粘土是一類以粘土礦物為主要成分的非金屬礦産，一般由矽酸鹽礦物風化後形成，其礦物顆粒細小，具有可塑性、粘結性、觸變性、燒結性等特點。

我國的粘土資源主要有膨潤土、高嶺土、凹凸棒石、海泡石、伊利石、蛭石、累托石等，其中以膨潤土、高嶺土資源量最大，與高吸水性樹脂複合制備保水劑，具有良好的應用前景。

1、粘土礦物資源用于農林保水劑的優勢

（1）粘土礦物儲量豐富，一般為露天開采，開采成本低，市場供應較為充足，可以長期滿足保水劑采購使用的需求。

（2）加工工藝簡單，使用性能良好。粘土礦物顆粒細小，一般不進行選礦提純加工，經粉碎後即可作為保水劑原料使用。粘土有較好的親水性和分散性，在水中懸浮性好、團聚少，尤其是膨潤土，在水中具有較強的水化膨脹作用，利于在容器中進行化學複合加工。

（3）粘土在保水劑中的添加量相對較大。高吸水樹脂的吸水能力在蒸餾水中能達到1000甚至2000倍以上，而作為農林用保水劑不需要如此高的吸水能力，一般100-700倍即可。

吸水能力過大，反而對植物根系吸收和保水有不利影響。在高吸水樹脂中最高可以複合添加60%左右的粘土，同時使保水劑的吸水能力仍可達到使用指标，能有效降低保水劑的生産成本。

（4）粘土對土壤無毒無害，安全性好。保水劑長期使用降解後，粘土混入土壤中同樣有助于改良土壤，提高土壤的保肥、保水能力，并且對土壤中的重金屬污染具有修複、固定作用，可以安全放心使用。

（5）相對于澱粉、纖維素、腐植酸等有機複合保水劑在土壤中存在快速腐敗、分解失效等缺點，粘土複合保水劑熱穩定性強、凝膠強度大，在土壤中不易腐敗等。

2、粘土複合保水劑的吸水機理

在保水劑吸水過程中，首先是高分子鍊上的親水性電解質基團發生電離。電離産生的陰離子固定在高分子鍊上，而陽離子則在聚合物内部移動以維持電中性。

高分子鍊上陰離子間的靜電斥力和聚合物内外陽離子濃度差形成的滲透壓使高分子鍊拉直擴張，更多的水進入聚合物内部。當三維交聯網絡擴張後産生的彈性收縮力與滲透壓力平衡後，高吸水材料達到吸水平衡。水分子在水凝膠三維空間内部通過聚合物網絡物理吸附被貯存，分子運動受限制而不會流失。

粘土顆粒尺寸遠大于聚合物網絡空間，并且與高分子鍊存在化學吸附關系，更不會随着吸水溶脹作用而擴散出去，隻有複合保水劑表面的少量粘土顆粒在水作用下會從聚合物上脫附。

一般認為，随着粘土種類與添加量的不同，粘土與高吸水樹脂之間存在三種結合形式：即一般充填式的混合、表面接枝聚合及層間或結構内的結合。

複合保水劑中的粘土顆粒由于表面吸附多條高分子鍊而成為高吸水樹脂聚合物網絡中的交聯中心點，就像聚合物網絡“海洋”中的“海島”。但當粘土添加量過多時，就會破壞聚合物的交聯網絡，使保水劑表現出糊化和水溶性。

此外，粘土顆粒與高分子鍊之間的交聯相對較弱，不能完全代替聚合物中交聯劑的作用。不加交聯劑，粘土與高吸水樹脂複合形成的複合材料也具有高吸水性，但吸水後凝膠保水性差，一定時間後會發生降解。

3、粘土複合保水劑的制備方法

粘土複合保水劑的制備屬于自由基聚合反應，可采用溶液聚合、反相懸浮聚合、反相乳液聚合、輻射聚合等，出于成本考慮，一般采用水溶液聚合，因此引發劑、交聯劑等助劑也應選用水溶性的。

▲粘土複合保水劑制備流程簡圖

與粘土複合的聚合物單體一般采用丙烯酰胺和丙烯酸。丙烯酰胺制備的保水劑吸水能力較低，但耐鹽性好，吸水後凝膠強度高；丙烯酸制備的保水劑吸水速度快、吸水倍數高，但吸水時易團聚，吸水後凝膠強度較低；采用丙烯酰胺與丙烯酸共聚，可兼顧兩者優點。

為改善保水劑耐鹽性、凝膠強度等性能，粘土複合保水劑中還可以添加澱粉、聚乙烯醇等其它輔料，對聚合物分子鍊進行接枝或形成互穿。

4、常見的粘土複合保水劑

（1）膨潤土複合保水劑

膨潤土是以蒙脫石為主要礦物成分的粘土礦，鈉基膨潤土懸浮性好于鈣基膨潤土，因此更适合作為保水劑原料。

周正剛等研究表明，在保水劑中加入膨潤土後，吸水樹脂的吸水能力下降，但吸水凝膠的耐熱性和強度随膨潤土添加量的增大而提高，直到膨潤土添加量為單體的190%後，保水劑的強度和耐熱性才開始下降。這種高膨潤土含量的複合保水劑可以應用于油田調剖堵水和農業、林業等方面。

範力仁以純度大于90%的鈉化膨潤土與丙烯酸為原料，膨潤土添加量為30%，制備的複合材料吸水倍率為420g/g，并且與傳統高分子吸水樹脂相比不粘容器、抗鹽性能好、凝膠強度高。

謝奕明通過對膨潤土/聚丙烯酸鈉複合材料的電鏡形态分析認為，膨潤土在複合材料中有較好的分散性，粒徑在10μm的範圍内；通過差熱分析認為添加膨潤土提高了複合材料與水的結合力，即提高了保水劑的保水性能。

Ogawa認為，聚合物單體嵌入膨潤土中時，既可能通過與層間可交換陽離子結合也可能與表面氧形成氫鍵結合。

Lee等對比了鈉基膨潤土和有機改性膨潤土對保水劑的影響，認為鈉基膨潤土在吸水倍率和吸水速率上明顯好于有機改性膨潤土。

（2）高嶺土複合保水劑

高嶺土具有較好的懸浮性和分散性。

馬占興等以聚丙烯酸鈉和高嶺土制備吸水材料，在高嶺土占單體50%的條件下，吸水倍數為834g/g，當高嶺土量與單體為1:1時，吸水倍數仍在400g/g以上，但部分聚合物呈水溶性。通過SEM分析，複合材料為典型的海-島結構，高嶺土顆粒為1~5μm，嵌入在聚合物樹脂中。

李傑等發現在吸水樹脂中加入高嶺土可以适當降低交聯劑的用量，提高吸水樹脂的強度和保水性。

Kabiri等對聚丙烯酸和高嶺土的複合機理進行了探讨，通過分析XRD結果表明，高嶺土的晶面間距在反應前後沒有發生變化，說明丙烯酸與高嶺土顆粒的相互作用隻發生在高嶺土顆粒的表面。

（3）凹凸棒石複合保水劑

凹凸棒石有發育的微孔孔道，因而内表面積很大；同時，針狀、纖維狀的晶體顆粒粒徑隻有幾十納米，因而其外表面積也很大，較大的比表面積有利于同聚合物單體交聯反應。凹凸棒石粘土中凹凸棒含量大于50%的很少，含有大量白雲石、方解石、蒙脫石等伴生礦物，通過酸處理或熱處理，可以改善凹凸棒石粘土的反應活性。

魏彥芳等制備的複合保水劑以凹凸棒石和聚丙烯酸鉀為原料，凹凸棒石用量為15%~20%，該材料吸蒸餾水的倍率為556.2 g/g。

張俊平等發現凹凸棒複合保水劑與純樹脂保水劑相比，耐鹽性明顯提高。

趙娣芳通過XRD分析發現凹凸棒粘土與丙烯酸單體的接枝共聚反應發生在礦物表面，反應前後凹凸棒粘土的晶體結構并未受到破壞。

2018年8月18日，甘肅海瑞達臨澤生産基地舉行奠基儀式，該項目一期将于2019年建成2萬噸凹凸棒石保水劑生産線一條、一萬噸保水多功能肥生産線一條。該保水劑産品技術經過中科院化物所王愛勤教授近二十年的研發，産品生産技術及工藝成熟。

（4）其它粘土複合保水劑

烏蘭等在聚丙烯酸接枝丙烯酰胺吸水樹脂中添加12%的膨脹蛭石，徐繼紅等在聚丙烯酰胺接枝AMPS吸水樹脂中加入20%的海泡石，均發現複合材料有更好的凝膠強度和保水性能。中國地質大學（武漢）采用伊利石、煅燒累托石制備的複合保水劑，粘土添加量在30%，吸水倍數均在300倍以上。

5、結語

粘土複合保水劑具有較好的保水性能及應用前景，但對于産品工業化仍存在某些問題，例如：

（1）粘土的種類、産地、品位、粒度等條件對複合保水劑的生産配方及産品性能有較大影響，易造成産品質量波動；

（2）添加粘土含量過高時，粘土複合保水劑的保水性降低較多，不能滿足林業種植吸、釋水能力持續三至五年以上的要求；

（3）粘土添加量多、粒度粗時，粘土在反應體系中會産生沉降現象等。

針對這些問題，研究者們必須要重視粘土複合保水劑的工藝路線選擇，進一步研究适合的交聯體系、引發體系，重視粘土複合保水劑的性能研究。同時，根據粘土礦物複合保水劑的性能特點，研究與之配套的産品标準化制備和應用技術，對保水劑應用推廣和擴大市場份額也具有重要意義。

來源：粘土複合保水劑的研究現狀及應用，作者：張然、馮安生、餘麗秀

編輯整理：粉體技術網

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