保水剂及其在岩石边坡生态恢复中的应用

保水剂的生产及应用

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2014年 5 月26 日

保水剂生产及应用

摘要：保水剂（高吸水性树脂）是七十年代中期发展起来的一种新型功能高分子材料，它具有吸水、保水能力特别强的特点。到目前为止，保水剂在工业、农业(特别是节水农业)、建筑、医疗卫生等方面都有比较广泛的应用。

关键词：保水剂；高吸水性树脂；

0 前言

水是人类生活和生产活动不可缺少的重要资源，是经济社会可持续发展的基础，也是作物生长和提供农产品的先决条件。地球实际可利用淡水量只有总储水量的十万分之三左右，且淡水分布极不均匀。我国水资源总量 2.8 万亿m3，占世界第四位，人均水资源仅有2154m3，为世界人均水平的1/4，在世界银行进行多年连续统计的132个国家中居第82 位.每公顷平均水资源占有量27000m3，也只有世界平均水平的2/3，中国北方己被联合国列入世界水资源最贫乏的13 个国家和地区之一（水利部和国家纪委，1999）。同时，受大陆性季风气候的影

响，我国水资源时空分布极不均匀，年内和年际间变化差异很大。与人口、耕地、矿产资源分布极不协调，使水资源的开发利用难度很大。

我国水资源的特点一是地区分布不均，长江及其以南的流域面积占全国总面积的36.5%，其水资源量却占全国总量的81%，黄河及其以北流域面积占全国总面积的63.5%，其水资源量仅占全国总量的19%，更加剧了我国的缺水状况;二是降水的年内年际分配极不均匀，全国大部分地区年内连续四个月降水量占全年的70%左右，这就决定了中国是一个水旱灾害频繁的国家。干旱是植物常常遭受的逆境胁迫之一。全世界约有三分之一的耕地处于干旱半干旱状态，而其它可耕地也常常因遭受干旱而减产。目前世界性水分亏缺导致作物的减产量超过其它因素的总和。地球上干旱面积占52%以上，而我国干旱、半干旱地区占国土总面积的51%，0.5 亿公顷耕地中没有灌溉条件的旱地约占耕地总面积的65%，干旱地区植树造林成活率仅为20%。全国每年因干旱减少粮食100 亿公斤以上，直接经济损失也在100 亿元人民币以上。在干旱半干旱地区，水越来越成为国民经济发展的重要制约因素之一，因此提高水的有效利用率是农业可持续发展的重要问题。

1 保水剂发展与应用简史

保水剂又称土壤保水剂、高吸水剂、高吸水性树脂、高分子吸水剂，是利用强吸水性树脂制成的一种超高吸水保水能力的高分子聚合物。它能迅速吸收比自身重数百倍甚至上千倍的水分，并能保持住水，使之不再向其它方向流动。保水剂具有高度的亲水性，但自身并不溶于水，而且具有反复吸水功能，吸水后膨胀为水凝胶，可缓慢释放水分供作物吸收利用，从而增强土壤保水性，改良土壤结构，减少水的深层渗漏和土壤养分流失，提高水分利用率。

人类生活、生产及工作中常用的吸水性物质很多，如人们日常生活使用的毛巾、餐巾、抹布等；医药卫生中使用的脱脂棉、纸尿布、卫生纸、卫生巾等；以及作为吸湿干燥用的硅胶、氯化钙、氧化钙、硫酸、分子筛等。这些吸水和吸湿材料来源广泛，价格低廉；但吸水能力小，仅能吸收自身重量的百分之几十至十几倍的水；且吸水后，加压易失水，保水能力很差，远远不能满足人们的需求。因此，它们的应用受到了极大的限制，必须开发性能更好的吸水性材料。

2 保水剂的分类及制备方法

保水剂自问世以来发展很快，产品的种类繁多，可按原料来源、亲水基团的种类、交联方法、制品形态等进行分类。从原料方面分，有淀粉系(淀粉——聚丙烯酞胺型、淀粉——聚丙烯酸型、淀粉——聚丙烯腈接枝共聚物)、纤维素系(羧甲基纤维素型、纤维素型)、合成聚合物系(聚丙烯酸型、聚乙烯醇型、聚丙烯腈型、聚环氧乙烷系等)；从制品形态分有粉末状、薄膜状、纤维状、液态状球状、非固定型，此外，还可从亲水化和不溶化等方面分类。目前应用的保水剂主要是高分子类聚合物。按高分子分类，可分为天然高分子类和合成高分子类，天然高分子类主要以淀粉系列为主，即用天然高分子原料与合成单体接枝共聚，合成高分子类主要以丙烯酸类和聚乙烯醇类为主，用合成单体经交联共聚制得。

淀粉是一种多羟基天然化合物，作为合成高聚物的原料，它有来源广泛、种类繁多、价格相对低廉等优点。和淀粉进行接枝共聚反应得单体主要是亲水性和水解后变为亲水性的烯类单体。淀粉接枝共聚反应有离子型接枝共聚和自由基接枝共聚两种类型，目前通常采用的是后者。淀粉可与丙烯腈，丙烯酸盐/酯，丙烯酰胺等进行接枝共聚而制得高吸水性聚合物。淀粉系高吸水性树脂虽然产品吸水倍率较高，但制备过程复杂，工业化后处理比较麻烦。而且淀粉作为一种天然高分子，产品耐热性差，易腐烂分解，难以贮存。所以近年来人们对该类高吸水性树脂的研究已开始逐渐减少。

纤维素和淀粉一样，原料来源也相当广泛而且可以和多种低分子反应。一般来讲，纤维素系高吸水性树脂的吸水能力要低于淀粉系，但可以直接制得纤维状高吸水性材料，制成高吸水性织物，还可与合成纤维混纺，而改善织物最终产品的吸水性能，这些都是淀粉系高吸水性树脂所不能比拟的优点。因此，纤维素系高吸水性树脂已经成为近十年来吸水性材料发展的一种重要方面。纤维素系高吸水性树脂的制备方法主要有醚化-酯化法，酯化法和接枝共聚法等，其中应用较多的是接枝共聚法。接枝共聚法所采用的原料既可以是毛纤维，韧皮纤维和水质纤维一类的天然纤维，也可以是甲基纤维素，羟甲基纤维素和乙基纤维素等一类的纤维素衍生物，还可以是人造丝一类的人造纤维等。一般来说，天然纤维接枝是发展的一个重要方向，因为它无需制成衍生物，这样就有利于降低成本。目前纤维素基吸水性树脂存在的主要问题是吸水能力较低，因此，如何改善此类吸水材料的性能是人们进一步研究的主要目标。

合成树脂系高吸水性材料又可以细分为聚丙烯酸系、聚乙烯醇系、共聚类等，其中对聚丙烯酸系高吸水性树脂研究的比较多。合成类高吸水性树脂的制备方法主要有溶液聚合、反相悬浮聚合和反相乳液聚合三种方法，也有辐射引发聚合，微波引发聚合以及喷雾聚合等新方法。最近几年又发展起一种共混/复合高吸水性材料。可称为共混/复合物系。高吸水树脂保水剂具有超强吸水能力，吸水能力为自身重量的数百倍至上千倍，最高可达5300 倍。保水剂吸水速度快，在几秒钟内就能吸收几百倍的水分，被吸收液体呈凝胶状。但吸水率受被吸液的性质、pH 值等影响很大。保水剂保水能力很强，所吸水分可缓慢放出，使土壤干燥速度变慢，在一定吸力下水分可释放出供作物利用。

3 保水剂的应用

3.1 在医疗卫生方面的应用

保水剂作为医用材料引起人们的注意是在1960年Wichterle等关于聚甲基丙烯酸-2-羟乙酯(PHEMA)的水凝胶研究成果发表以后。现在对于保水剂在生物体中的适应性已经有不少学者进行了这方面的研究，研究结果表明来自天然生物的吸水性物质，某些合成和半合成的保水剂，具有一定的生物体适应性。保水剂具有极强的吸水性和保水性，可制成和生物体含水量相近的各种组织材料，而且医药用高吸水性材料吸水后形成的凝胶比较柔软，具有良好的生物体适应性，也就是说它能够适应生物环境，不引起生物体病变，而且能更好地发挥生物体各种正常功能。对于人体来说，医药用保水剂材料吸水后形成的凝胶对人体无刺激性、无副反应、不发生炎症、不引起血液凝固等等，这些都为其在医药上的应用创造了条件。近年来，保水剂已被广泛应用于医药、医疗卫生的各个方面。

保水剂在生理卫生用品方面的应用是比较成熟的一个领域，保水剂的超强吸水能力和保水能力使得生理卫生方面的产品大大轻便化、小型化、舒适化，消除了人们的很多苦恼。如婴儿襁褓、纸尿布、失禁布、妇女卫生巾、卫生棉、止血拴、手术垫、手术手套、手术上衣、医用床垫等产品中都应用了高吸水性树脂。

3.2 在农林园艺方面的应用

最早在30 年前，美国农业部北方研究所研制出淀粉接枝丙烯腈高吸水性树脂，就是首先应用于农业，研究了高吸水性树脂对土壤保水、促进种子发芽和提