光/生物双降解型高吸水性复合树脂微球的制备及其在土壤保水保肥中的应用

Superabsorbent polymer has been widely applied in water and fertilizer retention in arid area due to their unique three-dimensional network and high capacity of absorbence and reservation. So far, most of the resins used are synthetic acrylic acid polymer, which was difficult to degrade in soil and may be changed to second pollution to environment. The common method to prepare degradable superabsorbent resion is grafting or blending with natural polymer, the water absorbency of which was very low and some still remain undegradable. Aiming at that bottleneck, this research proposed that high degradation of the superabsorbent polymer by photo and biomicrobe in soil after usage can be achieved through synthesizing photo/biodegradable superabsorbent polymer. The starch-grafted homopolymer and copolymer microspheres of acrylic acid(AA), acrylamide(AM) and 2-acrylamide-2-methyl propanesulfonic acid were prepared by inverse-suspension polymerization. The composite superabsorbent microspheres with high water-retentive and fertilizer-retentive capacity and degradability were obtained by loading the nanometer titania particles onto superabsorbent microspheres. The microstructue and property of the composite spheres can be adjusted by studying the surface and interface effect betwwen nanoparticle and polymer. The degradation kinetics and mechanism of the composite spheres in soil was investigated and relationship between the structure and property was explored. The obtained composite microspheres was applied in water and fertilizer retention in real soil.This research will provide the superabsorbent resin applied in water and fertilizer with newsight.

高吸水树脂因为其独特的三维网络结构和高的吸水保水特性已经广泛应用于干旱地区土壤保肥保水。目前用到的高吸水树脂多为合成型的丙烯酸类树脂，投放到土壤中很难降解，易造成环境二次污染，常用的方法是通过天然高分子的接枝改性或者共混制备可降解型高吸水树脂，但是这些树脂的吸水倍率普遍不高，降解后仍有残留。针对这一瓶颈，本课题提出通过制备光/生物双降解型复合高吸水树脂微球，实现树脂在光催化和生物降解的双重作用下的高降解性能。本课题拟采用反相悬浮聚合制备淀粉接枝的丙烯酸，丙烯酰胺和2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸的均聚和共聚物微球，并在其表面负载二氧化钛纳米颗粒，得到具有高保水保肥性和高降解性能的复合高吸水树脂微球。研究纳米粒子与聚合物的表面界面作用调控复合树脂微球的微结构与性能，探讨其在土壤中的降解动力学和机理，揭示其性能与结构的关系，并应用于土壤保肥保水。本项目将为高吸水树脂应用于土壤保水保肥提供新的思路。

随着社会的发展，环境保护问题显得尤为重要。针对普通合成类高吸水树脂在使用中存在不可降解，容易对环境产生二次污染，耐盐性差等问题，本课题提出合成可降解高吸水树脂来解决上述问题。本课题以玉米淀粉/羧甲基纤维素钠、水溶性单体丙烯酸(AA)和丙烯酰胺(AM)为原料，N,N’-亚甲基双丙烯酰胺(MBA)为交联剂，环己烷为连续相，过硫酸钾(KPS)作为引发剂，在氮气保护下采用反相悬浮聚合法合成高吸水性树脂微球。利用红外光谱法(FTIR)对其结构进行了鉴定，判断产物为淀粉/纤维素接枝AA/AM高吸水树脂。运用正交法，考察了多种因素对两种接枝可降解高吸水树脂吸水性能的影响，结果表明：当玉米淀粉、引发剂用量、交联剂用量和分散剂用量分别占单体总质量的10％、0.2％、0.3％和2％，树脂吸水、吸盐水倍率达到379.2g/g和88.1g/g；羧甲基纤维素用量，交联剂用量，中和度和引发剂用量分别占单体总质量的3％，0.1％，0.7和2％，树脂吸水、吸盐水倍率达到360.2g/g和101.1g/g。. 通过电镜（SEM, TEM, OM）和热重 (TGA)探讨了接枝高吸水树脂的外形和热稳定性，结果表明树脂微球粒径大多分布在数10um，且热稳定性良好。同时探讨了温度对接枝高吸水树脂保水能力的影响，结果表明高吸水树脂有良好的保水性能；将树脂加入到土壤后，提高了氮、磷、钾的利用率，可对土壤起到保肥并延缓肥效的作用；在对树脂吸附Ca2+、Ba2+和Mg2+性能测试实验中，探讨了不同用量树脂的吸附性能，结果表明，随着接枝高吸水树脂用量的增大，其对离子的脱除率也呈升高的趋势，并趋于稳定，树脂对Ca2+、Ba2+和Mg2+均有较好的吸附性能，最佳用量分别是0.4g，04g和0.5g，可为应用于工业阻垢提供参考。. 为了增加界面间的相互作用，将二氧化钛表面进行了硅烷偶联剂处理，然后再加入到反相悬浮体系进行聚合反应，制备二氧化钛负载的生物可降解吸水树脂。考察了树脂的紫外光降解能力，研究结果表明：所制备的材料引入二氧化钛纳米颗粒和纤维素结构单元提高了接枝高吸水树脂的降解性能，经过100h后，树脂的降解率达到86.2%，其降解率要高于自然条件下，属于环境友好的材料。通过掩埋法考察了树脂的生物降解能力，随着掩埋时间的延长，树脂的生物降解率提高，在掩埋80天之后，能提高到75%。