋糕等焙烤食品中，能起到膨松食品又降低熱量的作用。
高吸水性樹脂作為包裝材料，有利于食品的保鮮。例如用高吸水性樹脂的聚丙烯薄膜包裝，可提高活魚在運輸過程中的存活率。
醫用材料
高吸水性樹脂作為吸水劑，已用于能保持部分被測溶液的醫采用檢驗試片，含水量大、使用舒適的外用軟膏，能吸收浸出液并可防止化膿的治傷繃帶及人工皮膚、緩釋性藥劑等。吸水沒藥樹的凝膠，可抑制血漿蛋白和血小板的粘連，因而可作為抗血栓材料，用于制造人工臟器。
化妝品
利用高吸水性樹脂的增稠性，可用于化妝品、洗滌劑、水性涂料等的增稠。經高吸水性樹脂增稠的化妝品，保存期大大延長，使用時無油性化妝品的油膩感，并能有效地防止皮膚的干燥、開裂。
電線電纜
將高吸水性樹脂應用到電線電纜的絕緣層與金屬線芯間，可有效防止水和潮氣沿電纜縱向的擴展，避免電纜絕緣層中水樹枝化的產生和蔓延，保證電纜的絕緣性和壽命。
化工和油田開發助劑
高吸水性樹脂對有機物的吸收能力差，使用高吸水性樹脂作為油田脫水劑，可以有效地除去油中所含的少量水分。使用高強度高吸水性樹脂進行油田注水井調堵水，有顯著的增油效果。
建筑養護
高吸水樹脂應用于混凝土養護過程，可以從根本上解決混凝土早期自收縮和開裂的問題。高吸水樹脂直接摻入混凝土中，前期吸收儲存一部分水分，于后期緩慢釋放，進而促進水化，用于內部自養護，使結構更加致密，減小其自收縮，且加入混凝土后對強度影響不大，可以作為一種理想的內養護材料。
高吸水性樹脂與橡膠等材料進行改性加工，可得到隔水、止水復合材料。通過在隧道工程中的弓形鋼筋混凝土片塊在拼合間隙之間使用該類材料，能夠有效防止地下水的侵。也可以將其作為構造物熱膨脹、收縮以及工程設計收縮誤差等所導致的裂縫的隔水及止水材料。
其他
高吸水樹脂在環境治理中也有較廣泛的應用。高吸水樹脂表面具有豐富官能團，能夠對環境中，尤其是水體中各種污染產生較好的吸附作用。如利用殼聚糖復合高吸水性樹脂可以作為水體中重金屬離子的良好吸附劑。
高吸水樹脂在路面揚塵的抑制中也有很好的效果，利用高吸水性樹脂良好的耐蒸發性和吸濕放濕性，通過噴灑高吸水樹脂，利用高吸水樹脂的保水保濕性能及其表面的黏性，能夠有效防止飛塵。
分類
保水劑種類豐富多樣，按照原料的差異、聚合方法不同、交聯劑種類區分和樣品狀態不同可以列出各種各樣的分類方法。按照保水劑的所用原料的差異，保水劑大致可以分為以下 4 類：淀粉系、纖維素系、合成樹脂系、有機- 無機化合物復合系高吸水樹脂。其中市場應用的保水劑主要品種有丙烯酰胺丙烯酸鹽交聯共聚物（聚丙烯酰胺）及淀粉接枝丙烯酸鹽交聯共聚物（聚丙烯酸胺、淀粉接枝丙烯酸）。
淀粉類
淀粉類的保水劑是通過淀粉接枝丙烯腈再經堿水解，使基轉變成酰胺基和羧基，即成高吸水性有機高分子化合物。該類保水劑吸水保水性能優越，重復吸水能力強，外界溫度、壓力對其影響小。
淀粉接枝丙烯酸鹽
淀粉接枝丙烯酸鹽為白色或淡黃色顆粒狀晶體，主要成分為淀粉（18%~27%）和丙烯酸鹽（62%~71%）。這種產品在用于造林地蓄水保時，其使用壽命一般只能維持1年多的時間，但吸水倍率和吸水速度等性能極佳。
纖維素類
纖維素保水劑是通過丙烯腈、丙烯酸及其鹽、丙烯酸胺等單體與纖維素進行接枝共聚引入親水性基團的方法來制得。纖維素系保水劑的吸水能力可能低于淀粉系保水劑，但是纖維素系保水劑不易降解，使用時間長，而且其耐鹽性能好，凸顯了一定的生態意義和經濟價值。
合成聚合物系
合成系保水劑種類繁多，常見的有聚丙烯酸鹽類、聚丙烯酰胺類、聚丙烯腈類、聚乙烯醇類、PEO類等。與淀粉系、纖維素系保水劑相比，合成系保水劑不含天然有機化合物，不易腐敗、不易降解，并且保水劑的機械強度比較高，不易破損，更重要的是，合成系保水劑合成工藝簡單，生產方便，成本較低。
聚丙烯酰胺
聚丙烯胺呈白色顆粒晶體狀，法國、德國、日本、美國和比利時等國所生產的保水劑大多屬于這類成分的產品。該產品的特點是：使用周期和壽命較長，在土壤中的蓄水保墻能力可維持4年左右，但其吸水能力會逐年降低。
聚丙烯酸鈉
聚丙烯酸鈉為白色或淺灰色顆粒狀晶體，生產的保水劑大多是這種成分的產品，其主要特點是：吸水倍率高，吸水速度快，但保水性能只能保持2年有效。
有機-無機復合系
有機-無機復合系保水劑是利用的無機材料（膨潤土、蒙脫石、白陶土等）加入到保水劑中，形成的一種新型保水劑。該類型的保水劑能提升或改善原來保水劑的耐鹽性、凝膠強度、熱穩定性和保水性等性能。
制備方法
水溶液聚合法
水溶液聚合法可用于合成聚丙烯酸類的保水劑，通過該方法交聯共聚的產品呈粉狀。
水溶液聚合法是指將反應單體（丙烯睛、丙烯酸鹽、丙烯酞胺、丙烯酸等）、交聯劑和添加劑如分子量調節劑等溶于水中在光照或加熱、輻射、引發劑或催化劑作用下進行合成，得到凝膠狀彈性體，再將凝膠狀彈性體切碎、烘干即得產品。
優點是：體系粘度較低，混合和傳熱較易，溫度容易控制。但缺點在于：聚合速率較慢、溶劑回收成本較高、溶劑殘留較多等等。
反相乳液聚合法
反相乳液聚合法可以用合成纖維類保水劑，例如：用反相乳液聚合法制備羧甲基纖維素鈉接枝聚丙烯酸。
反相乳液聚合是將反應物低分子物或有機高分子化合物物分散在油相介質中，通過乳化劑的作用，并在強烈攪拌或劇烈振蕩下分散成乳液狀態進行化學反應的合成方法。
優點：聚合速率快、產物分子量高、有利于混合傳熱、管道傳輸和連續生產、分散體系穩定等，缺點：聚合物分離析出過程繁雜、成本高、反應器壁及管道容易掛膠和堵塞等。
反相懸浮聚合法
反相懸浮聚合法可用來合成聚丙烯酸類的保水劑，通過該方法聚合的產品呈珠粒狀。
反相懸浮聚合法是以溶劑（油相）為分散介質，水溶性單體在懸浮劑和強烈攪拌或劇烈振蕩作用下，分散成水相液滴懸浮于油相介質中，引發劑溶解在水相液滴中而進行的聚合方法。
優點：聚合過程穩定，聚合產物不易成塊狀凝膠。缺點：需使用有機溶劑，給后處理帶來麻煩，增加了經濟成本，給環境造成一定的危害。
接枝共聚聚合法
接枝共聚聚合法廣泛應用于淀粉類保水劑和纖維素類保水劑的合成。
接枝共聚聚合法是將親水性單體加入到聚合物中，與聚合物主鏈的活性中心發生聚合反應，反應的關鍵是在聚合物鏈上產生活性中心。
輻射引發聚合法
輻射引發聚合法可用于合成聚（丙烯酸丙烯酰胺） 高吸水性樹脂。
輻射引發聚合法即在高能射線照射下引發合成土壤保水劑的方法，包括微波輻射引發聚合法、射線輻射引發聚合法、紫外光輻射引發聚合法和等離子體引發輻射聚合法。輻射引發聚合法無需引發劑，具有工藝簡單、成本低、吸水倍率高等優點。
參考資料 >