基于棉花秸秆纤维素复合型保水剂材料、制备方法及应用

本发明属于农业生产领域，尤其涉及一种基于棉花秸秆纤维素复合型保水剂材料、制备方法及应用。

背景技术：

1、目前，新疆作为国家优质棉花种植基地，2021年棉花产量占全国89.5％，棉花产业不但是新疆经济发展强有力的支撑，做出了巨大贡献。但大量棉花秸秆不能得到妥善处理，仍有一些地区采用焚烧的办法，焚烧产生大量气态污染物和可吸入颗粒物，不仅对生态环境造成严重污染，还威胁着人们的身心健康。通过合理的工艺，利用棉花秸秆，改善土壤蓄水能力、实现资源再利用，从而提升棉花经济价值。

2、保水剂从20世纪50年代出现，时至今日，高分子聚合物型的保水保肥型保水剂受到相关领域研究者的重视，保水剂具有减少土壤水分蒸发、改善土壤环境、保水保肥等优势，在农业生产领域得到了广泛的应用。保水剂通常依靠氢键和非共价键等连接，形成网状结构或形态组成，将水分子封锁再网状结构中发挥作用，从而达到对水分子的活动限制而不是化学吸附。吸水后能迅速膨胀成为胶体，具有反复吸水功能，受到外力挤压也不会析出吸收的水分，又将其称为超强吸水树脂剂。新疆因其特殊的地理位置，气候呈总体干旱、降水短时强的特点，在栽培料中加入保水剂可以充分利用降雨及自然蒸发产生的水用于种子出芽，降低人工补水次数，提高水资源利用效率。

3、通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

4、(1)纤维素分子间有大量的氢键，且主链上带有许多羟基，提供不同的接枝位点，与其他基团相形成网络结构，制备高吸水材料。但传统的纤维素型保水剂材料当氨基酸与纤维素上的羟基通过氢键相连形成的网状结构，比单一的纤维素型保水剂具有更高的保水性能。从棉花秸秆中提取纤维素，制备复合保水剂材料，实现资源再利用。

5、(2)李坤等人以丙烯酸、丙烯酰胺和腐植酸钾为原材料，采用溶液聚合法，制备腐植酸基保水剂，该保水剂含有的腐植酸钾是构成土壤的有机成分之一，具有提高土壤保肥、保水能力。本文中为提高保水剂的保水、释水能力，加入纤维素纳米晶体，形成网状结构，从而合成一种保水保肥型复合保水剂材料。

6、(3)对纤维素、淀粉等这些可降解的保水剂材料的应用尤为广泛，部分盐碱地的农肥及水分不能被充分吸收，使用保水剂可以缓解这一问题，但部分高吸水型数值，在土壤中不易降解，且现有的部分保水剂功能单一，因此加入含氮有机物，例如，氨基酸、丙烯酰胺等，使功能改进，是本文将要解决的问题。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于棉花秸秆纤维素复合型保水剂材料、制备方法及应用。

2、本发明是这样实现的，一种基于棉花秸秆纤维素复合型保水剂材料，所述基于棉花秸秆纤维素复合型保水剂材料包括如下试剂：纯度为99％甲酸(hcooh)、纯度为99.5％碳酸钠(na2co3)、纯度为90％腐殖酸(ha)、分子量为500万-700万的聚丙烯酰胺(pam)、纯度为99.5％过硫酸钾(kps)、纯度为95％氢氧化钠(naoh,)、分子量50000-100000的γ-聚谷氨酸(γ-pga)、纯度为99％l-天冬氨酸(l-asp)、纯度为85％磷酸、纯度为99.8％n,n-二甲基甲酰胺(dmf)、纯度为50％戊二醛；

3、其中：cnc-γ-pga中cnc：γ-pga的质量比为：8：6；

4、cnc-psap中cnc：psap的质量比为：2：11；

5、cnc-pam-ha中cnc：pam：ha的质量比为：10：2：2。

6、本发明的另一目的在于提供一种所述基于棉花秸秆纤维素复合型保水剂材料的制备方法，包括：

7、从棉花秸秆中提取纤维素，与聚谷氨酸、聚天冬氨酸和腐殖酸通过热缩聚、接枝共聚制备了三种基于棉花秸秆纤维素复合型保水剂材料cnc-γ-pga、cnc-psap、cnc-pam-ha。

8、进一步，所述从棉花秸秆中提取纤维素的具体过程为：

9、(1.1)所述棉花秸秆中含有三种主要成分纤维素、半纤维素、木质素，将所述棉花秸秆浸泡在2％的稀酸溶液中，不断的搅拌使表皮和髓芯分离，得到皮纤维素和杆芯；

10、(1.2)将所述杆芯在烘箱60℃干燥，粉碎过筛，得到纤维素备料，先用乙醇或甲苯混合溶液去除原料中的杂质，干燥后用甲苯或乙醇混合溶液萃取，产物干燥后得到滤渣和滤液；

11、(1.3)将所述滤渣用naoh和h2o2提纯、漂白得到纤维素粗品，用na2so3和hcl(固液比为1：20)90℃反应30分钟，得到微晶纤维素(mcc)；

12、(1.4)再将所述微晶纤维素用浓硫酸水解，冷冻干燥后得到纤维素纳米晶体(cnc)，称取适量cnc用红外光谱、x射线粉末衍射、扫描电镜和透射电镜进行表征和分析。

13、进一步，所述cnc-γ-pga的合成过程包括：

14、(2.1)先将1gγ-pga粉末溶解于50ml蒸馏水中，再向溶液中添加cnc，γ-pga与cnc的比例为1：1、1：2、1：3、1：4、1：5(比例均为γ-pga：cnc)，分别缓慢滴加冰乙酸，室温搅拌2min，得到混合溶液；

15、(2.2)用蒸馏水将所述混合溶液洗涤，多次洗涤后测量所述混合溶液ph值，直到所述混合溶液呈中性后进行真空干燥；

16、(2.3)真空干燥后获得cnc-γ-pga复合保水剂，在酸性条件下，γ-聚谷氨酸链上的氨基可质子化形成正电性的聚合物，通过氢键与cnc环上的氢键连接，形成二维网状结构的复合保水剂；

17、(2.4)通过红外、x射线粉末衍射、热重分析、扫描电镜进行表征，并计算所述cnc-γ-pga的吸水能力。

18、进一步，所述cnc-psap的合成过程包括：

19、(3.1)将1g聚天冬氨酸(psap)粉末溶解于50ml蒸馏水中，所述聚天冬氨酸(psap)由l-天冬氨酸与磷酸在油浴180℃条件下缩聚制备而成，再向溶液中添加所述cnc，psap与cnc的比例为1：1、1：2、1：3、1：4、1：5，用戊二醛作为交联剂，搅拌2min；

20、(3.2)用蒸馏水多次洗涤，直至溶液呈中性，进行真空干燥，获得cnc-psap复合保水剂，在加热条件下，psap单体中肽键上的c会形成sp3杂化，不能形成π键，肽键上的n有两个孤对电子，cnc上c2和c6位羟基上的o电负性大，取代n上的h，形成氢键，cnc上的羟基在浓硫酸加热的条件下发生醚化和psap连接，cnc与psap通过氢键连接，形成二维基于棉花秸秆纤维素复合型保水剂材料；

21、(3.4)通过红外、x射线粉末衍射、热重分析、扫描电镜进行表征，并计算该材料的吸水能力。

22、进一步，所述cnc-pam-ha的合成过程为：

23、(4.1)在质量为2.0g、4.0g、6.0g、8.0g和10.0g的cnc中分别加入148ml、146ml、144ml、142ml和140ml水，配置成150g悬浮液，对悬浮液室温超声10min；

24、(4.2)将悬浮液转移到三口烧瓶中，水浴加热至60℃，另取一干净烧杯，称取0.04gkps，再加入5ml水溶解后滴加至三口烧瓶中；

25、(4.3)10min后将2gpam和2gha溶于50g水，将混合溶液加入三口烧瓶中，持续反应2小时，制得所述cnc-pam-ha复合保水剂材料；

26、(4.4)冷冻干燥后通过红外、x射线粉末衍射、热重分析、扫描电镜进行表征，并计算所述cnc-pam-ha材料的吸水能力。

27、本发明的另一目的在于提供一种所述基于棉花秸秆纤维素复合型保水剂材料在农业生产领域的应用。

28、结合上述的技术方案和解决的技术问题，本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：

29、本发明为提高保水剂的性能，引入含有氨基的有机物，例如γ-聚谷氨酸、聚天冬氨酸和聚丙烯酰胺，制备保水保肥型复合材料。基于棉花秸秆纤维素复合型保水剂材料的制备能在一定程度上缓解因棉花秸秆处理不到位的而给环境造成的压力，得到的保水保肥型材料通过自身吸水-保水-释水的原理，改良土壤环境、提高水分利用率。随着可持续发展理念和人们对生态环境的重视，这类成本低、性能优异的复合型保水剂将得到推广和重视。

30、本发明从棉花秸秆中提取纤维素，与聚谷氨酸、聚天冬氨酸和腐殖酸合成基于棉花秸秆纤维素复合型保水剂材料，通过红外、扫描电镜、xrd、热重分析对该材料进行表征，再对其吸水、保水、重复吸水等基本性能进行测试。从而实现棉花秸秆资源再利用，提高农业用水的利用效率，减少环境负荷，确保其可持续发展。

31、本发明的技术方案转化后保住土壤水分、减少水分蒸发同时也能改善土壤环境。新疆土地荒漠化严重、水资源不足以及不合理利用，威胁到水土保持，该材料的合理开发及使用能在一定程度上缓解以上问题。本发明的技术方案填补了基于纤维素型复合保水剂材料的技术空白。