CN109305850A - 一种多层复合保水材料及其制备方法与应用 - Google Patents

一种多层复合保水材料及其制备方法与应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多层复合保水材料及其制备方法与应用，所述多层复合保水材料以肥料作为核心，由内到外依次包覆海藻酸钙和聚丙烯酸钠复配非金属矿物材料。制备原材料包括：丙烯酸25～35份、丙烯酰胺7～15份、碱8～20份、海藻胶5～10份、氯化钙2～5份、非金属矿物材料5～20份、交联剂0.1～0.3份、引发剂0.2～0.6份及肥料，所述肥料大于零且小于或等于25份。所述制备方法，包括以下步骤：S1、制备海藻酸钙复合肥凝胶；S2、制备得到丙烯酸与丙烯酰胺混合溶液；S3、向混合溶液中加入凝胶并制备聚合液；S4、反应完成后，烘干。本发明方案保水、耐盐性能好且能实现保水保肥的双重效果。

Description

一种多层复合保水材料及其制备方法与应用
技术领域
本发明涉及农业技术领域，具体涉及一种多层复合保水材料及其制备方法与应用。
背景技术
干旱缺水是制约我国农业持续发展的重要因素，目前我国45％的地区年均降水量不足400mm，灌溉农田缺水300多亿立方米。尤其是近几年来，随着全球气候变暖，干旱加剧，干旱面积不断扩大。此外，据调查，我国西北半干旱地区降雨在农田的分配中，土壤表面蒸发浪费水分最大，多则占作物总耗水量的一半，占年降水量的55％-65％。再者，水土流失和土地沙漠化，多年来也一直是令我国政府较为棘手的问题。目前，全国水土流失面积达300万平方公里左右，约占国土面积的30％；我国北方地区的沙漠和沙漠化土地总面积达149万平方公里，其中，耕地沙漠化面积达20万平方公里，且沙漠化土地面积每年仍以速度扩展。这不仅会加剧我国地少人多引起的问题，还会对我国部分地区生态环境造成一定影响。因此，抗旱节水和保持水土、治理沙漠己成为我国农业面向未来持续发展的选择。
高吸水保水材料在农业中常称为保水剂，是一种具有极高吸水保水能力的高分子聚合物，能迅速吸收比自身重数百倍的水份，吸水后的水凝胶可缓慢释放水分供作物利用。同时，高吸水保水材料能增强土壤保水性，改良土壤结构，减少土壤水分养分流失，抑制土壤水分蒸发，提高水肥利用率，在农业生产等诸多方面均具有较广泛的应用发展前景。
目前，我国生产单一的高吸水保水材料技术虽然较为成熟，但原料选择范围小，多为丙烯酸或淀粉，造成生产成本较大，产品价格偏高且推广应用缓慢。此外，聚丙烯酸盐类高吸水保水材料受土壤等介质中的钙、镁等金属离子影响明显，降低了高吸水保水材料的吸水、保水倍数及应用效果。此外，保水材料一直埋藏在土壤中若能同时具备肥效，将能更好的发挥保水材料的作用。
基于此，对现有技术中的保水材料进行进一步改进使其吸水、保水倍数得到提高同时具备肥效将具有重要意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种多层复合且吸水、保水倍数高且具有肥效的保水材料及其制备方法与应用。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种多层复合保水材料，所述多层复合保水材料以肥料作为核心，由内到外依次包覆海藻酸钙和聚丙烯酸钠复配非金属矿物材料。
进一步地，所述多层复合保水材料由以下重量份的原料制备而成：丙烯酸25～35份、丙烯酰胺7～15份、碱8～20份、海藻胶5～10份、氯化钙2～5份、非金属矿物材料5～20份、交联剂0.1～0.3份、引发剂0.2～0.6份及肥料，所述肥料的质量份数大于零且小于或等于25份。
进一步地，所述非金属矿物材料包括膨润土、沸石、粉煤灰、伊利石、蛭石、硅藻土、黏土、凹凸棒土、多孔硅酸盐和/或硅酸铝。
进一步地，所述交联剂为N,N-亚甲基双丙烯酰胺；所述引发剂为过硫酸钾。
进一步地，所述肥料包括尿素和/或腐殖酸。
本发明还包括一种多层复合保水材料的制备方法，包括以下步骤：
S1、向海藻胶加入水加热使海藻胶溶解，制得海藻胶溶液，在海藻胶溶液中加入肥料，搅拌至肥料溶解得到海藻胶与肥料混合溶液；
向上述操作制得的海藻胶与肥料混合溶液中加入氯化钙溶液，搅拌制备海藻酸钙复合肥凝胶；
S2、向丙烯酸溶液中加入碱液使所述丙烯酸溶液被中和后，加入丙烯酰胺，搅拌使丙烯酰胺溶解得到丙烯酸与丙烯酰胺混合溶液；
S3、向所述丙烯酸与丙烯酰胺混合溶液中加入海藻酸钙复合肥凝胶，搅拌至海藻酸钙复合肥凝胶分散溶解后，依次加入交联剂和引发剂，搅拌溶解后，加入非金属矿物材料，充分混合搅拌得到聚合液；
S4、待所述聚合液聚合反应完成后，烘干得到所述多层复合保水材料；
其中，所述步骤S1和S2的顺序可以互换。
进一步地，所述步骤S1中所述加热操作为加热至70℃。
进一步地，所述步骤S2中所述中和操作处理后，溶液的中和度为65％～80％；优选地，所述中和度为70％。
进一步地，所述步骤S4的聚合反应为恒温反应4～6h；优选地，恒温反应5h。
进一步地，所述步骤S4的聚合反应温度在80℃以下；优选地，温度为72～78℃；优选地，所述温度为75℃。
本发明还包括上述多层复合保水材料在高原种植地保水处理中的应用。
本发明的有益效果在于：本发明方案将农用保水和包膜肥料相结合起来，能够促进包膜肥料养分根据作物生长所需养分而进行肥料的缓释控释，提高肥料的利用率，同时附加化学节水、提高作物成活率、土壤调理等多项功能，结构上外层为聚丙烯酸钠基保水层，该层较疏松；内层为海藻酸钙包膜层，较致密；内核为肥料，肥料由内向外缓控释。本发明方案采用的海藻酸钙和聚丙烯酸钠复配非金属矿物材料，均为环境友好型材料，对土壤不会产生污染。本发明方案的多层复合保水材料添加有非金属矿物材料，不仅使得多层复合保水材料的机械强度更高，而且多层复合保水材料的吸水倍率也有所增强，吸盐水倍率和保水性能都显著增强；此外，由于本发明方案的非金属矿物资源丰富能够降低多层复合保水材料的成本，使得多层复合保水材料的应用范围更为广泛；本发明方案的多层复合保水材料不仅能应用于普通抗旱保水保肥和农林土壤的保水，还能应用于高原种植地；本发明方案的多层复合保水材料中添加有肥料，使得多层复合保水材料具有保水保肥双重功效；肥料在丙烯酸和丙烯酰胺聚合前添加，外层依次包覆海藻酸钙和聚丙烯酸钠复配非金属矿物材料，进入土壤后再缓慢渗入土壤中，更利于保持土壤肥力的长久有效，减少了种植过程中的施肥量，且相比于额外施加同量肥料，种植得到的作物长势更佳。
附图说明
图1为本发明实施例1-2的多层复合保水材料的制备方法的操作流程图。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。
一种多层复合保水材料，所述多层复合保水材料以肥料作为核心，由内到外依次包覆海藻酸钙和聚丙烯酸钠复配非金属矿物材料。
从上述描述可知，本发明的有益效果在于：本发明方案将农用保水和包膜肥料相结合起来，能够促进包膜肥料养分根据作物生长所需养分而进行肥料的缓释控释，提高肥料的利用率，同时附加化学节水、提高作物成活率、土壤调理等多项功能，结构上外层为聚丙烯酸钠基保水层，该层较疏松；内层为海藻酸钙包膜层，较致密；内核为肥料，肥料由内向外缓控释。本发明方案采用的海藻酸钙和聚丙烯酸钠复配非金属矿物材料，均为环境友好型材料，对土壤不会产生污染。
进一步地，所述多层复合保水材料由以下重量份的原料制备而成：丙烯酸25～35份、丙烯酰胺7～15份、碱8～20份、海藻胶5～10份、氯化钙2～5份、非金属矿物材料5～20份、交联剂0.1～0.3份、引发剂0.2～0.6份及肥料，所述肥料的质量份数大于零且小于或等于25份。
从上述描述可知，本发明的有益效果在于：本发明方案多层复合保水材料添加有非金属矿物材料，不仅使得多层复合保水材料的机械强度更高，而且多层复合保水材料的吸水倍率也有所增强，吸盐水倍率和保水性能都显著增强；此外，由于本发明方案的非金属矿物资源丰富能够降低多层复合保水材料的成本，使得多层复合保水材料的应用范围更为广泛；本发明方案多层复合保水材料不仅能应用于普通抗旱保水保肥和农林土壤的保水，还能应用于高原种植地；本发明方案的多层复合保水材料中添加有肥料，使得多层复合保水材料具有保水保肥双重功效；由于本发明方案的非金属矿物资源丰富能够降低多层复合保水材料的成本，使得多层复合保水材料的应用范围更为广泛。
进一步地，所述非金属矿物材料包括膨润土、沸石、粉煤灰、伊利石、蛭石、硅藻土、黏土、凹凸棒土、多孔硅酸盐和/或硅酸铝。
从上述描述可知，本发明的有益效果在于：添加沸石、粉煤灰等多孔材料或硅酸盐类材料，使得多层复合保水材料的机械强度提升的同时，吸水倍率进一步增强，同时吸盐水倍率和保水性能得到显著增强。
优选地，所述交联剂为N,N-亚甲基双丙烯酰胺。
优选地，所述引发剂为过硫酸钾。
进一步地，所述肥料包括尿素和/或腐殖酸。
从上述描述可知，本发明的有益效果在于：尿素和腐殖酸中含有丰富的氮元素等植物生长所必须的必要元素，可在保水的同时，还可使土壤肥力更好。
本发明还包括一种多层复合保水材料的制备方法，包括以下步骤：
S1、向海藻胶加入水加热使海藻胶溶解，制得海藻胶溶液，在海藻胶溶液中加入肥料，搅拌至肥料溶解得到海藻胶与肥料混合溶液；
向上述操作制得的海藻胶与肥料混合溶液中加入氯化钙溶液，搅拌制备海藻酸钙复合肥凝胶；
S2、向丙烯酸溶液中加入碱液使所述丙烯酸溶液被中和后，加入丙烯酰胺，搅拌使丙烯酰胺溶解得到丙烯酸与丙烯酰胺混合溶液；
S3、向所述丙烯酸与丙烯酰胺混合溶液中加入海藻酸钙复合肥凝胶，搅拌至海藻酸钙复合肥凝胶分散溶解后，依次加入交联剂和引发剂，搅拌溶解后，加入非金属矿物材料，充分混合搅拌得到聚合液；
S4、待所述聚合液聚合反应完成后，烘干得到所述多层复合保水材料；
其中，所述步骤S1和S2的顺序可以互换。
从上述描述可知，本发明的有益效果在于：肥料在丙烯酸和丙烯酰胺聚合前添加，外层依次包覆海藻酸钙和聚丙烯酸钠复配非金属矿物材料，进入土壤后再缓慢渗入土壤中，更利于保持土壤肥力的长久有效，减少了种植过程中的施肥量，且相比于额外施加同量肥料，种植得到的作物长势更佳。进一步地，所述步骤S1中所述加热操作为加热至70℃。
进一步地，所述步骤S2中所述中和操作处理后，溶液的中和度为65％～80％；优选地，所述中和度为70％。
进一步地，所述步骤S4的聚合反应为恒温反应4～6h，优选地，恒温反应5h。
进一步地，所述步骤S4的聚合反应温度在80℃以下；优选地，温度为72～78℃；优选地，所述温度为75℃。
本发明还包括上述多层复合保水材料在高原种植地保水处理中的应用。
本发明的实施例一为：一种多层复合保水材料及其制备方法与应用，所述多层复合保水材料以肥料作为核心，由内到外依次包覆海藻酸钙和聚丙烯酸钠复配非金属矿物材料。所述多层复合保水材料的制备原料包括以下重量份组分：丙烯酸25份、丙烯酰胺7份、碱8份、海藻胶5份、氯化钙2份、沸石5份、交联剂0.1份、引发剂0.2份及肥料1份。
如图1所示，上述多层复合保水材料的制备方法，包括以下步骤：
S1、向海藻胶加入水加热至70℃使海藻胶溶解，制得海藻胶溶液，在海藻胶溶液中加入肥料，搅拌至肥料溶解得到海藻胶与肥料混合溶液；
向上述操作制得的海藻胶与肥料混合溶液中加入氯化钙溶液，搅拌制备海藻酸钙复合肥凝胶；
S2、向丙烯酸溶液中加入氢氧化钠溶液使所述丙烯酸溶液被中和后(中和度为70％)，加入丙烯酰胺，搅拌使丙烯酰胺溶解得到丙烯酸与丙烯酰胺混合溶液；
S3、向所述丙烯酸与丙烯酰胺混合溶液中加入海藻酸钙复合肥凝胶，搅拌至海藻酸钙复合肥凝胶分散溶解后，依次加入交联剂和引发剂，搅拌溶解后，加入沸石，充分混合搅拌得到聚合液；
S4、待所述聚合液聚合反应完成后，烘干得到所述多层复合保水材料，将所述聚合液放入烘箱内聚合反应5h，温度控制在75℃；反应完全后，在60℃下烘干，制得多层复合保水材料产品。
吸水倍率测试：
采用过滤法对上述方法制得的多层复合保水材料的吸水性能进行测试，准确称取充分干燥后的样品，放入烧杯中，加入过量的蒸馏水，静置待多层复合保水材料吸水饱和后，用筛子将游离的水滤去，然后称出多层复合保水材料的质量，按下述公式计算吸水倍率：
Q1＝(m1-m2)/m2
式中，m1为多层复合保水材料吸水饱和后的质量，g；m2为保水剂干燥样品的质量，g；Q1为吸水倍率g/g。
耐盐倍率测试：用0.9％NaCl溶液代替上述吸水倍率测试中的蒸馏水进行测定，除加入的蒸馏水换成0.9％的NaCl溶液外其他操作完全同上，按下述公式计算耐盐倍率：
Q2＝(m3-m4)/m4
式中，m3为多层复合保水材料吸水饱和后的质量，g；m4为保水剂干燥样品的质量，g；Q2为耐盐倍率，g/g。
保水率测试：准确称取充分干燥的保水剂样品，充分吸水至饱和后记下质量，在60℃烘箱中烘60h，每干燥6h取出称量一次质量并记录。该材料的保水率按下式计算：
Q3＝m5/m6
式中，m5为多层复合保水材料吸水饱和后的质量，g；m6为每干燥6h时多层复合保水材料的质量，g；Q2为保水率，g/g。
结果测得，本发明实施例1制得的多层复合保水材料的吸水倍率为500；耐盐倍率为120，在60h时，保水率还保持在59％。
此外，将该多层复合保水材料应用于玉米地种植(标记为实验组一)，结果发现，相比于未添加多层复合保水材料的对照组一，对照组一添加的肥料量等于实验组一正常施加的量加上多层复合保水材料中含有的肥料；对照组一与实验组一种植面积及其他管理操作均相同，结果发现，实验组一玉米地的产量高出对照组一15％。
本发明的实施例二为：一种多层复合保水材料及其制备方法与应用，所述多层复合保水材料以肥料作为核心，由内到外依次包覆海藻酸钙和聚丙烯酸钠复配非金属矿物材料。所述多层复合保水材料的制备原料包括以下重量份组分：丙烯酸35份、丙烯酰胺15份、碱20份、海藻胶10份、氯化钙5份、凹凸棒土20份、交联剂0.2份、引发剂0.4份及肥料25份。
如图1所示，上述多层复合保水材料的制备方法，包括以下步骤：
S1、向海藻胶加入水加热至75℃使海藻胶溶解，制得海藻胶溶液，在海藻胶溶液中加入肥料，搅拌至肥料溶解得到海藻胶与肥料混合溶液；
向上述操作制得的海藻胶与肥料混合溶液中加入氯化钙溶液，搅拌制备海藻酸钙复合肥凝胶；
S2、向丙烯酸溶液中加入氨水使所述丙烯酸溶液被中和后(中和度为75％)，加入丙烯酰胺，搅拌使丙烯酰胺溶解得到丙烯酸与丙烯酰胺混合溶液；
S3、向所述丙烯酸与丙烯酰胺混合溶液中加入海藻酸钙复合肥凝胶，搅拌至海藻酸钙复合肥凝胶分散溶解后，依次加入交联剂和引发剂，搅拌溶解后，加入沸石，充分混合搅拌得到聚合液；
S4、待所述聚合液聚合反应完成后，烘干得到所述多层复合保水材料，将所述聚合液放入烘箱内聚合反应5h，温度控制在75℃；反应完全后，在60℃下烘干，制得多层复合保水材料产品。
同样地，取上述操作制得的多层复合保水材料产品按实施例一中的操作进行吸水倍率、耐盐率、保水率进行测试，结果发现，本发明实施例2制得的多层复合保水材料的吸水倍率为580；耐盐倍率为180，在60h时，保水率还保持有65％。
将该多层复合保水材料应用于玉米地种植(标记为实验组二)，结果发现，相比于未添加多层复合保水材料的对照组二，对照组二添加的肥料量等于实验组二正常施加的量，加上多层复合保水材料中含有的肥料；对照组二与实验组二种植面积及其他管理操作均相同，结果发现，实验组二玉米地的产量高出对照组二20％。
综上所述，本发明提供的一种多层复合保水材料及其制备方法与应用，本发明方案保水、耐盐性能好且能实现保水保肥的双重效果。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种多层复合保水材料，其特征在于：所述多层复合保水材料以肥料作为核心，由内到外依次包覆海藻酸钙和聚丙烯酸钠复配非金属矿物材料。
2.根据权利要求1所述的多层复合保水材料，其特征在于：所述多层复合保水材料由以下重量份的原料制备而成：丙烯酸25～35份、丙烯酰胺7～15份、碱8～20份、海藻胶5～10份、氯化钙2～5份、非金属矿物材料5～20份、交联剂0.1～0.3份、引发剂0.2～0.6份及肥料，所述肥料的质量份数大于零且小于或等于25份。
3.根据权利要求2所述的多层复合保水材料，其特征在于：所述非金属矿物材料包括膨润土、沸石、粉煤灰、伊利石、蛭石、硅藻土、黏土、凹凸棒土、多孔硅酸盐和/或硅酸铝。
4.根据权利要求2所述的多层复合保水材料，其特征在于：所述交联剂为N,N-亚甲基双丙烯酰胺；所述引发剂为过硫酸钾。
5.根据权利要求1所述的多层复合保水材料，其特征在于：所述肥料包括尿素和/或腐殖酸。
6.一种多层复合保水材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、向海藻胶加入水加热使海藻胶溶解，制得海藻胶溶液，在海藻胶溶液中加入肥料，搅拌至肥料溶解得到海藻胶与肥料混合溶液；
向上述操作制得的海藻胶与肥料混合溶液中加入氯化钙溶液，搅拌制备海藻酸钙复合肥凝胶；
S2、向丙烯酸溶液中加入碱液使所述丙烯酸溶液被中和后，加入丙烯酰胺，搅拌使丙烯酰胺溶解得到丙烯酸与丙烯酰胺混合溶液；
S3、向所述丙烯酸与丙烯酰胺混合溶液中加入海藻酸钙复合肥凝胶，搅拌至海藻酸钙复合肥凝胶分散溶解后，依次加入交联剂和引发剂，搅拌溶解后，加入非金属矿物材料，充分混合搅拌得到聚合液；
S4、待所述聚合液聚合反应完成后，烘干得到所述多层复合保水材料；
其中，所述步骤S1和S2的顺序可以互换。
7.根据权利要求6所述的多层复合保水材料的制备方法，其特征在于：所述步骤S2中所述中和操作处理后，溶液的中和度为65％～80％。
8.根据权利要求6所述的多层复合保水材料的制备方法，其特征在于：所述步骤S4的聚合反应为恒温反应4～6h。
9.根据权利要求6所述的多层复合保水材料的制备方法，其特征在于：所述步骤S4的聚合反应温度在80℃以下。
10.一种如权利要求1-5任一项所述的多层复合保水材料在高原种植地保水处理中的应用。
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