黃原膠/玉米淀粉型農用保水劑的制備與性能研究

楊玉娜

渭南職業技術學院（渭南 714026）

水是人類生存、作物生長的先決條件且不可代替，也是經濟社會可持續發展的基礎[1]。由于干旱脅迫農作物減產所造成的損失是其他因素導致農作物減產的總和[2]，而我國干旱、半干旱地區占國土總面積的51%，0.5億 hm2耕地中沒有灌溉條件的旱地約占耕地總面積的65%，干旱地區植被成活率僅20%，我國農業用水占總用水量的73.4%[3]，我國農業用水量非常大，但同時存在水資源短缺、浪費等嚴重問題。因此要使我國的農業生產得以穩步發展，就要有效利用各種先進技術，進一步發展節水灌溉、旱地農田節水保水技術[4]。而我國已在節水灌溉技術和示范區建設等方面取得較大的進展，并將節水灌溉技術大面積推廣應用，取得很好的效果[5]。與灌溉方式相比，保水劑不需要前期巨大的鋪設成本，且能夠反復吸水放水，這些都是保水劑節水方式的優點[6-7]。保水劑施入土壤中后，會快速吸收土壤中的水分，降低地下滲漏和土壤表面蒸發，減少水分流失，并且可以反復吸水、釋水，在土壤中形成一個“微型水庫”[8]，土壤含水量降低時就會逐步釋放其儲藏的水分，供植物吸收利用，保水劑還可將土壤中的營養分離子暫時保存起來，因此，保水劑既可以保水、保土，也具有保肥功效。保水劑具有吸水多且快、保水強、無毒無害等優點，被廣泛應用于工業、農林、食品、建筑、園藝、衛生等多個領域，應用前景廣闊[9-13]。國際上認為保水劑會像化肥、農藥、地膜一樣，成為第4種會得到普及的農用化學制品[14]。

中國是糯玉米的起源地，具有豐富的種植資源，而玉米淀粉在紡織、食品、膠黏劑等行業具有獨特的用途[15]，試驗以淀粉、黃原膠、海藻酸鈉為主要原料，采用水溶液聚合法合成一種可降解、吸水抗鹽性能優良的綠色環保型農用保水劑，有望解決現有化學保水劑存在的吸鹽水率低、降解性能差、環境污染嚴重等問題。

1 材料與方法

1.1 試驗原料

玉米淀粉（工業級，河南省綠邦生物技術有限公司）；海藻酸鈉（工業級，連云港豐運海藻有限公司）；黃原膠（分析純，天津市福晨化學試劑廠）；碳酸氫鈉、丙烯酸（均為分析純，天津市富宇精細化工有限公司）；羧甲基纖維素（分析純，國藥集團化學試劑有限公司）；氫氧化鈉（分析純，廣東光華科技股份有限公司）；N-N-亞甲基雙丙烯酰胺、無水乙醇[均為分析純，麥克林（上海）試劑有限公司]。

1.2 試驗儀器

DF-101S型集熱式恒溫加熱磁力攪拌器（鄭州匯成科工貿有限公司）；DHG-9035A型真空干燥箱（上海一恒科學儀器有限公司）；KQ-300DE型恒溫水浴鍋（昆山市超聲儀器有限公司）；TDZ5-WS型離心機（湖南湘儀儀器開發有限公司）；SCIENTZ-10N型電熱恒溫鼓風干燥箱（寧波新芝生物科技有限公司）；BSA124S型電子分析天平（賽多利斯科學儀器）。

1.3 試驗制備

在裝有電動攪拌器、冷凝管的三頸燒瓶中加入去85 mL離子水、7.5 g玉米淀粉和7.5 g黃原膠（XG），置于恒溫水浴鍋，攪拌升溫至85 ℃，使玉米淀粉充分溶脹、糊化1 h；加入海藻酸鈉、羧甲基纖維素（CMC）、中和后的丙烯酸（AA）、N-乙二胺（AEEA）的混合液，使其攪拌充分混合均勻0.5 h，加入7.5 g交聯劑N,N’-亞甲基雙丙烯酰胺（MBA）、0.4 g引發劑過硫酸鉀（KPS），使其充分反應3 h，所得反應產物用無水乙醇進行洗滌，即得高吸收性樹脂保水劑。

1.4 吸水倍率測定

保水劑的吸水能力一般用吸水倍率來表示，即單位質量保水劑吸水或0.9% NaCl溶液至飽和狀態時，所吸收液體的質量或者體積與未吸水前保水劑的質量之比，用符號Q表示，單位為g/g或mL/g，試驗采用吸水前后保水劑質量之比表示吸水倍率。將一定質量的保水劑置于過量去離子水或0.9% NaCl溶液中浸泡，吸液飽和后，置于0.075 0 mm孔徑（200目）尼龍網袋中過濾至無液滴滴下，稱量吸液飽和后的高吸水性樹脂質量，吸水倍率按式（1）計算。

式中：m1為高吸水性樹脂吸液前質量，g；m2為高吸水性樹脂吸液后質量，g。

2 結果與討論

2.1 單因素試驗結果

2.1.1 海藻酸鈉用量對保水劑吸水性能的影響

海藻酸鈉在反應過程中為引發劑提供引發的活性分子，使其與丙烯酸進行反應，進而形成網絡交聯結構，可促進化學反應的進行。同時海藻酸鈉帶有大量親水基團，對保水劑的吸水倍率有一定的提高作用。海藻酸鈉用量較小時，保水劑的吸水性能隨著海藻酸鈉用量的增加而提高，這是由于其親水基團的增加提供更多的活性引發點。海藻酸鈉用量過大時，由于反應物量的含量過多，親水基團的活性被迫降低，抑制化學反應的進行，從而使其產物保水劑的吸水性能下降。因此探索海藻酸鈉在反應過程中的用量對產物保水劑的吸水性能的影響十分必要。在其他條件不變的情況下，改變海藻酸鈉用量，以考察海藻酸鈉用量對保水劑性能的影響，結果如圖1所示。

圖1 海藻酸鈉用量對保水劑吸水性能的影響

海藻酸鈉用量不同，會對產物的性能產生一定影響，海藻酸鈉的用量小于4.5 g時，反應過程中反應活性點增多，同時海藻酸鈉提供更多親水基團，因而使其保水劑對自來水、去離子水、0.9% NaCl的吸水性能隨海藻酸鈉用量的增大而增大。海藻酸鈉用量為4.5 g時，其吸水性能達到最佳。海藻酸鈉用量大于4.5 g時，由于反應物過量，抑制活性點，反應不能充分進行，使其產品保水劑對自來水、去離子水、0.9%NaCl的吸水性能迅速降低。綜合考慮，海藻酸鈉用量選擇4.5 g，此時產物保水劑對去離子水、自來水、0.9% NaCl的吸水性能較好。

2.1.2 黃原膠/淀粉糊化時間對保水劑吸水性能的影響

在其他條件不變的情況下，改變黃原膠、淀粉的糊化時間，以考察不同糊化時間對保水劑產物保水性能的影響，結果如圖2所示。

圖2 糊化時間對產物吸水性能的影響

黃原膠/淀粉糊化時間的不同對產物保水劑的性能產生一定影響。黃原膠/淀粉糊化時間小于1 h時，產物保水劑隨糊化時間的增長，其對自來水、去離子水、0.9% NaCl溶液的吸水性能得到提高。糊化時間在1 h左右時，吸水性能達到最佳。時間大于1 h時，保濕劑產物的性能隨著糊化時間的增長而降低。因為黃原膠/淀粉在較高溫度下的時間過長，將導致糊化后化學鍵斷裂，進而影響化學反應的進行，導致反應產物保水劑合成率降低。綜合考慮，黃原膠/淀粉糊化時間選擇1 h，此時產物保水劑對去離子水、自來水、0.9% NaCl的吸水性能較好。

2.1.3 反應溫度對保水劑吸水性能的影響

在進行化學反應過程中，溫度主要作用是提供能量給活化分子，在反應物用量一定的情況下，提高反應環境的溫度，反應體系中活化分子的數量將得到增多，進而提高反應物的有效碰撞概率，使其加快鏈轉移速度與自由基的碰撞結合，鏈終止概率增加，在一定范圍內自由基的接枝率增大。但是反應環境溫度過高，則會導致反應物發生暴聚，產物的相對分子質量減小，同時反應物自身也會發生均聚，進而導致產物的相對分子質量較小，分子鏈較短，分子鏈之間無法形成相互交聯和纏結的網狀結構，產物吸水后沒有完整的溶脹空間，吸水性能較差。在其他條件不變的情況下，改變反應溫度，以考察不同反應溫度對保水劑性能的影響，結果如圖3所示。

圖3 反應溫度對產物吸水性能的影響

反應溫度不同，會對產物的性能產生一定影響，反應溫度低于80 ℃時，隨著反應溫度的提高，反應體系中活化的分子數量增加，有效碰撞得到提高，有利于產物保水劑的高效合成，因而使保水劑對自來水、去離子水、0.9% NaCl的吸水性能隨反應溫度的增高而提高。反應溫度在80 ℃左右時，其吸水性能達到最佳。反應溫度高于80 ℃時，隨著反應溫度的提高，反應物將會產生暴聚，丙烯酸自身也會發生均聚，導致產物保水劑的分子鏈較短，進而影響其吸水性能。綜合考慮，反應溫度選擇80 ℃左右，此時產物保水劑對去離子水、自來水、0.9% NaCl溶液的吸水性能較好。

2.1.4 丙烯酸用量對保水劑吸水性能的影響

丙烯酸是一種非常活潑的親水性單體，其自身極易發生均聚反應，試驗通過采用稀釋和氫氧化鈉中和的方法降低丙烯酸的活性，進而達到控制反應進程的效果。在其他條件不變的情況下，改變丙烯酸用量，以考察不同丙烯酸用量對保水劑性能的影響，結果如圖4所示。

圖4 丙烯酸用量對高吸水性樹脂的影響

丙烯酸用量的不同可引起產物的吸水性能的改性。丙烯酸用量小于7.5 g時，隨著丙烯酸用量的增加，生成物保水劑分子鏈中—COO—比例增加，解離產生的陽離子濃度增加，進而增大分子內外的滲透壓，由于靜電排斥的作用，其生成物的分子鏈發生擴張，進而使產品可形成更大的儲水空間，增加產物的吸水性能。丙烯酸用量為7.5 g時，反應產物保水劑的保水性能最佳。丙烯酸用量大于7.5 g時，隨著丙烯酸用量的增加，產物保水劑的吸水性能逐漸降低，主要是因為過高的中合度導致反應時間過長，產物無法形成高分子聚合物，同時大量的陽離子對分子鏈上的陰離子產生屏蔽作用，分子鏈之間的擴張受阻，產物的吸水性能降低。綜合考慮，丙烯酸用量選擇7.5 g左右，此時產物保水劑對去離子水、自來水、0.9% NaCl溶液的吸水性能較好。

2.1.5 發泡劑用量對保水劑吸水性能的影響

發泡劑是指一類摻進聚合物體系中，在發生反應過程中可適時釋放氣體，進而使高分子材料形成微孔的助劑，可使生成物形成多孔結構，有助于提高產物的吸水性，NaHCO3就是一種較好的發泡劑，在其他條件不變的情況下，改變發泡劑用量，以考察不同發泡劑用量對保水劑性能的影響，結果如圖5所示。

圖5 發泡劑用量對高吸水性樹脂的影響

發泡劑用量不同，會對產物的性能產生一定的影響。發泡劑用量小于1.4 g時，隨著發泡劑用量的增加，反應物釋放出的氣體隨著增加，有助于產物保水劑形成多孔的結構，因而使保水劑對自來水、去離子水、0.9% NaCl的吸水性能隨反應溫度的提高而提高。發泡劑用量為1.4 g時，其吸水性能達到最佳。發泡劑用量大于1.4 g時，形成的微孔結構不會隨著NaHCO3用量的增加而變多，反而會抑制孔狀結構的形成，導致形成的高吸水性樹脂吸水性能降低。綜合考慮，發泡劑用量選擇1.4 g，此時產物保水劑對去離子水、自來水、0.9% NaCl的吸水性能較好。

2.2 保水性能測試

當玉米淀粉7.5 g、黃原膠7.5 g、糊化時間1 h、海藻酸鈉4.5 g、反應溫度80 ℃、丙烯酸用量7.5 g、發泡劑用量1.4 g、引發劑用量0.4 g、交聯劑用量1.2 g時，產物保水劑的保水性能較好。并對在上述最佳工藝條件下合成的保水劑的保水性能進行測試試驗。

以50 g土壤為基數，測試保水劑在土壤中不同質量比的吸液能力，如圖6所示。隨著保水劑質量比的增加，其對去離子水、自來水和鹽水的吸收能力都在增加。同時考慮保水劑成本增加，土壤保水劑用量2%時，該保水劑對去離子水的吸水性最高可達875 g，對自來水吸水可達686 g，吸鹽水可達205 g。如果將其應用于干旱地區或鹽堿地，就可以很好地提高土壤的吸液能力，有利于解決因水資源短缺造成的農作物減產問題。

圖6 高吸水性樹脂在土壤中的吸液能力

3 結論

試驗以黃原膠、玉米淀粉、海藻酸鈉為主要原料，通過水溶液聚合法合成綠色可降解的吸水性能良好的農用保水劑，有望解決現有化學保水劑存在的吸鹽水率低、降解性能差、環境污染嚴重等問題。

考察玉米淀粉/黃原膠糊化時間、海藻酸鈉用量、反應溫度、丙烯酸用量、發泡劑用量等主要因素對產物保水劑保水性能的影響，并采用單因素試驗法優選出制備農用保水劑的最佳合成工藝條件。

當玉米淀粉7.5 g、黃原膠7.5 g、糊化時間1 h、海藻酸鈉4.5 g、反應溫度80 ℃、丙烯酸用量7.5 g、發泡劑用量1.4 g、引發劑用量0.4 g、交聯劑用量1.2 g時，其產物保水劑有較好的保水性能，可起到節約水資源、提高土壤通透性、有效改良土壤結構、改善土壤生態環境的作用。