高岭土、膨润土等粘土矿物在保水剂中有何作用呢?

粘土是以粘土矿物为主要成分的非金属矿物,一般是硅酸盐矿物风化后形成的。其矿物颗粒细小,具有可塑性、粘结性、触变性、烧结性等特点。

我国的粘土资源主要有膨润土、高岭土、凹凸棒石、海泡石、伊利石、蛭石、累托石等。 其中以膨润土和高岭土资源最多,复配高吸水树脂制备保水剂,具有良好的应用前景。

农林保水剂粘土矿产资源优势

  1. 粘土矿物丰富,通常是露天开采,低开采成本,市场供应较为充足,能够满足长期使用保水剂的购买需求。
  2.  加工工艺简单,使用性能好。粘土矿物颗粒较小,一般不经选矿、净化处理,破碎后可作为保水剂的原料。粘土具有良好的亲水性和分散性,在水中悬浮性好,团聚少,特别是膨润土在水中具有较强的水化膨胀性,有利于容器内的化学复合加工。
  3. 保水剂中粘土的添加量较大,高吸水性树脂在蒸馏水中的吸水量可达1000倍甚至2000倍,但作为农林保水剂,不需要这样高的吸水量,一般为100-700倍。
    过多的吸水对根系的吸收和保水有负面影响..同时,保水剂的吸水能力可以达到目标,有效地降低了保水剂的生产成本。
  4. 无毒粘土,安全性好。保水剂降解后长期使用,用粘土也有利于混合,改善土壤,肥料,改良土壤,保水能力,土壤重金属污染,固定的修复,可安全放心使用。
  5. 与淀粉、纤维素、腐殖酸等有机复合保水剂相比,土壤存在着腐朽快、分解破坏快等缺陷。粘土复合保水剂具有较强的热稳定性,较强的凝胶强度,在土壤中不易腐烂。

粘土复合保水剂的吸水机理

在吸水过程中,首先是聚合物链上亲水电解质基团的电离。电离产生固定在聚合物链上的阴离子,而阳离子在聚合物内部移动以保持电中性。述阴离子和阳离子聚合物浓度内部和外部之间形成差异矫直膨胀。

更多的水到聚合物内部的聚合物链的聚合物链渗透静电排斥。当三维交联网络的扩展平衡后所产生的弹性收缩力和渗透压,吸水超吸收性材料达到平衡。在三维水凝胶聚合物网络的内部空间的水分子被物理吸附存储,分子运动而没有损失的限制。

粘土颗粒的粒径远大于聚合物网络空间,且与聚合物链有化学吸附关系,且不会随着吸水膨胀效应而扩散。在水的作用下,复合保水剂表面只有少量的粘土颗粒从聚合物中解吸出来。

一般认为,随着粘土种类与添加量的不同,粘土与高吸水树脂之间存在三种结合形式:即一般充填式的混合、表面接枝聚合及层间或结构内的结合。

复合保水剂中的粘土颗粒由于表面多个聚合物链的吸附而成为高吸水性树脂聚合物网络中的交联中心,就像聚合物网络“海洋”中的“海岛”一样。 但当粘土含量过高时,会破坏聚合物的交联网络,使保水剂出现熔融和水溶性。

此外,粘土颗粒与聚合物链之间的交联相对较弱,不能完全取代交联剂在聚合物中的作用。在没有交联剂的情况下,粘土与高吸水树脂结合形成的复合材料也具有较高的吸水性,但凝胶吸水后保水性差,一定时间后会降解。

复合粘土制备保水剂

粘土复合保水剂的制备属于自由基聚合。可采用溶液聚合、反相悬浮聚合、反相乳液聚合、辐射聚合等方法进行聚合。一般来说,水溶液聚合是用于成本考虑的,因此引发剂、交联剂和其它助剂也应是水溶性的。

与粘土复合的聚合物单体一般由丙烯酰胺和丙烯酸制成。 丙烯酰胺制备的高吸水性树脂吸水率低,但耐盐性好,吸水后凝胶强度高,丙烯酸制备的高吸水性树脂吸水率高,吸水倍数高。

但吸水时易凝聚,吸水后凝胶强度低用于丙烯酸与丙烯酸的共聚。为了提高保水剂的耐盐性和凝胶强度等性能,可在粘土复合保水剂中加入淀粉和聚乙烯醇等其他辅料接枝或形成互穿聚合物分子链。

常见的粘土复合保水剂

 膨润土复合保水剂

膨润土是以蒙脱石为主要矿物成分的粘土矿物。 钠基膨润土比钙基膨润土具有更好的悬浮性能,更适合作为保水剂的原料。

结果表明,在吸水剂中加入膨润土后,吸水树脂的吸水能力下降,但随着膨润土添加量的增加,吸水凝胶的耐热性和强度增加,直到膨润土添加量占单体的190%,吸水剂的强度和耐热性开始降低。这种高膨润土含量的复合保水剂可用于油田剖面控制、阻水、农业、林业等领域。

膨润土具有更大的比丙烯酸为原料的90%的纯度,在30%的量的膨润土加入,该复合材料在吸水倍率制备是420克/ g,并且相比传统的吸收性聚合物的非棒的容器中,良好的耐盐性,高凝胶强度。

通过对膨润土/聚丙烯酸钠复合材料的电镜形貌分析,认为膨润土在复合材料中具有良好的分散性,粒径在10μm范围内;通过差热分析,他认为膨润土的加入提高了复合材料与水的结合力,即提高了保水剂的保水性能。

当聚合物单体被包埋在膨润土中时,它们既可以与层间可交换阳离子结合,也可以与表面氧形成氢键。比较了钠膨润土和有机改性膨润土对保水剂的影响,认为钠膨润土在吸水率和吸水率方面明显优于有机改性膨润土。

高岭土复合保水剂

高岭土复合保水剂

聚丙烯酸钠和高岭土制备吸水材料,在高岭土占单体50%的条件下,吸水倍数为834g/g,当高岭土量与单体为1:1时,吸水倍数仍在400g/g以上,但部分聚合物呈水溶性。通过SEM分析,复合材料为典型的海-岛结构,高岭土颗粒为1~5μm,嵌入在聚合物树脂中。

发现在吸水树脂中加入高岭土可以适当降低交联剂的用量,提高吸水树脂的强度和保水性。对聚丙烯酸和高岭土的复合机理进行了探讨,通过分析XRD结果表明,高岭土的晶面间距在反应前后没有发生变化,说明丙烯酸与高岭土颗粒的相互作用只发生在高岭土颗粒的表面。

凹凸棒石复合保水剂

凹凸棒石具有微孔,其内表面积很大,同时针状和纤维状的晶体粒径只有几十纳米,因此其外表面积也很大,较大的比表面积有利于与聚合物单体的交联反应。

凹凸棒石粘土中凹凸棒石含量小于50%,含有大量白云石、方解石、蒙脱石等伴生矿物。通过酸处理或热处理可以提高凹凸棒石粘土的活性。

2018年8月18日,甘肃临泽海瑞生产基地举行奠基仪式。 该项目一期工程将于2019年完成2万吨凹凸棒土保水剂生产线和1万吨保水多功能肥料生产线。 保水剂技术是中国科学院化学研究所王爱勤教授近20年来研究开发的。

其他粘土复合保水剂

乌兰等丙烯酰胺接枝的聚丙烯酸吸水树脂的溶液中加入12%的膨胀蛭石,徐继红和20%的海泡石AMPS接枝的聚丙烯酰胺的吸水性树脂时,发现复合材料具有更好的凝胶强度和保水性。中国CUG(武汉)使用伊利石,人造石的煅烧的复合累保水剂托盘,粘土中的30%的量加入,吸水倍数超过300倍。

粘土复合保水剂具有良好的保水性能和应用前景,但产品工业化仍存在一些问题,如:

  1. 粘土的种类、产地、品位和粒度对复合保水剂的生产配方和产品性能有很大影响,容易造成产品质量的波动;
  2. 粘土含量过高时,复合保水剂的保水能力不能满足林业种植和三年至五年以上的保水能力要求;
  3. 粘土添加量,当在反应体系中粗颗粒尺寸的粘土会产生沉降的现象。

为了解决这些问题,研究人员必须注意粘土复合保水剂工艺路线的选择,进一步研究合适的交联体系、引发体系,并注意粘土复合保水剂性能的研究。同时,根据粘土矿物复合保水剂的性能特点,研究其配套产品的标准化制备和应用技术,对促进保水剂的应用,扩大市场份额也具有重要意义。