[发明专利]利用辉光放电电解等离子体引发合成复合保水材料的方法

说明书

技术领域

本发明属于复合材料领域，涉及一种复合保水材料的制备方法，尤其涉及一种利用辉光放电电解等离子体引发合成复合保水材料的方法。

背景技术

长期以来，我国北方大部分地区的农牧业生产在很大程度上受水资源短缺的严重制约，加之降雨量少而蒸发量大的气候条件使该地区的生产、生活长期遭受干旱的困扰，尤其近年来冬春出现历史罕见的特大旱灾更为严重。持续干旱将导致土地沙化、人畜饮水困难、粮食减产等一系列巨大的生态环境恶化和经济损失等严重后果。据统计，我国干旱、半干旱地区约占国土面积的51%，土地荒漠化面积每年以2 460 km² 的速度扩展，森林覆盖率仅为13.92%，而干旱地区植树成活率仅为10%～30%，半干旱地区的为30%～50%，与国家植树造林成活率须达85%以上的要求差距甚远。再者，我国是世界上沙漠化面积较大、危害较严重的国家之一。沙漠及沙漠化土地面积达149 万km², 其中沙漠化土地面积达33.4 万km²。全国每年因沙漠化危害造成的直接经济损失约540 亿元人民币，这给工农业生产、人民生活及人体健康带来了严重的影响。

沙漠化已成为我国当前最为严重的生态环境问题之一，为此，许多学者对于沙漠化的防治和治理进行了相关研究，现今比较成熟的固沙方式有3种：工程固沙、植物（生物）固沙和化学固沙。由于前两种方法不仅费时、费力，而且需要消耗大量资金，所以化学固沙成为国内外学者研究的热点。化学固沙包含沙地固结和吸水保水两方面，其中施用保水材料可以显著提高土壤的持水能力、抑制土壤水分的无效损耗，提高水资源利用效率，在农业、林业、水利等领域发挥抗旱保苗、增产增收、改良土壤、水土保持、防风固沙、沙漠绿化等多种功能。因而，开发高吸水保水材料对促进我国农业发展，改善生态环境，实施可持续性发展战略具有重要意义。

保水材料是一种含有大量-OH、-COOH、-NH₂等强亲水性基团并具有交联密度低、吸水力强的新型功能高分子材料。保水材料可以吸收自身重量数百乃至上千倍的水，吸水后即使在外力作用下也不容易脱水或者很少脱水，但当土壤干旱缺水时，又可缓慢释放出所吸收的水分供植物生长发育。同时，保水材料是土壤的良好胶结剂，能够改善土壤结构，促进土壤团粒的形成，有土壤微型水库之称，从而达到蓄水保墒的目的。20世纪60年代，美国农业部首先利用玉米制成淀粉接枝聚丙烯类保水材料，作为“改善水分状况的重要工具”在西部干旱地区推广应用，并取得了良好的效果。20世纪70年代以来，保水剂的研究与应用日益普及，日本在沙漠绿化、英国在水土保持、法国在土壤改良、俄罗斯在节水农业等方面的应用都取得了明显效果。我国从20世纪80年代开始研制和应用保水剂，现已在60多种作物上试验示范，应用面积超过7 万hm²，取得较好效果。

当前，保水材料的主流产品是丙烯酸类聚合物，突出的吸水保水能力（一般为300~1500 g/g）使它在农林业中也得到了一定的应用。但有报道，土壤微生物难以降解丙烯酸类高吸水保水聚合物，如果大面积推广应用，对生态环境的长远影响还需要认真评估，且该类保水剂在沙漠化地区推广应用的主要问题是耐盐性太差，沙漠化地区由于水分蒸发强度高，土壤及地下水含盐量较高，保水剂的保水效果大打折扣。再者，此类保水剂价格比较昂贵。因此，有必要根据沙漠化地区的水质条件，开发耐盐性较高的保水剂产品。而基于天然高分子的淀粉系和纤维素系高吸水材料在生物降解方面具有显而易见的优势，尤其是纤维素类倍受研究人员的青睐，因为该类保水材料具有原料来源丰富、价格低廉，且与淀粉类保水材料相比具有凝胶强度高、可生物降解、无毒性、较强的抗盐性、可再生性、便宜易得等优点。而且，在石油资源日趋枯竭的今天，将纤维素应用于接枝共聚制备高吸水保水剂这一环境功能材料有着重要的环保意义和经济意义。所以开展纤维素系吸水保水剂的研究有重要的现实意义。

迄今为止，纤维素基保水材料的主要制备方法有化学引发、辐射引发以及光引发，近来也出现了一些关于微波引发的报道。一般来说，化学引发由于工艺复杂，且加入了化学试剂而产生二次污染；光引发和辐射引发虽然污染少，但装置成本相对高，能耗大，后处理繁琐，极大地限制了保水材料的进一步推广使用。

辉光放电电解是一种新型的产生等离子体的电化学方法，产生的等离子体属非平衡低温等离子体。辉光放电电解过程中发生的现象与普通电解明显不同，Hickling等提出水溶液中辉光放电电解所引发的化学反应为：