高吸水樹脂的性能及農業應用展望

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，具有大量化學親水基團，既可以吸收水分溶脹，又能保持水分，吸水能力可達自身重量的數百乃至數千倍，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，它還能促進植物根系生長，提高出苗率和移栽成活率，在農林和園藝中被廣泛應用。在介紹高吸水樹脂種類的基礎上，分析了各種吸水樹脂在農業生產中的應用情況，總結了國內科研單位對高吸水樹脂的相關研究基礎，并對其農業應用進行了展望。

關鍵詞：高吸水樹脂；保水；農業應用

中圖分類號： TQ320.79 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2014）04-0016-02

收稿日期：2013-08-01

基金項目：江蘇省農業科技自主創新資金[編號：CX（13）3031]。

作者簡介：徐磊（1985—），男，江蘇鹽城人，碩士，助理研究員，主要從事先進材料在農業中的應用研究。E-mail：xuleijy@gmail.com。高吸水性樹脂（super-absorbent polymer，SPA）又稱超強吸水劑，是一種新型的功能高分子材料，吸水能力可達自身質量的數百乃至數千倍。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親水基團，具有吸收水分溶脹、保持水分不外流的優異性能，吸水量大，吸水速度快、保水能力強，廣泛應用于農業、林業、衛生行業、工業堵漏材料等[1-5]。近幾年來，關于高吸水樹脂在農業方面的應用越來越受到重視，它在農林、園藝中作為土壤保水劑被廣泛使用，通過迅速吸收自身重數百倍乃至千倍的水，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70年代開始在玉米、大豆上應用高吸水樹脂，目前已成為美國農場主、林業主、苗圃商、庭園主及其“綠色”產業改善水分管理的重要工具；法國、英國、意大利、埃及常在干旱地區使用保水劑改良土壤；日本20世紀80年代大量生產土壤保水劑，出口中東國家用于沙漠地區的種植業。我國對保水劑的研制與應用較晚，目前已引起了各方面的重視[10-13]。

1高吸水樹脂的分類

高吸水性樹脂發展很快，種類日益增多，原料來源也相當豐富。高吸水性樹脂是一類具有親水基團和交聯結構的大分子聚合物，最早由Fanta 等采用淀粉接枝聚丙烯腈再經皂化制得，在分子結構上帶有大量的化學親水基團，具有低交聯度，部分結晶結構不盡相同，形成了一些各自不同的特點。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，相關產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，吸水率高，而且由于分子中沒有多糖結構，產品不易腐敗，凝膠強度高，結構穩定，產品綜合性能好，具有生產效率高、工藝簡單、生產成本低、吸水能力強、產品保質期長等優點，成為當前該領域的研究熱點。

聚乙烯醇類高吸水性樹脂工藝相對復雜，成本較高，但由于聚合物中存在親水性官能團—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良性能，如耐鹽性好、凝膠強度高。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，在這方面國內只有少數單位開展了相關工作。

目前，世界高吸水樹脂生產中聚丙烯酸鹽類占到80%，該類吸水樹脂被廣泛應用于食品、衛生等行業，研究已相對成熟，但在農業應用方面少有成效，主要是因為聚丙烯酸鹽類與土壤混合后，在短時間內可以起到一定的保水作用，但隨著反復使用次數的增多，吸水與保水能力大幅度下降。聚乙烯醇類吸水樹脂在農業上的應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、衛生領域應用已經非常成熟，占據現有吸水樹脂的大部分市場，但在農業上，由于其重復吸水次數少而限制了其應用。

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、價廉，因而受到人們的普遍關注，這方面的研究開發也較多。為降低該類高吸水性樹脂的成本，淀粉原料主要采用價位比較低的馬鈴薯淀粉、玉米淀粉等。淀粉改性一般進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，生產時一般需經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、吸收速度快、原料來源豐富、價格較低廉、用途較廣泛等特點；但是因其含有淀粉，表現出耐熱性較差、長期保水性不足、吸水后易積聚成團等問題，且容易發生腐敗分解，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，引入羧甲基后再用交聯劑進行交聯而成，用這種方法生產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用的重要原因。將纖維素類吸水樹脂與其他材料復合，進而制備特定的功能性材料，是該類高吸水性樹脂發展的重要方向，如用于制備高吸水乙酸纖維素膠囊膜等。

2高吸水樹脂的農業應用前景分析

高吸水樹脂可吸收大量水分，保水性非常強，具有吸水可逆性，在農業保水抗旱、節水、農作物增產、植樹造林、沙漠治理、作種子保水劑、提高發芽率、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，用以改良土壤的團粒結構，增加土壤的透氣性和透水性，縮小土壤的晝夜溫差，大大增強抗旱效果，還能吸收肥料、農藥，防止肥料、農藥以及水土流失，并使肥料、農藥、水緩慢釋放，增強肥料及農藥使用效果。此外，高吸水性樹脂也用于無土栽培、菌種培育和培養、蘑菇培育和生產、農業及園林等作物產品生產以及果實、蔬菜及鮮花的生產與保鮮、保水、儲存、防霉、防腐等，許多國家還用它改造沙漠。我國從20世紀80年代開始研究高吸水性樹脂，已廣泛用于糧食作物、經濟作物、花卉、蔬菜、果樹林木、草坪培植等方面。

目前，高吸水性樹脂在農藝園林方面的應用還非常有限，主要是因為它的成本相對較高，而且在土壤中吸水能力不夠，反復使用性較差，但高吸水性樹脂在農業方面的應用還具有很大潛力。今后，應重點開發高吸水、保水并能反復使用且成本較低的高吸水性樹脂，進一步加強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發展方向

我國高吸水性樹脂研究工作起步較晚，從20世紀80年代才陸續開展相關研究。北京輕工業學院等單位進行的“九五”重點課題“高吸水性樹脂在農業上的應用技術”研究，已經通過中試，進入后期應用試驗階段；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）用其改良土壤，但由于高吸水性樹脂價格較高，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，對環境不造成污染，成為高吸水性樹脂領域的研究重點。將淀粉類高吸水性樹脂應用于農業生產，需降低生產成本、提高產品適應性和重復吸水、釋水的能力，克服在應用中發生霉變等難題。因此，可以從以下幾個方面開展研究：（1）選擇優良的引發劑，使其具有高引發效率且降低引發成本。目前新的研究動向是將樹脂與復合材料混合，通過聚合反應來制備復合型高吸水性樹脂。（2）改進產品的合成工藝路線，如用新型接枝交聯合成技術來提高吸水速率，或將反應與干燥一步進行，即將反應單體放入鼓風烘箱中，在高溫作用下使反應與干燥一步進行，大大降低生產成本。（3）從改性原料入手，應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，擴大應用范圍。

4小結

淀粉類高吸水性樹脂具有較好的吸水和保水能力，對它的研究越來越受到各國的重視，將它用在農林業上，不但可以提高樹木的成活率、治理土地沙化，更重要的是，使用完后不給環境造成污染，能夠最大限度體現農業價值，具有很高的社會、經濟效益。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，其應用也局限于衛生行業，在農業中還少有基礎理論研究及相關數據支撐，因此加強這方面的研究工作十分迫切。

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