保水劑及其在巖石邊坡生態(tài)恢復(fù)中的應(yīng)用

1、保水劑的生產(chǎn)及應(yīng)用姓2014 年 5 月 26 日保水劑生產(chǎn)及應(yīng)用摘要： 保水劑 （高吸水性樹脂） 是七十年代中期發(fā)展起來的一種新型功能高分子材料，它具有吸水、保水能力特別強的特點。到目前為止，保水劑在工業(yè)、農(nóng)業(yè)（特別是節(jié)水農(nóng)業(yè)）、建筑、醫(yī)療衛(wèi)生等方面都有比較廣泛的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：保水劑；高吸水性樹脂；0 前言水是人類生活和生產(chǎn)活動不可缺少的重要資源， 是經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)， 也是作物生長和提供農(nóng)產(chǎn)品的先決條件。 地球?qū)嶋H可利用淡水量只有總儲水量的十萬分之三左右，且淡水分布極不均勻。我國水資源總量 2.8萬億m3,占世界第四位，人均水資源僅有2154m3 ，為世界人均水平的1/4，在世界銀

2、行進行多年連續(xù)統(tǒng)計的 132 個國家中居第 82 位 .每公頃平均水資源占有量27000m3， 也只有世界平均水平的 2/3， 中國北方己被聯(lián)合國列入世界水資源最貧乏的 13個國家和地區(qū)之一（水利部和國家紀(jì)委， 1999） 。同時，受大陸性季風(fēng)氣候的影 響， 我國水資源時空分布極不均勻， 年內(nèi)和年際間變化差異很大。 與人口、 耕地、礦產(chǎn)資源分布極不協(xié)調(diào)，使水資源的開發(fā)利用難度很大。我國水資源的特點一是地區(qū)分布不均， 長江及其以南的流域面積占全國總面積的36.5%，其水資源量卻占全國總量的81%，黃河及其以北流域面積占全國總面積的63.5%，其水資源量僅占全國總量的19%，更加劇了我國的缺水狀況

3、;二是降水的年內(nèi)年際分配極不均勻， 全國大部分地區(qū)年內(nèi)連續(xù)四個月降水量占全年的70%左右，這就決定了中國是一個水旱災(zāi)害頻繁的國家。干旱是植物常常遭受的逆境脅迫之一。 全世界約有三分之一的耕地處于干旱半干旱狀態(tài)， 而其它可耕地也常常因遭受干旱而減產(chǎn)。 目前世界性水分虧缺導(dǎo)致作物的減產(chǎn)量超過其它因素的總和。地球上干旱面積占 52%以上，而我國干旱、半干旱地區(qū)占國土總面積的 51%， 0.5 億公頃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(qū)植樹造林成活率僅為 20%。全國每年因干旱減少糧食100 億公斤以上，直接經(jīng)濟損失也在100 億元人民幣以上。在干旱半干旱地區(qū)，水越來越成為國民經(jīng)

4、濟發(fā)展的重要制約因素之一， 因此提高水的有效利用率是農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要問題。1 保水劑發(fā)展與應(yīng)用簡史保水劑又稱土壤保水劑、高吸水劑、高吸水性樹脂、高分子吸水劑，是利用強吸水性樹脂制成的一種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數(shù)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動。 保水劑具有高度的親水性， 但自身并不溶于水， 而且具有反復(fù)吸水功能， 吸水后膨脹為水凝膠， 可緩慢釋放水分供作物吸收利用， 從而增強土壤保水性， 改良土壤結(jié) 構(gòu)，減少水的深層滲漏和土壤養(yǎng)分流失，提高水分利用率。人類生活、 生產(chǎn)及工作中常用的吸水性物質(zhì)很多， 如人們?nèi)粘Ｉ钍褂玫拿怼⒉徒?/p>

5、、抹布等；醫(yī)藥衛(wèi)生中使用的脫脂棉、紙尿布、衛(wèi)生紙、衛(wèi)生巾等；以及作為吸濕干燥用的硅膠、氯化鈣、氧化鈣、硫酸、分子篩等。這些吸水和吸濕材料來源廣泛， 價格低廉； 但吸水能力小， 僅能吸收自身重量的百分之幾十至十幾倍的水；且吸水后，加壓易失水，保水能力很差，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足人們的需求。因此，它們的應(yīng)用受到了極大的限制，必須開發(fā)性能更好的吸水性材料。2 保水劑的分類及制備方法保水劑自問世以來發(fā)展很快， 產(chǎn)品的種類繁多， 可按原料來源、 親水基團的種類、交聯(lián)方法、制品形態(tài)等進行分類。從原料方面分，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 ） 、 纖維素系 （羧甲基纖維素

6、型、纖維素型）、合成聚合物系（聚丙烯酸型、聚乙烯醇型、聚丙烯腈型、聚環(huán)氧乙烷系等）；從制品形態(tài)分有粉末狀、薄膜狀、纖維狀、液態(tài)狀球狀、非固定型， 此外， 還可從親水化和不溶化等方面分類。 目前應(yīng)用的保水劑主要是高分子類聚合物。 按高分子分類， 可分為天然高分子類和合成高分子類， 天然高分子類主要以淀粉系列為主， 即用天然高分子原料與合成單體接枝共聚， 合成高分子類主要以丙烯酸類和聚乙烯醇類為主，用合成單體經(jīng)交聯(lián)共聚制得。淀粉是一種多羥基天然化合物， 作為合成高聚物的原料， 它有來源廣泛、 種類繁多、 價格相對低廉等優(yōu)點。 和淀粉進行接枝共聚反應(yīng)得單體主要是親水性和水解后變?yōu)橛H水性的烯類單體。

7、淀粉接枝共聚反應(yīng)有離子型接枝共聚和自由基接枝共聚兩種類型，目前通常采用的是后者。淀粉可與丙烯腈，丙烯酸鹽/ 酯，丙烯酰胺等進行接枝共聚而制得高吸水性聚合物。 淀粉系高吸水性樹脂雖然產(chǎn)品吸水倍率較高， 但制備過程復(fù)雜， 工業(yè)化后處理比較麻煩。 而且淀粉作為一種天然高分子，產(chǎn)品耐熱性差，易腐爛分解，難以貯存。所以近年來人們對該類高吸水性樹脂的研究已開始逐漸減少。纖維素和淀粉一樣， 原料來源也相當(dāng)廣泛而且可以和多種低分子反應(yīng)。 一般來講， 纖維素系高吸水性樹脂的吸水能力要低于淀粉系， 但可以直接制得纖維狀高吸水性材料， 制成高吸水性織物， 還可與合成纖維混紡， 而改善織物最終產(chǎn)品的吸水性能， 這些都

8、是淀粉系高吸水性樹脂所不能比擬的優(yōu)點。 因此， 纖維素系高吸水性樹脂已經(jīng)成為近十年來吸水性材料發(fā)展的一種重要方面。 纖維素系高吸水性樹脂的制備方法主要有醚化 -酯化法，酯化法和接枝共聚法等，其中應(yīng)用較多的是接枝共聚法。 接枝共聚法所采用的原料既可以是毛纖維， 韌皮纖維和水質(zhì)纖維一類的天然纖維， 也可以是甲基纖維素， 羥甲基纖維素和乙基纖維素等一類的纖維素衍生物， 還可以是人造絲一類的人造纖維等。 一般來說， 天然纖維接枝是發(fā)展的一個重要方向， 因為它無需制成衍生物， 這樣就有利于降低成本。 目前纖維素基吸水性樹脂存在的主要問題是吸水能力較低， 因此， 如何改善此類吸水材料的性能是人們進一步研究

9、的主要目標(biāo)。合成樹脂系高吸水性材料又可以細(xì)分為聚丙烯酸系、 聚乙烯醇系、 共聚類等，其中對聚丙烯酸系高吸水性樹脂研究的比較多。 合成類高吸水性樹脂的制備方法主要有溶液聚合、反相懸浮聚合和反相乳液聚合三種方法，也有輻射引發(fā)聚合，微波引發(fā)聚合以及噴霧聚合等新方法。最近幾年又發(fā)展起一種共混/復(fù)合高吸水性材料?？煞Q為共混/ 復(fù)合物系。高吸水樹脂保水劑具有超強吸水能力，吸水能力為自身重量的數(shù)百倍至上千倍， 最高可達 5300 倍。 保水劑吸水速度快， 在幾秒鐘內(nèi)就能吸收幾百倍的水分， 被吸收液體呈凝膠狀。 但吸水率受被吸液的性質(zhì)、pH 值等影響很大。保水劑保水能力很強，所吸水分可緩慢放出，使土壤干燥速度

10、變慢，在一定吸力下水分可釋放出供作物利用。3 保水劑的應(yīng)用3.1 在醫(yī)療衛(wèi)生方面的應(yīng)用保水劑作為醫(yī)用材料引起人們的注意是在1960年Wichterle等關(guān)于聚甲基丙烯酸-2-羥乙酯(PHEMA) 的水凝膠研究成果發(fā)表以后。現(xiàn)在對于保水劑在生物體中的適應(yīng)性已經(jīng)有不少學(xué)者進行了這方面的研究， 研究結(jié)果表明來自天然生物的吸水性物質(zhì)， 某些合成和半合成的保水劑， 具有一定的生物體適應(yīng)性。 保水劑具有極強的吸水性和保水性， 可制成和生物體含水量相近的各種組織材料， 而且醫(yī)藥用高吸水性材料吸水后形成的凝膠比較柔軟， 具有良好的生物體適應(yīng)性， 也就是說它能夠適應(yīng)生物環(huán)境， 不引起生物體病變， 而且能更好地發(fā)

11、揮生物體各種正常功能。對于人體來說，醫(yī)藥用保水劑材料吸水后形成的凝膠對人體無刺激性、無副反應(yīng)、 不發(fā)生炎癥、 不引起血液凝固等等， 這些都為其在醫(yī)藥上的應(yīng)用創(chuàng)造了條件。近年來，保水劑已被廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、醫(yī)療衛(wèi)生的各個方面。保水劑在生理衛(wèi)生用品方面的應(yīng)用是比較成熟的一個領(lǐng)域， 保水劑的超強吸水能力和保水能力使得生理衛(wèi)生方面的產(chǎn)品大大輕便化、 小型化、 舒適化， 消除了人們的很多苦惱。如嬰兒襁褓、紙尿布、失禁布、婦女衛(wèi)生巾、衛(wèi)生棉、止血拴、手術(shù)墊、手術(shù)手套、手術(shù)上衣、醫(yī)用床墊等產(chǎn)品中都應(yīng)用了高吸水性樹脂。3.2 在農(nóng)林園藝方面的應(yīng)用最早在 30 年前， 美國農(nóng)業(yè)部北方研究所研制出淀粉接枝丙烯腈高吸

12、水性樹脂， 就是首先應(yīng)用于農(nóng)業(yè)， 研究了高吸水性樹脂對土壤保水、 促進種子發(fā)芽和提高種子發(fā)芽率等方面的應(yīng)用。美國、日本等采用SGP、 Sanwete IM 300 等高吸水性樹脂的水凝膠浸漬和敷在剛出土的苗木根部， 使根部帶上一層水凝膠， 進 行保水處理后，其成活率得到顯著提高。高吸水性樹脂不但吸水性、 保水性極佳， 而且它可以改良土壤的團粒架構(gòu)，縮小土壤白天和晚上的溫差，同時還能吸收肥料、農(nóng)藥，防止肥料、農(nóng)藥及水土流失，并使肥料、農(nóng)藥、水緩慢放出，增強肥料、農(nóng)藥的使用效果，以及大大提高抗旱能力。 除上述作用， 高吸水性樹脂也可以作為種子萌發(fā)促進劑、 植物生長促進劑、 苗木移植保存劑、 種子包

13、衣劑等。 此外， 高吸水性樹脂也用于無土栽培、菌種的培育和培養(yǎng)、 蘑菇培育和生產(chǎn)、 農(nóng)業(yè)及園林等的作物產(chǎn)品生產(chǎn)、 花盆的花卉栽培、果實，蔬菜及鮮花的生產(chǎn)、保鮮、保水、儲存、保護、防霉、防腐等。日 本島取大學(xué)利用沙丘進行試 驗研究， 在沙地 20cm 深處敷放一層含0.1%-0.3%高吸水性樹脂的土壤，種植菠菜等五種蔬菜， 試驗表明， 可提高 2-3 倍的收獲量，而且明顯地減少了灌溉的費用。自古以來， 許多學(xué)者一直在為把荒漠變成綠洲的美麗夢想而奮斗， 但都未能如愿以償， 主要原因是因為沙漠地區(qū)常年干旱缺雨， 即使偶爾降雨也會很快流失，要使沙漠變綠洲， 就必須使沙漠儲存足夠的可供植物吸收的水分。

14、高吸水性樹脂的出現(xiàn)， 給沙漠變綠洲帶來了新的希望。 現(xiàn)在高吸水性樹脂應(yīng)用于沙漠的改造工作已經(jīng)取得了較好的效果，引起了世人的極大關(guān)注。3.3 在工業(yè)上的應(yīng)用高吸水性樹脂在工業(yè)上的應(yīng)用非常廣泛， 包括石油工業(yè)、 化學(xué)工業(yè)、 環(huán)保工業(yè)、 采礦工業(yè)、 冶金工業(yè)、 日用化學(xué)工業(yè)等等。 如用作油田處理劑、 油水分離劑、油田勘探中用作鉆頭的潤滑劑、 泥漿的凝膠劑。 用作有機 水分離材料、 食品脫水材料，重金屬離子吸附劑等。3.4 在食品行業(yè)中的應(yīng)用高吸水性樹脂在食品行業(yè)中的應(yīng)用也極其廣泛， 可作為食品增稠與保形等的添加劑、 食品保鮮材料、 食品工業(yè)的脫水劑等等。 日本將高吸水性聚合物制成滲透壓脫水材料，用于

15、雞肉、豬肉、魚蝦、貝殼等的脫水，使食品保持鮮味。在出售這些食品時， 在食品包裝袋表面涂上高吸水性樹脂以吸收流出的液體而保持鮮度來提高食品的價值。 廖列文等將淀粉接枝丙烯酸鈉制得的高吸水性聚合物、 水、丙二醇按一定的配比混合制成水凝膠， 把魚放入浸漬10 秒鐘后取出，4冷藏，保鮮 12 天后魚仍然保持原有的光澤， 且肉質(zhì)彈性良好。 可見， 高吸水性聚合物在肉類保鮮方面有比較好的效果。3.5 在其他方面的應(yīng)用隨著高吸水性樹脂的研究工作不斷深入， 以及其產(chǎn)品的多樣化和綜合性能的日益完善，高吸水性樹脂的應(yīng)用領(lǐng)域正在不斷向外延伸、擴展。 在科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展的今天， 環(huán)境保護已越來越受到人們的關(guān)注。 現(xiàn)在

16、人們已經(jīng)開始研究用高吸水性樹脂來處理污水， 將高吸水性樹脂裝在一個可溶于污水的袋子中， 當(dāng)這一袋子浸入污水中， 袋子被溶解后， 高吸水性樹脂可迅速吸收液體而使污水固體化。高吸水性樹脂還是一種很好的密封材料。 使它與合成樹脂和橡膠混合成型， 橡膠的水溶漲率能提高 5-10 倍，可以用于隧道工程防水，用于防止管道、建筑物、鋼筋混凝土管漏水的防水圈、 防漏板等。 在建筑材料中高吸水性樹脂可用作止水與隔水材料、建筑物的防火滅火材料、結(jié)漏防止劑、調(diào)濕材料、也可用于吸水性涂料的制備等。在紡織印染行業(yè)中，高吸水性聚合物具有抗靜電、增稠、乳化等功能，還能提高纖維靜摩擦系數(shù)，使纖維具有良好的集束性，常用于長絲短纖