一种环保型农林保水剂及其制备方法与流程

本发明属于农林保水剂材料技术领域，具体涉及一种环保型农林保水剂及其制备方法。

背景技术：

水是农林业生产的基础，我国水资源匮乏，干旱以及半干旱地区土地面积占国土面积的47％，水资源匮乏已经严重影响了我国农林业的发展。另外，水资源的时空分布不均衡，北旱南涝，春旱秋涝，尤其是广大北方地区，梅雨季节的降雨难以有效储存，多数的水分被蒸发以及通过地下流走。水土流失、农林受旱和土地荒漠化是目前农林业发展中亟待解决的问题。高吸水性保水剂(superabsorbentpolymer,sap)凭借其优异的吸水能力和良好的保水性可用于缓解上述问题，sap又称高吸水性树脂，是一类具有亲水网络结构的功能性高分子材料，吸收倍数一般可达到自身重量的200～700倍。sap能够在下雨或浇灌时吸水大量的水分并储存起来，在干旱缺水的情况下，植物通过根部吸收供自身生长利用。sap对土壤团粒结构的形成有促进作用，改善植物根系与土壤界面的环境状况，直接提供植物的水分供应；还可通过改善植物根际土壤结构，进而改善土壤的通透性，促进土壤保水，间接供应植物水分。因此，sap在农林业生产、水土保持和荒漠化修复方面具有巨大的应用潜力，市场前景广阔，对我国林业和环境的可持续发展具有十分重大的现实意义。

sap的类型比较多，可以通过它的亲水基团的类型、原料来源、制品形态以及交联方法等实施分类。根据原料来源分类，把sap分为6大类：淀粉系、纤维素系、化学合成树脂系、蛋白质系，其他天然及衍生物系，共混物及复合系，目前国内外研究较多的主要是化学合成树脂系sap，其制备方法主要采用溶液聚合、反相悬浮聚合和反相乳液聚合等。这些方法均需要化学引发剂、有一定污染，工艺复杂、操作困难、能源消耗大，合成品不可降解、污染土壤，且功能单一、反复使用性差等缺点，限制了其在农林领域的广泛应用。

技术实现要素：

本发明的目的正是针对上述现有技术所存在的问题而提供的一种环保型农林保水剂及其制备方法，克服了现有化学合成树脂系sap在农林业中的应用局限，采用先进的核技术辐照合成工艺，制备出性能高效、环境友好、可生物降解、不污染土壤的绿色sap，以满足农林业发展的需求。制备过程中，通过辐照工艺调节，淀粉采用加碱低温糊化法，选用弱碱性中和剂，凝胶分段干燥，降低了能耗，提高了辐照剂量利用率和生产效率；淀粉采用加碱低温糊化法，大大降低了糊化温度，降低生产能耗，且不用冷却即可与丙烯酸中和液混合，减少了冷却环节，提高了生产效率；选用弱碱性中和剂，很好的解决了中和反应中出现的剧烈放热的问题，在反应釜外可以不采用强制冷却措施控温，提高了生产安全性；采用二段干燥技术，在不影响保水剂性能的前提下缩短了干燥时间，提高了生产效率。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明的一方面，提供了一种环保型农林保水剂的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

ss1.碱溶液配制

在配碱釜中，投入一定量的固体碱，搅拌下加去离子水使之溶解形成碱溶液，并冷却至室温待用。

ss2.中和

在中和反应釜中投入一定量的丙烯酸(aa)和2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(amps)，在搅拌条件下，将步骤ss1中制备的碱溶液缓慢输送送至中和反应釜，中和反应完毕后冷却至室温待用。

ss3.淀粉糊化

在淀粉糊化反应釜中投入一定量的淀粉，并加入一定量的去离子水，边搅拌边加入一定量的koh，在30～60℃水浴下糊化20～60min形成糊化淀粉，冷却至室温待用。

ss4.混合装箱

将步骤ss3中制备的糊化淀粉输送至步骤ss2中的中和反应釜，搅拌条件下加入一定量的辐照敏化剂，搅拌均匀后，将混合后的料液输送至内衬聚酯袋的辐照反应箱，料液的装入量为辐照反应箱容积的60～70％。

ss5.辐照合成

将步骤ss4中的辐照反应箱输送至辐照室，利用其中的辐照装置进行辐照反应，辐照剂量为3～10kgy。

ss6.切片造粒

步骤ss5中的料液完成聚合反应后成为凝胶状，将其取出，先切成片状，再切块，使用凝胶造粒机造粒，粒径为3～5mm。

(7)干燥

将步骤ss6中的凝胶颗粒送入热风干燥系统，烘干至水分含量低于6％，经过筛分、质检和包装，即可得到环保型农林保水剂产品。

本发明所公开的上述技术方案中，采用天然生物材料淀粉与有机单体结合通过辐照技术合成的环保型高吸水性sap，既克服了纯天然材料吸水倍率低、保水性能差、降解速率过快等缺点，又克服了现有技术制备的化学合成树脂系sap难以降解，易造成环境污染等缺点。

优选地，步骤ss1中，所述固体碱为碳酸钾、碳酸铵的一种或直接使用氨水加入步骤ss2的中和反应釜中。

优选地，步骤ss2中，所述中和反应的中和度为50～90％。

优选地，步骤ss3中，所述淀粉为木薯淀粉、玉米淀粉、小麦淀粉、红薯淀粉、马铃薯淀粉的一种或几种。

优选地，步骤ss3中，所述淀粉在40～50℃水浴下糊化30～40min。

优选地，步骤ss4中，所述辐照敏化剂为n,n’-亚甲基双丙烯酰胺、三烯丙基异氰酸酯、三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯的一种或几种。

优选地，步骤ss5中，所述辐照剂量为4～9kgy，剂量不均匀度小于1.5。

优选地，步骤ss5中，所述辐照装置采用⁶⁰coγ装置时，设置2个装卸货位，辐照反应箱通过自动装卸系统自动进入输送系统，通过传输系统实现自动换层和换面，运行方式采用连续运行，速度为3～9m/min。

进一步地，步骤ss5中，所述辐照装置采用⁶⁰coγ装置时，其⁶⁰co放射源的总活度为50～200万居里，放射源排列方式为单板源或双板源，优选为双板源。

进一步地，步骤ss5中，所述辐照装置采用⁶⁰coγ装置时，放射源架外形尺寸(长×宽×高)不小于1972mm×89mm×2856mm，可安装放射源面积不小于1800mm×2545mm，可安装放射源棒数量不少于600根。

进一步地，步骤ss5中，所述辐照反应箱内容积的最大规格(长×宽×高)为1220mm×200mm×1350mm，宽度优选为100～200mm。

进一步地，步骤ss5中，所述辐照装置采用⁶⁰coγ装置时，输送系统可采用重型积放式悬挂链型、悬挂链+移行式过源机械型、辊道型的一种。

优选地，步骤ss5中，所述辐照装置采用电子加速器时，将辐照反应箱置于输送系统送入辐照室进行辐照，一次辐照不换面。

进一步地，步骤ss5中，所述辐照装置采用电子加速器时，其能量为1～10mev，束功率为50～100kw，扫描宽度为100cm。

进一步地，步骤ss5中，所述辐照装置采用电子加速器时，辐照反应箱为上开口型，最大宽度为1000mm，高度为50～100mm。

进一步地，步骤ss5中，所述辐照装置采用电子加速器时，辐照输送系统可采用辊道式、履带式、链式的一种。

优选地，步骤ss7中，所述热风干燥系统分为两段，一段干燥温度为110～150℃，干燥时间为1～2h，二段干燥温度为40～80℃，干燥时间为8～12h。

根据本发明的另一方面，本发明还提供了根据上述制备方法合成得到的环保型农林保水剂，由以下重量份数的成分组成：aa与amps总量100份，amps:aa为1:9～1:2；淀粉10～50份；中和用碱50～90份；koh0.1～3份；辐照敏化剂0.05～0.25份；去离子水500～700份。

与现有技术相比，本发明的环保型农林保水剂及其制备方法，其显著的技术优点是：

(1)本发明的环保型农林保水剂，性能高效，优于传统的化学合成树脂系sap，而且环境友好、可生物降解、不污染土壤，加入了淀粉，大大降低了生产成本，可以满足农林业生产和荒漠化治理的需求，产品应用价值高，具有实用性。

(2)本发明的环保型农林保水剂的制备方法，通过辐照工艺调节，辐照反应箱的特殊设计，淀粉碱法低温糊化，选用弱碱性中和剂，凝胶分段干燥，降低了能耗，提高了辐照剂量利用率和生产效率，具有创新性。

(3)本发明的环保型农林保水剂的制备方法，淀粉采用加碱低温糊化法，大大降低了糊化温度，降低生产能耗，且不用冷却即可与丙烯酸中和液混合，减少了冷却环节，提高了生产效率。

(4)本发明的环保型农林保水剂的制备方法，选用碳酸钾、碳酸铵或氨水作为中和剂，很好的解决了中和反应中出现的剧烈放热的问题，在反应釜外可以不采用强制冷却措施控温，提高了生产安全性，而且k、n还可以作为肥料被植物利用。

(5)本发明的环保型农林保水剂的制备方法，通过控制自动传输系统的传送速度，调节辐照剂量，设计了专用的辐照反应箱，解决了辐照剂量分布控制与辐照聚合反应容器的配合难题，提高了辐照反应效率。

(6)本发明的环保型农林保水剂的制备方法，采用二段干燥技术，在不影响保水剂性能的前提下缩短了干燥时间，提高了生产效率。

附图说明

图1为本发明的环保型农林保水剂的制备工艺流程图。

具体实施方式

为了更好的理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解。需要说明的是，以下所述仅为本发明的较佳实施例，但本发明的内容不局限于下面的实施例。实际上，在未背离本发明的范围或精神的情况下，可以在本发明中进行各种修改和变化，这对本领域技术人员来说将是显而易见的。例如，作为一个实施例的一部分示出或描述的特征可以与另一个实施例一起使用来产生又一个实施例。因此，意图是本发明将这样的修改和变化包括在所附的权利要求书和它们的等同物的范围内。

实施例1

图1所示是本发明提供的环保型农林保水剂的制备工艺流程图。主要包括以下工艺步骤：

(1)碱溶液配制

在配碱釜中，投入270kg的碳酸钾固体，搅拌下加去离子水使之溶解，冷却至室温待用。

(2)中和

在中和反应釜中投入240kg的aa和60kg的amps，在搅拌条件下，将步骤(1)中的碳酸钾溶液通过输送泵缓慢送至中和反应釜，中和反应结束后冷却至室温待用。

(3)淀粉糊化

在淀粉糊化反应釜中投入100kg的玉米淀粉，用输送泵加入一定量的去离子水，打开搅拌装置，加入1kg的koh，在30℃水浴下糊化60min，冷却至室温。

(4)混合装箱

将步骤(3)中的玉米淀粉糊输送泵送至中和反应釜，搅拌下加入0.6kg的辐照敏化剂n,n’-亚甲基双丙烯酰胺，搅拌均匀后，用输送泵送入内衬聚酯袋的辐照反应箱，溶液的装入量为反应箱容积的60％。

(5)辐照合成

将步骤(4)中的辐照反应箱经输送系统进入辐照室，采用50万居里⁶⁰coγ辐照装置进行辐照反应，辐照剂量为10kgy。

(6)切片造粒

料液完成聚合反应后成为凝胶状，将其取出，先切成片状，再切块，使用凝胶造粒机造粒，粒径为3～5mm。

(7)干燥

将步骤(6)中的凝胶颗粒送入热风干燥系统，在温度为150℃下烘干1h，然后在80℃烘干8h，烘干至水分含量≤6％，经过筛分、质检和包装，即可得到环保型农林保水剂产品。

上述步骤(5)中，辐照装置的放射源的排列方式为单板源，放射源架外形尺寸(长×宽×高)为1972mm×89mm×2856mm，可安装放射源面积为1800mm×2545mm，可安装放射源棒数量为600根，辐照反应箱内容积规格(长×宽×高)为1220mm×200mm×1350mm，辐照反应箱通过传输系统进行自动换层和换面，辐照传输系统采用重型积放式悬挂链型，运行方式采用连续运行，速度为9m/min。

对保水剂的吸水性能进行测定，吸纯净水倍数为593g/g，吸盐水(0.9％nacl)倍数为110g/g。

实施例2

图1所示是本发明提供的环保型农林保水剂的制备工艺流程图。主要包括以下工艺步骤：

(1)碱溶液配制

在配碱釜中，投入210kg的碳酸铵固体，搅拌下加去离子水使之溶解，冷却至室温待用。

(2)中和

在中和反应釜中投入180kg的aa和120kg的amps，在搅拌条件下，将步骤(1)中的碳酸铵溶液通过输送泵缓慢送至中和反应釜，中和反应结束后冷却至室温待用。

(3)淀粉糊化

在淀粉糊化反应釜中投入150kg的木薯淀粉，用输送泵加入一定量的去离子水，打开搅拌装置，加入4.5kg的koh，在60℃水浴下糊化30min，冷却至室温。

(4)混合装箱

将步骤(3)中的木薯淀粉糊输送泵送至中和反应釜，搅拌下加入0.3kg的辐照敏化剂三烯丙基异氰酸酯，搅拌均匀后，用输送泵送入内衬聚酯袋的辐照反应箱，溶液的装入量为反应箱容积的70％。

(5)辐照合成

将步骤(4)中的辐照反应箱经输送系统进入辐照室，采用100万居里⁶⁰coγ辐照装置进行辐照反应，辐照剂量为6kgy。

(6)切片造粒

料液完成聚合反应后成为凝胶状，将其取出，先切成片状，再切块，使用凝胶造粒机造粒，粒径为3～5mm。

(7)干燥

将步骤(6)中的凝胶颗粒送入热风干燥系统，在温度为120℃下烘干2h，然后在60℃烘干10h，烘干至水分含量≤6％，经过筛分、质检和包装，即可得到环保型农林保水剂产品。

上述步骤(5)中，辐照装置的放射源采用双板源的排列方式，放射源架外形尺寸(长×宽×高)为1972mm×89mm×2856mm，可安装放射源面积为1800mm×2545mm，可安装放射源棒数量为600根，辐照反应箱内容积规格(长×宽×高)为1220mm×150mm×1350mm，辐照反应箱通过传输系统进行自动换层和换面，辐照传输系统采用悬挂链+移行式过源机械型，运行方式采用连续运行，速度为6m/min。

对保水剂的吸水性能进行测定，吸纯净水倍数为686g/g，吸盐水(0.9％nacl)倍数为150g/g。

实施例3

图1所示是本发明提供的环保型农林保水剂的制备工艺流程图。主要包括以下工艺步骤：

(1)碱溶液配制

在配碱釜中，投入240kg的氨水待用。

(2)中和

在中和反应釜中投入270kg的aa和30kg的amps，在搅拌条件下，将步骤(1)中的氨水通过输送泵缓慢送至中和反应釜，中和反应结束后冷却至室温待用。

(3)淀粉糊化

在淀粉糊化反应釜中投入60kg的马铃薯淀粉，用输送泵加入一定量的去离子水，打开搅拌装置，加入1.2kg的koh，在50℃水浴下糊化40min，冷却至室温。

(4)混合装箱

将步骤(3)中的马铃薯淀粉糊输送泵送至中和反应釜，搅拌下加入0.3kg的辐照敏化剂三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯，搅拌均匀后，用输送泵送入内衬聚酯袋的辐照反应箱，溶液的装入量为反应箱容积的60％。

(5)辐照合成

将步骤(4)中的辐照反应箱经输送系统进入辐照室，采用10mev的电子加速器辐照装置进行辐照反应，辐照剂量为4kgy。

(6)切片造粒

料液完成聚合反应后成为凝胶状，将其取出，先切成片状，再切块，使用凝胶造粒机造粒，粒径为3～5mm。

(7)干燥

将步骤(6)中的凝胶颗粒送入热风干燥系统，在温度为110℃下烘干2h，然后在40℃烘干12h，烘干至水分含量≤6％，经过筛分、质检和包装，即可得到环保型农林保水剂产品。

上述步骤(5)中，电子加速器的束功率为50kw，扫描宽度为100cm，辐照输送系统采用辊道式，辐照箱宽度为1000mm，高度为50mm。

对保水剂的吸水性能进行测定，吸纯净水倍数为428g/g，吸盐水(0.9％nacl)倍数为60g/g。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明。所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。