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第一章 保水剂农业应用及其效应研究进展（第2页）

保水剂的研制起源于20世纪中期，最初在美国研制成功后世界许多国家都致力于对其进行创新研究（赵元霞等，2016）。

美国研制的淀粉型保水剂在玉米、大豆等作物应用后，引起各方面关注（Sojka，etal。

，2006；VarennesandTorres，2000）。

其中日本研发速度最快，现已成为全球最大保水剂生产国，主要20家公司年产力已达到10万t。

法国研制出能吸水500~700倍数的“水合土”

，在沙特阿拉伯旱区的土壤改良应用取得成功。

俄罗斯研制出保水剂在伏尔加格勒用量100kghm2，作物增产20%~70%。

从20世纪80年代初，中国40余个研究单位陆续展开了保水剂的研究工作，目前有110余项保水剂专利，产品生产技术日趋成熟（赵元霞等，2016）。

中国高分子保水剂研发和应用经历3次较大发展（黄占斌，2005）。

首次是20世纪80年代，全国40多个科研院所开展研发，在植树造林和旱区土壤改良等方面得到应用。

90年代后期，新型保水剂研制加快并得到广泛应用研究，使用范围也不断扩大，形成保水剂研发应用的第二次高潮。

21世纪以来，随着气候变化、植树造林和抗旱节水等方面的加强，保水剂产品研发和应用到土壤改良、城市绿化和荒坡造林、水土保持、边坡治理、矿区废弃地复垦，以及保水肥料等新型肥料研发等方面，形成保水剂研发与应用的第三次高潮，复合、多功能和低成本保水剂成为发展重要方向。

作为一种化学节水技术，中国对保水剂研发和应用非常重视，国家“十五”

、“十二五”

计划、国家“863”

节水农业重大专项将“新型多功能保水系列产品研制与产业化开发”

列为重要研究内容（黄占斌和夏春良，2005；李寿强和关菁，2012）。

二、保水剂合成途径与产品类型

高分子保水剂的合成，主要是天然亲水性单体经交联剂和引发剂等助剂发生合成反应而成，其合成反应类型可分3种（黄占斌和夏春良，2005）：接枝共聚反应、羧甲基化反应和交联反应。

保水剂的合成方法一般有本体共聚法、溶液共聚法、反向悬浮聚合法和反向乳液聚合法，较先进的方法还有光辐射聚合法和保水剂的共混和复合。

保水剂的成分因生产厂家和剂型而不同，主要成分有聚丙烯酸、聚乙烯酸、乙烯酸、异丁烯无水顺式丁烯二酸、淀粉聚丙烯酸、聚乙烯、纤维素、γ-2聚谷氨酸（γ-PGA）等高分子材料。

目前，保水剂根据原料来源不同，现有保水剂产品一般有三种类型：第一种为高分子聚合物类，例如聚丙烯酸钠、聚乙烯酸、聚乙烯酰胺类等；第二种为天然高分子改性类，例如改性羧甲基纤维素、纤维素接枝共聚类等；第三种为有机无机复合类，粘土矿物与高分子树脂复合（黄占斌等，2007；李备等，2016）。

（一）合成聚合类：合成聚合类保水材料是1970年前后兴起的，是目前发展最快、种类最全、工业化批量生产最多的一类，改高吸水树脂种类很多，具代表性的有聚丙烯酸盐类和丙烯酰胺丙烯盐复合类等。

其合成方法主要有水溶液法和方向悬浮聚合法。

水溶液法在反应中存在热量不易散失、容易爆聚、出料困难等缺点，但是水溶液法过程简单、成本低廉、对环境污染小，是制备该类高吸水物质备受青睐的方法。

（二）天然高分子改性类：天然高吸水改性类保水材料被研究较早，但因工艺繁杂、稳定性较差而迅速被其他方法超越。

天然高分子改性类保水材料是由本身存在多个接枝位点且具有一定吸水能力的高分子材料改性而得到。

淀粉类、纤维素类、腐殖酸类目前得到广泛研究。

（三）有机无机复合类：1980年前后，诸多学者通过将高吸水树脂和其他材料复合来改善吸水材料的耐盐性、凝胶强度、保水性能等，有机无机保水剂在此时期内得到了迅速发展。

凭借具有表面羟基、可交换阳离子等特点的粘土矿物被用于和高分子聚合物复合，从而提高了吸水能力、降低了生产成本。

该类工艺具有反应过程容易控制、反应物不粘容器、吸水倍率高、成本低廉等特点。

三、保水剂的作用原理

保水剂都属于高分子电解质，它的吸水机理不同于纸浆、海绵等以物理吸水为主、吸水量小的普通吸水材料。

保水剂的吸水是由于高分子电解质的离子排斥所引起的分子扩张和网状结构引起阻碍分子的扩张相互作用所产生的结果。

这种高分子化合物的分子链无限长地连接着，分子之间呈复杂的三维网状结构，使其具有一定的交联度。

在其交联的网状结构上有许多羧基、羟基等亲水基团，当它与水接触时，其分子表面的亲水性基团电离并与水分子结合成氢键，通过这种方式吸持大量的水分。

在这一过程中，网链上电解质使得网络中的电解质溶液与外部水分之间产生渗透势差。

在这一渗透势差作用下，外部水分不断进入分子内部。

网络上的离子遇水电解，正离子呈游离状态，而负离子基团仍固定在网链上，相邻负离子产生斥力，引起高分子网络结构的膨胀，在分子网状结构的网眼内进入大量的水分。