當(dāng)今科研的保水劑及其在土壤中的應(yīng)用

2012/5/12 8:09:12

一、發(fā)展歷史 干旱問(wèn)題的日益突出使得各國(guó)科學(xué)家開(kāi)始研究解決干旱問(wèn)題的有效方法。1965年，美國(guó)科學(xué)家開(kāi)發(fā)了聚乙烯醇等高分子吸水材料，用作土壤保水劑，這些材料即使施加壓力，吸水也很難，吸水倍率為自身重量的20至30倍。由于生產(chǎn)規(guī)模小，售價(jià)較高，只在園林方面有部分應(yīng)用。

1974年7月，美國(guó)農(nóng)業(yè)部北方研究所發(fā)明了淀粉一丙烯腈接枝聚合進(jìn)而水解得到的高吸水聚合物，其吸水倍率之高令人矚目。但只是近10年才真正得到較大規(guī)模的應(yīng)用，原因是農(nóng)林業(yè)需要較長(zhǎng)時(shí)間的考察評(píng)價(jià)，其推廣和工業(yè)化過(guò)程也較工業(yè)品周期長(zhǎng)。1978年，日本三洋公司引入生產(chǎn)技術(shù)后, 使吸水性樹(shù)脂在衛(wèi)生用品方面得到了飛速發(fā)展，至今，吸水性樹(shù)脂的95%用于衛(wèi)生用品。市場(chǎng)行為也促使科研機(jī)構(gòu)更注重這一領(lǐng)域的研究。

　　二、特點(diǎn) SAP是一類(lèi)功能性高分子聚合物，英文全稱(chēng)為Super Absorbent Polymers。這類(lèi)物質(zhì)含有大量結(jié)構(gòu)特異的強(qiáng)吸水基團(tuán)，它能吸收自身重量幾百倍的水分。由于分子結(jié)構(gòu)交聯(lián), 分子網(wǎng)絡(luò)所吸水分不能用一般物理方法擠出，故具有很強(qiáng)的保水性。作為一類(lèi)新型功能性材料，應(yīng)用已涉及多個(gè)領(lǐng)域。除衛(wèi)生用品和農(nóng)林外，已介入電纜、醫(yī)療、土木建筑和食品保鮮等10多個(gè)行業(yè)。

根據(jù)原料及合成方法的不同，SAP可分為淀粉系、纖維素系和合成樹(shù)脂系三類(lèi)。淀粉系和纖維系又分為接枝聚合和羧甲基化兩種。合成樹(shù)脂系包括聚丙烯酸鹽、聚乙烯醇和聚丙烯酰胺等。目前，SAP主要為合成樹(shù)脂系和淀粉接枝共聚交聯(lián)物。

保水劑(Water-retaining agent)是國(guó)內(nèi)外對(duì)農(nóng)用SAP的統(tǒng)稱(chēng)，它與其他用途的SAP在合成原料和性能上有所區(qū)別。目前國(guó)際上保水劑共分為兩大類(lèi)，一類(lèi)是丙烯酰胺--丙烯酸鹽共聚交聯(lián)物(簡(jiǎn)稱(chēng)聚丙烯酰胺型), 另一類(lèi)，是淀粉接枝丙烯酸鹽共聚交聯(lián)物(簡(jiǎn)稱(chēng)淀粉接枝型)。聚丙烯酰胺型的特點(diǎn)是：使用周期和壽命較長(zhǎng)，凝膠強(qiáng)度高, 顆粒狀產(chǎn)品在土壤中的蓄水保墑能力可維持4至5年，是主流產(chǎn)品，發(fā)達(dá)國(guó)家的產(chǎn)品多屬此類(lèi)。淀粉接枝型的使用壽命最多能維持一年。丙烯酸鹽是極為活潑的聚合單體，合羧基，呈離子性，其聚合交聯(lián)物吸水能力和速率很強(qiáng)，但耐鹽和穩(wěn)定性較差，壽命短。淀粉是天然高分子，價(jià)格便宜但易于降解，其吸水能力較聚丙烯酸鹽差。丙烯酰胺是具極性而相對(duì)惰性的單體，其聚合物吸水倍率較聚丙烯酸鹽差，但穩(wěn)定性和耐鹽性好。保水劑的合成就是綜合了上述成分的特點(diǎn)優(yōu)化組合的結(jié)果。丙烯酸鹽可能是鉀型，也可能是鈉型，鉀較鈉貴得多，但鉀鹽比鈉鹽好。如果其鹽完全是鈉型的，對(duì)植物和土壤不利。

一般來(lái)說(shuō)，同樣組成的聚合物交聯(lián)度越低，吸水倍率和速率相對(duì)越高，其保水性、穩(wěn)定性和凝膠強(qiáng)度就越低，反之亦然。所以，對(duì)于使用周期較長(zhǎng)的保水劑自然需要較高的交聯(lián)度，并不片面追求吸水倍率和速率。凝膠程度高的保水劑吸水后有一定的形狀，不易解體，吸放水的可逆性好，所吸水的80%至95%能夠被植物利用，因其吸持和釋放水分的脹縮性，可使周?chē)�土壤由緊實(shí)變?yōu)槭杷桑瑥亩�在一定程度上使土壤結(jié)構(gòu)和水熱狀況得到改善。由于保水劑可能要摻入地下5至15厘米，國(guó)際上現(xiàn)在更強(qiáng)調(diào)加壓下的吸水倍率。聚丙烯酰胺型加壓下吸純水倍率150至300倍，淀粉接枝型可達(dá)600倍。保水劑可與肥料、農(nóng)藥和植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑等復(fù)配使用, 并使它們緩慢釋放。

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