влагонабухающий почвенный кондиционер и способ его получения

Формула изобретения

1. Влагонабухающий почвенный кондиционер, содержащий полимерный гидрогель в виде акрилового полимера и глинистый минерал в качестве наполнителя, отличающийся тем, что в качестве глинистого минерала он содержит бентонитовую или палыгорскитовую глину в массовом соотношении гидрогель : глинистый минерал от 1: 0,25 до 1: 1,5.

2. Способ получения влагонабухающего почвенного кондиционера, включающий получение гидрогеля на основе акрилового полимера путем полимеризации акрилового мономера в водной среде в присутствии сшивающего агента N, N"-метилен-бис-акриламида в количестве 0,025-0,15% от массы мономера и его перемешивание с глинистым минералом в качестве наполнителя, отличающийся тем, что полимеризацию акрилового мономера осуществляют в процессе перемешивания с глинистым минералом, в качестве которого используют бентонитовую или палыгорскитовую глину в массовом соотношении мономер : глинистый минерал от 1: 0,25 до 1: 1,5.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области сельского хозяйства, а именно к почвенным кондиционерам, используемым для улучшения водного режима почвы, и может быть использовано в растениеводстве.

В сельскохозяйственной практике в качестве средства для улучшения водного режима почвы и влагообеспеченности растений применяются влагонабухающие полимерные материалы в виде гидрогелей - гидрофильных полимеров сетчатой структуры, которые при контакте с водой быстро поглощают и длительно удерживают ее в своем объеме. При внесении в почву гидрогели способны аккумулировать большой объем влаги, обеспечивая значительный прирост влажности в почве и благоприятные условия для развития растений. Однако широкое применение в растениеводстве таких гидрогелей в настоящее время сдерживается их дороговизной, в связи с чем с экономической точки зрения большое значение имеют в качестве почвенных кондиционеров композиционные материалы, включающие в свой состав недорогое природное сырье при сохранении высоких показателей влагосороции и влагоудерживания.

Известен водонабухающий полимерно-минеральный композит, состоящий из линейного полианионного полимера и природного сырья - бентонитовой глины - при массовом соотношении полимер : глина от 0,65 до 0,1 [1]. Известный композиционный материал, который рекомендуется использовать в агротехнике в целях повышения влагоемкости бесструктурных почв, получают путем механического перемешивания в воде водорастворимого полимера и глины с последующим высушиванием и размалыванием полученного продукта. Каждый элементарный объем такого материала удерживает 30-50 объемов воды и при внесении в почву на 30% увеличивает ее влагоемкость. Однако известный композиционный материал имеет неудовлетворительную формоустойчивость, которая выражается в том, что при набухании частицы его слипаются в единую массу, что ухудшает воздухообмен в почве и затрудняет многократное применение его в растениеводстве.

Известен комплекс природного глинистого минерала с гидрофильным полимером, который отличается более прочной структурой и улучшенной формоустойчивостью, что дает возможность использовать его в многократных процессах сорбции - десороции волы, а также для улучшения водоудерживающих свойств почвы [2] . Указанный комплекс получают в виде геля путем перемешивания в воде гидрофильного полимера и глинистого минерала в присутствии активирующей добавки, способствующей ускорению реакции взаимодействия компонентов, а также упрочнению структуры конечного продукта. Образующийся гель легко поглощает воду и обратимо отдает ее. Однако в описании изобретения отсутствуют конкретные данные о водопоглощающих свойствах известного комплекса.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является композиционный материал, включающий полимерный гидрогель на основе акрилового полимера и глинистый минерал, характеризующийся гидрофильностью и высокой дисперсностью, как например каолин, фуллерова земля, тальк, бентонит при массовом соотношении гидрогель: глинистый минерал от 1:0,03 до 1:0,2 [3] .

Способ получения известной композиции заключается в получении гидрогеля на основе акрилового полимера и перемешивании его с глинистым минералом. При этом полимерный гидрогель получают путем полимеризации акрилового мономера в водной среде в присутствии сшивающего агента. Количество воды в реакционной смеси должно соответствовать содержанию ее в конечном продукте-гидрогеле от 16 до 80 мас.%. Перемешивание глинистого минерала с гидрогелем осуществляют в процессе его дробления на режущем станке.

Частицы полученной композиции размером 0,25-1 мм характеризуются сыпучестью, обладают способностью обратимо абсорбировать воду в количестве, в 5-10 раз превышающем собственную массу. Они легко смешиваются с любой растительной средой и приводят к улучшению ее свойств, особенно аэрации.

Недостатком известной композиции-прототипа является небольшое содержание в ней глинистого минерала (всего 3-20 мас. %) и низкая степень влагопоглощения. Способ получения композиции осложняет процедуру перемешивания тяжелой гелевой массы, содержащей от 16 до 80 мас.% воды, с мелкодисперсным глинистым минералом. Кроме того, известный способ не может способствовать получению агрегативно устойчивой однородной смеси гидрогеля с наполнителем, так как образующийся в ходе полимеризации гидрогель содержит большое количество (до 30%) водорастворимой фракции.

В основу заявляемого изобретения положена задача обеспечения влагонабухающему почвенному кондиционеру, представляющему собой композиционный материал, высоких показателей влагопоглощения и упрощенного способа получения. Эта задача решается тем, что заявляемый почвенный кондиционер, содержащий полимерный гидрогель в виде акрилового полимера и глинистый минерал в качестве наполнителя, в качестве глинистого минерала он содержит бентонитовую или палыгорскитовую глину в массовом соотношении гидрогель : глинистый минерал от 1: 0,25 до 1:1,5. Для получения заявляемого влагонабухающего почвенного кондиционера в известном способе, включающем получение гидрогеля на основе акрилового полимера путем полимеризации акрилового мономера в водной среде в присутствии сшивающего агента - N,N"-метилен-бис-акриламида в количестве 0,025-0,15% от массы мономера и его перемешивание с глинистым минералом в качестве наполнителя, полимеризацию акрилового мономера осуществляют в процессе перемешивания с глинистым минералом, в качестве которого используют бентонитовую или палыгорскитовую глину в массовом соотношении мономер : глинистый минерал от 1:0,25 до 1:1,5.

Сопоставительный анализ заявляемого изобретения и прототипа показывает, что предлагаемый влагонабухаюший почвенный кондиционер, представляющий собой композиционный материал на основе гидрогеля из акрилового полимера и глинистого минерала в качестве наполнителя, включает в свой состав бентонитовую или палыгорскитовую глину, что дает возможность увеличить содержание в композиционном материале наполнителя (до 150 мас.% вместо 20 мас.% в известном).

Особое свойство указанных глинистых минералов - способность к образованию в водной среде агрегативно устойчивых в течение продолжительного (10-15 дней) времени структурированных суспензий - может обеспечивать получение однородной смеси глинистого минерала и акрилового мономера при перемешивании их в водной среде в определенных соотношениях. Полимеризация мономера в такой системе в присутствии сшивающего агента приводит к формированию композиционного материала на основе образующегося полимерного гидрогеля и глинистого минерала в качестве наполнителя, частицы которого равномерно распределены в объеме гидрогеля.

Предлагаемый способ получения заявляемого влагонабухающего почвенного кондиционера отличается от известного тем, что получение гидрогеля на основе акрилового полимера путем полимеризации акрилового мономера в водной среде в присутствии сшивающего агента осуществляют одновременно с процессом перемешивания полимеризационной смеси с глинистым минералом. Совмещение процессов перемешивания компонентов и полимеризации мономера упрощает способ получения конечного продукта вследствие исключения трудоемкой операции перемешивания тяжелой гелевой массы, образующейся в ходе реакции полимеризации, с наполнителем, как в известном способе. Заявляемый способ обеспечивает также получение композиционного материала с прочным химическим взаимодействием между компонентами и практически полным отсутствием в нем водорастворимой фракции.

Сравнение заявляемого изобретения с другими аналогами показывает, что получаемые по известным решениям композиции характеризуются невысокими показателями водопоглощения: 15-30 г/г против 300-720 г/г в заявляемом изобретении.

Получение заявляемого влагонабухающего почвенного кондиционера осуществляют следующим образом. В вертикальный цилиндрический реактор, содержащий смесь 10-40%-ного водного раствора акрилового мономера и N,N"-метилен-бис-акриламила, при постоянном перемешивании вводят тонкодисперсный порошок бентонитовой или палыгорскитовой глины. Перемешивание продолжают до образования однородной, агрегативно устойчивой дисперсной системы с равномерно распределенными по всему объему частицами наполнителя и вводят инициатор полимеризации. Через 2-3 мин мешалку выключают. Индукционный период до начала образования полимерного композиционного материале в зависимости от соотношения исходных компонентов составляет от 5 мин до 1 часа, продолжительность самого процесса 1-4 часа, а максимальная температура, которая при этом развивается в реакторе, может варьировать от 35 до 70-90^oС. Полученный гелеобразный продукт извлекают через днише реактора (он легко выпадает под действием собственной силы тяжести), высушивают и измельчают до частиц необходимых размеров.

Если для получения исходной смеси компонентов в водной среде используются мономеры в виде акриламида или акриловой кислоты, их подвергают частичному (на 20-30%) гидролизу или нейтрализации путем введения в указанную смесь щелочного реагента либо путем обработки им образующейся гелеобразной композиции перед стадией ее высушивания.

Более детально заявляемое изобретение иллюстрируется конкретными примерами его получения и применения в растениеводстве.

Пример 1.

В реакторе перемешивают 800 мл водного 12,5%-ного раствора акриламида (100 г на сухую массу) с 0,1 г N,N"-метилен-бис-акриламида (МБАА), что составляет 0,1% от массы мономера. Затем при постоянном перемешивании вводят 100 г тонкодисперсного порошка бентонитовой глины (массовое соотношение мономера и глинистого минерала 1:1). Через 15 мин, не прекращая перемешивания, вводят водные растворы инициаторов полимеризации (по 25 мл 6%-ных водных растворов персульфата калия и метабисульфита натрия). Перемешивание реакционной смеси продолжают eщe 2-3 мин, затем мешалку выключают. Примерно через 40 мин наблюдается повышение температуры смеси, связанное с началом реакции образования полимера акриламида с одновременным формированием пространственной сетчатой структуры, в которой распределены частицы бентонитовой глины. Продолжительность всего процесса 2,5 часа, максимальная температура, которая при этом развивается в реакторе, 55^oС. Образовавшуюся гелеобразную композицию извлекают через днище реактора, режут на небольшие куски и обрабатывают 0,5 л 8%-ного водного раствора гидроксида калия при 80-90^oС в течение 30 мин. Полученный продукт высушивают горячим воздухом в ленточной сушилке при 70-80^oС и измельчают. Показатель влагосорбции полученного почвенного кондиционера приведен в табл.1.

Пример 2.

Аналогично примеру 1 получают влагонабухаюший почвенный кондиционер на основе полимерного гидрогеля и палыгорскитовой глины. Для этого при тщательном перемешивании готовят суспензию 150 г тонкодисперсного порошка глины в 1 л 30%-ного водного раствора акриламида (массовое соотношение мономер : глинистый минерал 1:0,5), содержащего 0,2 г МБАА (0,07% от массы мономера). В готовую суспензию поочередно вводят по 25 мл 6%-ных растворов персульфата калия и метабисульфита натрия и через 3 мин мешалку выключают. Индукционный период до начала реакции образования композиционного материала около 20 мин, продолжительность самого процесса 1,5 часа, максимальная температура, которая при этом развивается, 77^oС. Аналогично примеру 1 проводят обработку полученного продукта раствором гидроксида калия, после чего высушивают и измельчают.

Пример 3.

Аналогично примеру 1 в реакторе готовят смесь 2 л воды, 1300 г акриловой кислоты, 1 г МБАА (0,08% от массы мономера), 370 г карбоната калия. В полученную смесь при постоянном перемешивании вводят 325 г палыгорскитовой глины (массовое соотношение мономера и глинистого минерала 1:0,25). Затем вводят инициаторы полимеризации и мешалку выключают. Полученный композиционный материал обрабатывают аналогично примеру 1.

Пример 4.

Аналогично примеру 1 в смесь, полученную при смешении 6 л воды, 1200 г акриламида, 1360 г акрилата калия, 2 г МБАА (0,08% от массы мономера), вводят при перемешивании 1280 г бентонитовой глины (массовое соотношение мономера и глинистого минерала 1:0,5) и инициаторы полимеризации мономеров. Обработку готового продукта проводят аналогично примеру 1.

Пример 5.

В условиях примера 1 в реакторе перемешивают 720 мл воды с 80 г акриламида и 0,12 г МБАА (0,15% от массы мономера). При постоянном перемешивании в реактор вводят 120 г бентонитовой глины (массовое соотношение мономера и глинистого минерала 1:1,5) и по образовании однородной суспензии - инициаторы полимеризации. Индукционный период до начала образования композиционного материала составляет 40 мин, продолжительность всего процесса 3 часа, максимальная температура в ходе этого процесса 35^oС. После обработки гидроксидом калия полученный продукт высушивают и измельчают до частиц необходимых размеров.

В табл.1 представлены показатели влагосорбирующих свойств образцов влагонабухающего почвенного кондиционера, полученных по примерам 1-5.

Получение влагонабухающего почвенного кондиционера с содержанием в нем бентонитовой или палыгорскитовой глины менее 20 мас.% или более 60 мас.% (соответственно с соотношением гидрогель : глина 1:0,25 и 1:1,5) в соответствии с заявляемым изобретением затруднено технологически и экономически не оправдано. Это связано с тем, что при уменьшении концентрации менее 20 мас.% в водной смеси мономера и глины количество воды становится избыточным для образования агрегативно устойчивой водной суспензии глины, сохраняющей равномерное распределение ее частиц в объеме суспензии в течение всего индукционного периода до начала формирования полимерного композиционного материала. Верхний предел содержания глины в почвенном кондиционере обусловлен тем, что при дальнейшем повышении ее концентрации в водной среде ввиду возросшей вязкости затруднено равномерное смешивание исходных компонентов; разбавление же ее водой приводит к чрезмерному уменьшению концентрации мономера, что в дальнейшем не может обеспечивать формирования композиционного материала прочной структуры, что, в свою очередь, может стать причиной разрушения его уже в процессе приготовления. Кроме того, высушивание такого материала требует больших затрат энергии.

Таким образом, заявляемое изобретение, по сравнению с прототипом, позволяет значительно улучшить влагосорбирующую способность почвенного кондиционера и существенно упростить способ его получения за счет использования бентонитовой или палыгорскитоврй глины.

Образцы влагонабухающих почвенных кондиционеров, приготовленных по примерам 1 и 2, были испытаны при выращивании рассады цветной капусты.

Пример 6.

В стандартный торфо-опилочный субстрат вносили заданное количество сухого почвенного кондиционера (2 г на 1 л субстрата), тщательно перемешивали с ним и обильно поливали. Сразу же после полива производили посев семян. Массовая всхожесть во всех вариантах наступила через 6-7 дней. Необходимость полива растений определяли визуально по началу их завядания, а также по результатам измерения относительной влажности субстрата. Ниже приведены данные изменения этих показателей за произвольно выбранный промежуток времени (17 дней), когда растения в опытных вариантах находились без полива (табл.2) и биометрические данные растений в конце опыта, который длился 35 дней (табл. 3). Для сравнения в таблицах приведены также данные контрольного варианта (К), в котором растения цветной капусты выращивались на исходном субстрате для кондиционера.

Как видно из данных табл.2, влагоемкость почвы при внесении в нее заявляемого влагонабухающего почвенного кондиционера увеличивается на 60-90%. Запасенная при поливе влага длительно удерживается в такой почве, что позволяет сократить частоту полива растений в 3-4 раза. Растения на таких субстратах растут и развиваются значительно лучше (табл.3).

Источники информации

1. РСТ/SU 92/02596, C 09 K 17/00, 1992.

2. EP 0335653 B1, C 09 K 17/00, 1993.

3. EP 0072213, C 09 K 17/00, 1985.