天然原料合成保水剂在农林业中应用的研究进展

质 与丙烯酸 、 丙烯 酰胺等单 体接枝 聚合 ， 合成 一系列
高 吸水 树脂 。其 中用 溶液 聚合 法制备 了鱼蛋 白基 丙 烯酸 （ Ｐ—ｇ Ａ） 吸水性 树脂 ， 高 吸水性 树 脂 Ｆ —Ａ 高 该
种子发 芽期需要 充足 的水 份 ， 吸水树 脂具有 吸水 、 高 保水 的功 能 ， 可用 来 制作 种 子包 衣剂 。甘 薯 淀粉基 高吸水树脂 作为 包衣 剂 ， 子发 芽率 、 苗 的茎 长 、 种 幼
茎质量 、 叶质量等指标 均显著增 加 ， 素含量有所 叶绿
的吸水倍率 达 ９１ ｇ体现 了优 良的吸水效果 。 ８ ，
１４ 其他天然 物及其衍 生物 ．
腐植酸类 物质是 由动植 物残体 在微生 物 以及地
球 化学作用下分 解和 合成 的一类 天然 有机 化合 物 。
它 的分 子结构不 同于其 他 天然 高 分子 ， 没有 某种 完
亲水性是 由于分子 内 分布 着羧 基 、 氨基 、 酰胺基 、 羟
基、 巯基等 亲水基 团 ， 过交 联 、 通 接枝 等 方法 进行 改
性， 如基于 羽毛蛋 白、 蛋 白、 籽蛋 白等天 然 蛋 白 鱼 棉
在待 播 的种子 上包 膜或 涂 层 ， 其表 面形成 一 使 层水 凝胶 的保 护膜 ， 种子 包 衣 （ 子涂层 ） 称 种 。许 多 种子 在发芽期具 有耐旱性 差 、 需水 量大 的特性 ， 因此
剂有很大 的应用价 值优势 。
２ ３ 种子 涂层 ．
聚丙烯 酸类 吸水树 脂媲 美 。改 进纤 维 素亲 水 性 、 使
用环保 的交联 剂、 选择 合 适 的工 艺 和制 备方 法 都 能 提高纤维素 系高吸水性树脂 的使用 范 围。
１３ 蛋 白质 系 ．
蛋 白质 广泛存 在 于 动植物 体 内 ， 多蛋 白质 本 许 身就是 亲水性材 料 ， 有 亲水 保 水 的性 能 。蛋 白的 具
２ ２ 作 物 生 长 ．
对不 同土壤环 境 、 同气 候 、 同作 物制定不 同保水 不 不 剂 的应 用技术 规范 ， 把实 验 室 成果应 用 到农 林业 实 践 中 ， 保水剂 在我 国农林 业领域 发挥作用 。 让
素高 吸水树 脂 ， 交联 原 因可 能是 纤 维 素与 柠 檬 酸 其
之间的酯化反应 形成 了酸酐类 中间体物质。Ｙ－ ｏ
淀 粉及其 衍生 物系保 水剂 的研究 始于 １６ ９ １年 ， 研究人 员希望 该产 品能应用 于土 地 改 良、 水抗 旱 、 保 育种保 苗等方 面 ， 其后 Ｆｎａ１２等人 最先 研 究开 发 ａｔＬ ］ － 成功 了淀粉接 枝丙烯腈 高 吸水性 树脂 。淀 粉系保 水
使玉米 、 马铃薯 分别 增产 了 １．％ 和 ２ ．％ ， ４０ ０６ 总体 上使油松 、 沙棘 、 条 、 柠 紫穗槐 、 沙地 云杉 ５种树种成 活率提高 了 １．％ 一１８２ ２４ １．％ ¨。研究 ４种不 同类 型的保水 剂 在水 溶 液 及 土壤 中 的保 水 性 能及 其 差 异 ， 中淀 粉 一丙烯 酸类 聚 合 物 的增 产 增效 作用 较 其 好 ， 玉米产 量 的增 幅 高 达 １．％ ， 水份 利 用 率 对 ２１ 对 的增 幅则 高达 １．６ ｌ ５０ ％ ｌ 引。因此 ， 天然 原料 的保水
淀粉 、 纤维 素 、 白质 、 蛋 甲壳质 、 腐植 酸等为原料与 丙
烯酸盐 、 丙烯 酰胺等单 体制得 保水剂 ， 由于丙烯酸盐 等单 体 的难 降解造成 一定环 境 污染 。（ ） 水 剂 的 ２保
应用作 物范 围窄 ， 用 面 积小 。 由于天然 原 料保 水 使
剂 的生产工艺 和原料 来 源 ， 国产保 水剂 的价格 普 使
因此为 了提高 树脂性 能将不 同基 团 的物 质进行接 枝 共 聚 ， 挥不 同基 团之 间 的协 同效 应 ， 高树 脂 性 发 提 能。曹宏 梅 等 以 淀 粉 和 丙 烯 酸 为 原 料 ， 讨 淀 探 粉、 交联剂 及引发 剂用 量 ， 制得 的淀粉 系树脂 的吸水 率 为 ８ ０ ， 具有 良好 的凝 胶 强 度 。罗旭 辉 等 ９ ｇ 且 以荞 麦淀粉 一 丙烯 酸 一丙 烯 酰胺 为 原 料 ， 得 三元 制 接枝 共聚物 ， 产物 吸水倍 率 达 ６ ５， １ 有较 好 的保水 性
通 常 以纤 维素及 其衍 生物为 主要原 料 ， 过醚化 、 通 酯
生物 系 ；４ 其 他天 然产物及 其衍 生物 系 。 （）
１ １ 淀粉 系 ．
化、 交联 、 接枝方 法进行 制备 。在制 备纤维 素类高 吸 水 性树脂 反应 中常 常用 到交 联剂 ， 而交 联 剂 的选 择 直接 影 响纤 维素 高吸水 性树脂 的绿 色环 保性 ，ｅ ｉ Ｄ ｍ＇ ｔ 等 在纤 维 素 体 系 中 引入 廉 价 的柠 檬 酸 为 交联 ｒ ｉ 剂， 得到 了环境友 好 的羧 甲基纤 维素 钠／ 羟乙基纤维
基、 氨基 和羧基 等 多种官 能 团 ， 以及 少 量 的氨基 酸、 维生素和酶类 ， 主要 组 成元 素 是 Ｃ、 ０、 其 Ｈ、 Ｎ和 Ｓ 。 由于分 子 中具有 多种 活性 官能团 ， 它具 有酸性 、 亲水 性 、 面活子交换 能力 、 合作 用 及 吸 附分散 能 力 ， 界 络
３ 存在 的 问题 及 其应 用 前 景
保水 剂是 一类 用途 广泛 的高分 子材料 ， 作物 在
栽 培等方面取 得 了显 著 的成 效 ， 就 当前 的环境 形 但
势 ， 用天然 原料 的保 水剂 还存 在诸 多不 足 ： １ 农林 （） 目前广 泛应用 的天然 原料保水 剂 主要以天然产物 如
剂是淀粉在引发剂或辐射源存在下 ， 淀粉分子 中羟 基 上氢被夺 走 ， 从而产生 自由基 ， 过链 引 发生成 淀 通
粉 大分子 自由基 和烯 类 自 由基 ， 而 链 增 长 、 终 继 链 止 ， 而得 到淀 粉 系吸 水 性 高分 子 树 脂 。 由于 吸水 从
・ 基 金 项 目： 江 林 学 院 校发 展 基 金 （０ ６ Ｋ ５ 。 浙 ２ ０ Ｆ ３ ）
第２ ７卷 第 １ 期 ２１ ０ １年 １ 月
甘 ｅａｄＴ ｃ Ｇ ｎ ｕ Ｓ ｉｎ 肃科技 ｈ ｏ ａ ｓ ｃｅ ｃ ｎ ｅ ｎ
．７ Ｎ ． ２ ｏ １
Ｊｎ ａ ． ２ １ ０１
天 然 原料 合成 保 水剂 在 农 林 业 中应 用 的研 究进 展
李铭 慧， 郭 明
的来源 不 同 ， 保水剂 大致 可分 为 ： １ 淀粉 及 其衍 生 （） 物 系 ；２ 纤 维 素及 其 衍 生物 系 ； ３ 蛋 白质 及 其 衍 （） （）
纤 维素 大 分子 的基环 是 Ｄ一葡 萄糖 以 Ｂ一１４ ， 糖 苷键 组成 的大分 子 多糖 ， 子 中虽然 含 大量 亲 水 分 基 团羟基 但纤维 素水 溶 性 差 ， 了制备 吸水 性 树脂 为
增加， 膜脂 过 氧化 产 物丙 二 醛 （ Ａ） ＭＤ 的含 量降 低 ， 多酚氧化酶 （ Ｐ 的活性提 高。 因此甘薯 淀粉基 高 ｅ ｏ） 吸水树 脂能有效 缓解 植 物 干旱 问题 ， 是一 种优 良的
抗旱性 包衣剂 引。
整确定 的化学结构 ， 结构 组 成不 一 致 的高 分子 复 是 杂混合 物。腐 植酸类物 质含有 酚羟基 、 醇羟基 、 酸 磺
Ｉ２ 纤维素 系 ．
天 然产物 分子 内一般都 有大 量羟基 、 羧基 、 基等 活 氨 性基 团 ， 过对这 些 活 性基 团进 行 化 学改 性 使 其 引 通 入其 他基 团 ， 或者 与 烯类 单 体 接 枝共 聚制 备 高 分子 保水 剂 。 农 林 用保 水 剂 的种类 繁 多 ， 据 所用 天 然 原料 根
环 境不 同对保水 剂性 能要 求 也不 同 ， 因此 与淀粉 接 枝 反应 的单 体主 要 有 丙烯 腈 、 烯 酸盐 、 烯 酰胺 、 丙 丙
干旱和半 干旱 条件 下 的作 物栽 培 、 树 造林 成 了当 植 前 的紧迫 任务 。天然原 料合 成 的保 水 剂是一 种高 分 子 树脂 ， 以吸收大于 自身质 量数倍 的水份 ， 可 并可 以 缓慢 释放 、 应 用前 景 。本 文从 环 保 的 角度 出发 ， 眼 于保 水 着
（ 浙江农林大学 理学 院， 浙江 临安 ３ １０ ） １３０
摘
要： 介绍 了农林 业常用天 然原 料合成保水剂 的种类 、 应用概况及存在 的不足和将来的研究 方向。
关键词 ： 保水剂 ； 种类 ； 应用
中图分类号 ：
随着 自然环境 变 化 ， 旱 和半 干 旱 地 区 每 年都 干 在扩大 ， 给农 林 业 生 产造 成 严 重影 响 。因此 研 究 这
ｓｉ ｒ 等 在纤维 素 和 甲壳 素 的酯化 反 应 中 ， ４ ｈ ａ ｍｕ 以
一
二 甲胺基 毗啶 为催 化 剂 时 ， 化 与 交联 反 应 同 时 酯
发生 ， 进行碱 水解后 无 需 交 联剂 即可 得到 高 吸 水树
１４ ６
甘
肃
科
技
第 ２ 卷 ７
脂， 吸水倍 率 可达 ３０～ ０ ， 水 性 能可 与 合 成 的 ０ ４０ 吸
１ 分 类
天 然产 物如 ， 粉 、 维 素 、 淀 纤 甲壳 质 、 白质 、 蛋 海
藻酸盐 、 瓜拉 胶 等 广 泛 存 在 于 自然 界 ， 他们 存 量 丰
富， 自然 降解 ， 自然界 中可 再 生 的天 然 资 源 ， 些 是 这
和 耐盐性 。 目前 实 验 主要 通 过 改 变交 联 剂 和 引发 剂 ， 择不 同单体 聚合 ， 选 采用 不 同的工 艺 ， 目的是 改 善淀粉 系高 吸水树脂 性 能。
因而腐植酸类物质在环保 、 农林园艺都有应用。腐
植酸本身对植 物有促进 生长 、 高植物 抗旱 、 提 抗病 的
作用 ， 用腐 植 酸溶液 与氮 、 、 、 、 、 、 等微 磷 钾 铜 铁 锌 锰
量元素复配可 以改 良土壤 ， 刺激作 物生长 ， 用腐 植酸 做原料 与丙烯腈 、 丙烯 酸 盐 、 丙烯 酰胺 、 多元 单体 交 联或接 枝共聚 可以制 得新型 高性能 吸水性树脂 】 。
剂 的合 成原 料 ， 述 了天 然原 料制 备 的保 水 剂 的 主 综
要种类 、 能和应用 效果 的研究 进展 。 性
多元单 体等 。 由于丙 烯 酸 盐分 子 中有 大量 的羧 基 ，
能增加 分子 亲水性 能 ， 烯酰胺 分子 中有氨基 ， 丙 分子
结构呈 网状 ， 而且 非离 子 基 团不 受 外 部溶 液 中离 子 影响 ， 引入 可 以加 快 保水 剂 的 吸 水 速 率 和 耐盐 性 。
２ 保水剂在农林业 中的应用概况
２ １ 土壤保 水 ．
遍高 于国外 产 品 ， 而且 部 分保 水 剂 的研究 还 仅限在
实验室和部分作物 ， 在一定程度上限制 了保水剂的 不同保水剂对不 同土质的保水能力不 同， 保水 推广使用 。 效果 和土壤本身 的保 水蓄水 能力也相 关 。保水 剂与 农林 业 生 产 水 平 的提 高 需 要 高科 技 技术 的应 肥料 同时施加在土 壤 中 ， 土壤持 水 能 力 随着 肥料 浓 用 ， 天然原料 高分子 保水 剂 的使 用将 成 为解 决部 分 度 的增 加而降低 ， 物 被利 用 的有 效 水份 含 量也 有 干旱 地区农业 生产 、 作 保护 环境 的手段 ， 该类产 品的应 所减少 ］ 。在不 同土壤 水 份含 量条 件 下 ， 抑制 水份 用还有许 多 问题需 要研究 ， 如开发 可完 全降解 的、 多 的蒸发 ， 高土壤含水量 ， 粉类保 水剂作 用大于 聚 功能、 提 淀 性能优 良， 适合不同气候 、 土壤、 不同作物的保 丙烯 酸盐类 ， 保水剂 对土壤 的作用大 于砂土 ［ 。 １。 。 水剂； 研究保水剂长期使用对作物、 土壤的影响； 针