高吸水保水材料现状及趋势论文

高吸水保水材料现状及趋势论文

摘要：与淀粉、纤维素合成吸水材料相比，无机矿物/有机高分子吸水保水复合材料的原材料成本已下降20%～30%。但由于丙烯酸单体价格仍然是原材料成本的最主要影响因素，且矿物添加量只有在27%～50%时的性价比最高，因此，单靠添加矿物来降低保水剂的原材料成本也还是有限度的，如何进一步降低原材料成本是值得研究的问题。

水是生物赖以生存和发展的必备条件。水资源问题已成为共同关注的全球性问题。水的获取、保存、利用和排除，自古以来都是人类面临的重要课题之一。当前，全球气温逐年上升，加剧了变暖现象，导致干旱缺水地区越来越多，水土流失现象增加，严重破坏了生态坏境，阻碍了我国农业的可持续发展。保持水土和抗旱节水已经成为我国农业面向未来持续发展的选择。应用高吸水性树脂作为保水剂是发展迅速的化学节水技术[1]。

用于农林业的高吸水材料通常称为保水剂（Water Retaining Agent，Agroforestry Superabsorbent AFSA）。它具有能吸收自重几百倍的水成为具有一定力学性能的水凝胶，吸水后的水凝胶可以缓慢释放水分，保水能力也很好，且加压下也不脱水或脱水很少，而且有反复吸水功能。吸水后的吸水剂相当于在植物根系周围的土壤中形成无数个微型“水库”，当土壤缺水时就会逐步释放其储藏的水分，以供植物吸收利用。同时，保水剂能增强土壤保水性、改良土壤结构、减少土壤水分养分流失、提高水肥利用效率等多种功能，其独特的优

点是其他工程方法无法达到的。因而被国际上普遍认为是继化肥、农药、地膜之后第四个最有希望被农民接受的农用化学制品。

基于对国内外高吸水保水材料研究资料的综合分析，从高吸水保水材料的类型、制备技术、性能三方面对研究现状进行了系统分析、评述，据此对其研究趋势进行了探讨。

1 高吸水保水材料的类型

1966年，美国农业部北方研究所的G.F.Fanta和C.R.Russell 等[2，3]研究淀粉接枝丙烯腈，开始了高吸水性材料的研究。高吸水保水材料近年来发展速度很快，种类繁多。一般按原料来源分为淀粉系、纤维素系、合成树脂系[3]。

李铭慧等[5]以玉米淀粉为原料，用水溶液聚合法制得了可生物降解的高吸水性树脂。杨富杰等[4]以蔗渣浆纤维为原料，制备吸水材料。彭娜娜等[5]以玉米秸秆为原料，采用水溶液聚合法制备高吸水性树脂。林健等[6]以丙烯酸盐、丙烯酰胺、高岭土和淀粉等为原料，用溶液聚合法制备了复合型耐盐高吸水性树脂。斯玛伊力·克热木等[7]以丙烯酸、淀粉和硅藻土为原料，用紫外光聚合装置合成了复合耐盐性高吸水树脂。栗海峰等[8]以坡缕石与聚丙烯酸（钠）为原料，用溶液聚合法制备高吸水保水复合材料。以上学者将蔗渣、玉米秆、高粱秆等天然纤维素与高岭土、海泡石、坡缕石、硅藻土等无机矿物原料混合，再与丙烯酸、丙烯酸钠或聚丙烯酸钠-丙烯酰胺二元共聚物中制备不同的高分子吸水保水复合材料。与单纯高分子吸水

保水材料相比，它不仅保持了较高的吸水倍率和较快的吸水速率，而且抗盐性能得到改善，提高了凝胶强度，产品原材料成本大幅度降低。

2 高吸水保水材料的制备技术

由于采用的原料、引发方式、分散介质、反应条件的不同，高吸水性材料有不同的制备方法。高吸水性材料的合成主要采用自由基聚合、离子聚合和逐步聚合三大类[4]。其中水溶液法、反相悬浮法占绝大多数。

2.1 水溶液法

水溶液聚合法是反应性单体和添加剂溶于适当的溶剂，在光、热、辐射、引发剂（或催化剂）的作用下，生成高聚物的方法。丙烯酸在配制釜中先用氢氧化钠溶液中和，中和度为60～90%mol，加人水，使单体浓度为30～60%mol，再加人交联剂，通氮气，加入引发剂，搅拌均匀后，进入反应器静置聚合（保持氮气），加热水裕使反应温度保持30 ℃～80 ℃，聚合反应2～5 h。得到的凝胶状聚合体，经干燥、粉碎后，得到粉末状吸水剂。其特点是过程简单，可以制成膜状、片状、粉粒粉末状，也可以与其他吸水性物质复合成各种吸水材料。

2.2 反相悬浮法

反相悬浮聚合工艺是以水相为分散粒子，其他溶剂（油相）为分散介质，制成油包水（W/O型）的悬浮液，采用水溶性引发剂引发聚合反应的方法。将丙烯酸水溶液搅拌下滴加氢氧化钠水溶液，冷却至室温，加入交联剂、引发剂，再用水调节成一定浓度的待聚液。另将

分散剂加人反应器中，加入表面活性剂溶解，通氮气，加热至反应温度。滴加配好的待聚液，进行聚合反应，生成颗粒状水凝胶。接着在反应器中进行共沸脱水，除去水凝胶中的水，并且继续进行反应。脱水后得到含水率较低的聚合物，于真空干燥器中干燥，得到颗粒状树脂。

3 高吸水保水材料的性能

高吸水性树脂的性能主要指吸水性能、保水性能、增稠性、强度、稳定性、加工性能、安全性、敏感性等方面。作为农林业使用的保水剂，则更注重吸水倍率、保水性能、凝胶强度等指标。

3.1 吸水倍率

吸水倍率一般指吸水保水材料吸去离子水倍率，吸生理盐水（0.9%NaC1（质量分数））倍率。2010年农业部修订的《农林保水剂》（NY886—2010）标准为中华人民共和国农业行业标准，其主要技术指标为：吸水倍率100～700 g/g，吸盐水（0.9%NaC1）倍率≥30 g/g。

影响吸水材料吸液能力的主要有内因和外因两方面。内因包括吸水材料的种类、组成、分子量、交联度、基团等；外因包括环境温度、吸水材料的浓度、所吸液体的组成、离子强度、pH值等。

杜建军等[9]研究了不同吸水倍率的聚丙烯酰胺型、聚丙烯酸盐型、淀粉接枝型高吸水性树脂与氮、磷、钾肥料的相互影响，化学肥料能显著降低高吸水性树脂的吸水倍率，并随肥料浓度的增加，高吸

水性树脂吸水倍率显著降低.供试肥料对高吸水性树脂的影响程度过磷酸钙>磷酸一铵>硫酸钾>氯化铵>硫酸铵>氯化钾>尿素。

苟春林等[10]研究不同阴、阳离子对保水剂吸水性能的影响。随着各种离子浓度的增加，保水剂的吸水倍率下降。各种阳离子对保水剂吸水倍率的影响得出的共同结论为：三价阳离子>二价阳离子>一价阳离子。

徐继红等[12]考察了无机盐溶液的浓度、金属离子价态、溶液pH和单体总含量等因素对CMC-g-PAMPS树脂吸水倍率的影响。吸水倍率随无机盐溶液浓度的增加而减小；在不同价态金属离子盐溶液中，吸水倍率大小的顺序为：NaCl>CaCl2>AlCl3；在相同价态的金属阳离子盐溶液中，CMC-g-PAMPS树脂的吸水能力接近；CMC—g—PAMPS 树脂在pH=4～8内能保持较高吸水倍率。

栗海峰等[14]研究了海泡石粘土在0%～10%及20%～150%添加量范围对复合材料的吸水保水、重复吸水及抗电解质溶液性能的影响。海泡石添加量在4%和40%～60%范围时，复合材料的吸蒸馏水倍率达到极大值。海泡石添加量大于60%时，复合材料吸水倍率急剧下降。复合材料吸蒸馏水的倍率随各电解质溶液离子强度的升高而不断降低，且海泡石粘土添加量高的复合材料对外界溶液离子强度的敏感程度较高。

3.2 保水性能

保水能力是指吸水后的膨胀体能保持所吸收的水溶液处于不离析状态的能力。它可通过测量水凝胶在不同环境条件下水的蒸发速率