黄原胶/玉米淀粉型农用保水剂的制备与性能研究

杨玉娜

渭南职业技术学院（渭南 714026）

水是人类生存、作物生长的先决条件且不可代替，也是经济社会可持续发展的基础[1]。由于干旱胁迫农作物减产所造成的损失是其他因素导致农作物减产的总和[2]，而我国干旱、半干旱地区占国土总面积的51%，0.5亿 hm2耕地中没有灌溉条件的旱地约占耕地总面积的65%，干旱地区植被成活率仅20%，我国农业用水占总用水量的73.4%[3]，我国农业用水量非常大，但同时存在水资源短缺、浪费等严重问题。因此要使我国的农业生产得以稳步发展，就要有效利用各种先进技术，进一步发展节水灌溉、旱地农田节水保水技术[4]。而我国已在节水灌溉技术和示范区建设等方面取得较大的进展，并将节水灌溉技术大面积推广应用，取得很好的效果[5]。与灌溉方式相比，保水剂不需要前期巨大的铺设成本，且能够反复吸水放水，这些都是保水剂节水方式的优点[6-7]。保水剂施入土壤中后，会快速吸收土壤中的水分，降低地下渗漏和土壤表面蒸发，减少水分流失，并且可以反复吸水、释水，在土壤中形成一个“微型水库”[8]，土壤含水量降低时就会逐步释放其储藏的水分，供植物吸收利用，保水剂还可将土壤中的营养分离子暂时保存起来，因此，保水剂既可以保水、保土，也具有保肥功效。保水剂具有吸水多且快、保水强、无毒无害等优点，被广泛应用于工业、农林、食品、建筑、园艺、卫生等多个领域，应用前景广阔[9-13]。国际上认为保水剂会像化肥、农药、地膜一样，成为第4种会得到普及的农用化学制品[14]。

中国是糯玉米的起源地，具有丰富的种植资源，而玉米淀粉在纺织、食品、胶黏剂等行业具有独特的用途[15]，试验以淀粉、黄原胶、海藻酸钠为主要原料，采用水溶液聚合法合成一种可降解、吸水抗盐性能优良的绿色环保型农用保水剂，有望解决现有化学保水剂存在的吸盐水率低、降解性能差、环境污染严重等问题。

1 材料与方法

1.1 试验原料

玉米淀粉（工业级，河南省绿邦生物技术有限公司）；海藻酸钠（工业级，连云港丰运海藻有限公司）；黄原胶（分析纯，天津市福晨化学试剂厂）；碳酸氢钠、丙烯酸（均为分析纯，天津市富宇精细化工有限公司）；羧甲基纤维素（分析纯，国药集团化学试剂有限公司）；氢氧化钠（分析纯，广东光华科技股份有限公司）；N-N-亚甲基双丙烯酰胺、无水乙醇[均为分析纯，麦克林（上海）试剂有限公司]。

1.2 试验仪器

DF-101S型集热式恒温加热磁力搅拌器（郑州汇成科工贸有限公司）；DHG-9035A型真空干燥箱（上海一恒科学仪器有限公司）；KQ-300DE型恒温水浴锅（昆山市超声仪器有限公司）；TDZ5-WS型离心机（湖南湘仪仪器开发有限公司）；SCIENTZ-10N型电热恒温鼓风干燥箱（宁波新芝生物科技有限公司）；BSA124S型电子分析天平（赛多利斯科学仪器）。

1.3 试验制备

在装有电动搅拌器、冷凝管的三颈烧瓶中加入去85 mL离子水、7.5 g玉米淀粉和7.5 g黄原胶（XG），置于恒温水浴锅，搅拌升温至85 ℃，使玉米淀粉充分溶胀、糊化1 h；加入海藻酸钠、羧甲基纤维素（CMC）、中和后的丙烯酸（AA）、N-乙二胺（AEEA）的混合液，使其搅拌充分混合均匀0.5 h，加入7.5 g交联剂N,N’-亚甲基双丙烯酰胺（MBA）、0.4 g引发剂过硫酸钾（KPS），使其充分反应3 h，所得反应产物用无水乙醇进行洗涤，即得高吸收性树脂保水剂。

1.4 吸水倍率测定

保水剂的吸水能力一般用吸水倍率来表示，即单位质量保水剂吸水或0.9% NaCl溶液至饱和状态时，所吸收液体的质量或者体积与未吸水前保水剂的质量之比，用符号Q表示，单位为g/g或mL/g，试验采用吸水前后保水剂质量之比表示吸水倍率。将一定质量的保水剂置于过量去离子水或0.9% NaCl溶液中浸泡，吸液饱和后，置于0.075 0 mm孔径（200目）尼龙网袋中过滤至无液滴滴下，称量吸液饱和后的高吸水性树脂质量，吸水倍率按式（1）计算。

式中：m1为高吸水性树脂吸液前质量，g；m2为高吸水性树脂吸液后质量，g。

2 结果与讨论

2.1 单因素试验结果

2.1.1 海藻酸钠用量对保水剂吸水性能的影响

海藻酸钠在反应过程中为引发剂提供引发的活性分子，使其与丙烯酸进行反应，进而形成网络交联结构，可促进化学反应的进行。同时海藻酸钠带有大量亲水基团，对保水剂的吸水倍率有一定的提高作用。海藻酸钠用量较小时，保水剂的吸水性能随着海藻酸钠用量的增加而提高，这是由于其亲水基团的增加提供更多的活性引发点。海藻酸钠用量过大时，由于反应物量的含量过多，亲水基团的活性被迫降低，抑制化学反应的进行，从而使其产物保水剂的吸水性能下降。因此探索海藻酸钠在反应过程中的用量对产物保水剂的吸水性能的影响十分必要。在其他条件不变的情况下，改变海藻酸钠用量，以考察海藻酸钠用量对保水剂性能的影响，结果如图1所示。

图1 海藻酸钠用量对保水剂吸水性能的影响

海藻酸钠用量不同，会对产物的性能产生一定影响，海藻酸钠的用量小于4.5 g时，反应过程中反应活性点增多，同时海藻酸钠提供更多亲水基团，因而使其保水剂对自来水、去离子水、0.9% NaCl的吸水性能随海藻酸钠用量的增大而增大。海藻酸钠用量为4.5 g时，其吸水性能达到最佳。海藻酸钠用量大于4.5 g时，由于反应物过量，抑制活性点，反应不能充分进行，使其产品保水剂对自来水、去离子水、0.9%NaCl的吸水性能迅速降低。综合考虑，海藻酸钠用量选择4.5 g，此时产物保水剂对去离子水、自来水、0.9% NaCl的吸水性能较好。

2.1.2 黄原胶/淀粉糊化时间对保水剂吸水性能的影响

在其他条件不变的情况下，改变黄原胶、淀粉的糊化时间，以考察不同糊化时间对保水剂产物保水性能的影响，结果如图2所示。

图2 糊化时间对产物吸水性能的影响

黄原胶/淀粉糊化时间的不同对产物保水剂的性能产生一定影响。黄原胶/淀粉糊化时间小于1 h时，产物保水剂随糊化时间的增长，其对自来水、去离子水、0.9% NaCl溶液的吸水性能得到提高。糊化时间在1 h左右时，吸水性能达到最佳。时间大于1 h时，保湿剂产物的性能随着糊化时间的增长而降低。因为黄原胶/淀粉在较高温度下的时间过长，将导致糊化后化学键断裂，进而影响化学反应的进行，导致反应产物保水剂合成率降低。综合考虑，黄原胶/淀粉糊化时间选择1 h，此时产物保水剂对去离子水、自来水、0.9% NaCl的吸水性能较好。

2.1.3 反应温度对保水剂吸水性能的影响

在进行化学反应过程中，温度主要作用是提供能量给活化分子，在反应物用量一定的情况下，提高反应环境的温度，反应体系中活化分子的数量将得到增多，进而提高反应物的有效碰撞概率，使其加快链转移速度与自由基的碰撞结合，链终止概率增加，在一定范围内自由基的接枝率增大。但是反应环境温度过高，则会导致反应物发生暴聚，产物的相对分子质量减小，同时反应物自身也会发生均聚，进而导致产物的相对分子质量较小，分子链较短，分子链之间无法形成相互交联和缠结的网状结构，产物吸水后没有完整的溶胀空间，吸水性能较差。在其他条件不变的情况下，改变反应温度，以考察不同反应温度对保水剂性能的影响，结果如图3所示。

图3 反应温度对产物吸水性能的影响

反应温度不同，会对产物的性能产生一定影响，反应温度低于80 ℃时，随着反应温度的提高，反应体系中活化的分子数量增加，有效碰撞得到提高，有利于产物保水剂的高效合成，因而使保水剂对自来水、去离子水、0.9% NaCl的吸水性能随反应温度的增高而提高。反应温度在80 ℃左右时，其吸水性能达到最佳。反应温度高于80 ℃时，随着反应温度的提高，反应物将会产生暴聚，丙烯酸自身也会发生均聚，导致产物保水剂的分子链较短，进而影响其吸水性能。综合考虑，反应温度选择80 ℃左右，此时产物保水剂对去离子水、自来水、0.9% NaCl溶液的吸水性能较好。

2.1.4 丙烯酸用量对保水剂吸水性能的影响

丙烯酸是一种非常活泼的亲水性单体，其自身极易发生均聚反应，试验通过采用稀释和氢氧化钠中和的方法降低丙烯酸的活性，进而达到控制反应进程的效果。在其他条件不变的情况下，改变丙烯酸用量，以考察不同丙烯酸用量对保水剂性能的影响，结果如图4所示。

图4 丙烯酸用量对高吸水性树脂的影响

丙烯酸用量的不同可引起产物的吸水性能的改性。丙烯酸用量小于7.5 g时，随着丙烯酸用量的增加，生成物保水剂分子链中—COO—比例增加，解离产生的阳离子浓度增加，进而增大分子内外的渗透压，由于静电排斥的作用，其生成物的分子链发生扩张，进而使产品可形成更大的储水空间，增加产物的吸水性能。丙烯酸用量为7.5 g时，反应产物保水剂的保水性能最佳。丙烯酸用量大于7.5 g时，随着丙烯酸用量的增加，产物保水剂的吸水性能逐渐降低，主要是因为过高的中合度导致反应时间过长，产物无法形成高分子聚合物，同时大量的阳离子对分子链上的阴离子产生屏蔽作用，分子链之间的扩张受阻，产物的吸水性能降低。综合考虑，丙烯酸用量选择7.5 g左右，此时产物保水剂对去离子水、自来水、0.9% NaCl溶液的吸水性能较好。

2.1.5 发泡剂用量对保水剂吸水性能的影响

发泡剂是指一类掺进聚合物体系中，在发生反应过程中可适时释放气体，进而使高分子材料形成微孔的助剂，可使生成物形成多孔结构，有助于提高产物的吸水性，NaHCO3就是一种较好的发泡剂，在其他条件不变的情况下，改变发泡剂用量，以考察不同发泡剂用量对保水剂性能的影响，结果如图5所示。

图5 发泡剂用量对高吸水性树脂的影响

发泡剂用量不同，会对产物的性能产生一定的影响。发泡剂用量小于1.4 g时，随着发泡剂用量的增加，反应物释放出的气体随着增加，有助于产物保水剂形成多孔的结构，因而使保水剂对自来水、去离子水、0.9% NaCl的吸水性能随反应温度的提高而提高。发泡剂用量为1.4 g时，其吸水性能达到最佳。发泡剂用量大于1.4 g时，形成的微孔结构不会随着NaHCO3用量的增加而变多，反而会抑制孔状结构的形成，导致形成的高吸水性树脂吸水性能降低。综合考虑，发泡剂用量选择1.4 g，此时产物保水剂对去离子水、自来水、0.9% NaCl的吸水性能较好。

2.2 保水性能测试

当玉米淀粉7.5 g、黄原胶7.5 g、糊化时间1 h、海藻酸钠4.5 g、反应温度80 ℃、丙烯酸用量7.5 g、发泡剂用量1.4 g、引发剂用量0.4 g、交联剂用量1.2 g时，产物保水剂的保水性能较好。并对在上述最佳工艺条件下合成的保水剂的保水性能进行测试试验。

以50 g土壤为基数，测试保水剂在土壤中不同质量比的吸液能力，如图6所示。随着保水剂质量比的增加，其对去离子水、自来水和盐水的吸收能力都在增加。同时考虑保水剂成本增加，土壤保水剂用量2%时，该保水剂对去离子水的吸水性最高可达875 g，对自来水吸水可达686 g，吸盐水可达205 g。如果将其应用于干旱地区或盐碱地，就可以很好地提高土壤的吸液能力，有利于解决因水资源短缺造成的农作物减产问题。

图6 高吸水性树脂在土壤中的吸液能力

3 结论

试验以黄原胶、玉米淀粉、海藻酸钠为主要原料，通过水溶液聚合法合成绿色可降解的吸水性能良好的农用保水剂，有望解决现有化学保水剂存在的吸盐水率低、降解性能差、环境污染严重等问题。

考察玉米淀粉/黄原胶糊化时间、海藻酸钠用量、反应温度、丙烯酸用量、发泡剂用量等主要因素对产物保水剂保水性能的影响，并采用单因素试验法优选出制备农用保水剂的最佳合成工艺条件。

当玉米淀粉7.5 g、黄原胶7.5 g、糊化时间1 h、海藻酸钠4.5 g、反应温度80 ℃、丙烯酸用量7.5 g、发泡剂用量1.4 g、引发剂用量0.4 g、交联剂用量1.2 g时，其产物保水剂有较好的保水性能，可起到节约水资源、提高土壤通透性、有效改良土壤结构、改善土壤生态环境的作用。