一种广谱抗逆农林保水剂及其制备方法

本发明涉及水凝胶保水剂制备，特别是涉及一种广谱抗逆农林保水剂及其制备方法。

背景技术：

1、农林保水剂是一类具有三维网状结构的高分子材料，凭借优良的吸水、储水、缓慢释水特性，可适配干旱土壤环境，属于新型农用土壤改良与节水抗旱材料。此类物质能够高效吸附留存土壤水分，提升土壤保水蓄水能力，减少水分蒸发与渗漏，实现农业节水增效；同时还能缓释氮、磷、钾等养分，提升化肥利用率，减少化肥流失造成的环境污染，改善土壤团粒结构，缓解土壤板结，可有效增强农作物、林木苗期耐旱抗逆能力，在农业、林业、园艺、荒漠化治理与生态修复、海岛绿化等领域有重要用途。

2、商业化的农林保水剂主要是聚丙烯酸类，属于阴离子型水凝胶范畴，具有来源广泛、成本低廉、吸水倍率高等优点，但也存在严重缺陷：对环境中的酸、碱、盐等具有强烈的刺激响应性，保水性能急剧降低甚至失效。

3、关于聚丙烯酸类农林保水剂环境适应问题的研究，多采用添加惰性原料、耐盐碱微生物改性、添加磺酸基单体或甜菜碱单体增强抗盐性能等。但相关产物普遍存在耐盐种类单一、耐盐浓度区间小、酸碱适应性差、与化肥匹配度低、遇重金属离子易失效等问题。

4、常规制备方法得到的聚丙烯酸类农林保水剂不具备广谱抗逆（即：同时具备耐多种类盐、耐盐浓度区间大、耐碱、耐酸、耐化肥、耐重金属离子）属性。

5、现有技术中，公开号为cn1699508a的发明专利申请（2005）涉及一种耐盐碱多功能保水剂的制备方法，采用无机矿物凹凸棒石提高耐盐碱性能，测试了对生理盐水和0.5%钙镁溶液的吸水率。公开号为cn103374093a的发明专利申请（2012）涉及一种甜菜碱型抗菌高吸水树脂的制备方法，采用甜菜碱单体为原料提高耐盐性，测试了对生理盐水的吸水率为52-107g/g。公开号为cn103030913a的发明专利申请（2015）涉及一种季铵盐复合自吸水剂的制备方法，添加季铵盐为主要原料，用于农林抗旱方向。公开号为cn106496410a（2016）的发明专利申请涉及一种防渗剂，使用超细碳酸钙或膨润土等无机填料起骨架支撑作用。公开号为cn106365887a的发明专利申请（2017）涉及一种耐盐碱施肥型保水剂的制备方法，使用耐盐碱植物叶片进行改性，测试了ph为9的碳酸钠盐水吸收倍数。公开号为cn108329422a（2018）的发明专利申请涉及一种水包水型微球调剖剂，使用氢氧化钠调ph到6.0～6.5，使用阴离子或非离子聚合物为电荷调节剂。公开号为cn110372886a的发明专利申请（2019）涉及一种壳聚糖聚磺酸基甜菜碱双网络自愈合水凝胶的制备方法，制备的产物具有力学强度和自愈合性能。公开号为cn115259942a的发明专利申请（2022）涉及一种聚合耐盐保水肥料的制备方法，使用了生物炭、磺酸单体等原料并与化肥混合，测试了ph为8.16的土壤中玉米种植效果。公开号为cn116925279a的发明专利申请（2023）涉及一种耐盐保水剂及其制备方法，使用所合成的耐盐单体为原料，引入对盐不敏感的酰胺基团和具有强离解能力磺酸基团，测试了对生理盐水的吸收效果。公开号为cn116515022a的发明专利申请（2023）涉及一种脲基磺基甜菜碱两性离子水凝胶的制备方法，测试了产物力学强度。公开号为cn106365887a的发明专利申请（2024）涉及一种盐渍化耕地功能型保水剂的制备方法，使用聚丙烯酰胺和发酵生物有机原料，评价了在含盐量0.32%、ph值7.46土壤中的使用效果。综上所述，现有技术中还未提供解决上述及相关问题的技术方案。

技术实现思路

1、本发明旨在提供一种广谱抗逆农林保水剂及其制备方法，以骨架支撑剂和稠化剂为凝胶三维网络惰性支撑，形成刺激响应钝化区域；以聚丙烯酸为主链，通过ph调节剂的作用控制羧酸根与羧基的平衡形成缓冲区域；以含有丙烯酸衍生物分子结构的阳离子单体或两性离子单体为电荷调节剂，精确调控分子网络中正负电荷比例，所形成的电荷效应使所述广谱抗逆农林保水剂能够对不同环境刺激分别表现出聚阴离子、聚阳离子或聚两性离子响应属性，即自适应性；以间距调节剂控制微观三维网络的网格大小，进一步调控吸水溶胀性能。

2、为了实现上述发明目的，本发明的技术方案如下：

3、一种广谱抗逆农林保水剂，包括以重量份计的如下组分：丙烯酸100份、ph调节剂5份～20份、骨架支撑剂50份～200份、电荷调节剂20份～100份、稠化剂10份～20份、间距调节剂0.2份～0.5份、引发剂1份～20份、水500份～2000份；

4、所述骨架支撑剂为含有羟基活性基团的电中性化合物；

5、所述电荷调节剂为含有丙烯酸衍生物分子结构的阳离子单体或两性离子单体；

6、所述间距调节剂为多活性官能团化合物或低聚物；

7、所述ph调节剂为碱金属磷酸盐或碱土金属磷酸盐；

8、所述稠化剂为α-d-葡萄糖结构单元脱水缩合而成的高聚物；

9、所述引发剂为草酸氧钒与过硫酸钠组成的复合引发体系。

10、所述ph调节剂为三聚磷酸钠；

11、所述电中性化合物能接枝共聚，分子量<200g/mol，具有亲水亲油双亲属性，能溶于水、乙醇或丙酮；

12、所述骨架支撑剂为丙烯酸-4-羟基丁酯；

13、所述电荷调节剂能溶于水；

14、所述电荷调节剂为n-(2-丙烯酰氧乙基)-n-苄基-n,n-二甲基氯化铵；

15、所述稠化剂为肝糖；

16、所述间距调节剂分子量140g/mol～1200g/mol，间距调节剂可与羟基或碳碳双键接枝共聚；

17、所述间距调节剂为1,4-羟基丁基丙烯酸缩水甘油醚；

18、所述草酸氧钒与过硫酸钠质量比为1:5～1:20；

19、一种广谱抗逆农林保水剂的制备方法，包括如下步骤：

20、s1、将丙烯酸、ph调节剂、骨架支撑剂、电荷调节剂、稠化剂、间距调节剂和水于60℃～80℃混合，密闭搅拌20～50分钟后，冷却至室温，得到混合体系；

21、s2、将引发剂加入至混合体系中，搅拌溶解后倒入模具中，氮封，于50℃～85℃恒温1～3小时后取出，室温静置6～12小时，脱模，在50～80℃烘干粉碎，过100～200目筛，得到所述广谱抗逆农林保水剂。

22、本发明的有益效果：

23、1.本发明中，为使所述保水剂在淡水中有较高吸水溶胀率，采用丙烯酸为原料，利用阴离子聚合物的聚电解质效应，即羧基（-cooh）以及离解出的羧酸根（-coo-）之间的同种电荷斥力，使分子网络区域扩展。原料丙烯酸产生聚电解质效应，在淡水中羧基（-cooh）离解出的羧酸根（-coo-）之间因同种电荷斥力，使分子网络区域扩展，水凝胶的吸水溶胀率（sr）较大；当环境刺激（酸、碱、盐、化肥）存在时，部分羧酸根被自由离子屏蔽，同种电荷斥力被抵消，丙烯酸对sr的贡献比例逐渐降低。即：丙烯酸提供淡水sr的主要支撑。

24、2.本发明中， 为使所述保水剂在盐水中有较高sr，采用阳离子单体或两性离子单体为原料，与羧基/羧酸根产生反聚电解质效应，在盐浓度较高的区域对保水剂吸水溶胀率的提升起促进作用；同时，相对过剩的阴/阳离子呈现聚阳离子或聚阴离子的聚电解质效应，两种相反因素协同作用产生电荷调节效果，使所述保水剂整体表现出吸水溶胀率随环境刺激而增大或减小，即实现sr可设计、可调控。原料电荷调节剂产生反聚电解质效应及电荷调节作用，阳离子单体或两性离子单体原料的存在能够引入一定量的阳离子基团，因异性电荷吸引作用与-coo-配对，产生反聚电解质效应，使水凝胶具有一定程度的耐盐性；相对过剩的阳离子或羧基则呈现单纯的聚阳离子或聚阴离子的环境刺激响应表象，形成电荷调节效果。两种相反因素的叠加产生协同作用，使所述广谱抗逆农林保水剂具有一定程度的环境刺激自适应性。即：电荷调节剂提供盐水环境sr的主要支撑。

25、3.本发明中， 为使所述保水剂在广泛区间的离子浓度/环境刺激中有相对较小的吸水溶胀率波动范围，采用骨架支撑剂、稠化剂、ph调节剂，通过协同作用产生溶胀动力学控制效果，形成微观钝化及缓冲网格区，缓解聚电解质效应与电荷效应作用所导致的局部三维网格剧烈收缩/膨胀现象，降低所述保水剂对环境刺激的响应速率。骨架支撑剂参与共聚过程，形成环境刺激响应的钝化区，缓解聚电解质效应与电荷效应协同作用所导致的局部三维网格剧烈收缩/膨胀现象，使水凝胶受盐或化肥作用时sr保持相对稳定；稠化剂参与共聚过程，增强三维网格内的传质阻力，进一步钝化盐敏响应；使用ph调节剂形成缓冲溶液区，降低保水剂对ph刺激的响应程度。相关效应的共同作用使水凝胶对各类极端环境刺激具有适应性。

26、4.本发明中，为调整所述保水剂分子三维网格大小保持适中，兼顾较高的吸水溶胀率和较低的环境刺激响应程度，同时具有交联功能和分子链间距调节功能，所述间距调节剂为多活性官能团化合物或低聚物，分子量140g/mol～1200g/mol，可与羟基或碳碳双键接枝共聚，间距调节剂参与共聚过程，具有交联功能和分子链间距调节功能，使水凝胶分子的三维网格大小保持适中，有助于精确设计及调控sr的效果，并使水凝胶具有一定的力学强度。

27、5.本发明中的广谱抗逆农林保水剂与常规方法制得的农林保水剂相比，具有可调控的淡水溶胀率（200g/g～2500g/g、可设计且误差≤50g/g）和广谱抗逆效果，对ph 2～11、0.1%～20%nacl、0.1%～10%的cacl2/mgcl2、0.1%～10%的碳铵/kcl/k2so4、0.1%～5%的kh2po4/k2hpo4/k3po4、（10%nacl+2%kcl+2%cacl2+2%mgcl2）的混合盐水等恶劣环境均有良好适配性；还具有对土壤中的cu2+等重金属吸附钝化改良效果的特点。多种原料效应的协同作用，使所述广谱抗逆农林保水剂具有淡水溶胀倍率可调控和广谱抗逆性能，在酸、碱、盐、化肥等各种环境中都能维持较高的sr。此外，还因自身含有大量酸性基团、碱性基团等，具备吸附和固定土壤中cu2+重金属离子、改善土壤微观环境作用。