论文部分内容阅读
淀粉系保水剂因具有吸水性能优良、成本低、无毒、易生物降解等众多优点而被广泛应用，将淀粉系保水剂与含植物生长营养元素的天然矿物材料相结合得到一种新型保水缓释材料，既能起到一定的保水作用，又能实现肥料的缓慢释放，实现了保水剂的功能一体化。本研究以淀粉接枝丙烯酸丙烯酰胺三元共聚物为基体，磷矿粉和伊利石为添加物，制备得到磷-钾矿物/淀粉基复合水凝胶缓释材料，并研究其吸液性能、保水性能、缓释性能。本文所做的研究工作主要有如下几点:
1、以淀粉、丙烯酸和丙烯酰胺为聚合单体，N，N-亚甲基双丙烯酰胺为交联剂，硝酸铈铵和过硫酸钾为引发剂，通过溶液聚合方法制备得到了高含量淀粉接枝型保水剂（CSt-PAAm）。通过单因素研究考察引发剂用量、反应温度、淀粉用量、丙烯酸中和度和交联剂用量这五个因素对PAA吸水倍率的影响。
2、以磷矿粉为主要添加物与CSt-PAAm复合制备磷矿粉/淀粉基复合水凝胶缓释材料，通过单因素研究考察丙烯酸中和度、引发剂用量、交联剂用量和磷矿粉添加量对磷矿粉/淀粉基复合水凝胶缓释材料吸液性能的影响，找出最优制备条件。分析其在40℃、30℃、20℃的电热鼓风干燥箱中保水率随时间变化关系。分析磷矿粉/淀粉基复合水凝胶缓释材料的溶胀机理及模型，分析丙烯酸中和度和磷矿粉添加量对其吸水动力学的影响。重点考察磷矿粉/淀粉基复合水凝胶缓释材料的释磷机理、释放模型及影响因素。
3、以伊利石为主要添加物与CSt-PAAm复合制备伊利石/淀粉基复合水凝胶缓释材料，通过单因素研究考察丙烯酸中和度、引发剂和交联剂用量这三个因素对伊利石/淀粉基复合水凝胶缓释材料吸液性能的影响，并分析其吸水动力学。
4、向CSt-PAAm中同时添加磷矿粉和伊利石两种矿物，制各磷矿粉-伊利石/淀粉基复合水凝胶缓释材料。通过对比试验，考察磷矿粉和伊利石对缓释材料吸液倍率和缓释性能的影响。
研究所得结论如下:
1、通过对比木薯淀粉和PAA的IR图、XRD图和SEM图发现:淀粉与丙烯酸、丙烯酰胺发生了化学反应，并且形成了三维网状结构。通过单因素研究发现，当引发剂用量大于0.3％时，保水剂的吸水倍率随着引发剂用量的增加而减小;随反应温度的升高，反应所需要的时间迅速缩短，反应温度为50℃时，凝胶的吸水倍率最大，温度再升高时吸水倍率略下降;淀粉的含量占共聚单体（淀粉、丙烯酸、丙烯酰胺）总量的50％以下时，保水剂的吸水倍率随淀粉含量增加而增大，淀粉含量大于50％时，保水剂的吸水倍率随淀粉含量增大而减小;随丙烯酸中和度的增大，凝胶的吸水倍率增大，当中和度大于70％时随中和度增大吸水倍率减小;当交联剂用量大于0.1％时，凝胶的吸水倍率随交联剂用量增加而迅速减小。选出制备合成CSt-PAAm保水剂的最佳反应条件为:反应温度为50℃、引发剂用量为0.3％、淀粉的含量占共聚单体总量的50％、丙烯酸中和度为70％、交联剂用量为0.1％。
2、对CSt-PAAm的保水性能研究发现，吸水凝胶在初期失水比较快，在5天时失水约50％，到12天时失水约95％，12天以后，凝胶失水速率明显降低。说明凝胶中主要为自由水，该凝胶具有一定的保水性能。淀粉含量影响聚合物的接枝效率。
3、磷矿粉/淀粉基复合水凝胶缓释材料的吸液倍率最大的条件下的制备工艺为:丙烯酸中和度为80％、引发剂用量为0.4％、交联剂用量为0.1％、P2O5含量为10％，丙烯酸与丙烯酰胺的质量比为5∶1，硝酸铈铵与过硫酸铵的质量比为2∶3，此时磷矿粉/淀粉基复合水凝胶缓释材料吸去离子水、自来水和0.9％NaCl盐水倍率分别为265.3g/g，91.0g/g和21.1g/g。用Fickian公式来描述磷矿粉/淀粉基复合水凝胶缓释材料的吸水动力学，发现所有样品的溶胀特征指数n均介于0.5和1之间，说明水分子在凝胶内部的扩撒为非Fickian扩散，小分子在凝胶内的扩散速率与高分子链段松弛速率相当。
4、研究发现磷矿粉/淀粉基复合水凝胶缓释材料吸水后体系中的-COOH、-OH等功能基通过与磷矿粉中Ca2+等离子产生螯合和溶解作用使其具有缓慢释放养分、持续供磷的能力。可用公式Y=y0+Aexp(-t/t1)对磷矿粉/淀粉基复合水凝胶缓释材料的释磷过程进行拟合。丙烯酸中和度为50％、60％、70％时磷矿粉/淀粉基复合水凝胶缓释材料的释磷速率相差不大，中和度大于70％时，P2O5释放明显减慢，丙烯酸中和度为60％时P2O5释放速率最快;引发剂用量对释磷速率影响较小，当引发剂用量为0.6％时，P2O5释放速率最快;随交联剂用量的增大，P2O5释放速率先增大后减小，当交联剂用量为0.08％时，P2O5释放速率最快;随磷矿粉添加量增大P2O5的释放速率逐渐减小，P2O5为6％时磷释放速率最快。
5、伊利石/淀粉基复合水凝胶缓释材料的吸液倍率最大的条件下的制备工艺为:丙烯酸中和度为90％、交联剂用量为0.05％、引发剂用量为0.3％，丙烯酸与丙烯酰胺的质量比为9∶1，硝酸铈铵与过硫酸铵的质量比为5∶1，反应温度为50℃，伊利石添加量均为6.25g，此时伊利石/淀粉基复合水凝胶缓释材料吸去离子水、自来水和0.9％NaCl盐水倍率分别为248.5g/g,76.9g/g和18.4g/g。
6、研究伊利石/淀粉基复合水凝胶缓释材料初期的吸水动力学发现，水分子在凝胶内部的扩撒属于非Fickian扩散。在整个溶胀的过程中，交联剂用量不同，溶胀的速率r不同。
7、对三组对照试验所制各的淀粉基复合水凝胶缓释材料的吸液性能分析发现，磷矿粉添加量为8％、伊利石添加量为0时材料吸去离子水、自来水和0.9％NaCl盐水的倍率最大。同时添加磷矿粉和伊利石可促进磷矿粉-伊利石/淀粉基复合水凝胶缓释材料的缓释性能。