CN115197359A - 一种具有反复吸湿、释水功能的保水剂及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于高分子复合材料技术领域，涉及一种具有反复吸湿、释水功能的保水剂及其制备方法，本发明包括以下组份：按下述重量百分比配置原料：乙烯类单体30％‑90％；光热材料2％‑15％；高吸湿物质1％‑25％；引发剂0.8％‑4％；交联剂0.8％‑4％。本发明针对在极其匮乏降水与灌溉条件的环境区域，现有保水剂技术无法满作物的水分需求，而提供一种具有反复吸湿、释水功能的保水剂，从空气中捕集水汽并利用。

Description

一种具有反复吸湿、释水功能的保水剂及其制备方法

技术领域：

本发明属于高分子复合材料技术领域，适用于农林、环保等领域的节水省水技术等方面，特别涉及一种具有反复吸湿、释水功能的保水剂的制备方法。

背景技术：

干旱缺水是世界性的重要难题，针对该问题，施用保水剂是一种较佳的解决方案。保水剂是一种具有高吸水、保水功能的树脂材料，它能够吸存灌溉水或天然降水并缓慢释放，减少土壤水分散失，被誉为“植物微型水库”，在作物保苗增产、园林绿化、沙漠治理等方面具有广泛的意义。不过，在一些内陆的干旱地区或沙漠中，水源极为匮乏，难以提供让保水剂吸存的液态水；在盐碱地区域、海岛、高海拔地区等环境条件下，淡水资源也较为稀缺，而盐度较高的水会严重影响保水剂的使用性能，这在很大程度上限制了保水剂的应用空间。

考虑到大气环境中分布有较为丰富的水汽，因此尝试捕集并利用空气中的水汽，研发相关材料实现“凭空造水”供给植物使用，被认为是节水技术的热点与前沿。能够在空气中捕集水分的传统物质有甘油、吡咯烷酮羧酸钠等，这类物质多为有机类，虽吸湿性强，但存在有在自然界容易降解、吸湿量小、难以重复使用等问题；保水剂也具有一定的吸湿保水效果，但由于其物化结构限制，吸湿的区域集中在表层，水汽无法向内部输送，这使其吸湿效率低下，难以满足实际需求。

发明内容：

本发明的目的是，针对在极其匮乏降水与灌溉条件的环境区域，现有保水剂技术无法满作物的水分需求，而提供一种具有反复吸湿、释水功能的保水剂，从空气中捕集水汽并利用，满足相关需求。

为实现上述目的，本发明所采用的的技术解决方案是：一种具有反复吸湿、释水功能的保水剂，包括以下组份：按下述重量百分比配置原料：乙烯类单体30％-90％；光热材料2％-15％；高吸湿物质1％-25％；引发剂0.8％-4％；交联剂0.8％-4％。

优选的，所述光热材料是指纳米四氧化三铁、胡开文墨、聚多巴胺、黑色素物质中的其中一种或多种。

优选的，所述高吸湿物质选用甘油、透明质酸、吡咯烷酮羧酸钠、甜菜碱物质中的一种或多种。

优选的，所述乙烯类单体选用甲基丙烯酸、丙烯酸、丙烯酰胺中的其中一种或多种。

一种具有反复吸湿、释水功能的保水剂的制备方法，包括以下步骤：

(1)将步骤光热材料、高吸水物质、乙烯类单体加入水中，充分搅拌分散，并对混合物的pH调至6-8；

(2)加入引发剂与交联剂，在温度为30℃～70℃的条件下搅拌发生共聚反应完全，形成交联复合体；发生的交联反应；

(3)将步骤(2)中交联复合体切片、干燥、粉碎，制得成品。

本发明与现有的技术相比具有很多优点和积极效果：

1.本发明通过在保水剂结构中融入高吸湿组分，实现保水剂在大气中有效捕集水汽，并借助强吸湿物质而导引深入保水剂内部，同时被保水剂结构吸收存储，形成具有高吸湿效率与储水效果的新型保水剂材料体系。

2.本发明通过在保水剂结构中引入光热成分，有助于在拥有强阳光的午间等时段促进保水剂的释放水分；同时，保水剂能够在夜间时段温度较低时吸取补充水分，由此达到“夜间低温吸湿、午间升温释水”的反复供水的循环模式。

3.本发明颠覆了保水剂“不能够制造水，只能够在具备一定的降水、灌溉等条件下,才能发挥其吸水、保水的作用”的传统概念；通过捕集空气中的水汽供植物利用，在农林、环保等领域具有广泛的应用前景。

采用本发明制备的保水剂主要技术指标：

本发明所涉及的保水剂具有良好的吸水保水性能，吸去离子水倍率30～700倍，吸0.9％氯化钠溶液5倍以上；另外还具有良好的吸湿、释水功能，在空气湿度90％，15℃条件下，所制备的保水剂吸湿率20％～800％，并能够在35℃以上温度时释放所吸收水分的30％以上。

附图说明:

图1为保水剂的制备工艺方块流程图；

图2为保水剂吸湿前的状态图；

图3保水剂在空气湿度85％，20℃条件下吸湿后的状态对比图；

具体实施方式：

下面结合附图与具体实施方式进行详细说明。

根据图1所示的工艺流程，现详细说明该保水剂的制备方法：按下述重量百分比配置原料：乙烯类单体40％-80％；光热材料15％ -40％；高吸湿物质6％-25％；引发剂0.8％-4％；交联剂0.8％- 4％。将光热材料与高吸湿性物质加入水中，充分搅拌分散制成浆液(混合物)，随后在搅拌的同时，加入乙烯基类单体；并对混合物利用 KOH或氨水将pH调至6-8；加入引发剂与交联剂，在温度为30℃～ 70℃的条件下搅拌发生共聚反应完全，形成交联复合体；发生的交联反应；将交联复合体切片、干燥、粉碎，过筛分级，制得成品。

在生产过程中，可根据不同地区、土质、用户的要求，调节反应物料的配比。加工时，经粉碎过筛分级，分成不同粒径的产品，得到多种型号的保水剂材料。

关于本发明的吸湿性能，测定方法简要如下:取本发明样品，在干燥器中干燥至恒重M，随后在封闭空间内设定恒定的湿度(80％以上)与温度(20℃以下)条件，48小时后称重为M₁，则样品的吸湿率为：

A_m＝(M₁-M)/M×100％

关于本发明样品吸湿后的释水性能，测定方法简要如下：取吸湿后的样品，称重为M₁。随后，在封闭空间内通过红外线辐射，促使样品升温至35℃且保持恒定，并在恒定的环境湿度(60％以下)条件下，48小时后称重为M₂，则样品的释水率为：

A_n＝(M₂-M₁)/M₁×100％

实施例1：

按照质量百分比，分别取胡开文墨24％，吡咯烷酮羧酸钠5％，丙烯酸40％，丙烯酰胺22％，引发剂过硫酸铵3.5％和交联剂N,N- 亚甲基双丙烯酰胺1.5％。将胡开文墨研磨至120目，与吡咯烷酮羧酸钠混合，再与蒸馏水配制成总固体含量36％的浆液，将丙烯酸与丙烯酰胺加入该混合体系中，用浓度20％的氨水调节pH至6.0，充分搅拌分散。加入引发剂和交联剂，升温至60℃，反应3小时，形成交联复合体并切片，50℃条件下真空干燥、粉碎，过10目筛，得到具有吸湿、释水功能的保水剂。

经测定，在空气湿度90％，15℃条件下，所制备的保水剂48 小时后的吸湿率350％，并能够在35℃，湿度40％条件下，48小时后释放所吸收水分的50％以上；反复使用五次后，吸湿效率仍能够保持在300％以上。

实施例2：

按照质量百分比，分别取人工黑色素35％，透明质酸5％，甲基丙烯酸53％，引发剂过硫酸铵2.5％和交联剂N,N-亚甲基双丙烯酰胺1.5％。将黑色素与透明质酸混合，再与水配制成总固体含量35％的浆液，将甲基丙烯酸加入该混合体系中，用浓度20％的氢氧化钾溶液调节pH至6.5，充分搅拌分散。依次加入引发剂和交联剂，升温至45℃，交联反应3小时，形成交联复合体。将交联复合体在50℃条件下干燥，粉碎，过12目筛，得到新型保水剂样品。

该产品经测定，在空气湿度85％，15℃条件下，所制备的保水剂48小时后的吸湿率300％；采用808nm、10W的红外激光器辐射10 分钟，能够使样品升温到35℃，湿度40％条件下，48小时后能够释放所吸收水分的40％以上。

实施例3：

按照质量百分比，分别取胡开文墨18％，甘油8％，丙烯酸50％，丙烯酰胺20％，过硫酸铵0.8％和N,N-亚甲基双丙烯酰胺1.2％。将胡开文墨与甘油混合，再与蒸馏水配制成总固体含量40％的混合液，将丙烯酸加入该混合体系中，用12％的氨水溶液调节pH至6.0，再将丙烯酰胺加入混合液中，充分搅拌分散。依次加入引发剂和交联剂，升温至45℃，交联反应3小时，形成交联复合体。将交联复合体切片，在50℃条件下真空干燥，粉碎，过16目筛，得到保水剂产品。

产品经测定，在空气湿度85％，15℃条件下，所制备的保水剂 48小时后的吸湿率300％；采用808nm、5W的红外激光器辐射20分钟，能够使样品升温到35℃，湿度40％条件下，48小时后释放所吸收水分的40％以上。

随后，以棉花为模型作物，采用砂培法测定添加该发明样品对棉花发芽的影响。地点：甘肃省兰州市某地室外；天气条件：晴，夜间温度10-16℃，白天30-35℃；将发明样品粉碎至60目以下并按照2％的比例掺入细沙，装入沙培盘，同时设立空白对照。随后，在沙培条件下播种棉花种子，三天后，发现掺入发明样品的沙培盘棉花种子发芽率60％；空白对照组发芽率低于10％。实验结果表明，该发明样品能够显著促进极干旱环境下的植物生长。

本发明在添加光热与高吸湿物质的条件下，辅以使用引发剂与交联剂，与乙烯类单体发生接枝共聚反应，促使光热与高吸湿材料弥散于高分子结构内部，而制备成分子结构上有交联的高分子复合材料。在夜间低温条件下，内含的高吸湿物质能够吸收大气中的水汽，并向保水剂内部进行传导，同时被高分子结构吸附储存；在光照条件下，光热物质能够吸收红外光并转化为热量，促使保水剂材料升温，对水分的束缚作用减弱，水分游离出来。由此循环反复进行，即具有反复吸湿、释水的功能。

将保水剂与强吸湿物质有机融合，既能够增强保水剂的捕集水汽效果，还能够让水汽借助强吸湿物质而导引深入保水剂内部，同时被保水剂结构吸收存储，形成具有高吸湿效率与储水效果的新型保水剂材料体系。

阳光是大自然对地球的馈赠，在阳光中含有红外线成分，当红外线辐射到光热物质上，可由光热材料转化为热量，热量会导致温度升高。考虑到温度是影响分子活跃程度的重要因素，温度升高有利于水分子结构摆脱氢键作用等束缚而游离出来。因此，在保水剂结构中引入光热材料，有助于在拥有强阳光辐射的午间等时段促进保水剂释放水分；同时，如果保水剂能够在夜间时段(温度较低)吸取补充水分，就会达到“夜间低温吸湿、午间升温释水”的模式循环。

综上所述，本发明旨在依托光热材料、高吸湿物质与保水剂的有机融合，构建一种具有反复吸湿、释水功能的保水剂，从空气中捕集水汽并利用，实现“凭空造水”，颠覆保水剂“不能够制造水，只能够在具备一定的降水、灌溉等条件下,才能发挥其吸水、保水的作用”的传统概念，在农林、环保等领域具有广泛的应用前景。

另外，上述说明并非是对本发明的限制，在本发明的实质范围内，做出的变换、改型与替换，均属于该发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种具有反复吸湿、释水功能的保水剂，其特征在于，包括以下组份：按下述重量百分比配置原料：乙烯类单体30％-90％；光热材料2％-15％；高吸湿物质1％-25％；引发剂0.8％-4％；交联剂0.8％-4％。

2.根据权利要求1所述的一种具有反复吸湿、释水功能的保水剂，其特征在于，所述光热材料是指纳米四氧化三铁、胡开文墨、聚多巴胺、黑色素物质中的其中一种或多种。

3.根据权利要求1所述的一种具有反复吸湿、释水功能的保水剂，其特征在于，所述高吸湿物质选用甘油、透明质酸、吡咯烷酮羧酸钠、甜菜碱物质中的一种或多种。

4.根据权利要求1所述的一种具有反复吸湿、释水功能的保水剂，其特征在于，所述乙烯类单体选用甲基丙烯酸、丙烯酸、丙烯酰胺中的其中一种或多种。

5.一种具有反复吸湿、释水功能的保水剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将步骤光热材料、高吸水物质、乙烯类单体加入水中，充分搅拌分散，并对混合物的pH调至6-8；

(2)加入引发剂与交联剂，在温度为30℃～70℃的条件下搅拌发生共聚反应完全，形成交联复合体；发生的交联反应；

(3)将步骤(2)中交联复合体切片、干燥、粉碎，制得成品。

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