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高吸水树脂因其独特的三维交联结构，且分子结构中含有大量的亲水基团，因此可以吸收自身重量的数百倍甚至上千倍的水，并能锁住水分[1]。在农业上，高吸水树脂被称为土壤保水剂。因其优异的吸水性能和保水性能，可有效提高土壤保水能力，受到了广泛关注，并被视为类似化肥、农药和地膜一样重要的农资[2]。但传统的高吸水树脂存在耐温性能不佳、抗盐性能差、凝胶强度低等问题，严重制约了其在农业上的应用[3]。Zuoxin Liu等采用粉碎麦草和丙烯酸接枝共聚的方法，制备了高吸水树脂，在蒸馏水中的吸液倍率达417 g/g[4]。郭露露等以胡麻饼粕与丙烯酸为原料，制备的吸水树脂在蒸馏水中的吸液量为1050g/g[5]。黄强等利用甘蔗废渣研制的土壤改良材料，在蒸馏水中的吸水量和吸盐水倍率分别为462g/g和115g/g；反复使用5次后，在蒸馏水中的吸水量仍可达到290g/g[6]。郭玉等制备了多糖型高吸水树脂，其在去离子水和生理盐水中的吸水率分别为594g/g和60g/g；在 55℃条件下持续失水16h保水率为25.6%[7]。Hou Xianqing 等探究高吸收性聚合物对干旱地区土壤特性的影响，研究表明，高吸水树脂可以降低土壤散装密度，显著提高土壤孔隙度和土壤水土保持能力，从而促进马铃薯生长[8]。Yu Z等采用反渗透法合成了丙烯酰胺丙磺酸（AMPS）改性丙烯酸型高效吸水树脂，其保水性能良好[9]。

因此，本文以含有强亲水基团和耐盐基团的丙烯酰胺丙磺酸（AMPS）和含耐温基团的乙烯基吡咯烷酮（NVP）为共聚改性单体，以天然可降解的羧甲基纤维素钠（CMC）为接枝改性剂，制备了AMPS/NVP/CMC改性吸水性树脂，考察了改性吸水树脂在55℃的去离子水中的吸液倍率和在0.9%NaCl盐溶液中的吸液情况，考察了AMPS/NVP/CMC 改性 PAA 吸水树脂在土壤中的吸液能力和降解性能以及作为土壤保水剂应用于果树种植的效果。

1 材料与方法

1.1 材料

丙烯酸（AA），N，N’ -亚甲基双丙烯酰胺（NMBA），过硫酸钾 （KPS），氢氧化钾（KOH），
2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸（AMPS），羧甲基纤维素钠（CMC），乙烯基吡咯烷酮（NVP），氯化钠（NaCl），均为分析纯，成都市科隆化学品有限公司。

1.2 方法

1.2.1 改性丙烯酸吸水树脂的制备

将20gAA、已冷却至室温的KOH溶液和CMC溶液加入三口烧瓶中，开启搅拌，当温度达到55℃时中和30min，加入一定量的AMPS，NVP，再加入适量0.1%浓度的NMBA，将水浴锅升温至72℃，采用恒压分液漏斗将KPS溶液匀速滴加到反应液中，反应2.5h后取出产品，移入空烧杯中继续保温10min，反应结束后将其置于100℃烘箱中干燥，打碎成粉末后装入自封袋，备用。

1.2.2 吸水树脂耐盐性能测定

准确称取0.100g样品，将其浸泡在过量的质量分数为0.9%的盐溶液中吸液24h，达到溶胀平衡后，移入抽滤瓶中除去多余水分，用电子天平称量。吸盐水倍率计算方法如下：

 （1）

式（1）中，Qeq—— 吸盐水倍率，g/g；

M1——润湿的茶袋及标签质量，g；

Me——吸液后样品质量，g；

M0——吸液前样品质量，g。

1.2.3 吸水树脂耐温性能测定

称取0.100g 改性吸水树脂产品，将其浸泡在55℃蒸馏水中吸液24h，达到溶胀平衡后，移入抽滤瓶中除去多余水分，称量，并记录数据。吸液倍率计算方法与耐盐性能测定一致。

1.2.4 改性树脂在土壤中吸水量测定

先用电子天平称取300g泥土，装入茶袋后放入足量自来水中，将茶袋提起再放入，重复操作10次，使土壤中离子进入水中以模拟土壤环境，然后将提前称量好的未改性和改性的吸水树脂装入茶袋放入到烧杯中，等待吸液，每隔1h取出等不在有水滴时称量，并记录数据。

1.2.5 改性树脂在土壤环境中的反复吸水性能

选取周边缺水地区营养物质较少的沙土作为实验材料，用两层茶袋装入0.5g改性吸水树脂产品埋入土壤中，每隔一段时间取出茶袋，测定吸水倍率并记录数据，随后将样品烘干，重复上述操作，4次，记录每次数据。

1.2.6 在土壤中的降解性测试

采用土埋法，称取适量改性和未改性的SAP样品放入茶袋后，把该样品用铲子埋在室外泥土中，深度为10cm以上，等待一段时间后，取出样品，将其放入到烘箱中干燥，等其完全干燥后称重，再与之前重量作比较，得出初步结论。

2 结果与分析

2.1 改性吸水树脂的耐盐能力

图1为吸水树脂在0.9%氯化钠盐溶液中的吸液倍率，由图可知，在未改性的PAA吸水树脂中受到Na+的影响，分子间静电斥力影响因素大，因此使得吸液倍率较小（158g/g）；接枝CMC使得其骨架增长，吸水能力较之前要小（160g/g）；当使用NVP改性时，吸水倍率较小（142g/g），AMPS改性时，其含的-SO2H具有耐盐性，因此吸水倍率较高（210 g/g）；AMPS/NVP/CMC三改性，协同效应，形成有效网状结构较多，因此吸水倍率最优（411 g/g）。

图 1 改性吸水树脂在0.9%NaCl溶液中的吸液倍率

Figure 1 The absorption ratio of the modified water-absorbing resin in 0.9%NaCl solution

2.2 改性吸水树脂耐温性能测定

由于吡咯烷酮和AMPS位阻官能团的运动能力弱，在温度较低时，网络结构不容易扩展，吸水倍率低，当环境温度升高时，分子运动能力增强，位阻基团可以运动，网络结构充分扩展，吸水能力增强。图2为改性吸水树脂在55℃去离子水中的吸液倍率，从图2中可以看出，未改性的吸水树脂吸液倍率为1184g/g，NVP改性的吸水树脂吸液倍率为1215g/g，CMC改性的吸水树脂吸液倍率为1271g/g，AMPS改性的吸水树脂吸液倍率为1031g/g，AMPS/NVP/CMC三改性，协同效应，凝胶膨胀体积大，网络结构疏松，形成有效网状结构较多，因此吸水倍率最优，高达2134g/g。

图 2 改性吸水树脂在55℃去离子水中吸液倍率

Figure 2 Shows the liquid absorption ratio of the modified water-absorbing resin in deionized water at 55℃

2.3 改性吸水树脂保水性能测定

高吸水树脂是一种新型的功能高分子材料，其吸水性、保水性均较好。高吸水树脂的保水性是指其吸水后仍能在水中不离析的能力，即脱水能力。不同改性吸水树脂保水性能测定影响如图3所示，由图可知，随着时间的增加，吸水树脂的保水率逐渐降低，其中未改性的吸水树脂的保水性能最差，并且水分流失速率最快，然而AMPS/NVP/CMC改性的保水性能是最好的，在第4天的保水率仍达40%，说明改性后的树脂，交联网状结构更合理，能够使吸水量一直保持在一个较高水平，且流失速度很慢。

改性吸水树脂在土壤中保水性能如图4所示，由图可知，保水曲线总体呈下降趋势，空白组、市售吸水树脂和改性吸水树脂在第5天的保水倍率分别为62.41%、76.70%和80.74%，可以看出，未加树脂的空白组土壤中水分流失最快，加入AMPS/NVP/CMC三改性树脂的土壤保水效果最好；原因是沙土与空气接触面积较大，未被树脂吸收的水分均为自由水，容易蒸发，加有树脂的土壤中的水被树脂吸收保存下来，使水更不易流失，但由于样品中少量微生物降解作用，吸水树脂的结合水也会有部分变成自由水蒸发出去。土壤中加入吸水树脂之后可以有效抑制水分蒸发，提高土壤含水量，从而减少土壤水分流失，达到保水的目的，该高保水性对其推广应用具有现实意义。

注：A-未改性 B-AMPS改性 C-NVP改性 D-CMC改性 E-AMPS/NVP/CMC改性

图 3 改性吸水树脂保水性能

Figure 3 Water retention performance of modified water-absorbing resin

图 4 改性吸水树脂在土壤中保水性能

Figure 4 Water retention performance of modified water-absorbing resin in soil

2.4 改性吸水树脂在土壤环境中的吸液表现

如图5所示，吸水树脂在土壤环境中，吸液倍率随时间增加，表现为先升高后降低，这可能是因为，当SAP一接触到水溶液，会打开自身分子链，水分子进入树脂的三维网络结构中，树脂前期吸液量很大，但是当吸液量达到峰值后又会急剧降低，不会像在蒸馏水中一样，维持一段稳定时期，这主要是因为土壤环境中含有一些金属离子，还有各种各样微生物的存在。未改性和改性吸水树脂在土壤中吸液240min时，吸液能力在此时是最高的，吸液倍率分别为270g/g，330g/g，在市场上购买的其他吸水树脂产品在120min是吸液最高，吸液倍率为186g/g，
在这之后吸液能力都开始下降。在实验初期，这些因素可以有助于树脂的网络撑开，但是也会逐步地将一部分网络破坏，水在里面锁不住，导致吸收速率开始降低。由图可知，吸水树脂由改性前270 g/g提高至改性后的331 g/g，说明改性可以提高吸水树脂在土壤中的吸液能力。前期改性的吸水树脂没有未改性的快，这是因为改性加入了具有位阻效应的 AMPS和NVP，网络结构扩展得比较慢，固故吸液的速率减慢。

注：A-未改性吸水树脂样品 B-改性吸水树脂样品 C-市售吸水树脂样品

图 5 改性吸水树脂在土壤中吸液倍率的影响

Figure 5 The influence of modified water-absorbing resin on the liquid absorption ratio in soil

另外，AMPS具有络合金属离子、减少中阳离子对吸附能力的作用，不仅可以提高植物的耐盐能力，而且可以提高土壤的酸度，从而抑制微生物的降解；CMC作为天然高分子它可以为树脂的网络结构提供骨架，在微生物作用下也很容易被降解，这一方面提高了树脂的降解能力。

2.5 改性吸水树脂土壤保水剂应用于果树保水抗旱应用初探

2024年7月初，重庆旱情严重，项目组选了10棵翠红李果树作为对比研究实验。沿着果树的滴水线，挖20～25cm的环形深坑，将土壤保水剂先充分吸水后，以每棵树100g吸水树脂（吸水前重），均匀地撒入坑重，土壤复原。未加土壤保水剂的树，同样挖环状的深坑。然后同时喷灌20min，在试验过程发现，加了土壤保水剂的土壤能快速吸收喷灌水，没有水土流失现象；而对照组，喷灌10min左右，水和土开始流失，后面每3天浇1次水，每次20min。7月底，两周以后，添加土壤保水剂的果树，树叶茂密，果实饱满，口感脆甜；而对照组，树叶发蔫、果皮干瘪，口感皮实不脆。由此可见，土壤保水剂，减少浇灌时水土的流失和浇灌次数，从而节约农业灌溉用水。

用了土壤保水剂的果树情况 未用土壤保水剂果树情况

图 6 土壤保水剂用于果树抗旱应用

Figure 6 the application of soil water-retaining agents in drought resistance of fruit trees

2.6 改性吸水树脂在土壤中的降解情况

改性吸水树脂自然条件下降解率如图7所示，AMPS/NVP/CMC改性树脂在自然下降解，30天、45天、60天的降解率分别为28.79%，35.46%和44.34%。由此可见，AMPS/NVP/CMC改性能提高 PAA 的降解能力。

图 7 改性吸水树脂在土壤中的降解能力

Figure 7 shows the degradation capacity of the modified water-absorbing resin in soil

3 结论

（1）对改性和未改性的吸水树脂进行性能测试，AMPS/NVP/CMC改性吸水树脂在55℃的去离子水中吸液倍率为2134g/g，在0.9%氯化钠盐溶液中吸液倍率为411g/g，说明对吸水树脂改性不仅提高了耐温性能，还提高了耐盐性能。

（2）在室温下对吸水树脂作保水性能测试，未改性树脂和AMPS/NVP/CMC改性树脂在第4天的保水率分别为23%，40%；经过土壤环境吸液测试，吸水树脂由改性前270 g/g提高至改性后的331 g/g，说明改性可以提高吸水树脂在土壤中的吸液能力。在结合土壤保水实验，改性吸水树脂在第5天的保水倍率达80.74%。

（3）通过对脆红李施用保水剂的效果研究，得出施用保水剂对脆红李的单果性状、产量和水分利用效率均产生了有利的促进作用，提高了果实品质，具有明显的增产效果。

（4）土壤降解实验表明，改性吸水树脂在自然土壤环境中60天降解率可达44.34%。AMPS/NVP/CMC改性吸水树脂具有较强的可降解性能。

参考文献

[1] Dongdong Cheng，Yan Liu，Guiting Yang，et al．Water- and Fertilizer-Integrated Hydrogel Derived from the Polymerization of Acrylic Acid and Urea as a Slow-Release N Fertilizer and Water Retention in Agriculture［J］．J． Agric． Food Chem，2018，66，5762-5769．

[2] 徐继红，彭成松，丰芸，等．微波辐射CMC-g-PAMPS/APT高吸水树脂的制备及表征［J］．精细化工，2014，31（4）：427-431．

[3] 周昌，曾永明，张宏喜，等．可降解高吸水树脂及其在农业中的应用研究进展［J］．广州化工，2016，44（9）：21-24，48．

[4] Liu Zuoxin，Miao Yonggang，Wang Zhenying，et al．Syn- thesis and characterization of a novel super-absorbent based on chemically modified pulverized wheat straw and acrylic acid［J］．Carbohydrate Polymers，2009，77（1）：131-135．

[5] 郭露露．胡麻饼粕基高吸水树脂的制备及应用研究［D］．西北师范大学，2022．

[6] 黄强．一种新型土壤改良剂的制备及性能研究［J］．环境污染与防治，2022，44（1）：55-60，91．

[7] 郭玉．耐盐性高吸水树脂的制备及对高盐废水的吸附行为研究［D］．青岛科技大学，2022．

[8] Hou Xianqing，Li Rong．Effects of Autumn Tillage with Mulching on Soil Water，Temperature and Nutrient and Potato Growth（Article）［J］．Nongye Jixie Xuebao/Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2020，51（12）：262-275．

[9] Yu Z，Liu C，He J，et al．Effect of clay on AA-AM-AMPS porous superabsorbent resin（Article）［J］． China Synthetic Resin and Plastics，2017，34（6）：39-42．