技术领域
本发明涉及一种低成本高吸水复合保水剂及其制备方法。
背景技术
应用于农林业方面的保水剂在实际施用过程中，土壤中的金属离子、水环境 的pH值等因素对其吸水保水性能有显著影响。纯水中具有上千倍吸水能力的保 水剂在高盐碱地区的应用过程中仅有几十倍甚至几倍的吸水能力，大大降低了保 水剂的实用价值。另外，目前商业化的保水剂价格偏高，这也是阻碍保水剂在干 旱地区大面积应用的一个关键性问题。因此，研制低成本、耐盐碱和高吸水的农 林业用保水剂，对于保水剂在干旱农业和恢复生态环境等应用方面，具有重要的 意义。
近年来，随着科学的发展，有机无机复合材料受到了人民的广泛关注，保水 剂的研制也不例外。在丙烯酸类聚合物中引入价廉的无机原料，其特点是引入的 无机物不但能提高丙烯酸类保水剂的耐盐性，而且可以大大降低成本。中国专利 CN1359974采用丙烯酰胺和丙烯酸钾共聚，复合添加剂为高岭土和膨润土，制 备出高吸水性复合树脂P(AM-KAA)KB。但其缺点是复合树脂中无机添加剂是 填充在聚合物的网络结构中，其凝胶强度显然要比无机填料与有机单体以接枝共 聚的方式存在的复合材料的凝胶强度弱。因此，寻找新的共聚成分及其制备方法， 进一步降低成本，仍是目前保水剂研究和开发的主要方向之一。
凹凸棒土属于含水的镁铝硅酸盐纤维壮粘土矿物，是粘土矿物中成分、结构、 形态和物理化学性质都比较特殊的矿物，特别是它具有一定的耐盐碱性，将它引 入复合保水剂的制备就更有意义。为了制备较高凝胶强度和低成本的新型复合保 水剂，我们以凹凸棒土作为无机原料与部分中和的丙烯酸或丙烯酰胺接枝共聚合 成了系列有机无机复合保水剂(CN1438256A，CN1590504A，CN1631970A， CN1699508A)。结果表明：凹凸棒土含量为30wt％时，仍能以聚合形式存在于 复合保水剂的网络中。该产品于2004年实现产业化，2005年被科技部等部门列 为国家重点推广新产品，被认为是保水剂的升级换代产品。为了进一步提高复合 保水剂的凝胶强度，在本发明中我们选用了凝胶性较好的膨润土与部分中和的丙 烯酸以及凹凸棒土接枝共聚合成了新型的聚丙烯酸/凹凸棒土/膨润土复合保水 剂。
发明内容
本发明的目的就是提供一种具有较高吸水和凝胶强度且成本较低的有机-无 机复合保水剂。
本发明通过以下措施来实现：
采用廉价的凹凸棒土、膨润土以及丙烯酸作为复合保水剂的主要原料，添加 引发剂和交联剂，在水溶液中经接枝共聚、交联、洗涤、干燥、粉碎制成复合保 水剂。
凹凸棒土是一种链层结构的镁铝硅酸盐矿物，在我国储量丰富，价格低廉。 酸化凹凸棒土表面存在大量的亲水性硅羟基，可与聚丙烯酸有效的接枝，形成具 有高吸水性的有机-无机复合保水剂。
膨润土(Bentonite)是一种以蒙脱石为主要成分的粘土矿物，蒙脱石由纳米 级的颗粒(10-11-10-9m)组成，称其为天然纳米材料。蒙脱石晶层间阳离子与 晶体格架间形成电偶极子，晶层之间氧层和氧层的联系力很小，使其具有很高的 阳离子交换容量、膨胀性、吸附性和分散性等，能够稳定地分散在丙烯酸类亲水 性单体的水溶液中。所以，可用来制备有机无机复合高吸水性树脂，增强复合保 水剂的凝胶强度。
一种低成本高吸水复合保水剂，其特征在于保水剂的原料的重量份数为：丙 烯酸100份，凹凸棒土20-80份，膨润土20-80份，引发剂0.05-1.0份，交联剂 0.05-1.0份；交联剂选自N，N′亚甲基双丙烯酰胺；引发剂选自过硫酸铵或者过硫 酸钾。
本发明的凹凸棒土是经过酸化处理的，使用的酸选自硫酸或者盐酸，粒径在 0.05mm以下。酸化处理可以进一步活化凹凸棒土的硅羟基，提高接枝反应的有 效性。
本发明的膨润土选自钠基或钙基膨润土，粒径在0.05mm以下。
一种低成本高吸水复合保水剂的制备方法，其特征在于保水剂的原料的重量 份数为：丙烯酸100份，凹凸棒土20-80份，膨润土20-80份，引发剂0.05-1.0 份，交联剂0.05-1.0份；交联剂选自N，N′亚甲基双丙烯酰胺；引发剂选自过硫 酸铵或者过硫酸钾；将酸处理的凹凸棒土和膨润土在搅拌下混合，丙烯酸用碱中 和，中和度为50％-80％，然后加入交联剂和引发剂，升温至60-90℃反应3-5小 时，经洗涤、干燥、粉碎后得产物。
凹凸棒土是从天然矿石中采选而得，经粉碎后使用硫酸或者盐酸进行酸化处 理，粒径在0.05mm以下。酸化处理可以进一步活化凹凸棒土的硅羟基，提高接 枝反应的有效性。
丙烯酸中和过程中，使用的碱为碳酸氢钠或氢氧化钾。
固定凹凸棒土量改变膨润土在反应体系中的量，复合保水剂的吸水倍率是逐 渐减小；固定膨润土量改变凹凸棒土在反应体系中的量，复合保水剂的吸水倍率 变化较小。通过比较吸水倍率的变化和结合红外光谱的分析，凹凸棒土和膨润土 一部分参与了接枝共聚反应，一部分以物理填充形式存在于复合保水剂中。物理 填充形式存在于复合保水剂中的量越多，复合保水剂吸水倍率越小。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：由于使用了廉价的凹凸棒土和膨润 土，使复合保水剂的成本大大降低。该复合保水剂吸蒸馏水的倍数为500-1200， 吸0.9％NaCl溶液的倍数为50-90。反复吸水测试表明，凹凸棒土和膨润土共同 与丙烯酸聚合可提高保水剂的凝胶强度。复合保水剂制备工艺简单，便于大规模 生产。该复合保水剂在完全失效后，凹凸棒土和膨润土还可增强土壤团粒结构， 有效的防止土壤板结。
本发明制备工艺简便，产品吸水率高，重复使用性能好，可在农、林业以及 其它领域得到应用。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明。
实施例1：
将天然的凹凸棒土用盐酸浸泡24小时后，蒸馏水洗至中性，120℃烘至恒重 粉碎备用。将5克凹凸棒土和4克膨润土置于烧杯中，加入30mL蒸馏水，剧烈 搅拌2小时。称取丙烯酸16克，加入20毫升蒸馏水，搅拌下滴加30％的氢氧化 钾20mL。将已搅拌成悬浮液的凹凸棒土和膨润土滴加入丙烯酸中，再加入交联 剂0.01克，搅拌30分钟后加入引发剂0.0180克。升温至70℃，保持3-5小时。 交联剂选自N，N′亚甲基双丙烯酰胺；引发剂选自过硫酸铵。
将产物在70℃下烘至恒重，粉碎，过40目网筛。产品吸蒸馏水倍率为805， 吸0.9％NaCl溶液60克，色泽为淡黄色。
实施例2：
将天然的凹凸棒土用硫酸浸泡24小时后，蒸馏水洗至中性，120℃烘至恒重 粉碎备用。将5克凹凸棒土和7克膨润土置于烧杯中，加入40mL蒸馏水，剧烈 搅拌2小时。称取丙烯酸16克，加入20毫升蒸馏水，搅拌下滴加30％的氢氧化 钾20mL。将已搅拌成悬浮液的凹凸棒土和膨润土滴加入丙烯酸中，再加入交联 剂0.01克，搅拌30分钟后加入引发剂0.0180克。升温至70℃，保持3-5小时。 交联剂选自N，N＇亚甲基双丙烯酰胺；引发剂选自过硫酸钾。
将产物在70℃下烘至恒重，粉碎，过40目网筛。产品吸蒸馏水倍率为550， 吸0.9％NaCl溶液50克，色泽为淡黄色。
实施例3：
将天然的凹凸棒土用盐酸浸泡24小时后，蒸馏水洗至中性，120℃烘至恒重 粉碎备用。将100克凹凸棒土和100克膨润土置于烧杯中，加入1000mL蒸馏水， 剧烈搅拌2小时。称取丙烯酸900克，加入800毫升蒸馏水，搅拌下滴加10摩 尔的氢氧化钠。将已搅拌成悬浮液的凹凸棒和膨润土滴加入丙烯酸中，再加入交 联剂3克，搅拌30分钟后加入引发剂10克。升温至70℃，保持3-5小时。交联 剂选自N，N′亚甲基双丙烯酰胺；引发剂选自过硫酸铵。
将产物在70℃下烘至恒重，粉碎，过40目网筛。产品吸蒸馏水倍率为1050， 吸0.9％NaCl溶液71克，色泽为淡黄色。