CN112552925A - 一种农林业用抗旱保水材料 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种农林业用抗旱保水材料，由以下重量份的原料制成：高吸水性丙烯酸树脂40‑60、木质素20‑35、贝壳粉20‑40、蔗髓20‑40、甲氨基阿维菌素苯甲酸盐5.7‑9.6、N，N‑亚甲基双丙烯酰胺3‑5、氨基官能团硅烷(kh‑550)2‑6、偶氮二异庚腈0.5‑1.0、海泡石粉2‑4。本发明得到的农林业用抗旱保水材料是一种配置简单，制备方便，可降解环保型保水材料，可广泛应用于农业、林业和我国荒漠化地区。

Description

一种农林业用抗旱保水材料

【技术领域】

本发明涉及保水材料技术领域，具体涉及一种农林业用抗旱保水材料。

【背景技术】

近年来，中国土地荒漠化(土地沙漠化)现象愈发严重，随着荒漠改造计划的实施，荒漠化也在无时无刻不侵蚀着我国的国土面积，截至今年为止，我国荒漠化的土地面积已经高达27.3％，占去了我国国土1/4的面积，其危害已经涉及到了我国18个省市以及自治区，对当地居民生活造成极大困难。土地荒漠化的表现：土壤结构粘滞、通气性差、容重高、土温上升慢、土壤中好气性微生物活动性差、养分释放慢、渗透系数低、毛细作用强、表层土壤盐渍化程度高及分布有耐盐碱、超旱生、旱生的灌木、半灌木和小乔木组成的植物区系等等。土地荒漠化会导致植被无法生存，沙化土壤锁水能力差，地下水流失，导致沙化更加严重，形成恶性循环。

目前，已有针对抗旱保水剂的研究，例如中国专利申请CN01141924抗旱保水剂的制备方法，在带有搅拌的容器中加入10-30％淀粉和15-25％水在80-100℃下糊化0.5-lh，糊化后冷却至30-80℃时加入40-70％乙烯基不饱和单体及适量的引发剂、分散剂和交联剂，在氮气保护下于30-80℃条件下反应0.5-3.5h，反应后用碱中和至pH6.0-8.0，经真空干燥、粉碎后制得抗旱保水剂。又例如中国专利申请CN201310000436高分子聚合物及活性矿物土共混农业抗旱保水土壤改良剂，是高分子聚合物及活性矿物土共混农业抗旱保水、土壤改良剂，由以下方法制备：改性抗盐高分子聚合物吸水树脂75-80％wt，偶联剂2-3％wt，活性矿物土20-25％wt，将改性抗盐高分子聚合物吸水树脂，偶联剂物质，加入活性矿物土搅拌均匀放出，采用专用粉碎机粉碎至一定细度，成为高分子聚合物及活性矿物土共混农业抗旱保水、土壤改良剂。又例如中国专利申请CN104447120B公开了一种土壤有机保水剂及其制备方法，包括改性魔芋粉、黄腐酸、氢氧化钾、硫酸亚铁等组分，其采用的原料环保，对环境污染小，但是该保水剂主要目的在于保持水分，减少水分流失，不能提高植物产量。

从抗旱保水的角度，要想保护绿洲不被沙化转变荒漠系统，需要改造绿洲以及重建绿洲周边系统才能有效遏制荒漠化向周边扩散的趋势，同时扩大绿化面积，改善整个生态环境，杜绝单边治理，不走“边治理边扩散”的老路，只有这样才能从根本改变荒漠化(沙漠化)大生态环境。

因此，寻找一种高性能保水材料迫在眉睫，既能高效利用沙化地区为数不多的降水资源，又能通过利用保水材料种植植被，提高植被成活率，力求减缓土地沙化进度，恢复土壤活性。

【发明内容】

本发明的目的是针对土地荒漠化(土地沙漠化)严重的现实，克服现在保水材料成本昂贵并且由于释放时间短释放量大造成植物根部腐烂的问题，提供一种农林业用抗旱保水材料，利用广西当地比比皆是的贝壳、甘蔗和外来入侵物种麻疯树，通过加入生物抗菌药剂，高分子材料丙烯酸树脂等，制备得到一种高效保水且长效释放的保水材料。本发明得到的农林业用抗旱保水材料是一种配置简单，制备方便，可降解环保型保水材料，可广泛应用于农业、林业和我国荒漠化地区。

本发明所述的一种农林业用抗旱保水材料，由以下重量份的原料制成：

进一步的，所述的一种农林业用抗旱保水材料，由以下重量份的原料制成：

更进一步的，所述的一种农林业用抗旱保水材料，由以下重量份的原料制成：

本发明所述的一种农林业用抗旱保水材料中，各成分的作用如下：

高吸水性丙烯酸树脂：主要成分为淀粉接枝丙烯盐酸聚合交联物，具有多羟基网状结构，具有高亲水性且不溶于水。

木质素：原料取自广西外来入侵植物麻疯树，是一种高度可再生资源，来源甚广，产量巨大，且麻疯树用途多样，其硬组织是有苯基丙烷单元随机聚合成的高分子，形成植物骨架的主要成分之一，刚性极佳且不易腐烂，具有三维网状结构的生物高分子，利于水分储存及缓慢释放(和蔗渣类木质素同理)。

贝壳粉：主要成分为碳酸钙，吸附性可与硅藻泥相媲美，但更加自然环保，与硅烷偶联剂相互作用，可改变表面性质，提高产品应用性能，尤其是聚合物的亲和性，使碳酸钙向多功能发展。

蔗髓：蔗髓是蔗渣中含有的非纤维薄壁细胞(髓细胞)，是经过榨糖之后剩下的甘蔗渣，约有50％的纤维可以用来造纸，蔗髓的纤维形态略逊于木材，且没有交织力，是自然界最为丰富的天然可再生芳香族聚合物，具有高度的生物安全性，与丙烯腈的接枝共聚物在碱性介质中水解，腈基转变为酰胺基或者羧基，使接枝共聚物具有较好的吸水性能。

甲氨基阿维菌素苯甲酸盐：是一种可降解广谱生物杀虫剂，与阿维菌素相比，杀虫等级提高了3个数量级，对益虫没有伤害且扩大了杀虫谱，兼具胃杀与触杀两大效果，降低对人畜的伤害。

N，N-亚甲基双丙烯酰胺：作为交联剂，通过化学键链接大分子链，形成网状结构的高分子，改变共聚物性能。

氨基官能团硅烷硅烷(KH-550)：作为偶联剂，与丙烯酸树脂反应，提高的耐久力，粘结力和耐水性。

偶氮二异庚腈：作为偶氮类引发剂，引发率高，活性较大，聚合过程无残渣，产品转化率高，且分解无害。

海泡石粉：增加树脂吸水与保水能力，抵抗变形，防止农用时土壤板结情况的发生。

上述一种农林业用抗旱保水材料的制备方法，包括如下步骤：

1)高吸水性丙烯酸树脂的制备：以过硫酸钾为引发剂，以N，N-亚甲基双丙烯酰胺为交联剂，将玉米淀粉与丙烯酰胺(Am)、丙烯酸(AA)在水溶液中聚合制备高吸水性树脂，原料按照以下质量比例：硫酸钾、玉米淀粉、偶氮二异庚腈、N，N-亚甲基双丙烯酰胺、丙烯酰胺、丙烯酸＝1:1:0.02：0.0015：1：24，反应温度为50℃，反应时间为2h，丙烯酸中和度为94％时，可获得吸水倍数为699倍的吸水性树脂，形成二元接枝聚合物；

2)木质素的制备：将甘蔗渣粉碎过40目筛，接着用超纯水清洗多次，以去除蔗糖和其他可溶性杂质，经干燥后研磨得到甘蔗渣细粉；

配置质量分数10％的对甲苯磺酸(p-TsOH)水溶液，加热到45-50℃，按照物料比1:40加入甘蔗渣细粉，搅拌5-10分钟，真空抽滤，滤液(含溶解木质素的p-TsOH水溶液)用蒸馏水稀释至质量分数为4％，此时木质素大量沉淀析出，采用蒸馏水多次沉淀洗涤至中性，冷冻干燥后得蔗渣木质素；

3)贝壳粉的制备：用清水清洗去除贝壳中的肉质和泥沙，再用蒸馏水进行冲洗，对贝壳进行粗粉碎到40-60目，将贝壳装到瓷坩埚中，放入马弗炉以900℃煅烧5h，待温度下降至常温时取出烧好的贝壳粉，放入玛瑙研磨器中研磨成100-120目的粉末状，密封保存；

4)将步骤1)得到的高吸水性丙烯酸树脂研磨至粒径40目，使其处于干燥状态；

5)按重量比将高吸水性丙烯酸树脂、木质素、贝壳粉、蔗髓、甲氨基阿维菌素苯甲酸盐混合进行搅拌，以200-350r/min搅拌2h；

6)将搅拌器搅拌速率从200-350r/min下调至140-180r/min，加入KH-550和偶氮二异庚腈继续搅拌5分钟，继续加入N，N-亚甲基双丙烯酰胺与海泡石粉，搅拌均匀，将混合物80℃烘干5h即得成品。

和现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、本发明所述的农林业用抗旱保水材料，利用广西地区外来入侵物种麻疯树，其主要作用是用来榨油，充分利用其树皮树干，提取木质素，提高该物种利用率。

2、本发明所述的农林业用抗旱保水材料，利用广西沿海地区富饶的贝类资源以及制作蔗糖之后的低价产物制造保水材料，提高了农业固体废弃物的利用价值，利用这些高度可再生资源，可以节约研发和制作成本，充分利用当地特产资源，减少可再生资源消耗。

3、本发明所述的农林业用抗旱保水材料的制备方法中，通过加入玉米淀粉可形成吸水性高达699倍的二元接枝聚合物，为后续其他物质的添加奠定良好的基础；将贝壳粉粉至40-60目方便后续与丙烯酸树脂等能在中度搅拌速率下均匀混合；添加了海泡石粉，摩擦力加大，故降低搅拌速率以降低偶氮类引发剂与其他物质之间的摩擦，保证安全。

4、本发明所述的农林业用抗旱保水材料，各项性能优异，材料易得，大部分原料都来源于生物界废弃物，且易降解，不会对当地自然环境造成影响，由于海泡石粉的加入，也不会造成耕地硬化板结，失去其耕地作用的情况发生。

【附图说明】

图1是本发明实施例5得到农林业用抗旱保水材料的吸水率坐标图。

图2是本发明实施例5得到农林业用抗旱保水材料的保水率坐标图。

【具体实施方式】

以下结合实施例对本发明的具体实施方式做进一步说明。

实施例1：

一种农林业用抗旱保水材料，由以下重量的原料制成：

实施例2：

一种农林业用抗旱保水材料，由以下重量的原料制成：

高吸水性丙烯酸树脂	60g、
		木质素	20g、
贝壳粉	40g、
		蔗髓	20g、
甲氨基阿维菌素苯甲酸盐	9.6g、
		N，N-亚甲基双丙烯酰胺	3.0g、
氨基官能团硅烷(kh-550)	6.0g、
		偶氮二异庚腈	0.5g、
海泡石粉	4.0g。

实施例3：

一种农林业用抗旱保水材料，由以下重量的原料制成：

实施例4：

一种农林业用抗旱保水材料，由以下重量的原料制成：

高吸水性丙烯酸树脂	53g、
		木质素	27g、
贝壳粉	35.2g、
		蔗髓	27.5g、
甲氨基阿维菌素苯甲酸盐	8.1g、
		N，N-亚甲基双丙烯酰胺	3.9g、
氨基官能团硅烷(kh-550)	5.7g、
		偶氮二异庚腈	0.7g、
海泡石粉	3.5g。

实施例5：

一种农林业用抗旱保水材料，由以下重量的原料制成：

高吸水性丙烯酸树脂	56.0g、
		木质素	28.4g、
贝壳粉	33.7g、
		蔗髓	34.2g、
甲氨基阿维菌素苯甲酸盐	8.5g、
		N，N-亚甲基双丙烯酰胺	4.6g、
氨基官能团硅烷(kh-550)	4.1g、
		偶氮二异庚腈	0.8g、
海泡石粉	3.6g。

实施例1-5所述的一种农林业用抗旱保水材料的制备方法，包括如下步骤：

1)高吸水性丙烯酸树脂的制备：以过硫酸钾为引发剂，以N，N-亚甲基双丙烯酰胺为交联剂，将玉米淀粉与丙烯酰胺(Am)、丙烯酸(AA)在水溶液中聚合制备高吸水性树脂，原料按照以下质量比例：硫酸钾、玉米淀粉、偶氮二异庚腈、N，N-亚甲基双丙烯酰胺、丙烯酰胺、丙烯酸＝1:1:0.02：0.0015：1：24，反应温度为50℃，反应时间为2h，丙烯酸中和度为94％时，可获得吸水倍数为699倍的吸水性树脂，形成二元接枝聚合物；

2)木质素的制备：将甘蔗渣粉碎过40目筛，接着用超纯水清洗多次，以去除蔗糖和其他可溶性杂质，经干燥后研磨得到甘蔗渣细粉；

配置质量分数10％的对甲苯磺酸(p-TsOH)水溶液，加热到45℃，按照物料比1:40加入甘蔗渣细粉，搅拌10分钟，真空抽滤，滤液(含溶解木质素的p-TsOH水溶液)用蒸馏水稀释至质量分数为4％，此时木质素大量沉淀析出，采用蒸馏水多次沉淀洗涤至中性，冷冻干燥后得蔗渣木质素；

3)贝壳粉的制备：用清水清洗去除贝壳中的肉质和泥沙，再用蒸馏水进行冲洗，对贝壳进行粗粉碎到40-60目，将贝壳装到瓷坩埚中，放入马弗炉以900℃煅烧5h，待温度下降至常温时取出烧好的贝壳粉，放入玛瑙研磨器中研磨成100-120目的粉末状，密封保存；

4)将步骤1)得到的高吸水性丙烯酸树脂研磨至粒径40目，使其处于干燥状态；

5)按重量比将高吸水性丙烯酸树脂、木质素、贝壳粉、蔗髓、甲氨基阿维菌素苯甲酸盐混合进行搅拌，以350r/min搅拌2h；

6)将搅拌器搅拌速率从350r/min下调至180r/min，加入KH-550和偶氮二异庚腈继续搅拌5分钟，继续加入N，N-亚甲基双丙烯酰胺与海泡石粉，搅拌均匀，将混合物80℃烘干5h即得成品。

对比例1：

一种农林业用抗旱保水材料，由以下重量的原料制成(和实施例5相比，缺少高吸水性丙烯酸树脂)：

对比例2：

一种农林业用抗旱保水材料，由以下重量的原料制成(和实施例5相比，缺少木质素)：

高吸水性丙烯酸树脂	56.0g、
		贝壳粉	33.7g、
蔗髓	34.2g、
		甲氨基阿维菌素苯甲酸盐	8.5g、
N，N-亚甲基双丙烯酰胺	4.6g、
		氨基官能团硅烷(kh-550)	4.1g、
偶氮二异庚腈	0.8g、
		海泡石粉	3.6g。

对比例3：

一种农林业用抗旱保水材料，由以下重量的原料制成(和实施例5相比，缺少贝壳粉和偶氮二异庚腈)：

高吸水性丙烯酸树脂	56.0g、
		木质素	28.4g、
蔗髓	34.2g、
		甲氨基阿维菌素苯甲酸盐	8.5g、
N，N-亚甲基双丙烯酰胺	4.6g、
		氨基官能团硅烷(kh-550)	4.1g、
海泡石粉	3.6g。

对比例4：

一种农林业用抗旱保水材料，由以下重量的原料制成(和实施例5相比，缺少蔗髓)：

高吸水性丙烯酸树脂	56.0g、
		木质素	28.4g、
贝壳粉	33.7g、
		甲氨基阿维菌素苯甲酸盐	8.5g、
N，N-亚甲基双丙烯酰胺	4.6g、
		氨基官能团硅烷(kh-550)	4.1g、
偶氮二异庚腈	0.8g、
		海泡石粉	3.6g。

对比例5：

一种农林业用抗旱保水材料，由以下重量的原料制成(和实施例5相比，缺少甲氨基阿维菌素苯甲酸盐)：

高吸水性丙烯酸树脂	56.0g、
		木质素	28.4g、
贝壳粉	33.7g、
		蔗髓	34.2g、
N，N-亚甲基双丙烯酰胺	4.6g、
		氨基官能团硅烷(kh-550)	4.1g、
偶氮二异庚腈	0.8g、
		海泡石粉	3.6g。

对比例6：

一种农林业用抗旱保水材料，由以下重量的原料制成(和实施例5相比，缺少N，N-亚甲基双丙烯酰胺)：

对比例7：

一种农林业用抗旱保水材料，由以下重量的原料制成(和实施例5相比，在制备方法中，将丙烯酸树脂中的玉米淀粉去除)：

高吸水性丙烯酸树脂	56.0g、
		木质素	28.4g、
贝壳粉	33.7g、
		蔗髓	34.2g、
甲氨基阿维菌素苯甲酸盐	8.5g、
		N，N-亚甲基双丙烯酰胺	4.6g、
氨基官能团硅烷(kh-550)	4.1g、
		偶氮二异庚腈	0.8g、
海泡石粉	3.6g。

实验例：

保水率实验：

将实施例和对比例得到的产品分别在室温25℃的条件下浸入超纯水中24小时，使其吸水饱和至溶胀平衡，取出沥干水分，称重，得到溶胀平和质量A，然后将其放在20℃的条件下24小时，每隔一段时间测量其重量，得到质量B，按照下方公式得到保水率：

保水率＝(B/A)*100％；

将实施例和对比例得到的产品分别在室温25℃的条件下浸入超纯水中24小时，使其吸水饱和至溶胀平衡，取出沥干水分，混入10kg土壤中，观察其土壤硬化板结情况(实验数据参看附图2)。

实施例和对比例制备得到的产品各项性能测试参数如下：

表1：

结果分析：

1、通过对比例1我们可以看出，高吸水性丙烯酸树脂作为本发明材料的一个主要链接成分，有着不必可少的作用，缺少了高吸水性丙烯酸树脂的材料，结构分散，且不具备该材料最基本的保水特征，水分缓释的效果等同于没有。

2、通过对比例2和对比例4我们可以看出，木质素与蔗髓在该保水材料中通过其前处理，利用其植物独有的三维网状结构高分子，达到水分的储存及缓释的效果，因此，该物质具有一定的吸水性能，但是保水性能较差，且未形成均匀的混合物。

3、在对比例3中，去除了贝壳粉与引发剂偶氮二异庚腈，贝壳粉(碳酸钙)的去除直接导致了双键偶联剂的失效，未能形成共聚物，且没有添加引发剂，引发率低下，难以完整的形成化合物的聚合过程，转化率极低。

4、通过对比例5可以看到，未添加甲氨基阿维菌素苯甲酸盐的土壤会出现半截情况，且甲氨基阿维菌素苯甲酸盐作为近年来新兴的一种广谱杀虫剂可以在潮湿的土壤环境中更好的对植物根茎进行保护，防止病虫害的发生，而且其可降解性大大提高了可利用性。

5、通过对比例6可以看到，未添加N，N-亚甲基双丙烯酰胺，共聚物性能低下，未达到预期的聚合效果，吸水性能较弱。

6、通过对比例7可以看到，将基础材料丙烯酸树脂中的玉米淀粉去除，会导致其根本性能的改变，不再具备本发明所需的吸水性与保水性。

7、通过以上对比例可以看到，贝壳粉，木质素和蔗髓在该材料中扮演着不可或缺的一部分，且均采自广西沿海地区丰富的海洋贝类资源、榨糖工艺之后剩余的可回收废弃物以及广西外来入侵物种，一方面可以减少开发制作成本，充分利用可回收废弃物，另一方面可以改善当地生态环境，减少入侵物种对当地造成的危害；添加了贝壳粉可改改聚合物表面性质，提高其性能，蔗髓来源广泛，与丙烯腈的接枝共聚物反应，改变腈基，使其具有更强力的吸水性，木质素的添加提高共聚物刚性，延长其使用寿命。

9、通过实施例可以看出，实施例5的吸水率(附图1，横坐标为时间(min)，纵坐标为吸水率(g/g))和保水率(附图2，横坐标为实验时间(h)，纵坐标为保水率(％))效果最好，在1200分钟的时候，吸水效果达到最佳；经过48小时的水分释放，还有近70％的水分，可满足在干旱荒漠化地区长效释放的需要。通过添加三种广西当地物产丰富的生物资源，从吸水性，刚性和表面性质三个方面来增加其保水性能。延长使用寿命，降低企业制作成本，而且添加甲氨基阿维菌素苯甲酸盐，防止材料在释水过程中由细菌及其他有害生物对作物及林业地下根茎的影响。

以上所述仅为本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，做出若干改进和变化，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种农林业用抗旱保水材料，其特征在于：由以下重量份的原料制成：

2.根据权利要求1所述的一种农林业用抗旱保水材料，其特征在于：由以下重量份的原料制成：

3.根据权利要求1所述的一种农林业用抗旱保水材料，其特征在于：由以下重量份的原料制成：

4.权利要求1-3任一项所述的一种农林业用抗旱保水材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)高吸水性丙烯酸树脂的制备：以过硫酸钾为引发剂，以N，N-亚甲基双丙烯酰胺为交联剂，将玉米淀粉与丙烯酰胺、丙烯酸在水溶液中聚合制备高吸水性树脂，原料按照以下质量比例：硫酸钾、玉米淀粉、偶氮二异庚腈、N，N-亚甲基双丙烯酰胺、丙烯酰胺、丙烯酸＝1:1:0.02：0.0015：1：24，反应温度为50℃，反应时间为2h，丙烯酸中和度为94％时，可获得吸水倍数为699倍的吸水性树脂，形成二元接枝聚合物；

2)木质素的制备：将甘蔗渣粉碎过40目筛，接着用超纯水清洗多次，以去除蔗糖和其他可溶性杂质，经干燥后研磨得到甘蔗渣细粉；

配置质量分数10％的对甲苯磺酸水溶液，加热到45-50℃，按照物料比1:40加入甘蔗渣细粉，搅拌5-10分钟，真空抽滤，滤液用蒸馏水稀释至质量分数为4％，此时木质素大量沉淀析出，采用蒸馏水多次沉淀洗涤至中性，冷冻干燥后得蔗渣木质素；

3)贝壳粉的制备：用清水清洗去除贝壳中的肉质和泥沙，再用蒸馏水进行冲洗，对贝壳进行粗粉碎到40-60目，将贝壳装到瓷坩埚中，放入马弗炉以900℃煅烧5h，待温度下降至常温时取出烧好的贝壳粉，放入玛瑙研磨器中研磨成100-120目的粉末状，密封保存；

4)将步骤1)得到的高吸水性丙烯酸树脂研磨至粒径40目，使其处于干燥状态；

5)按重量比将高吸水性丙烯酸树脂、木质素、贝壳粉、蔗髓、甲氨基阿维菌素苯甲酸盐混合进行搅拌，以200-350r/min搅拌2h；

6)将搅拌器搅拌速率从200-350r/min下调至140-180r/min，加入KH-550和偶氮二异庚腈继续搅拌5分钟，继续加入N，N-亚甲基双丙烯酰胺与海泡石粉，搅拌均匀，将混合物80℃烘干5h即得成品。

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