CN101613603A

CN101613603A - 一种保水剂胶体及其制备方法

Info

Publication number: CN101613603A
Application number: CN 200810012020
Authority: CN
Inventors: 刘作新; 苗永刚; 王振营; 张颖
Original assignee: Institute of Applied Ecology of CAS
Current assignee: Institute of Applied Ecology of CAS
Priority date: 2008-06-25
Filing date: 2008-06-25
Publication date: 2009-12-30

Abstract

本发明涉及农田土壤保护技术，具体地说一种保水剂胶体及其制备方法。保水剂胶体按重量份数计，由100～150份乙酸壳聚糖溶液、50～100份丙烯酰胺溶液、200～500份丙烯酸溶液、1～30份N，N′－亚甲基双丙稀酰胺溶液和1～10份硝酸铈铵溶液组成。本发明所得保水剂吸蒸馏水倍数为300－700g/g，吸生理盐水的倍数为20－70g/g，具有良好的机械性能。新型保水剂在农田应用中可以起到节水、保苗壮秧、防风固沙和恢复生态等作用，具有广泛的应用前景。

Description

一种保水剂胶体及其制备方法

技术领域

本发明涉及农田土壤保护技术，具体地说一种保水剂胶体及其制备方法。

背景技术

目前，水资源越来越成为国民经济发展的重要制约因素之一。我国农业用水占用水量的73.4％，每年农业缺水约300亿m³，由于缺水和水分生产效率低，农业用水危机不断加剧。

保水剂因为使用方便，成本较低等优点也成为节水增产的新途径和新方法。保水剂又称土壤保水剂、高吸水剂、保湿剂、高吸水性树脂、高分子吸水剂。它能迅速吸收比自身重数百倍甚至上千倍的去离子水、数十倍至近百倍的含盐水分，而且具有反复吸水功能，吸水后膨胀为水凝胶，可缓慢释放水分供作物吸收利用，从而增强土壤保水性，改良土壤结构，减少水的深层渗漏和土壤养分流失，提高水分利用率。

20世纪60年代末，美国科学家Edward Bargad用玉米淀粉和丙烯氰，研制成具有超强吸水能力的淀粉接枝丙烯氰水解共聚物。20世纪70年代中期，美国农业部北部研究中心(NRRC)首先将这种水解共聚物应用于农业生产，对玉米和大豆种子进行涂层处理，大田试验取得了较好的效果，并开始在美国西部干旱地区推广，到1981年产量已达几千吨。20世纪70年代末，美国农业部森林局和一些大学采用Terra sorb(TAB)进行了一系列试验，发现其吸水能力已达自身重的1000倍，在田间受化肥、土壤等因素的影响，仍能吸收自身重300倍的水分，用于地面撒施可节约灌溉用水50％～85％。1974年，在美国Granp rocessingco公司实现了保水剂工业化生产。日本紧随美国之后，迅速赶上并且超过了美国，生产出了一系列新产品，到1983年总产量已超过3.34×10⁶kg，约占当时世界总产量的一半，到1997年产量已超过9×10⁸kg，现在日本是生产和出口保水剂最多的国家。20世纪80年代初，法国里昂沙菲姆化学公司研制成功保水剂，并将其应用于沙特阿拉伯干旱地区的土壤改良。韩国开发出了吸水达自重5000倍的“IKR 3010”高分子材料。英国、德国、俄罗斯等国家也都投入大量资金进行土壤保水剂的开发研究。1998年，世界保水剂需求总量在70万吨左右，其中美国市场占1/3。欧盟国家消费22万吨，日本市场消费8.2万吨。另外，发展中国家如墨西哥、东南亚及中东地区也开始推广应用。美国、日本、法国、德国和比利时等发达国家都设专门机构从事研究，目前近30个国家已将保水剂用于工业、农业、建筑、园艺和卫生等多种领域。日本在沙漠绿化、英国在水土保持、法国在土壤改良、俄罗斯在节水农业等方面分别取得明显效果。保水剂在农林方面应用的前景广阔，产品向功能多样化、成分复杂化、剂型专一化方向发展。

我国对保水剂开发与应用研究始于上个世纪80年代初，目前已有50多个单位进行研制和开发，但产品生产还比较落后，总产量不过1000吨。上个世纪80年代初，北京化学纤维研究所研制成功SA型保水剂，中科院兰州化学物理研究所研制成LPA型保水剂，中科院化学研究所、长春应用化学研究所也分别研制出了KH841型和IAC-B型保水剂，并陆续应用于农林生产领域，20世纪90年代以来，又有一批新型的保水剂产品陆续问世。1998年，河北保定市科瀚树脂公司科技人员采用生物实验技术研制成功“科瀚98”系列高效抗旱保水剂，最近还研制生产出一种在干旱缺水条件下，能保证植物成活的蓄水能力很强的、含水量高达99.5％的透明胶状物质-“沙漠王”固体水。另外，唐山博亚公司生产的高效抗旱保水剂，“永泰田”保水剂等新型保水剂产品也投入了工业化生产，陕西杨凌惠中科技开发公司研制出了吸水率达1500倍的保水剂并投入批量生产。

但是，开发出合成工艺简单，价格低廉，吸保水能力强，环境友好型保水剂仍然是一项艰巨的任务。

发明内容

本发明目的是提供一种能够保持土壤水分含量，提供作物需求水分并对环境友好，不造成土壤污染的土壤，简化生产工艺，保水剂胶体及其制备方法。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：

保水剂胶体：按重量份数计，由100～150份乙酸壳聚糖溶液、50～100份丙烯酰胺溶液、200～500份丙烯酸溶液、1～30份N，N′-亚甲基双丙稀酰胺溶液和1～10份硝酸铈铵溶液组成。

所述乙酸壳聚糖溶液为乙酸溶液溶解壳聚糖所得。所述丙烯酸溶液为采用氢氧化钠溶液中和到pH值为4.5～7.5的丙烯酸溶液。

制备方法：将按重量份数计，100～150份乙酸壳聚糖溶液、50～100份丙烯酰胺溶液、200～500份丙烯酸溶液和1～30份N，N′-亚甲基双丙稀酰胺溶液直接混合，搅拌均匀，向混合液中吹入惰性气体使其空气排除，而后缓慢提升混合溶液温度到20℃～40℃，使其持续0.5～1小时，然后加入1～10份硝酸铈铵溶液，再次缓慢提升混合溶液温度到50℃～90℃，搅拌均匀，待溶液出现粘稠爬杆现象，即得到保水剂胶体。

所述向混合液中吹入惰性气体为以2～7升/分钟流量吹入高纯氮。所述缓慢提升混合溶液温度时以5-10℃/5-10min速度提升。所述乙酸壳聚糖溶液：取1～5克壳聚糖放入100～200份重量百分浓度为1～5％的乙酸溶液中搅拌，搅拌至溶液均匀，得到乙酸壳聚糖溶液。所述乙酸溶液为重量百分浓度为1～5％的乙酸溶液。所述丙烯酸溶液：取200～300克聚合丙烯酸溶液，在20～40℃下减压蒸馏去除阻聚剂，而后取去除阻聚剂的30～80份聚合丙烯酸溶液，用浓氢氧化钠溶液在冰水浴中中和至pH值为4.5～7.5，得到丙烯酸溶液。所述氢氧化钠溶液为重量百分浓度为10～30％的氢氧化钠溶液。

本发明的原理是：以长链大分子壳聚糖为骨架材料，N，N′-亚甲基双丙稀酰胺为交联剂，在硝酸铈铵的催化下，与丙烯酰胺、丙烯酸分子聚合交联，形成三维网状结构保水剂胶体。胶体分子链上的羧基、羟基、酰胺基等基团具有两性吸附能力，网状空间结构能够有效束缚进入胶体内部的液体，形成具有高度化学吸水性和物理持水性的保水剂胶体。

本发明与同类保水剂及其生产工艺相比具有以下优点：

1.易于生产和应用。本发明生产工艺较简单，不需要大型仪器设备，在普通实验室即可完成，有利于产品的开发、推广和应用。

2.环境安全。由于本发明采用的壳聚糖属于天然高分子化合物，与一定浓度的丙烯酸和丙烯酰胺聚合，施用于土壤后，能够完全分解，分解后次级产物不会污染土壤，属于环境友好型产品。

3.本发明所得保水剂产品不仅能够吸收大量的水分，而且机械性能较好。保水剂不仅能够吸收并保存大量去离子水，而且对含有盐分的溶液也有良好的吸持性，并且在一定的压力下，保水剂仍然能够保持水分。

4.应用范围广泛。本产品不仅可以适用于干旱地区作物，可以应用于观赏植物栽培，还能够应用于防风固沙、改善土壤生态环境的功能。

具体实施方式

实施例1

本发明保水剂胶体按重量份数计，其成分组成为：100份乙酸壳聚糖溶液、100丙烯酰胺溶液、200份丙烯酸溶液、10份N，N′-亚甲基双丙稀酰胺溶液和6份硝酸铈铵。

制备方法：按重量份数计，100份乙酸壳聚糖溶液、100丙烯酰胺溶液、200份丙烯酸溶液和10份N，N′-亚甲基双丙稀酰胺溶液在四口瓶中直接混合，搅拌均匀，以4升/分钟向混合液中吹入氮气，排除混合液中空气。而后以5℃/10分钟缓慢提升混合溶液温度到40℃，使其持续40分钟，然后加入6份硝酸铈铵，再次以5℃/10分钟缓慢提升混合溶液温度到80℃，搅拌均匀，溶液出现粘稠爬杆现象，将其转移到托盘中，干燥粉碎过40目筛，所得无色透明胶体保水剂。

所述乙酸壳聚糖溶液：取2克壳聚糖加入98克2％乙酸溶液，电动搅拌均匀；即可。所述乙酸溶液：取50克36％乙酸溶液，倾入400克水中，搅拌至溶液均匀，得到2％乙酸溶液。所述丙烯酰胺溶液：取10克丙烯酰胺，溶入90克水中，搅拌均匀；即可。所述丙烯酸钠溶液：取400克聚合丙烯酸溶液，在25℃下减压蒸馏去除阻聚剂；取200克处理后的聚合丙烯酸溶液，用制备好的氢氧化钠溶液在冰水浴中中和至pH值为6，得到丙烯酸溶液。所述氢氧化钠溶液：取40份氢氧化钠，缓慢搅拌下加入160份水，得到20％氢氧化钠溶液。所述N，N′-亚甲基双丙稀酰胺溶液：取0.4克N，N′-亚甲基双丙稀酰胺，加入20克水充分搅拌到溶液均匀；即可。所述硝酸铈铵溶液：取0.012克硝酸铈铵，加入10克稀硝酸充分溶解，即可。

上述壳聚糖、丙烯酸、丙烯酰胺、硝酸铈铵、N，N′-亚甲基双丙稀酰胺、乙酸和氢氧化钠均为化学纯或分析纯，所述水为去离子水。

实施例1所得保水剂在去离子水中的最大吸水率为565克/克，在0.9％氯化钠盐水中的吸液率为47克/克；保水剂吸水后呈现透明胶状，在一定压力下仍能保持水分；保水剂吸水后呈现透明胶状，在4000转/分钟的离心机中离心一个小时仍能保持40％的水分；一定量的干燥保水剂粉末与一定量的土壤混合后，在压力膜仪器1bar压力下仍能保持土壤50％的水分，证明保水剂具有良好的持水能力，改善了土壤的持水性能。

实施例2

与实施例1不同之处在于：按重量份数计，其成分组成为：120份乙酸壳聚糖溶液、80丙烯酰胺溶液、200份丙烯酸溶液、10份N，N′-亚甲基双丙稀酰胺溶液和4份硝酸铈铵。

制备方法：按重量份数计，120份乙酸壳聚糖溶液、80丙烯酰胺溶液、200份丙烯酸溶液和10份N，N′-亚甲基双丙稀酰胺溶液在四口瓶中直接混合，搅拌均匀，以2升/分钟向混合液中吹入氮气，排除混合液中空气。而后以10℃/5分钟缓慢提升混合溶液温度到40℃，使其持续30分钟，然后加入4份硝酸铈铵，搅拌均匀，再次以10℃/5分钟缓慢提升混合溶液温度到70℃，溶液出现粘稠爬杆现象，将其转移到托盘中，干燥粉碎过40目筛，所得无色透明保水剂胶体。

所述乙酸壳聚糖溶液：取2克壳聚糖加入78克5％乙酸溶液，电动搅拌均匀；即可。所述乙酸溶液：取50克36％乙酸溶液，倾入400克水中，搅拌至溶液均匀，得到5％乙酸溶液。所述丙烯酰胺溶液：取10克丙烯酰胺，溶入70克水中，搅拌均匀；即可。所述丙烯酸钠溶液：取200克聚合丙烯酸溶液，在25℃下减压蒸馏去除阻聚剂；取50克处理后的聚合丙烯酸溶液，用制备好的氢氧化钠溶液在冰水浴中中和至pH值为6.5，得到丙烯酸溶液。所述氢氧化钠溶液：取40份氢氧化钠，缓慢搅拌下加入160份水，得到10％氢氧化钠溶液。所述N，N′-亚甲基双丙稀酰胺溶液：取0.6克N，N′-亚甲基双丙稀酰胺，加入9.4克水充分搅拌到溶液均匀；即可。所述硝酸铈铵溶液：取0.012克硝酸铈铵，加入5克稀硝酸充分溶解，即可。

实施例2所得保水剂在去离子水中的最大吸水率为672克/克，在0.9％氯化钠盐水中的吸液率为54克/克；保水剂吸水后呈现透明胶状，在4000转/分钟的离心机中离心一个小时仍能保持50％的水分。

实施例3

与实施例1不同之处在于：按重量份数计，其成分组成为：150份乙酸壳聚糖溶液、50丙烯酰胺溶液、300份丙烯酸溶液、15份N，N′-亚甲基双丙稀酰胺溶液和5份硝酸铈铵。

制备方法：按重量份数计，150份乙酸壳聚糖溶液、50丙烯酰胺溶液、300份丙烯酸溶液和15份N，N′-亚甲基双丙稀酰胺溶液在四口瓶中直接混合，搅拌均匀，以7升/分钟向混合液中吹入氮气，排除混合液中空气。而后以6℃/8分钟缓慢提升混合溶液温度到40℃，使其持续60分钟，然后加入5份硝酸铈铵，搅拌均匀，再次以6℃/8分钟缓慢提升混合溶液温度到70℃，溶液出现粘稠爬杆现象，将其转移到托盘中，干燥粉碎过40目筛，所得无色透明保水剂胶体。

所述丙烯酸溶液为采用氢氧化钠溶液中和到pH值为4.5。所述氢氧化钠浓度为40％；所述乙酸浓度为1％。

实施例3所得保水剂在去离子水中的最大吸水率为587克/克，在0.9％氯化钠盐水中的吸液率为34克/克；将0.1克保水剂胶体浸20毫升浓度为20微克/克的氯化锌、氯化铜重金属离子溶液中静置24小时，经测定保水剂对锌离子吸附量分别为2.83毫克/克和3.56毫克/克。

实施例4

与实施例1不同之处在于：按重量份数计，其成分组成为：110份乙酸壳聚糖溶液、70丙烯酰胺溶液、500份丙烯酸溶液、30份N，N′-亚甲基双丙稀酰胺溶液和10份硝酸铈铵。

所述丙烯酸溶液为采用氢氧化钠溶液中和到pH值为7.5。所述氢氧化钠浓度为10％；所述乙酸浓度为5％。

实施例5

与实施例1不同之处在于：按重量份数计，其成分组成为：130份乙酸壳聚糖溶液、90丙烯酰胺溶液、400份丙烯酸溶液、5份N，N′-亚甲基双丙稀酰胺溶液和2份硝酸铈铵。

所述丙烯酸溶液为采用氢氧化钠溶液中和到pH值为5.5。所述氢氧化钠浓度为30％；所述乙酸浓度为3％。

实施例6

与实施例1不同之处在于：按重量份数计，其成分组成为：140份乙酸壳聚糖溶液、60丙烯酰胺溶液、360份丙烯酸溶液、25份N，N′-亚甲基双丙稀酰胺溶液和8份硝酸铈铵。

实施例5

与实施例1不同之处在于：按重量份数计，其成分组成为：100份乙酸壳聚糖溶液、60丙烯酰胺溶液、280份丙烯酸溶液、1份N，N′-亚甲基双丙稀酰胺溶液和1份硝酸铈铵。

Claims

1.一种保水剂胶体，其特征在于：按重量份数计，由100～150份乙酸壳聚糖溶液、50～100份丙烯酰胺溶液、200～500份丙烯酸溶液、1～30份N，N′-亚甲基双丙稀酰胺溶液和1～10份硝酸铈铵溶液组成。

2.按权利要求1所述的保水剂胶体，其特征在于：所述乙酸壳聚糖溶液为乙酸溶液溶解壳聚糖所得。

3.按权利要求1所述的保水剂胶体，其特征在于：所述丙烯酸溶液为采用氢氧化钠溶液中和到pH值为4.5～7.5的丙烯酸溶液。

4.一种按权利要求1所述的保水剂胶体的制备方法，其特征在于：将按重量份数计，100～150份乙酸壳聚糖溶液、50～100份丙烯酰胺溶液、200～500份丙烯酸溶液和1～30份N，N′-亚甲基双丙稀酰胺溶液直接混合，搅拌均匀，向混合液中吹入惰性气体使其空气排除，而后缓慢提升混合溶液温度到20℃～40℃，使其持续0.5～1小时，然后加入1～10份硝酸铈铵溶液，再次缓慢提升混合溶液温度到50℃～90℃，搅拌均匀，待溶液出现粘稠爬杆现象，即得到保水剂胶体。

5.按权利要求4所述的保水剂胶体的制备方法，其特征在于：所述向混合液中吹入惰性气体为以2～7升/分钟流量吹入高纯氮。

6.按权利要求4所述的保水剂胶体的制备方法，其特征在于：所述缓慢提升混合溶液温度时以5-10℃/5-10min速度提升。

7.按权利要求4所述的保水剂胶体的制备方法，其特征在于：所述乙酸壳聚糖溶液：取1～5克壳聚糖放入100～200份重量百分浓度为1～5％的乙酸溶液中搅拌，搅拌至溶液均匀，得到乙酸壳聚糖溶液。

8.按权利要求7所述的保水剂胶体的制备方法，其特征在于：所述乙酸溶液为重量百分浓度为1～5％的乙酸溶液。

9.按权利要求4所述的保水剂胶体的制备方法，其特征在于：所述丙烯酸溶液：取200～300克聚合丙烯酸溶液，在20～40℃下减压蒸馏去除阻聚剂，而后取去除阻聚剂的30～80份聚合丙烯酸溶液，用浓氢氧化钠溶液在冰水浴中中和至pH值为4.5～7.5，得到丙烯酸溶液。

10.按权利要求9所述的保水剂胶体的制备方法，其特征在于：所述氢氧化钠溶液为重量百分浓度为10～30％的氢氧化钠溶液。