高吸水樹脂的性能及農(nóng)業(yè)應(yīng)用展望

徐磊等

摘要：高吸水性樹脂作為一種新型的功能高分子材料，具有大量化學(xué)親水基團(tuán)，既可以吸收水分溶脹，又能保持水分，吸水能力可達(dá)自身重量的數(shù)百乃至數(shù)千倍，作為土壤保水劑不但能提高土壤保水性能，還能提高土壤的保肥能力，同時(shí)，它還能促進(jìn)植物根系生長，提高出苗率和移栽成活率，在農(nóng)林和園藝中被廣泛應(yīng)用。在介紹高吸水樹脂種類的基礎(chǔ)上，分析了各種吸水樹脂在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用情況，總結(jié)了國內(nèi)科研單位對(duì)高吸水樹脂的相關(guān)研究基礎(chǔ)，并對(duì)其農(nóng)業(yè)應(yīng)用進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：高吸水樹脂；保水；農(nóng)業(yè)應(yīng)用

中圖分類號(hào)： TQ320.79 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)：1002-1302（2014）04-0016-02

收稿日期：2013-08-01

基金項(xiàng)目：江蘇省農(nóng)業(yè)科技自主創(chuàng)新資金[編號(hào)：CX（13）3031]。

作者簡介：徐磊（1985—），男，江蘇鹽城人，碩士，助理研究員，主要從事先進(jìn)材料在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用研究。E-mail：xuleijy@gmail.com。高吸水性樹脂（super-absorbent polymer，SPA）又稱超強(qiáng)吸水劑，是一種新型的功能高分子材料，吸水能力可達(dá)自身質(zhì)量的數(shù)百乃至數(shù)千倍。與普通吸水或吸濕材料（如脫脂棉、海綿、瓊脂、硅膠、氯化鈣和活性炭等）相比，高吸水樹脂含有大量化學(xué)親水基團(tuán)，具有吸收水分溶脹、保持水分不外流的優(yōu)異性能，吸水量大，吸水速度快、保水能力強(qiáng)，廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、林業(yè)、衛(wèi)生行業(yè)、工業(yè)堵漏材料等[1-5]。近幾年來，關(guān)于高吸水樹脂在農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用越來越受到重視，它在農(nóng)林、園藝中作為土壤保水劑被廣泛使用，通過迅速吸收自身重?cái)?shù)百倍乃至千倍的水，然后從土壤中慢慢釋放出來，不僅能提高土壤保水性能，還能提高土壤的保肥能力，既能促進(jìn)植物根系的生長，又具有提高出苗率、移栽成活率等作用[6-9]。美國20世紀(jì)70年代開始在玉米、大豆上應(yīng)用高吸水樹脂，目前已成為美國農(nóng)場主、林業(yè)主、苗圃商、庭園主及其“綠色”產(chǎn)業(yè)改善水分管理的重要工具；法國、英國、意大利、埃及常在干旱地區(qū)使用保水劑改良土壤；日本20世紀(jì)80年代大量生產(chǎn)土壤保水劑，出口中東國家用于沙漠地區(qū)的種植業(yè)。我國對(duì)保水劑的研制與應(yīng)用較晚，目前已引起了各方面的重視[10-13]。

1高吸水樹脂的分類

高吸水性樹脂發(fā)展很快，種類日益增多，原料來源也相當(dāng)豐富。高吸水性樹脂是一類具有親水基團(tuán)和交聯(lián)結(jié)構(gòu)的大分子聚合物，最早由Fanta 等采用淀粉接枝聚丙烯腈再經(jīng)皂化制得，在分子結(jié)構(gòu)上帶有大量的化學(xué)親水基團(tuán)，具有低交聯(lián)度，部分結(jié)晶結(jié)構(gòu)不盡相同，形成了一些各自不同的特點(diǎn)。高吸水樹脂按原料劃分，可分為合成聚合物系、淀粉系、纖維素系3大類。

1.1合成高分子高吸水性樹脂

合成高分子高吸水性樹脂的原料大多來源于石油化工，如聚乙烯磺酸鹽、交聯(lián)丙烯酸鹽聚合物、聚不飽和羧酸及其衍生物、聚乙烯基醚等，原料豐富易得，相關(guān)產(chǎn)品主要為改性聚乙烯醇和聚丙烯酸鹽系列。

聚丙烯酸鹽類高吸水樹脂與淀粉等天然高分子接枝共聚物相當(dāng)，吸水率高，而且由于分子中沒有多糖結(jié)構(gòu)，產(chǎn)品不易腐敗，凝膠強(qiáng)度高，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，產(chǎn)品綜合性能好，具有生產(chǎn)效率高、工藝簡單、生產(chǎn)成本低、吸水能力強(qiáng)、產(chǎn)品保質(zhì)期長等優(yōu)點(diǎn)，成為當(dāng)前該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

聚乙烯醇類高吸水性樹脂工藝相對(duì)復(fù)雜，成本較高，但由于聚合物中存在親水性官能團(tuán)—OH，因而除了具有一般吸水性樹脂的性能外，還具有其他吸水樹脂所不具備的優(yōu)良性能，如耐鹽性好、凝膠強(qiáng)度高。與其他吸水樹脂相比，聚乙烯醇類高吸水性樹脂具有的最大優(yōu)越性在于吸水后易向土壤、沙層釋放，可保持土壤的濕潤，是解決全球性糧食問題和改造沙漠問題的一種重要的可能途徑，在這方面國內(nèi)只有少數(shù)單位開展了相關(guān)工作。

目前，世界高吸水樹脂生產(chǎn)中聚丙烯酸鹽類占到80%，該類吸水樹脂被廣泛應(yīng)用于食品、衛(wèi)生等行業(yè)，研究已相對(duì)成熟，但在農(nóng)業(yè)應(yīng)用方面少有成效，主要是因?yàn)榫郾┧猁}類與土壤混合后，在短時(shí)間內(nèi)可以起到一定的保水作用，但隨著反復(fù)使用次數(shù)的增多，吸水與保水能力大幅度下降。聚乙烯醇類吸水樹脂在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用也遭遇同樣的難題。因此，合成聚合物系高吸水樹脂在工業(yè)、衛(wèi)生領(lǐng)域應(yīng)用已經(jīng)非常成熟，占據(jù)現(xiàn)有吸水樹脂的大部分市場，但在農(nóng)業(yè)上，由于其重復(fù)吸水次數(shù)少而限制了其應(yīng)用。

1.2淀粉系高吸水樹脂

淀粉系高吸水性樹脂一般由天然淀粉改性處理得到。由于天然淀粉原料來源豐富、價(jià)廉，因而受到人們的普遍關(guān)注，這方面的研究開發(fā)也較多。為降低該類高吸水性樹脂的成本，淀粉原料主要采用價(jià)位比較低的馬鈴薯淀粉、玉米淀粉等。淀粉改性一般進(jìn)行接枝共聚改性或羧甲基化處理。在淀粉接枝共聚改性方面，常與之接枝的有丙烯腈、丙烯酸、丙烯酰胺、丙烯酸酯等單體，生產(chǎn)時(shí)一般需經(jīng)過糊化和堿水解等工藝處理。淀粉系高吸水性樹脂按照淀粉接枝基團(tuán)的不同又可分為淀粉接枝丙烯酸鹽類高吸水性樹脂、淀粉接枝丙烯酰胺類高吸水性樹脂、淀粉接枝多種類型單體合成高吸水性樹脂3類。天然淀粉類高吸水性樹脂具有吸收能力強(qiáng)、吸收速度快、原料來源豐富、價(jià)格較低廉、用途較廣泛等特點(diǎn)；但是因其含有淀粉，表現(xiàn)出耐熱性較差、長期保水性不足、吸水后易積聚成團(tuán)等問題，且容易發(fā)生腐敗分解，難以長期貯存。

1.3纖維素系高吸水樹脂

纖維素類高吸水性樹脂吸水性能比較差，通常需要借助化學(xué)接枝的方法來改善其吸水性。纖維素類接枝方法主要有2種，一是直接與親水性單體接枝共聚，這種方法與淀粉接枝類似；二是將一氯乙酸與纖維素反應(yīng)，引入羧甲基后再用交聯(lián)劑進(jìn)行交聯(lián)而成，用這種方法生產(chǎn)的高吸水性樹脂吸水率仍然不高，易受微生物分解而失去保水功能，一般主要用于制作高吸水性織物，通過與合成纖維混紡，改善產(chǎn)品的最終性能。

纖維素類高吸水性樹脂較低的吸水能力是限制其得到更加廣泛應(yīng)用的重要原因。將纖維素類吸水樹脂與其他材料復(fù)合，進(jìn)而制備特定的功能性材料，是該類高吸水性樹脂發(fā)展的重要方向，如用于制備高吸水乙酸纖維素膠囊膜等。

2高吸水樹脂的農(nóng)業(yè)應(yīng)用前景分析

高吸水樹脂可吸收大量水分，保水性非常強(qiáng)，具有吸水可逆性，在農(nóng)業(yè)保水抗旱、節(jié)水、農(nóng)作物增產(chǎn)、植樹造林、沙漠治理、作種子保水劑、提高發(fā)芽率、防止根部干燥、減少移植休克、提高成活率等方面都具有廣泛的用途。它可以作為土壤的改良劑與保水劑，用以改良土壤的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，增加土壤的透氣性和透水性，縮小土壤的晝夜溫差，大大增強(qiáng)抗旱效果，還能吸收肥料、農(nóng)藥，防止肥料、農(nóng)藥以及水土流失，并使肥料、農(nóng)藥、水緩慢釋放，增強(qiáng)肥料及農(nóng)藥使用效果。此外，高吸水性樹脂也用于無土栽培、菌種培育和培養(yǎng)、蘑菇培育和生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)及園林等作物產(chǎn)品生產(chǎn)以及果實(shí)、蔬菜及鮮花的生產(chǎn)與保鮮、保水、儲(chǔ)存、防霉、防腐等，許多國家還用它改造沙漠。我國從20世紀(jì)80年代開始研究高吸水性樹脂，已廣泛用于糧食作物、經(jīng)濟(jì)作物、花卉、蔬菜、果樹林木、草坪培植等方面。

目前，高吸水性樹脂在農(nóng)藝園林方面的應(yīng)用還非常有限，主要是因?yàn)樗某杀鞠鄬?duì)較高，而且在土壤中吸水能力不夠，反復(fù)使用性較差，但高吸水性樹脂在農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用還具有很大潛力。今后，應(yīng)重點(diǎn)開發(fā)高吸水、保水并能反復(fù)使用且成本較低的高吸水性樹脂，進(jìn)一步加強(qiáng)利用高吸水性樹脂改良干旱貧瘠土壤，特別是改造沙漠方面的研究[14-15]。

3發(fā)展方向

我國高吸水性樹脂研究工作起步較晚，從20世紀(jì)80年代才陸續(xù)開展相關(guān)研究。北京輕工業(yè)學(xué)院等單位進(jìn)行的“九五”重點(diǎn)課題“高吸水性樹脂在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用技術(shù)”研究，已經(jīng)通過中試，進(jìn)入后期應(yīng)用試驗(yàn)階段；吉林省將高吸水性樹脂用于苗木移栽，新疆、河南和甘肅等?。ㄊ?、區(qū)）用其改良土壤，但由于高吸水性樹脂價(jià)格較高，收效不是十分明顯。

淀粉類高吸水性樹脂降解性能好，原料來源廣泛，對(duì)環(huán)境不造成污染，成為高吸水性樹脂領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。將淀粉類高吸水性樹脂應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，需降低生產(chǎn)成本、提高產(chǎn)品適應(yīng)性和重復(fù)吸水、釋水的能力，克服在應(yīng)用中發(fā)生霉變等難題。因此，可以從以下幾個(gè)方面開展研究：（1）選擇優(yōu)良的引發(fā)劑，使其具有高引發(fā)效率且降低引發(fā)成本。目前新的研究動(dòng)向是將樹脂與復(fù)合材料混合，通過聚合反應(yīng)來制備復(fù)合型高吸水性樹脂。（2）改進(jìn)產(chǎn)品的合成工藝路線，如用新型接枝交聯(lián)合成技術(shù)來提高吸水速率，或?qū)⒎磻?yīng)與干燥一步進(jìn)行，即將反應(yīng)單體放入鼓風(fēng)烘箱中，在高溫作用下使反應(yīng)與干燥一步進(jìn)行，大大降低生產(chǎn)成本。（3）從改性原料入手，應(yīng)用變性淀粉或在淀粉上接枝共聚功能單體單元，提高樹脂的性能，擴(kuò)大應(yīng)用范圍。

4小結(jié)

淀粉類高吸水性樹脂具有較好的吸水和保水能力，對(duì)它的研究越來越受到各國的重視，將它用在農(nóng)林業(yè)上，不但可以提高樹木的成活率、治理土地沙化，更重要的是，使用完后不給環(huán)境造成污染，能夠最大限度體現(xiàn)農(nóng)業(yè)價(jià)值，具有很高的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益。目前高吸水性樹脂的研究工作主要集中在合成系高吸水性樹脂方面，其應(yīng)用也局限于衛(wèi)生行業(yè)，在農(nóng)業(yè)中還少有基礎(chǔ)理論研究及相關(guān)數(shù)據(jù)支撐，因此加強(qiáng)這方面的研究工作十分迫切。

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