專利名稱：一種保水劑膠體及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及農(nóng)田土壤保護(hù)技術(shù)，具體地說 一種保水劑膠體及其制備方法。
背景技術(shù)：
目前，水資源越來越成為國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要制約因素之一。我國農(nóng)
業(yè)用水占用水量的73. 4%,每年農(nóng)業(yè)缺水約300億m3，由于缺水和水分生產(chǎn) 效率低，農(nóng)業(yè)用水危機(jī)不斷加劇。
保水劑因?yàn)槭褂梅奖悖杀据^低等優(yōu)點(diǎn)也成為節(jié)水增產(chǎn)的新途徑和新方 法。保水劑又稱土壤保水劑、高吸水劑、保濕劑、高吸水性樹脂、高分子 吸水劑。它能迅速吸收比自身重?cái)?shù)百倍甚至上千倍的去離子水、數(shù)十倍至 近百倍的含鹽水分，而且具有反復(fù)吸水功能，吸水后膨脹為水凝膠，可緩慢 釋放水分供作物吸收利用，從而增強(qiáng)土壤保水性，改良土壤結(jié)構(gòu)，減少水的 深層滲漏和土壤養(yǎng)分流失，提高水分利用率。
20世紀(jì)60年代末，美國科學(xué)家Edward Bargad用玉米淀粉和丙烯氰，研制 成具有超強(qiáng)吸水能力的淀粉接枝丙烯氰水解共聚物。20世紀(jì)70年代中期，美 國農(nóng)業(yè)部北部研究中心(NRRC)首先將這種水解共聚物應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，對(duì) 玉米和大豆種子進(jìn)行涂層處理，大田試驗(yàn)取得了較好的效果，并開始在美國 西部干旱地區(qū)推廣，到1981年產(chǎn)量已達(dá)幾千噸。20世紀(jì)70年代末，美國農(nóng)業(yè) 部森林局和一些大學(xué)采用Terrasorb(TAB)進(jìn)行了 一系列試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)其吸水 能力已達(dá)自身重的1000倍，在田間受化肥、土壤等因素的影響，仍能吸收自 身重300倍的水分，用于地面撒施可節(jié)約灌溉用水50% ~85%。 1974年，在美 國Gra叩rocessingco公司實(shí)現(xiàn)了保水劑工業(yè)化生產(chǎn)。日本緊隨美國之后， 迅速趕上并且超過了美國，生產(chǎn)出了一系列新產(chǎn)品，到1983年總產(chǎn)量已超過 3. 34 x 106 kg，約占當(dāng)時(shí)世界總產(chǎn)量的一半，到1997年產(chǎn)量已超過9 x 108kg, 現(xiàn)在日本是生產(chǎn)和出口保水劑最多的國家。2O世紀(jì)8O年代初，法國里昂沙菲 姆化學(xué)公司研制成功保水劑，并將其應(yīng)用于沙特阿拉伯干旱地區(qū)的土壤改 良。韓國開發(fā)出了吸水達(dá)自重5000倍的"IKR3010"高分子材料。英國、德 國、俄羅斯等國家也都投入大量資金進(jìn)行土壤保水劑的開發(fā)研究。1998年， 世界保水劑需求總量在70萬噸左右，其中美國巿場(chǎng)占1/3。歐盟國家消費(fèi)22 萬噸，日本巿場(chǎng)消費(fèi)8.2萬噸。另外，發(fā)展中國家如墨西哥、東南亞及中東地
區(qū)也開始推廣應(yīng)用。美國、日本、法國、德國和比利時(shí)等發(fā)達(dá)國家都設(shè)專 門機(jī)構(gòu)從事研究，目前近30個(gè)國家已將保水劑用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、建筑、園藝
和衛(wèi)生等多種領(lǐng)域。日本在沙漠綠化、英國在水土保持、法國在土壤改良、 俄羅斯在節(jié)水農(nóng)業(yè)等方面分別取得明顯效果。保水劑在農(nóng)林方面應(yīng)用的前景廣闊，產(chǎn)品向功能多樣化、成分復(fù)雜化、劑型專一化方向發(fā)展。
我國對(duì)保水劑開發(fā)與應(yīng)用研究始于上個(gè)世紀(jì)80年代初，目前已有50多個(gè)
單位進(jìn)行研制和開發(fā)，但產(chǎn)品生產(chǎn)還比較落后，總產(chǎn)量不過iooo噸。上個(gè)世
紀(jì)80年代初，北京化學(xué)纖維研究所研制成功SA型保水劑，中科院蘭州化學(xué)物 理研究所研制成LPA型保水劑，中科院化學(xué)研究所、長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所也 分別研制出了KH841型和IAC-B型保水劑，并陸續(xù)應(yīng)用于農(nóng)林生產(chǎn)領(lǐng)域，20世 紀(jì)90年代以來，又有一批新型的保水劑產(chǎn)品陸續(xù)問世。1998年，河北保定巿 科瀚樹脂公司科技人員釆用生物實(shí)驗(yàn)技術(shù)研制成功"科瀚98"系列高效抗 旱保水劑，最近還研制生產(chǎn)出一種在干旱缺水條件下，能保證植物成活的蓄 水能力很強(qiáng)的、含水量高達(dá)99. 5%的透明膠狀物質(zhì)一 "沙漠王"固體水。 另夕卜,唐山博亞公司生產(chǎn)的高效抗旱保水劑，"永泰田"保水劑等新型保水 劑產(chǎn)品也投入了工業(yè)化生產(chǎn)，陜西楊凌惠中科技開發(fā)公司研制出了吸水率 達(dá)1500倍的保水劑并投入批量生產(chǎn)。
但是，開發(fā)出合成工藝簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，吸保水能力強(qiáng)，環(huán)境友好型保 水劑仍然是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提供一種能夠保持土壤水分含量，提供作物需求水分并對(duì) 環(huán)境友好，不造成土壤污染的土壤，簡(jiǎn)化生產(chǎn)工藝，保水劑膠體及其制備方法。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所釆用的技術(shù)方案為
保水劑膠體:按重量份數(shù)計(jì)，由100-150份乙酸殼聚糖溶液、50~100 份丙烯酰胺溶液、200 ~ 500份丙烯酸溶液、1 30份N，N'-亞甲基雙丙稀 酰胺溶液和1 10份硝酸鈰銨溶液組成。
所述乙酸殼聚糖溶液為乙酸溶液溶解殼聚糖所得。所述丙烯酸溶液為釆 用氫氧化鈉溶液中和到pH值為4. 5 ~ 7. 5的丙烯酸溶液。
制備方法將按重量份數(shù)計(jì)，100 150份乙酸殼聚糖溶液、50~100份丙 烯酰胺溶液、200 500份丙烯酸溶液和1 30份N，N'-亞甲基雙丙稀酰胺溶
液直接混合，攪拌均勻，向混合液中吹入惰性氣體使其空氣排除，而后緩 慢提升混合溶液溫度到2(TC ~40°C,使其持續(xù)O. 5~1小時(shí)，然后加入1~10 份硝酸鈰銨溶液，再次緩慢提升混合溶液溫度到5(TC ~90°C,攪拌均勻，
待溶液出現(xiàn)粘稠爬桿現(xiàn)象，即得到保水劑膠體。
所述向混合液中吹入惰性氣體為以2 7升/分鐘流量吹入高純氮。所述 緩慢提升混合溶液溫度時(shí)以5-l(TC/5-10min速度提升。所述乙酸殼聚糖溶 液取l ~ 5克殼聚糖放入100 ~ 200份重量百分濃度為1 ~ 5 %的乙酸溶液中 攪拌，攪拌至溶液均勻，得到乙酸殼聚糖溶液。所述乙酸溶液為重量百分 濃度為1~5%的乙酸溶液。所述丙烯酸溶液取200 300克聚合丙烯酸溶 液，在20 4(TC下減壓蒸餾去除阻聚劑，而后取去除阻聚劑的30 80份聚 合丙烯酸溶液，用濃氫氧化鈉溶液在冰水洛中中和至PH值為4. 5~7. 5，得
4到丙烯酸溶液。所述氫氧化鈉溶液為重量百分濃度為10 30%的氫氧化鈉溶液。
本發(fā)明的原理是以長(zhǎng)鏈大分子殼聚糖為骨架材料，N，N'-亞甲基雙丙 稀酰胺為交聯(lián)劑，在硝酸鈰銨的催化下，與丙烯酰胺、丙烯酸分子聚合交 聯(lián)，形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)保水劑膠體。膠體分子鏈上的羧基、羥基、酰胺基 等基團(tuán)具有兩性吸附能力，網(wǎng)狀空間結(jié)構(gòu)能夠有效東縛進(jìn)入膠體內(nèi)部的液 體，形成具有高度化學(xué)吸水性和物理持水性的保水劑膠體。
本發(fā)明與同類保水劑及其生產(chǎn)工藝相比具有以下優(yōu)點(diǎn)
1. 易于生產(chǎn)和應(yīng)用。本發(fā)明生產(chǎn)工藝較簡(jiǎn)單，不需要大型儀器設(shè)備，在 普通實(shí)驗(yàn)室即可完成，有利于產(chǎn)品的開發(fā)、推廣和應(yīng)用。
2. 環(huán)境安全。由于本發(fā)明釆用的殼聚糖屬于天然高分子化合物，與一定 濃度的丙烯酸和丙烯酰胺聚合，施用于土壤后，能夠完全分解，分解后次 級(jí)產(chǎn)物不會(huì)污染土壤，屬于環(huán)境友好型產(chǎn)品。
3. 本發(fā)明所得保水劑產(chǎn)品不僅能夠吸收大量的水分，而且機(jī)械性能較 好。保水劑不僅能夠吸收并保存大量去離子水，而且對(duì)含有鹽分的溶液也 有良好的吸持性，并且在一定的壓力下，保水劑仍然能夠保持水分。
4. 應(yīng)用范圍廣泛。本產(chǎn)品不僅可以適用于干旱地區(qū)作物，可以應(yīng)用于觀 賞植物栽培，還能夠應(yīng)用于防風(fēng)固沙、改善土壤生態(tài)環(huán)境的功能。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例l
本發(fā)明保水劑膠體按重量份數(shù)計(jì)，其成分組成為IOO份乙酸殼聚糖溶 液、IOO丙烯酰胺溶液、200份丙烯酸溶液、IO份N，N'-亞甲基雙丙稀酰胺 溶液和6份硝酸鈰銨。
制備方法按重量份數(shù)計(jì)，IOO份乙酸殼聚糖溶液、IOO丙烯酰胺溶液、 200份丙烯酸溶液和10份N，N'-亞甲基雙丙稀酰胺溶液在四口瓶中直接混 合，攪拌均勻，以4升/分鐘向混合液中吹入氮?dú)猓懦旌弦褐锌諝?。?后以5'C/10分鐘緩慢提升混合溶液溫度到4(TC,使其持續(xù)40分鐘，然后加 入6份硝酸鈰銨，再次以5'C/10分鐘緩慢提升混合溶液溫度到8(TC,攪拌均 勻，溶液出現(xiàn)粘稠爬桿現(xiàn)象，將其轉(zhuǎn)移到托盤中，干燥粉碎過40目篩，所 得無色透明膠體保水劑。
所述乙酸殼聚糖溶液取2克殼聚糖加入98克2%乙酸溶液，電動(dòng)攪拌均 勻；即可。所述乙酸溶液取50克36%乙酸溶液，傾入400克水中，攪拌至 溶液均勻，得到2%乙酸溶液。所述丙烯酰胺溶液取10克丙烯酰胺，溶入 90克水中，攪拌均勻；即可。所述丙烯酸鈉溶液取400克聚合丙烯酸溶液， 在25'C下減壓蒸餾去除阻聚劑；取200克處理后的聚合丙烯酸溶液，用制備 好的氫氧化鈉溶液在冰水浴中中和至pH值為6，得到丙烯酸溶液。所述氫氧 化鈉溶液取40份氫氧化鈉，緩慢攪拌下加入160份水，得到20%氫氧化鈉 溶液。所述N，N'-亞甲基雙丙稀酰胺溶液:取O. 4克N，N'-亞甲基雙丙稀酰
5胺，加入20克水充分?jǐn)嚢璧饺芤壕鶆?；即可。所述硝酸鈰銨溶液取O. 012 克硝酸鈰銨，加入10克稀硝酸充分溶解，即可。
上述殼聚糖、丙烯酸、丙烯酰胺、硝酸鈰銨、N,N'-亞甲基雙丙稀酰胺、 乙酸和氫氧化鈉均為化學(xué)純或分析純，所述水為去離子水。
實(shí)施例l所得保水劑在去離子水中的最大吸水率為565克/克，在O. 9%氯
化鈉鹽水中的吸液率為47克/克；保水劑吸水后呈現(xiàn)透明膠狀，在一定壓力 下仍能保持水分；保水劑吸水后呈現(xiàn)透明膠狀，在4000轉(zhuǎn)/分鐘的離心機(jī)中 離心一個(gè)小時(shí)仍能保持40%的水分； 一定量的干燥保水劑粉末與一定量的 土壤混合后，在壓力膜儀器lbar壓力下仍能保持土壤50。/。的水分，證明保 水劑具有良好的持水能力，改善了 土壤的持水性能。 實(shí)施例2
與實(shí)施例l不同之處在于按重量份數(shù)計(jì)，其成分組成為120份乙酸殼 聚糖溶液、80丙烯酰胺溶液、200份丙烯酸溶液、IO份N，N'-亞甲基雙丙稀 酰胺溶液和4份硝酸鈰銨。
制備方法按重量份數(shù)計(jì)，120份乙酸殼聚糖溶液、80丙烯酰胺溶液、 200份丙烯酸溶液和10份N,N'-亞甲基雙丙稀酰胺溶液在四口瓶中直接混 合，攪拌均勻，以2升/分鐘向混合液中吹入氮?dú)?，排除混合液中空氣。?后以1(TC/5分鐘緩慢提升混合溶液溫度到4(TC，使其持續(xù)30分鐘，然后加 入4份硝酸鈰銨，攪拌均勻，再次以l(TC/5分鐘緩慢提升混合溶液溫度到70 °C，溶液出現(xiàn)粘稠爬桿現(xiàn)象，將其轉(zhuǎn)移到托盤中，干燥粉碎過40目篩，所 得無色透明保水劑膠體。
所述乙酸殼聚糖溶液取2克殼聚糖加入78克5%乙酸溶液，電動(dòng)攪拌均 勻；即可。所述乙酸溶液取50克36%乙酸溶液，傾入400克水中，攪拌至 溶液均勻，得到5%乙酸溶液。所述丙烯酰胺溶液取10克丙烯酰胺,溶入 70克水中，攪拌均勻；即可。所述丙烯酸鈉溶液取200克聚合丙烯酸溶液， 在25'C下減壓蒸餾去除阻聚劑；取50克處理后的聚合丙烯酸溶液，用制備 好的氫氧化鈉溶液在冰水洛中中和至pH值為6. 5,得到丙烯酸溶液。所述氫 氧化鈉溶液取4G份氫氧化鈉，緩慢攪拌下加入160份水，得到10%氫氧化 鈉溶液。所述N，N'-亞甲基雙丙稀酰胺溶液取O. 6克N，N'-亞甲基雙丙稀 酰胺，加入9. 4克水充分?jǐn)嚢璧饺芤壕鶆?；即可。所述硝酸鈰銨溶液取O. 012 克硝酸鈰銨，加入5克稀硝酸充分溶解，即可。
實(shí)施例2所得保水劑在去離子水中的最大吸水率為672克/克，在0.9%氯 化鈉鹽水中的吸液率為54克/克；保水劑吸水后呈現(xiàn)透明膠狀，在4000轉(zhuǎn)/ 分鐘的離心機(jī)中離心一個(gè)小時(shí)仍能保持50 %的水分。
實(shí)施例3
與實(shí)施例l不同之處在于按重量份數(shù)計(jì)，其成分組成為150份乙酸殼 聚糖溶液、50丙烯酰胺溶液、300份丙烯酸溶液、15份N，N'-亞甲基雙丙稀 酰胺溶液和5份硝酸鈰銨。制備方法按重量份數(shù)計(jì)，150份乙酸殼聚糖溶液、50丙烯酰胺溶液、 300份丙烯酸溶液和15份N，N'-亞甲基雙丙稀酰胺溶液在四口瓶中直接混 合，攪拌均勻，以7升/分鐘向混合液中吹入氮?dú)猓懦旌弦褐锌諝?。?后以6X:/8分鐘緩慢提升混合溶液溫度到4(TC，使其持續(xù)60分鐘，然后加入 5份硝酸鈰銨，攪拌均勻，再次以6'C/8分鐘緩慢提升混合溶液溫度到7(TC， 溶液出現(xiàn)粘稠爬桿現(xiàn)象，將其轉(zhuǎn)移到托盤中，干燥粉碎過40目篩，所得無 色透明保水劑膠體。
所述丙烯酸溶液為釆用氫氧化鈉溶液中和到pH值為4. 5。所述氫氧化鈉 濃度為40%;所述乙酸濃度為1%。
實(shí)施例3所得保水劑在去離子水中的最大吸水率為587克/克，在O. 9%氯 化鈉鹽水中的吸液率為34克/克；將O. l克保水劑膠體浸20亳升濃度為20微 克/克的氯化鋅、氯化銅重金屬離子溶液中靜置24小時(shí)，經(jīng)測(cè)定保水劑對(duì)鋅 離子吸附量分別為2. 83亳克/克和3. 56亳克/克。
實(shí)施例4
與實(shí)施例l不同之處在于按重量份數(shù)計(jì)，其成分組成為IIO份乙酸殼 聚糖溶液、70丙烯酰胺溶液、500份丙烯酸溶液、30份N，N'-亞甲基雙丙稀
酰胺溶液和1Q份硝酸鈰銨。
所述丙烯酸溶液為釆用氫氧化鈉溶液中和到pH值為7. 5。所述氫氧化鈉 濃度為10%;所述乙酸濃度為5%。
實(shí)施例5
與實(shí)施例l不同之處在于按重量份數(shù)計(jì)，其成分組成為130份乙酸殼 聚糖溶液、90丙烯酰胺溶液、400份丙烯酸溶液、5份N，N'-亞甲基雙丙稀 酰胺溶液和2份硝酸鈰銨。
所述丙烯酸溶液為釆用氫氧化鈉溶液中和到pH值為5. 5。所述氫氧化鈉 濃度為30%;所述乙酸濃度為3%。
實(shí)施例6
與實(shí)施例l不同之處在于按重量份數(shù)計(jì)，其成分組成為140份乙酸殼 聚糖溶液、60丙烯酰胺溶液、360份丙烯酸溶液、25份N,N'-亞甲基雙丙稀 酰胺溶液和8份硝酸鈰銨。
實(shí)施例5
與實(shí)施例l不同之處在于按重量份數(shù)計(jì)，其成分組成為IOO份乙酸殼 聚糖溶液、6G丙烯酰胺溶液、280份丙烯酸溶液、1份N，N'-亞甲基雙丙稀 酰胺溶液和l份硝酸鈰銨。
權(quán)利要求
1.一種保水劑膠體，其特征在于按重量份數(shù)計(jì)，由100～150份乙酸殼聚糖溶液、50～100份丙烯酰胺溶液、200～500份丙烯酸溶液、1～30份N，N′-亞甲基雙丙稀酰胺溶液和1～10份硝酸鈰銨溶液組成。
2. 按權(quán)利要求l所述的保水劑膠體，其特征在于所述乙酸殼聚糖溶液為 乙酸溶液溶解殼聚糖所得。
3. 按權(quán)利要求l所述的保水劑膠體，其特征在于:所述丙烯酸溶液為釆用 氫氧化鈉溶液中和到pH值為4. 5 ~ 7. 5的丙烯酸溶液。
4. 一種按權(quán)利要求l所述的保水劑膠體的制備方法，其特征在于將按重 量份數(shù)計(jì)，100 ~ 150份乙酸殼聚糖溶液、50 ~ IOO份丙烯酰胺溶液、200 ~ 500 份丙烯酸溶液和l ~ 30份N，N'-亞甲基雙丙稀酰胺溶液直接混合，攪拌均 勻，向混合液中吹入惰性氣體使其空氣排除，而后緩慢提升混合溶液溫度 到2(TC 4(TC，使其持續(xù)O. 5~1小時(shí)，然后加入1-10份硝酸鈰銨溶液，再 次緩慢提升混合溶液溫度到5(TC 9(TC，攪拌均勻，待溶液出現(xiàn)粘稠爬桿 現(xiàn)象，即得到保水劑膠體。
5. 按權(quán)利要求4所述的保水劑膠體的制備方法，其特征在于所述向混合 液中吹入惰性氣體為以2 ~ 7升/分鐘流量吹入高純氮。
6. 按權(quán)利要求4所述的保水劑膠體的制備方法，其特征在于所述緩慢提 升混合溶液溫度時(shí)以5-1CTC/5-10min速度提升。
7. 按權(quán)利要求4所述的保水劑膠體的制備方法，其特征在于所述乙酸殼 聚糖溶液取l ~ 5克殼聚糖放入100 ~ 200份重量百分濃度為1 ~ 5 %的乙酸 溶液中攪拌，攪拌至溶液均勻，得到乙酸殼聚糖溶液。
8. 按權(quán)利要求7所述的保水劑膠體的制備方法，其特征在于所述乙酸溶 液為重量百分濃度為1~5%的乙酸溶液。
9. 按權(quán)利要求4所述的保水劑膠體的制備方法，其特征在于所述丙烯酸 溶液取200 300克聚合丙烯酸溶液，在20 4(TC下減壓蒸餾去除阻聚劑， 而后取去除阻聚劑的30 80份聚合丙烯酸溶液，用濃氫氧化鈉溶液在冰水 洛中中和至pH值為4. 5-7. 5，得到丙烯酸溶液。
10. 按權(quán)利要求9所述的保水劑膠體的制備方法，其特征在于所述氫氧 化鈉溶液為重量百分濃度為10~30%的氫氧化鈉溶液。
全文摘要
本發(fā)明涉及農(nóng)田土壤保護(hù)技術(shù)，具體地說一種保水劑膠體及其制備方法。保水劑膠體按重量份數(shù)計(jì)，由100～150份乙酸殼聚糖溶液、50～100份丙烯酰胺溶液、200～500份丙烯酸溶液、1～30份N，N′-亞甲基雙丙稀酰胺溶液和1～10份硝酸鈰銨溶液組成。本發(fā)明所得保水劑吸蒸餾水倍數(shù)為300-700g/g，吸生理鹽水的倍數(shù)為20-70g/g，具有良好的機(jī)械性能。新型保水劑在農(nóng)田應(yīng)用中可以起到節(jié)水、保苗壯秧、防風(fēng)固沙和恢復(fù)生態(tài)等作用，具有廣泛的應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)C09K17/18GK101613603SQ200810012020
公開日2009年12月30日 申請(qǐng)日期2008年6月25日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月25日
發(fā)明者劉作新, 穎 張, 王振營(yíng), 苗永剛 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所