一种蔗髓纳米纤维素基复合保水剂的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种蔗髓纳米纤维素基复合保水剂的制备方法，该方法将榨糖后的蔗渣经风干后进行筛分得到蔗髓原料，对蔗髓原料进行纤维素提取、高强超声波解离，然后在碱性条件下对纳米纤维素进行醚化改性，得到阳离子纤维素醚，利用水溶液聚合方法对阳离子纤维素醚进行接枝共聚／交联反应，反应结束后，继续加入纳米纤维素进行复合，得到蔗髓纳米纤维素基复合保水剂；该方法制得的保水剂在pH5.5～6.5下对去离子水、0.1mol/lKCl、0.1mol/lNH4Cl和0.1mol/lKH2PO4有较优的吸液值，说明在弱酸性水样环境中具有良好的吸液性能和耐盐能力，可用于酸性土地的荒漠化治理、农林业作物种植、园林绿化等领域。

【技术实现步骤摘要】
一种蔗髓纳米纤维素基复合保水剂的制备方法
本专利技术涉及一种利用蔗髓薄壁细胞纳米纤维素与其阳离子纤维素接枝共聚物复合制备耐弱酸性、强耐盐性的高吸水性材料的工艺技术，属于复合高分子材料

技术介绍
保水剂又称高吸水性树脂、保湿剂、水凝胶，是具有大量强亲水性基团（例如，磺酸基、季铵盐基、羧基、酰胺基、羟基等）的微交联高分子化合物。这类物质遇到外界来水使可吸收自身重量数百倍至上千倍的纯水，达到蓄水作用，同时又能缓慢释水供土壤、植物利用[1]。通常在使用的过程中只要分子链未被破坏，保水剂具有反复吸水功能，即吸水－释水－干燥－再吸水。正是因为高分子保水剂具有这种吸水供水的交互作用，只要正确使用保水剂可明显增加土壤团粒结构，降低土壤容量，增加空隙度，抑制过度蒸发达到保水效果，减少雨水对土壤的侵蚀，提高肥料利用率，促进种子的出苗及植物生长等作用[2-5]。可见，保水剂在农林业生产实践上的应用前景广阔。长期以来国内外专家学者一直对土壤保水剂抱有浓厚的兴趣。1969年，美国农业部北方研究所首先研制出淀粉接枝丙烯腈类保水产品，并于70年代中期将其利用于玉米、大豆种子涂层、树苗移载等方面[6]。1974年，载美国Granprocessingco公司实现了工业化生产保水剂[6]。随后日本购买其专利，迅速赶上并超过了美国，成为研发和工业化生产保水剂最为迅猛的国家之一，且产品均处于世界领先地位。进入80年代后，韩国、法国、英国、德国、俄罗斯等国也逐步投入大量资金进行土壤保水剂的开发研究[6]。目前近30个国家已将保水剂广泛应用于农、林、园艺等多个领域。我国对保水剂开发与应用研究开始于80年代初期，但发展速度较快。目前已有40多个单位进行研制和开发，但产品生产还比较落后，总产量低，与国外产品相比，存在相当大的差距，因此，国内高吸水树脂产品大都依靠进口[7]。然而，从全国总的发展趋势来看，保水应用技术推广的速度还相当缓慢，究其原因在于现今保水剂虽种类繁多且特性各异，但没有形成一套成熟的应用技术规划，例如没有专门针对不同土壤性质的保水剂类型的研究。另外，土壤种植通常需要施肥处理，绝大部分肥料属于无机盐类物质，这些盐类物质对保水剂的吸水溶胀能力影响较大。实验证明：在水溶液中加入盐分可明显降低保水剂吸水量，且盐浓度越高、阳离子价态越高对保水剂吸水能力降低越大[8]。因此农用保水剂一般需要有很好的耐盐性或低盐灵敏性。现今使用较多的耐盐性土壤保水剂多为非离子型的丙烯酰胺或含羟基类聚合物，但此类聚合物吸水能力一般；对于离子型的高吸水性保水为避免遇盐脱水的现象，通常在其使用的过程中需要避开施肥期，使农业作业次数和成本无形增加。保水剂根据原料来源的不同可分为合成型、天然型及半合成型高分子树脂[9]。面对石油资源的耗竭以及石化产品过度依赖造成的白色污染等生态环境问题，毫无疑问，实现可生物降解的天然高分子能否部分乃至全部替代不可降解的合成保水剂，实现可再生资源的可持续化转化和利用已成为现代农林保水剂技术发展的趋势之一。与其它天然高分子相比较，纤维素是自然界中最丰富、廉价的天然高分子化合物。由于它具有无毒、可再生、来源丰富、可生物降解以及良好的生物相容性与可衍生化等优点，纤维素所开发的功能产品在能源、材料、化工等领域有着广泛的应用。通常提取纤维素的原料均来自植物纤维细胞，而忽略了植物组织的又一有机构架----薄壁细胞。此类植物细胞在非木材原料中所占比例是不容小阙的，例如蔗渣就有约1/3是薄壁细胞（通常是构成蔗髓的主要细胞成分），仅云南省一年约有40万吨的蔗髓资源产生，资源数量巨大。由于薄壁细胞壁中纤维素微细纤维排列的无规律性，微细纤维中致密的结晶体数量较少，且呈无序分布状态等现象，导致了与纤维细胞相比较，薄壁细胞具有柔软可塑，与化学试剂的反应性能较高，比表面积较大等特点。因而，与纤维细胞纤维素相比较，薄壁细胞更易最大限度地暴露出游离的羟基，增大反应的可及度，提升纤维素的改性程度。因此，对于制备纤维素基复合吸水性材料而言，蔗髓薄壁细胞有其独到的优势。综上分析，结合云南酸性土壤性质及其易干旱的气候特征，本申请详细陈述了一种耐弱酸性、低盐敏感型蔗髓纳米纤维素基高吸水性复合材料的制备工艺。本申请的提出也可为云南糖纸生产副产物---蔗髓资源的有效利用起到积极的推动作用。参考文献[1]庄文化，冯浩，吴普特.高分子保水剂农业应用研究进展[J].农业工程学报，2007，23（6）：265-270.[2]员学峰，汪有科，吴普特.PAM对土壤物理性状影响的实验研究及机理分析[J].水土保持学报，2005，19（2）：37-40.[3]张国桢，黄占斌，方峰.保水剂对土壤和猕猴桃产量的影响[J].干旱地区农业研究，2003，21（3）：26-29.[4]SojkaRE,JamesAE,JeffryJF.Theinfluenceofhighapplicationratesofpolyacrylamideonmicrobialmetabolicpotentialinanagriculturesoil[J].AppliedSoilEcology,2006,(32):243-252.[5]WalkerP,KelleyT.Solids,organicloadandnutrientconcentrationreductionsinswinewasteslurryusingapolyacrylamide(PAM)-aidedsolidsflocculationtreatment[J].BioresourceTechnology,2003,(90):151-158.[6]WoodhouseJ,JohnsonMS.Effectofsuperabsorbentpolymersonsurvivalandgrowthofcropseedling[J].AgriculturalWaterManagement,1991,20:63-70.[7]白文波，张浣中，宋吉青.保水剂重复吸水性能的比较研究[J].中国农业科技导报，2010，12（3）：92-97.[8]王新爱，李永胜，杜建军，等.保水剂在不同铵盐溶液体系中的吸水和吸附铵离子特征[J].农业工程学报，2012，（7）：117-122.[9]谢修银，宛方，张艳，等.保水剂的研发现状与展望[J].化学与生物工程，2013，（4）：8-13。
技术实现思路
由于没有专门针对不同性质土壤使用的耐盐性保水树脂的开发基础，迄今为止土壤保水剂未能高效化利用。因此，本专利技术提供了一种适用于酸性土壤的蔗髓纳米纤维素基高吸水性复合保水剂的制备方法，该方法利用资源丰富且深度开发较为薄弱的蔗髓薄壁细胞作为纤维素初始原料，制备出具有耐弱酸性和对无机盐低灵敏性的纤维素基复合保水材料，开拓出新型蔗髓薄壁细胞纤维素的高附加值领域，使蔗渣这种绿色可再生资源得到更加广泛的应用。实现本专利技术目的采取的工艺技术方案如下：①蔗渣经风干后进行筛分处理，得蔗髓原料；②采用冰醋酸／过氧化氢法对筛分合格的蔗髓进行纤维素提取；③采用高强超声波对蔗髓纤维素进行解离，解离物通过离心分离得到纳米纤维素，样品冷冻干燥后备用；④采用碱性醚化改性手段，使季铵盐阳离子醚化剂与纳米纤维素进行醚化反应，制备阳本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种蔗髓纳米纤维素基复合保水剂的制备方法，其特征在于按如下步骤进行：①蔗渣经风干干燥后进行筛分备料，原料采用冰醋酸／过氧化氢法提取蔗髓纤维素，继而利用高强超声波对蔗髓纤维素进行解离处理，得到纳米纤维素；②采用季铵盐阳离子醚化剂对纳米纤维素进行碱性醚化改性，样品用乙醇溶液进行反复沉析、离心分离和洗涤，冷冻干燥，得到阳离子纳米纤维素醚；③采用水溶液聚合方法对阳离子纳米纤维素醚进行接枝共聚／交联反应，即选用过硫酸钾作为引发剂，以N, N’‑亚甲基双丙烯酰胺为交联剂，同时选用丙烯酰胺作为单体来完成，上述反应结束后，在反应体系中继续加入纳米纤维素、过硫酸铵和N, N’‑亚甲基双丙烯酰胺进行复合，得到阳离子纤维素‑聚丙烯酰胺共聚物／纳米纤维素复合保水材料，对复合物用无水乙醇进行沉析、洗涤、冷冻干燥，得到蔗髓纳米纤维素基复合保水剂。

【技术特征摘要】
1.一种蔗髓纳米纤维素基复合保水剂的制备方法，其特征在于按如下步骤进行：①蔗渣经风干干燥后进行筛分备料，原料采用冰醋酸／过氧化氢法提取蔗髓纤维素，继而利用高强超声波对蔗髓纤维素进行解离处理，得到纳米纤维素；②采用季铵盐阳离子醚化剂对纳米纤维素进行碱性醚化改性，样品用乙醇溶液进行反复沉析、离心分离和洗涤，冷冻干燥，得到阳离子纳米纤维素醚；③采用水溶液聚合方法对阳离子纳米纤维素醚进行接枝共聚／交联反应，即选用过硫酸钾作为引发剂，以N,N’-亚甲基双丙烯酰胺为交联剂，同时选用丙烯酰胺作为单体来完成，上述反应结束后，在反应体系中继续加入纳米纤维素、过硫酸铵和N,N’-亚甲基双丙烯酰胺进行复合，得到阳离子纤维素-聚丙烯酰胺共聚物／纳米纤维素复合保水材料，对复合物用无水乙醇进行沉析、洗涤、冷冻干燥，得到蔗髓纳米纤维素基复合保水剂。2.一种蔗髓纳米纤维素基复合保水剂的制备方法，其特征在于具体操作如下：①将风干处理后的甘蔗渣经过80～350目的筛子筛选后为蔗髓原料；②蔗髓原料采用过氧化氢／冰醋酸法提取原料的纤维素，在蔗髓原料中添加过氧化氢与冰醋酸混合液，混匀后在温度60～100℃处理12～48h后取出样品，去离子水清洗至中性，干燥，即得蔗髓薄壁细胞纤维素，保持纤维素水分含量在50～90％，备用，其中绝干蔗髓在混合液中的质量百分比浓度为8～15％，过氧化氢与冰醋酸混合液是质量百分比浓度为30～35%的过氧化氢与冰醋酸按体积比为3:1～1:3的比例混合制得；③蔗髓薄壁细胞纤维素利用高强超声波进行解离处理，其中纤维素处理浓度为0.5～5.0％，超声功率为200～1200w，超声时间为30～300min，超声后样品在7000～15000rpm下离心10～20min进行固液分离，固体部分用去离子水清洗，在相同的离心力和时间下再次进行分离，清洗和分离过程反复进行3～5次，离心的上清液收集合并后在30～90℃下进行旋转蒸发处理，浓缩样冷冻干燥，得纳米纤维素；④在干燥后...

【专利技术属性】
技术研发人员：高欣，张恒，陈克利，
申请(专利权)人：昆明理工大学，
类型：发明
国别省市：云南;53