一种保水剂及其制备方法和应用

摘要

本发明公开了一种保水剂及其制备方法和应用，所述保水剂包括以下组分：N,N-二甲基丙烯酰胺和甲基丙烯酸甲酯的自由基聚合反应物1～50份；磷酸氢钙5～50份；聚丙烯酸钠80～120份。所述保水剂的制备方法，步骤如下：步骤(1)N,N-二甲基丙烯酰胺和甲基丙烯酸甲酯在交联剂、光引发剂作用下发生聚合反应得到聚合物；步骤(2)磷酸氢钙改性后与聚合物、聚丙烯酸钠超声震荡，加热搅拌、干燥和破碎，制得保水剂。所述保水剂吸水率高，强度大，吸水速率快，耐盐碱性能好，保水时间长，温度响应性好，稳定性好，成本较低，利于推广应用。所述制备方法流程简短，实验中间步骤不需要后处理，过程环保，无污染。

权利要求

1.一种保水剂，其特征在于，主要包括以下组分：以重量份计算，N，N-二甲基丙烯酰胺和甲基丙烯酸甲酯的自由基聚合反应物  1～50份；

磷酸氢钙                                              5～50份；

聚丙烯酸钠盐                                          80～120份。

2.如权利要求1所述的保水剂，其特征在于，所述磷酸氢钙经过磷酸酯类表面活性剂改性处理；所述聚丙烯酸钠盐分子量大于107，聚合度大于105。

3.如权利要求1所述的保水剂，其特征在于，所述N,N-二甲基丙烯酰胺和甲基丙烯酸甲酯的自由基聚合反应物中N,N-二甲基丙烯酰胺和甲基丙烯酸甲酯的质量比为14～50：2～

10。

4.如权利要求1所述的保水剂，其特征在于，所述保水剂的含水量低于5％，吸水倍率为

1：400～800。

5.一种如权利要求1～4任一所述的保水剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤(1)N,N-二甲基丙烯酰胺和甲基丙烯酸甲酯以水为反应介质，在交联剂、光引发剂作用下发生自由基聚合反应得到聚合物；

步骤(2)将磷酸氢钙和磷酸酯类表面活性剂加到水中得到悬浮液，悬浮液与步骤(1)得到的聚合物、聚丙烯酸钠盐在超声波震荡下混合均化，然后进行加热搅拌、干燥和破碎，制得保水剂。

6.如权利要求5所述的保水剂的制备方法，其特征在于，步骤(1)N,N-二甲基丙烯酰胺、甲基丙烯酸甲酯、交联剂、光引发剂和水的质量比为1400～5000：200～1000：2～15：2～15：

4000～15000；所述光引发剂为Irgacure 2959，所述交联剂为N，N-亚甲基双丙烯酰胺；N,N-二甲基丙烯酰胺、甲基丙烯酸甲酯、交联剂和光引发剂加入到水中在20～60℃下搅拌20～

60min进行溶解，溶解后发生自由基聚合反应；自由基聚合反应采用紫外光的波长为365nm，聚合反应时间为2min-30min。

7.如权利要求5所述的保水剂的制备方法，其特征在于，步骤(2)磷酸氢钙改性过程如下：磷酸氢钙和磷酸酯类表面活性剂加入到水中搅拌40～120min；所述磷酸类表面活性剂为Synthro-pon DAP-10磷酸酯；磷酸氢钙、磷酸酯类表面活性剂和水的质量比为10～50：

0.1～1：50～250。

8.如权利要求5所述的保水剂的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述超声波震荡频率为20KHz-100KHz，超声震荡时间为30min-60min，超声震荡温度为20～50℃。

9.如权利要求5所述的保水剂的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述加热搅拌、干燥和破碎均在双螺杆聚合反应器中一步完成，双螺杆聚合反应器温度控制在80℃～200℃，时间设定为0.1～2h。

10.一种如权利要求1～4任一所述的保水剂在园林、农业中的应用。

说明书

一种保水剂及其制备方法和应用

技术领域

[0001] 本发明属于保水剂技术领域，尤其涉及一种保水剂及其制备方法和应用。

背景技术

[0002] 保水剂是利用强吸水性树脂制成的一种超高吸水保水能力的高分子聚合物，它能迅速吸收比自身重数百倍甚至上千倍的去离子水、数十倍至近百倍的含盐水分，而且具有反复吸水功能。当水存在时，保水剂可以快速吸收储存水分，水缺乏时它又可以释放水分供作物吸收利用。

[0003] 近年来，由于受干旱﹑缺水﹑气候异常和劳动力紧张等原因的困扰，保水剂在很多技术领域得到了广泛的应用，尤其是在农业、林业土壤节水保湿﹑园林绿化等方面有着非常广阔的应用前景。

[0004] 现有的保水剂按原料来源主要有淀粉类、纤维素类和丙烯酸类等三大类。

[0005] 申请号为CN201310291311.3的中国专利申请公开了一种高凝胶强度的淀粉系保水剂的制备方法，将小麦淀粉糊化，在冰浴条件下制备丙烯酸钠溶液，取顺丁烯二酸、N，N-亚甲基双丙烯酰胺和过硫酸铵连同丙烯酸钠溶液一起加入糊化小麦淀粉中得混合溶液，将混合溶液进行搅拌，使其接枝共聚形成共聚产物；将共聚产物倒入四氟乙烯板中进行干燥处理，获得高凝胶强度的淀粉系保水剂；顺丁烯二酸也可换为高岭土或硅藻土。虽然该保水剂具有较高的吸水率，但其耐盐碱性很差，很难在干旱地带，尤其是盐碱地得到推广应用。

[0006] 申请号为CN201510055700.5的中国专利申请公开了一种复合农用抗旱保水剂，其保水剂组分及其重量份数如下：羧甲基纤维素：150份～180份；N，N-亚甲基双丙烯酰胺：6份～10份；腐殖酸：30份～50份；丙烯酰胺：700份～1000份；过硫酸钾：60份～80份；NaOH：200份～375份；蒸馏水：10000份～15000份，纤维素类保水剂虽然成本低，耐盐碱性较好，但是其吸水率较差，也很难得到实际应用。

[0007] 申请号为CN201010572343.7的中国专利申请公开了一种聚丙烯酸钠盐保水剂的制备方法，包括以下步骤：将丙烯酸、高岭土、脲、过硫酸铵、亚硫酸氢钠、N，N-亚甲基双丙烯酰胺、淀粉和水混合均匀，得到混合溶液；所述混合溶液在无氧条件下进行聚合反应，得到聚丙烯酸钠盐保水剂。丙烯酸类保水剂尽管加工工艺较简单，有着较高的吸水率，耐盐性也较好，但是其强度差，吸水速率慢，成本较高。因此，寻找既有较高的吸水率，又能有较好的耐盐碱性能，而且成本较为低廉的保水剂，一直是本领域难以解决的一个技术难题。

发明内容

[0008] 针对现有技术的不足，本发明提供一种保水剂及其制备方法和应用。所述保水剂吸水率稿，吸水速率快，保水能力强，缓控性能好。

[0009] 本发明的技术方案如下：一种保水剂，主要包括以下组分：以重量份计算，[0010] N,N-二甲基丙烯酰胺和甲基丙烯酸甲酯的自由基聚合反应物  1～50份；

[0011] 磷酸氢钙                                              5～50份；

[0012] 聚丙烯酸钠盐                                          80～120份。

[0013] 所述磷酸氢钙经过磷酸酯类表面活性剂改性处理；所述聚丙烯酸钠盐分子量大于107，聚合度大于105。

[0014] 所述N,N-二甲基丙烯酰胺和甲基丙烯酸甲酯的自由基聚合反应物中N，N-二甲基丙烯酰胺和甲基丙烯酸甲酯的质量比为14～50：2～10。

[0015] 所述保水剂的含水量低于5％，吸水倍率为1：400～800，所述保水剂吸水速率快，达到≤30秒/600倍；保水能力强，缓控性能好,达到失水≤70％/8周。

[0016] 本发明还提供所述保水剂的制备方法，一种保水剂的制备方法，包括以下步骤：

[0017] 步骤(1)N,N-二甲基丙烯酰胺和甲基丙烯酸甲酯以水为反应介质，在交联剂、光引发剂作用下发生自由基聚合反应得到聚合物；该反应结束后，不用对产物进行后处理，即可将投入下一步反应中使用；

[0018] 步骤(2)将磷酸氢钙和磷酸酯类表面活性剂加到水中得到悬浮液，磷酸酯类表面活性剂对磷酸氢钙进行改性，改善其分散性，悬浮液与步骤(1)得到的聚合物、聚丙烯酸钠盐在超声波震荡下混合均化，然后进行加热搅拌、干燥和破碎，制得保水剂。

[0019] 步骤(1)N,N-二甲基丙烯酰胺、甲基丙烯酸甲酯、交联剂、光引发剂和水的质量比为1400～5000：200～1000：2～15：2～15：4000～15000；所述光引发剂为德国巴斯夫Irgacure 2959，所述交联剂为N，N-亚甲基双丙烯酰胺(Bis)；N，N-二甲基丙烯酰胺、甲基丙烯酸甲酯、交联剂和光引发剂加入到水中在20～60℃下搅拌20～60min进行溶解，溶解后发生自由基聚合反应；自由基聚合反应采用紫外光的波长为365nm，聚合反应时间为2min-30min。

[0020] 所述N,N-二甲基丙酰胺和甲基丙烯酸的聚合物主要是聚N,N-二甲基丙酰胺、聚N,N-二甲基丙酰胺-甲基丙烯酸的混合物。所述聚合物具有较好的亲水亲油性和耐盐性，吸水速率较快，温度响应性好，控制水分释放性能优良，可较好地改善本发明所述保水剂的实际使用性能。

[0021] 步骤(2)磷酸氢钙改性过程如下：磷酸氢钙和磷酸酯类表面活性剂加入到水中搅拌40～120min；所述磷酸类表面活性剂为Synthro-pon DAP-10磷酸酯；磷酸氢钙、磷酸酯类表面活性剂和水的质量比为10～50：0.1～1：50～250。

[0022] 磷酸氢钙经磷酸酯类表面活性剂改性后，具有较好的润湿分散性能，可与聚丙烯酸钠盐(高吸水性树脂)有机融合，能够为保水剂提供较好的强度，改善其稳定性和重复使用次数，同时磷酸氢钙价格便宜可有效降低保水剂的生产成本。

[0023] 步骤(2)所述超声波震荡频率为20KHz-100KHz，震荡时间为30min-60min，震荡温度为20～50℃；所述的超声波震荡过程，可使震荡物经超声波的空化和穿透作用而获得均匀混合和超强分散，为进一步的高效共混聚合提供了条件和基础。

[0024] 步骤(2)所述加热搅拌、干燥和破碎均在双螺杆聚合反应器中一步完成，双螺杆聚合反应器温度控制在80℃～200℃，设定时间为0.1～2h。本发明所述的双螺杆聚合反应器可一步实现N，N-二甲基丙烯酰胺和甲基丙烯酸甲酯聚合物、改性后的磷酸氢钙和聚丙烯酸钠盐的共混聚合﹑干燥﹑破碎和挤压，制得保水剂，效率高，操作简便，易于实现大规模生产。并且改性后的磷酸氢钙与聚丙烯酸钠盐能够进一步反应，改善保水剂性能。

[0025] 本发明还提供所述保水剂在园林、农业中的应用。所述保水剂不仅吸水率高、耐盐碱性好，而且能够为作物提供所需的磷﹑钙和氮养分。

[0026] 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明提供的保水剂吸水率高，强度大，吸水速率快，耐盐碱性能好，保水时间长，温度响应性好，稳定性好，成本较低，利于推广应用。本发明提供的制备方法操作简单，实验中间产物不需要后处理，过程环保，无污染。

具体实施方式

[0027] 下面结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步详细说明。

[0028] 以下实施例中聚丙烯酸钠盐为高分子吸水树脂SA60N，日本住友公司生产,分子量7 5
大于10 ，聚合度大于10 。Synthro-pon DAP-10磷酸酯由德国巴斯夫公司生产销售，以下实施例采用的原料纯度均在98％以上。

[0029] 实施例1

[0030] 称取1.8KgN，N-二甲基丙烯酰胺，0.2Kg甲基丙烯酸甲酯投入装有4.0Kg水的反应器中，滴加2.0gBis交联剂和2.0g光引发剂Irgacure2959，搅拌40min后，控制温度25℃，用365nm紫外光源照射2min.完成反应，反应产物备用。

[0031] 称取20.0Kg磷酸氢钙，投入装有100.0Kg水的反应器中，加入100.0g的Synthro-pon DAP-10磷酸酯，开启剪切机搅拌60min，对磷酸氢钙进行润湿分散，完成后产物备用。

[0032] 称取100.0Kg聚丙烯酸钠盐(高分子吸水树脂SA60N)，与上述两种备用产物同时加入到超声波均化器中，调整频率为20KHz，进行均化，时间为30min，得到三元体系混合物；

[0033] 开动双螺杆聚合反应器，设置聚合反应温度为120℃，将超声均化后的三元体系混合物通过加料装置投入反应器进行共混聚合，反应完成后在双螺杆出口出料冷却，得到白色颗粒状产品122.0Kg，含水量1.7％。

[0034] 原料中含有的杂质以及交联剂和光引发剂对制得的保水剂性能没有影响。

[0035] 实施例2

[0036] 称取1.4KgN,N-二甲基丙烯酰胺，0.6Kg甲基丙烯酸甲酯投入装有4.0Kg水的反应器中，滴加4.0gBis交联剂和4.0g光引发剂Irgacure2959，搅拌40min后，控制温度25℃，用365nm紫外光源照射2min.完成反应，不需反应后处理，反应产物备用。

[0037] 称取20.0Kg磷酸氢钙，投入装有100.0Kg水的反应器中，加入100.0g的Synthro-pon DAP-10磷酸酯，开启剪切机搅拌60min，对磷酸氢钙进行润湿分散，完成后产物备用。

[0038] 称取100.0Kg聚丙烯酸钠盐(高分子吸水树脂SA60N)，与上述两种备用产物同时加入到超声波均化器中，调整频率为20KHz，进行均化，时间为30min，得到三元体系混合物；

[0039] 开动双螺杆聚合反应器，设置聚合反应温度为120℃，将超声均化后的三元体系混合物通过加料装置投入反应器进行共混聚合，30min后在双螺杆聚合反应器出口出料冷却，得到白色颗粒状产品121.0Kg，含水量为1.6％。

[0040] 实施例3

[0041] 称取2.6KgN,N-二甲基丙烯酰胺，0.4Kg甲基丙烯酸甲酯投入装有6.0Kg水的反应器中，滴加4.0gBis交联剂和6.0g光引发剂Irgacure2959，搅拌40min后，控制温度40℃，用365nm紫外光源照射3min，结束反应，反应产物备用。

[0042] 称取30.0Kg磷酸氢钙，投入装有150.0Kg水的反应器中，加入200.0g的Synthro-pon DAP-10磷酸酯，开启剪切机搅拌90min，对磷酸氢钙进行润湿分散，完成后产物备用。

[0043] 称取100.0Kg聚丙烯酸钠盐(高分子吸水树脂SA60N)，与上述两种备用产物同时加入到超声波均化器中，调整频率为33KHz，进行均化，时间为60min，得到三元体系混合物；

[0044] 开动双螺杆聚合反应器，设置聚合反应温度为140℃，将超声均化后的三元体系混合物通过加料装置投入反应器进行共混聚合，20min后在双螺杆出口出料冷却，得到白色颗粒状产品138.0Kg，含水量为1.3％。

[0045] 实施例4

[0046] 称取2.0KgN,N-二甲基丙烯酰胺，1.0Kg甲基丙烯酸甲酯投入装有6.0Kg水的反应器中，滴加5.0gBis交联剂和6.0g光引发剂Irgacure2959，搅拌40min后，控制温度40℃，用365nm紫外光源照射3min.完成反应，反应产物备用。

[0047] 称取30.0Kg磷酸氢钙，投入装有150.0Kg水的反应器中，加入200.0g的Synthro-pon DAP-10磷酸酯，开启剪切机搅拌90min，对磷酸氢钙进行润湿分散，完成后产物备用。

[0048] 称取100.0Kg聚丙烯酸钠盐(高分子吸水树脂SA60N)，与上述两种备用产物同时加入到超声波均化器中，调整频率为33KHz，进行均化，时间为60min，得到三元体系混合物；

[0049] 开动双螺杆聚合反应器，设置聚合反应温度为140℃，将超声均化后的三元体系混合物通过加料装置投入反应器进行共混聚合，20min后在双螺杆出口出料冷却，得到白色颗粒状产品135.0Kg，含水量为1.1％。

[0050] 实施例5

[0051] 称取4.5KgN,N-二甲基丙烯酰胺，0.5Kg甲基丙烯酸甲酯投入装有10.0Kg水的反应器中，滴加6.0gBis交联剂和8.0g光引发剂Irgacure2959，搅拌40min后，控制温度55℃，用365nm紫外光源照射5min.完成反应，反应产物备用。

[0052] 称取40.0Kg磷酸氢钙，投入装有200.0Kg水的反应器中，加入300.0g的Synthro-pon DAP-10磷酸酯，开启剪切机搅拌90min，对磷酸氢钙进行润湿分散，完成后产物备用。

[0053] 称取100.0Kg市售低交联型聚丙烯酸钠盐盐型高分子吸水树脂SA60N，与上述两种备用产物同时加入到超声波均化器中，调整频率为80KHz，进行均化，时间为90min，得到三元体系混合物；

[0054] 开动双螺杆聚合反应器，设置聚合反应温度为160℃，将超声均化后的三元体系混合物通过加料装置投入反应器进行共混聚合，10min后在双螺杆出口出料冷却，得到白色颗粒状产品149.0Kg，含水量为0.9％。

[0055] 实施例6

[0056] 称取5.0KgN,N-二甲基丙烯酰胺，1.0Kg甲基丙烯酸甲酯投入装有15.0Kg水的反应器中，滴加10.0gBis交联剂和12.0g光引发剂Irgacure2959，搅拌40min后，控制温度55℃，用365nm紫外光源照射5min.完成反应，反应产物备用。

[0057] 称取40.0Kg磷酸氢钙，投入装有200.0Kg水的反应器中，加入400.0g的Synthro-pon DAP-10磷酸酯，开启剪切机搅拌90min，对磷酸氢钙进行润湿分散，完成后产物备用。

[0058] 称取100.0Kg聚丙烯酸钠盐(高分子吸水树脂SA60N)，与上述两种备用产物同时加入到超声波均化器中，调整频率为80KHz，进行均化，时间为90min，得到三元体系混合物；

[0059] 开动双螺杆聚合反应器，设置聚合反应温度为160℃，将超声均化后的三元体系混合物通过加料装置投入反应器进行共混聚合，10min后在双螺杆出口出料冷却，得到白色颗粒状产品151.0Kg，含水量为0.7％

[0060] 分别取100kg实施例1～6制得的保水剂，并取100kg的高分子吸水树脂SA60N(对比例)，测定吸水倍率、吸水速率、保水能力和耐盐性。结果如表1所示。

[0061] 表1

[0062]  吸水倍率 吸水速率/s 保水能力/8周 耐盐性
对比例 727 15 51.7％ 良好
实施例1 783 18 68.7％ 良好
实施例2 771 19 67.3％ 良好
实施例3 722 23 62.1％ 良好
实施例4 710 24 62.5％ 良好
实施例5 689 27 60.4％ 良好
实施例6 657 29 59.9％ 良好

[0063] 与对比例相比，实施例1～6制备的保水剂吸水倍率、吸水速率基本相同，保水能力和耐盐性都较对比例好。