秸秆基缓释型高吸水性树脂的研制及其多效能一体化调控机制研究

The biodegradable superabsorbent polymer (SAP) with the function of slow release fertilizer and semi-interpenetrating three-dimensional network structure containing nitrogen, phosphorus, potassium, will be developed by straw as raw material. Different synthetic processes on the ratio of the functional groups and molecular structure will be studied. The reaction mechanism and regulation will be explored to achieve the controllable synthesis of SAP with high performance and multifunctional. The effect of the molecular structure of SAP on the water retention, fertilizer slow release and biodegradability will be theoretically studied. The structure-performance relationship will be established and the relevant mechanism will be revealed. The water retention, fertilizer slow release and biodegradability will be regulated by structural optimization design to achieve their integration control. The results of the project not only provide theories and methods for the preparation of new, efficient, environmental friendly SAP, perfect the theory system of the environmental behavior, but also contribute to the efficient use of farmland fertilizer and high value of comprehensive utilization for straw. It also has important scientific significance and practical value on the sustainable development of agriculture and the protection of the ecological environment.

本课题以秸秆为原料，研制分子骨架中同时含有氮、磷、钾的具有半互穿三维网络结构的缓释型可生物降解高吸水性树脂，研究不同的合成工艺对材料的功能基配比和分子结构的影响，探讨反应机理和作用规律，实现高吸水性树脂高性能化和多功能化的可控合成；从理论上研究分子结构对材料保水性、肥料缓释性和生物降解性的影响，建立构-效关系，揭示相关机理；通过结构优化设计，实现材料的保水性-缓释性-生物降解性的协调统一，揭示材料的一体化调控规律和机理。本课题研究成果不仅为新型、高性能、多功能、环境友好型高吸水性树脂的研制提供理论和方法，深化和完善农用高吸水性树脂的环境行为理论体系，而且有利于农田水肥高效利用和农作物秸秆的高值化综合利用，对农业可持续发展和生态环境保护具有重要科学意义和实用价值。

本课题基于我国对有效提高化肥、农业灌溉水利用率以及合理的开发利用农作物秸秆，促进资源开发和农业生态环境保护的需要，以农作物秸秆为原料，研制具有半互穿三维网络结构的肥料缓释型可生物降解高吸水性树脂（WSC-g-PAK/PVA/NP），优化了合成工艺，解释了合成机理。采用多种现代分析手段表征了材料的结构特征，系统研究了不同环境条件下树脂的吸水、保水、肥料缓释性能，揭示了其吸水和肥料缓释的规律和机理，明确了材料的生物降解性能，实现材料的一体化调控。结果表明，丙烯酸、聚乙烯醇、交联剂及丙烯酸中和度等合成条件对材料的吸水和抗盐性能的影响，最佳条件为m(WSC): m(AA): m(PVA) = 1:10:2，交联剂与单体质量百分比为0.40，丙烯酸中和度为75%，其在去离子水和0.9 wt% NaCl中的吸水率分别为198.5 g/g和26.3 g/g，所含氮、磷含量分别为6.03%、2.05%。在pH为6.0-8.0时，WSC-g-PAK/PVA/NP的吸水率最佳；盐溶液对吸水率影响为：Na+ > K+ > Ca2+和Cl- > SO42-，且浓度越高，树脂的吸水性能越差；颗粒粒径越小，越有利于其吸水速率的提高及吸水性能的增强。树脂在不同盐溶液中氮、磷的缓释率遵循Na+ > K+ > Ca2+，且盐浓度越高，缓释率也增大；大粒径的树脂具备更好的肥料缓释性能。WSC-g-PKA/PVA/NP在土壤中具有良好的缓释性能和生物降解性能，氮、磷缓释率30天内超过60%，土壤盐浓度的增加对缓释有促进作用；随着pH的增加，氮的缓释速率增加，磷的缓释速率降低。实际土壤中的生物降解曲线呈现阶梯状， 样品60天内失重35%左右，表明其较好的生物可降解性。本课题研究成果不仅为新型环境友好型高吸水性树脂的研制提供理论和方法，而且有利于农田水肥高效利用和农作物秸秆的高值化综合利用，对农业可持续发展和生态环境保护具有重要科学意义和实用价值。