CN105837755A - 基于蛭石和海藻酸钠的农用保水剂的制备方法 - Google Patents

基于蛭石和海藻酸钠的农用保水剂的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于蛭石和海藻酸钠的农用保水剂的制备方法，通过蛭石、海藻酸钠、合成单体之间用量的匹配，调整引发剂过硫酸钾的分解速率，由此实现保水剂在室温下的合成。本发明通过反应体系中各组分间的配合，在无氮气保护下仅用单组份引发剂实现了保水剂的室温合成(20‑35℃)，能耗低，省去了通氮设备以及因还原组分的加入而增加的辅助设备，从原料、能耗、设备等多个层面降低了生产成本，具有明显的成本优势，工艺简单，容易工业化生产。在天然组分蛭石和海藻酸钠含量高达40％左右时依旧保持很好的吸水性能。在农林园艺方面具有很广的应用前景。

Description

基于蛭石和海藻酸钠的农用保水剂的制备方法
技术领域
本发明属于高吸水性树脂领域，涉及一种保水剂的制备方法，特别涉及一种基于蛭石和海藻酸钠的农用保水剂的制备方法。
背景技术
保水剂又称高吸水性树脂，是一轻度交联的亲水性聚合物，能在较短时间内吸收超越自身重量几百倍以上的水，并且能缓慢的释放出来，加到土壤中可以提高土壤含水量，降低土壤容重，减少水土流失，在抗旱节水、保持水土和土壤改良中将发挥重要的作用。保水剂从原料来源上主要分为合成类和半合成类。合成类主要是聚丙烯酸类，聚丙烯酰胺类；半合成类产品是淀粉、纤维素等多糖和丙烯酸、丙烯酰胺的接枝共聚物。但目前这两类产品由于价格较高，其主要的消费领域在卫生用品方面，在农林园艺方面的应用还未能得到大面积的推广。简化工艺，降低成本是目前保水剂在农林园艺中推广应用的关键。海藻酸钠是地球上来源最丰富的可再生天然资源之一，价廉无毒，环境友好，可作为原料通过接枝聚合的方法制备半合成类保水剂，但需在加热和氮气保护的条件下进行反应，制备工艺复杂。
蛭石是一种含水的铁镁质铝硅酸盐，透气性能好，比表面积高，具有特殊的表面选择吸咐性、膨胀性和离子交换性，在农业上可用作种子保存剂、土壤调节剂、湿润剂、植物生长剂等，具有蓄水保墒、吸肥保肥、慢性释放的功能，可改良土壤结构，提高种子的发芽率，增加作物产量，已广泛应用于农业中。近几年来，为了降低成本,提高吸水性能,将蒙脱土、高岭土、凸凹棒土等亲水性粘土和聚丙烯酸、聚丙烯酰胺复合制备有机/无机吸水性复合物的研究报道很多。在已知的粘土类高吸水性复合材料中，基于蒙脱土、高岭土、凹凸棒土的高吸水材料研究较多，而添加蛭石的研究则较少,且均是在氮气保护下，60-90℃的温度范围内聚合。如：壳聚糖接枝丙烯酸/蛭石高吸水性复合材料(Yian Zhen et al,Chemical EngineeringJournal,2012,179,90–98)，羟乙基纤维素接枝丙烯酸/蛭石复合材料(Jinlei Wang et al.Journal ofPolymer Research,2011,18,401-408),瓜尔胶接枝丙烯酸/有机蛭石复合材料(Wenbo Wang etal,Applied Clay Science,2009,46,21–26),膨胀蛭石/聚丙烯酸钾－丙烯酰胺高吸水性复合材料的制备方法(中国专利200610037802)。
降低保水剂的合成温度至室温，可以降低生产过程中的能量损耗，同时减少对环境的热污染。使用双组份的氧化还原引发剂是降低保水剂合成温度的常用方法。其缺点是：引发效率低，至少有一半的引发剂未发挥引发剂的作用；还原组分的加入增加了工艺的复杂性；通常都在氮气保护下实施。
使用单组份引发剂降低保水剂的合成温度，可以提高引发剂的引发效率，省去加入还原剂时所需要的辅助设备，简化聚合工艺。在室温下以单组份引发剂合成高吸水性树脂报道很少，中国专利99126336.7报道了使用单组份引发剂过硫酸铵在室温下合成膨润土-淀粉-聚丙烯酸吸水性树脂的方法，但聚合时间长(20小时以上)，对反应设备要求苛刻。发明人先前申请了专利(ZL 2012 10018779.0)“含有蒙脱土和多糖的高吸水性树脂的室温合成方法”，在室温下用单组份引发剂实现了高吸水性树脂的快速合成。但该保水剂的单体之一为2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸，价格较贵；主要复合组分为蒙脱土，在改善土壤和促进植物生长方面不如蛭石。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于蛭石和海藻酸钠的农用保水剂的制备方法，克服现有技术中保水剂制备工艺复杂、成本高、对土壤污染的问题。
本发明采用的技术方案是：通过蛭石、海藻酸钠、合成单体之间用量的匹配，调整引发剂过硫酸钾的分解速率，由此实现保水剂在室温下的合成，具体包括如下步骤：
(1)将30～70份丙烯酰胺溶于去离子水中配成质量浓度为50％的丙烯酰胺溶液；
(2)取70～30份丙烯酸溶于去离子水中配成质量浓度为50％的溶液后，搅拌条件下与质量浓度为20％的氢氧化钾发生中和反应，中和度为丙烯酸摩尔数的55～75％；
(3)将5～20份海藻酸钠溶于去离子水中,配成质量浓度为3％的溶液；
(4)取10～40份过200目筛子的蛭石，加入50～100份去离子水，在室温下搅拌1小时配制成蛭石分散液；
(5)将0.2～0.6份过硫酸钾溶于去离子水中配成质量浓度为1％的溶液；
(6)将0.05～0.2份N,N-亚甲基双丙烯酰胺溶于去离子水中配成质量浓度为1％的溶液；
(7)将步骤(1)～(6)所得各组分在搅拌下依次加入到聚合反应器中，于20～35℃的室温环境中聚合2～3小时；聚合完毕后，造粒，用80％的乙醇洗涤，在70℃烘箱中干燥至恒重，粉碎得本发明的保水剂。
所述步骤(4)的蛭石为原蛭石粉、膨胀蛭石、酸化蛭石或有机化蛭石。
所述步骤(2)中氢氧化钾用氢氧化钠或碳酸氢钠代替。
本发明的有益效果是：本发明使用的主要原料蛭石在我国储量丰富，价格相对其它粘土矿物更低廉，蛭石在土壤改良和促进植物生长方面具有其它粘土所不具有的优势。将本发明所制取的吸水性树脂加入到土壤中，使用环刀法测量保水剂的加入对土壤持水性、孔性的影响。和空白土壤对照相比，施加占土壤总质量0.35％的保水剂可使土壤的总孔隙度提高10-12％，土壤通气度提高1倍。良好的透气性、表面选择吸咐性、膨胀性和离子交换性使蛭石在提高保水剂吸水性能的同时，显著改善土壤的持水性、通气性和团聚体组成，促进植物种子发芽。
本发明使用的原料海藻酸钠是从褐藻中提取的天然多糖，褐藻作为一种丰富的海洋资源，产量大，再生能力强。海藻酸钠生物降解性好，对土壤无污染，是一种天然的土壤调理剂，可改良土壤团粒结构，协调土壤中固、液、气三者比例，增加土壤生物活力，提高作物的抗逆性。
本发明通过反应体系中各组分间的配合，在无氮气保护下仅用单组份引发剂实现了保水剂的室温合成(20-35℃)，能耗低，省去了通氮设备以及因还原组分的加入而增加的辅助设备，从原料、能耗、设备等多个层面降低了生产成本，具有明显的成本优势，工艺简单，容易工业化生产。
在天然组分蛭石和海藻酸钠含量高达40％左右时依旧保持很好的吸水性能。在农林园艺方面具有很广的应用前景。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明制备方法作进一步描述。
实施例1
取30份过200目筛的膨胀蛭石，加入80份去离子水中，在室温下搅拌1小时配制成蛭石分散液；将10份海藻酸钠溶于去离子水中配成质量浓度为3％的溶液；将50份丙烯酰胺溶于50份去离子水中；取50份丙烯酸溶于去离子水中配成质量浓度为50％的溶液后，搅拌条件下与质量浓度为20％的氢氧化钾发生中和反应，中和度为丙烯酸摩尔数的75％；将0.25份过硫酸钾溶于25份去离子水中配成溶液；将0.1份N,N-亚甲基双丙烯酰胺溶于10份去离子水中配成溶液。将以上各组分在搅拌下依次加入到聚合反应器中，于室温环境中聚合2小时。聚合完毕后，造粒，用80％的乙醇洗涤，在70℃烘箱中干燥至恒重，粉碎得本发明的吸水性树脂。
称取所述的吸水性树脂0.10克，加250ml水使其吸水饱和，用尼龙袋过滤，称量过滤后吸水树脂的质量。吸水倍率的计算公式为：
吸水倍率＝[吸水后树脂的质量-吸水前树脂的质量]/吸水前树脂的质量
经测试本发明所制取的吸水性树脂在去离子水中的吸水倍数达837倍，在自来水中的吸水倍数可达182倍,在0.9％氯化钠溶液中的吸水倍数达66倍。
实施例2
取40份过200目筛子的原蛭石粉，加入100份去离子水，在室温下搅拌1小时配置成蛭石分散液；将5份海藻酸钠溶于去离子水中配成质量浓度为3％的溶液；将70份丙烯酰胺溶于70份去离子水中；取30份丙烯酸溶于去离子水中配成质量浓度为50％的溶液后，搅拌条件下与质量浓度为20％的氢氧化钠发生中和反应，中和度为丙烯酸摩尔数的60％；将0.6份过硫酸钾溶于60份去离子水中配成溶液；将0.1份N,N-亚甲基双丙烯酰胺溶于10份去离子水中配成溶液。将以上各组分在搅拌下依次加到聚合反应器中，于室温下聚合3小时。聚合完毕后，造粒，用80％的乙醇洗涤，在70℃烘箱中干燥至恒重，粉碎得本发明的吸水性树脂。经测试其吸去离子水倍率为331倍,自来水倍率为137倍，0.9％氯化钠溶液40倍。
实施例3
取20份过200目筛子的原蛭石粉，加入60份去离子水，在室温下搅拌1小时配置成蛭石分散液；将15份海藻酸钠溶于去离子水中配成质量浓度为3％的溶液；将40份丙烯酰胺溶于去离子水中配成质量浓度为50％的溶液,取60份丙烯酸溶于去离子水中配成质量浓度为50％的溶液后，搅拌条件下与质量浓度为20％的氢氧化钾发生中和反应，中和度为丙烯酸摩尔数的65％；将0.3份过硫酸钾溶于30份去离子水中配成溶液；将0.05份N,N-亚甲基双丙烯酰胺溶于5份去离子水中配成溶液。将以上各组分在搅拌下依次加到聚合反应器中，于室温下聚合3小时。聚合完毕后，造粒，用80％的乙醇洗涤，在70℃烘箱中干燥至恒重，粉碎得本发明的吸水性树脂。经测试其吸去离子水倍率为403倍,自来水倍率为169倍，0.9％氯化钠溶液43倍。
实施例4
取30份过200目筛子的膨胀蛭石，加入80份去离子水，在室温下搅拌1小时配置成蛭石分散液；将5份海藻酸钠溶于去离子水中配成质量浓度为3％的溶液；将50份丙烯酰胺溶于50份去离子水中；取50份丙烯酸溶于去离子水中配成质量浓度为50％的溶液后，搅拌条件下与质量浓度为20％的碳酸氢钠发生中和反应，中和度为丙烯酸摩尔数的70％；将0.5份过硫酸钾溶于50份去离子水中配成溶液；将0.1份N,N-亚甲基双丙烯酰胺溶于10份去离子水中配成溶液。将以上各组分在搅拌下依次加到聚合反应器中，于室温下聚合3小时。聚合完毕后，造粒，用80％的乙醇洗涤，在70℃烘箱中干燥至恒重，粉碎得本发明的吸水性树脂。经测试其吸去离子水倍率为411倍,自来水倍率为163倍，0.9％氯化钠溶液45倍。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于蛭石和海藻酸钠的农用保水剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将30～70份丙烯酰胺溶于去离子水中配成质量浓度为50％的丙烯酰胺溶液；
(2)取70～30份丙烯酸溶于去离子水中配成质量浓度为50％的溶液后，搅拌条件下与质量浓度为20％的氢氧化钾发生中和反应，中和度为丙烯酸摩尔数的55～75％；
(3)将5～20份海藻酸钠溶于去离子水中,配成质量浓度为3％的溶液；
(4)取10～40份过200目筛子的蛭石，加入50～100份去离子水，在室温下搅拌1小时配制成蛭石分散液；
(5)将0.2～0.6份过硫酸钾溶于去离子水中配成质量浓度为1％的溶液；
(6)将0.05～0.2份N,N-亚甲基双丙烯酰胺溶于去离子水中配成质量浓度为1％的溶液；
(7)将步骤(1)～(6)所得各组分在搅拌下依次加入到聚合反应器中，于20～35℃的室温环境中聚合2～3小时；聚合完毕后，造粒，用80％的乙醇洗涤，在70℃烘箱中干燥至恒重，粉碎得本发明的保水剂。
2.根据权利要求1所述基于蛭石和海藻酸钠的农用保水剂的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)的蛭石为原蛭石粉、膨胀蛭石、酸化蛭石或有机化蛭石。
3.根据权利要求1所述基于蛭石和海藻酸钠的农用保水剂的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中氢氧化钾用氢氧化钠或碳酸氢钠代替。
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