不同農(nóng)林保水劑的性能評價(jià)

陳加利 孫秀秀 陳宣 王春梅 戚華沙 盧慧波 鄭道君

摘要： ?選用10種保水劑品種，對其吸水倍數(shù)、吸水速率、保水性能和反復(fù)吸水性，以及反復(fù)吸水對保水能力的改變等進(jìn)行了較全面的評價(jià)。結(jié)果表明：不同保水劑，其性能差異顯著。供試品種間的吸水倍數(shù)差異極大（P<0.01），為37.25～558.13 g/g，6號品種最高。相同原料的保水劑品種隨顆粒由小變大，吸水倍數(shù)增加或下降，但是其達(dá)到飽和所需時(shí)間增加;且低于20目以下的品種，表現(xiàn)出較低的吸水速率。品種1、4、5、6號吸水速率在前1 min內(nèi)快速達(dá)到最高值，均在200 g/min以上，且在飽和前的平均吸水速率在70 g/min以上。同一原料的品種間，其提高的吸水倍數(shù)隨著顆粒直徑增大而增加;但不同保水劑其提高的趨勢不一樣，呈上升趨勢或先升后下降。

關(guān)鍵詞： ?保水劑; ?吸水倍數(shù); ?吸水速率; ?保水性

中圖分類號： ? S 482. 99 ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： ? A ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1001 - 9499（2021）04 - 0037 - 04

高吸水性聚合物（Super absorbent polymers， SAPs），俗稱為保水劑，是一種吸水和保水能力很強(qiáng)的高分子聚合物。它能夠吸收比自身重量重百倍、千倍的水，所吸收的水分有85%～95%以上是植物可以利用的有效水[ 1 - 2 ]，而且有反復(fù)吸水釋水的能力[ 3 ]。研究結(jié)果表明，保水劑具有增強(qiáng)土壤的保水性[ 4 ]，改良土壤結(jié)構(gòu)[ 5 ]，保溫、保肥、活化養(yǎng)分[ 6 ]等特點(diǎn)，其本身無毒無污染，在解決農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)過程中的區(qū)域性缺水和季節(jié)性缺水問題[ 7 ]，提高種苗存活率[ 8 ]、促進(jìn)作物長生[ 9 ]與高產(chǎn)方面[ 10 ]起到了良好的效果，已被廣泛應(yīng)用于農(nóng)林領(lǐng)域[ 11 ]。

由于不同保水劑的生產(chǎn)原料、制作工藝和顆粒大小不一樣，其保水性能存在顯著的差異，應(yīng)用效果差異大，限制了保水劑的實(shí)際應(yīng)用。近十年來，對保水劑在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的研究主要是保水劑應(yīng)用技術(shù)、提高植物成活率和產(chǎn)量、改善土壤物理性質(zhì)等方面[ 12 - 14 ]，對保水劑性能的評價(jià)則少見報(bào)道。本文將對10種保水劑進(jìn)行保水性能方面的系統(tǒng)評價(jià)，旨在為其他保水劑性能的比較與評價(jià)提供參考，為高性能保水劑生產(chǎn)和選用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1. 1 實(shí)驗(yàn)材料

選擇10種不同生產(chǎn)原料、制作工藝和顆粒大小的保水劑品種作為實(shí)驗(yàn)材料（表1），其中1、2與3號，4、5與6號，7、8與9號，以及10號分別為4個(gè)不同的生產(chǎn)廠家。

1. 2 實(shí)驗(yàn)方法

1. 2. 1 吸水倍數(shù)測量

每種保水劑品種設(shè)3個(gè)重復(fù)，每個(gè)重復(fù)保水劑顆粒用量0.2 g。將稱好的保水劑顆粒，放入干燥的培養(yǎng)皿（80 mm）中，再用大小適當(dāng)?shù)纳巢忌w住培養(yǎng)皿口，用橡皮筋扎緊。將培養(yǎng)皿放入純凈水中浸泡24 h，直至吸水飽和，取出后濾去未吸收的水分，用衛(wèi)生紙沾除沙布上多余的水分。稱量記錄飽和凝膠的重量，計(jì)算保水劑的飽和吸水倍數(shù)。飽和吸水倍數(shù)=（飽和凝膠的重量-0.2 g）/0.2 g。

1. 2. 2 吸水速率測量

浸泡和取出水面后的處理方法同1.2.1。分別置于純凈水中1、3、5、7、9、13、17、21、25、29、37、45、53、73 min。每個(gè)時(shí)間段取出水面，稱量計(jì)算獲得每個(gè)時(shí)間段的吸水倍數(shù)（Nt），直至保水劑的重量不再有變化，表明已達(dá)到飽和狀態(tài)。

每個(gè)時(shí)間段的吸水倍數(shù)（Nt）=（該時(shí)間段的凝膠的重量-0.2 g）/0.2 g。每個(gè)時(shí)間段的吸水速率（St）=Nt/t，t為各個(gè)時(shí)間段的時(shí)間。

1. 3 數(shù)據(jù)處理與分析

應(yīng)用SPSS20.0對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析和LSD多重比較;應(yīng)用EXCEL（2003）作圖。

2 結(jié)果與分析

2. 1 不同保水劑的吸水倍數(shù)差異

從圖1可以看出，不同保水劑的吸水倍數(shù)為37.25～558.13 g/g，差異極顯著（P<0.01），最高為6號，可達(dá)558.13 g/g，而10號僅為37.25 g/g。多重比較發(fā)現(xiàn)，除了1號和8號（P=0.407），以及7號和9號（P=0.168）間差異不顯著外，其他保水劑品種間的吸水倍數(shù)均達(dá)到極顯著差異（P<0.01）。同一廠家不同顆粒的品種，A廠家的品種隨著顆粒的變大，吸水倍數(shù)變小，從432.57 g/g（1號）下降至347.78 g/g（3號），品種間差異極顯著;而B和C廠家的保水劑則隨著顆粒的增大，吸水倍數(shù)有增加的趨勢。其中B廠家的品種可從303.70倍（5號）上升至558.13倍（6號），品種間差異極顯著;C廠家的3個(gè)品種雖然有增加趨勢，但7號與9號間差異不顯著，表明該廠家生產(chǎn)的保水劑隨著顆粒的增大其吸水倍數(shù)穩(wěn)定不變，吸水速率與顆粒大小無關(guān)（圖1）。

2. 2 不同保水劑的吸水速率

試驗(yàn)結(jié)果（圖2和表2）表明，不同保水劑吸水達(dá)到自身的飽和狀態(tài)所需時(shí)間差異明顯，為3～57 min，其中1、4號僅用3 min就達(dá)到飽和，6、10號分別需9 min 和7 min，2、5和7號需13 min，3、8和9號所需時(shí)間分別為25、37、53 min。

進(jìn)一步分析結(jié)果表明，1、4、5、6、7號在飽和前的平均吸水速率在60 g/min以上，分別為（206.71±3.30）、（213.29±1.50）、（72.59±0.88）、（115.47±0.66）、（67.48± 0.97）g/min;它們的吸水速率在前1 min內(nèi)快速達(dá)到最高值（除7號為113.10±2.71 外，其他均在200 g/min以上），再逐漸下降至飽和;其他品種均是先升高后下降，且3、8、9、10號的最高吸水速率僅在20 ?g/min左右，飽和前的平均吸水速率均在20 g/min以下。4號在前1 min內(nèi)的吸水速率最大，達(dá)到317.20 g/min（±2.40 g/min），10號僅為0.58 g/min（±0.43 g/min），表現(xiàn)最差;此外，1、5和6號前1 min內(nèi)的吸水速率均在200 g/min以上。在3 min時(shí)，1、4、6號的吸水速率仍在100 g/min以上。此后，到達(dá)飽和前，僅有6號一直保持在60 g/min的速率。

3 討 論

3. 1 保水劑能緩解區(qū)域性干旱和季節(jié)性干旱給農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)造成的困難。因其具有較好的重復(fù)吸水性能，在旱季與雨季交替顯著的地區(qū)，如在我國的熱帶亞熱帶地區(qū)，具有很大的應(yīng)用潛力。但是不同保水劑因其制作材料、表面結(jié)構(gòu)、外形、粒徑等因素不同，吸水特性也不盡相同[ 15 ]。而且，隨著制作工藝的不斷改良，其產(chǎn)品的性能也在進(jìn)一步提高。因此在生產(chǎn)或使用前了解不同保水劑的性能至關(guān)重要。然而，近年來對保水劑性能的評價(jià)卻少見報(bào)道。保水劑的吸水性能主要通過吸水倍率、吸水速率體現(xiàn)[ 16 - 18 ]。在本研究中，選用10種保水劑品種，對其吸水倍數(shù)、吸水速率進(jìn)行了較全面的評價(jià)。

3. 2 在吸水倍數(shù)方面，供試品種差異極大（P﹤0.01），吸水倍數(shù)在37.25～558.13 g/g之間，6號可達(dá)到558.13 g/g。但是不同生產(chǎn)原料或工藝，保水劑的變化情況不一致，A廠家（聚丙烯酰胺60%，含氫氧化鉀、丙烯酸）的品種隨著顆粒的變大（20-40目、10-20目、8目左右），吸水倍數(shù)變小，從432.57 g/g（1號）下降至347.78 g/g（3號）;B廠家（低交聯(lián)型聚丙端酸88%（其中含鈉24.5%），400目、80目、30-60目）的品種可從303.70 g/g（5號）上升至558.13 g/g（6號）;C家（聚丙酰胺（含鉀），40-80目、20-30目、10-15目、5-10目）的四個(gè)品種雖然有增加趨勢，但變化不大，吸水倍數(shù)較為穩(wěn)定。這與李興等[ 17 ]的研究結(jié)果不一致，即保水劑的吸水倍率與粒徑大小呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。這可能是不同生產(chǎn)原料或工藝，其吸水倍數(shù)的變化情況不一樣。但是從本研究的結(jié)果看，大于80目和小于10目的保水劑吸水倍數(shù)均較小，10～80目的吸水倍數(shù)較好，接近或高于400 g/g。

3. 3 就達(dá)到飽和所需時(shí)間而言，同一廠家的產(chǎn)品隨著顆粒變大，其飽和所需時(shí)間從快到慢，其中A廠由3～25 min、B廠由3～9 min，C 廠由13～53 min（圖2和表2），這與孫吉娜等[ 19 ]的研究結(jié)果一致，即同一類保水劑顆粒越小，吸水速率越快，越容易達(dá)到吸水飽和。進(jìn)一步分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，品種1、4、5、6號吸水速率在前1 min內(nèi)快速達(dá)到最高值，均在200 g/min以上，且在飽和前的平均吸水速率在70 g/min以上;而3、8、9、10號的最高吸水速率僅在20 g/min左右，平均吸水速率均在20 g/min以下?？梢?，從原材料或生產(chǎn)工藝看，低交聯(lián)型聚丙端酸88%（其中含鈉24.5%）（4、5、6號）的吸水速率均較高，聚丙酰胺（含鉀）（7、8、9號）吸水率較低。從顆粒大小看，低于20目以下的品種，表現(xiàn)出較低的吸水速率，大部分平均吸水速率均在20 g/min以下。

在本研究中，同一廠家或生產(chǎn)原料的品種，其吸水倍數(shù)隨著顆粒直徑增大而增加。在供試的品種中，6號保水劑具有最高的吸水倍率（558.13 g/g）、以209.03 g/min的吸水速率在前1min內(nèi)快速達(dá)到最高值，以115.47 g/min的平均吸水速率在9 min內(nèi)達(dá)到飽和。綜合分析認(rèn)為，6號保水劑綜合表現(xiàn)最佳。

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第1作者簡介： ?陳加利（1982-）， ?女， ? 副研究員， ?研究方向： ?園藝植物種質(zhì)資源保護(hù)與創(chuàng)新利用。

通訊作者： ?鄭道君（1979-）， ?男， ?研究員， ?碩士研究生。

收稿日期： 2021 - 01 - ?20

（責(zé)任編輯： ? 張亞楠）

Performance Evaluation of Different Agricultural

-forestry Super Absorbent Polymers

CHEN Jiali

（ Institute of Tropical Horticulture， ?Hainan Haikou 571100）

Abstract In this study， the performances of 10 Super absorbent polymers （SAPs） varieties were comprehensively evaluated， including their water absorption multiple， water-absorption rate， water-retaining property， and repeated water absorption， and the changes in water-retaining capacity by repeated water absorption. The results showed that the performance of different SAPs were significantly different. The water absorption multiples of the tested SAPs varieties were extremely different（P<0.01）， between 37.25～ ? ?558.13 g/g， and the highest one was the No. 6 SAP. With the increase of particle size， the water absorption multiple of the SAPs with the same material increased， or decreased for others， but the time to saturate increased for all. Furthermore， the SAPs with the particle size less than 20 mesh has slow water-absorption rate. The water-absorption rates of the SAP No. 1， No. 4， No. 5 and No. 6 could quickly reached the highest value within the first 1 minute， all above 200 g·min-1， with the above 70 g/min of their average water-absorption rates before saturation. Among the SAPs of the same raw material， the water absorption multiple increased as the increase of particle diameter， but the increase trends were different， showing an upward trend or rising first and then falling.

Key words Super absorbent polymers（SAPs）; Water absorption multiple; Water-absorption rate; Water-

retaining property