保水剂的作用原理

保水剂属于高分子电解质，它的吸水机理不同于纸浆、海绵等以物理吸水为主、吸水量小的普通吸水材料。保水剂的吸水是由于高分子电解质的离子排斥所引起的分子扩张和网状结构引起阻碍分子的扩张相互作用所产生的结果。这种高分子化合物的分子链无限长地连接着，分子之间呈复杂的三维网状结构，使其具有一定的交联度。在其交联的网状结构上有许多羧基、羟基等亲水基团，当它与水接触时，其分子表面的亲水性基团电离并与水分子结合成氢键，通过这种方式吸收大量的水分。在这一过程中，网链上电解质使得网络中的电解质溶液与外部水分之间产生渗透势差。在这一渗透势差作用下，外部水分不断进入分子内部。网络上的离子遇水电解，正离子呈游离状态，而负离子基团仍固定在网链上，相邻负离子产生斥力，引起高分子网络结构的膨胀，在分子网状结构的网眼内进入大量的水分。高分子的聚集态同时具有线性和体型两种结构，由于链与链之间的轻度交联，线性部分可自由伸缩，而体型结构却使之保持一定的强度，不能无限制地伸缩。因此，保水剂在水中只膨胀形成凝胶而不溶解。当凝胶中的水分释放殆尽后，只要分子链未被破坏，其吸水能力仍可恢复（李景生等，1996；介晓磊等，2000；尤晶等，2012）。

高分子保水剂具有吸水速度快、吸水倍数大的特点，主要是其含有大量羧基、羟基及酰胺基、磺酸基等亲水性基团，对水分有较强的吸附能力，对纯水的吸水倍数可达400～600倍；其次，保水剂的保水能力也很强，其保水方式有吸水和溶胀两种方式，以后者为主；此外，保水剂的释水性能也很好，可直接为作物提供较长时间供水。研究发现（王砚田等，1990），保水剂吸水力13～14 kg/m2，植物根系对水的吸力达17～18 kg/m2。因此，保水剂所吸持水分的85%以上可作为植物可利用水。试验证明（黄占斌等，2002），保水剂具有吸水和释水，再干燥和再吸水的反复吸水能力，保水剂的每次反复吸水，其吸水倍率可下降10%～70%，最终失去吸水功能。

不同类型保水剂在保水特性方面，特别是对去离子水、自来水（电导率0.8～1.0 s/cm）和不同离子溶液中的吸水倍数降低率、反复吸水性等方面有较大差异（黄震等，2010）。不同高分子材料的吸水原理基本相同，衡量保水剂性能的主要参数包括吸水倍数、吸水速率和保水能力（庄文化等，2007）。不同材料的保水剂在吸水倍数、吸水速率及耐盐性等方面都有差异，即便是同一种类的保水剂，性质也不尽相同。目前，市场上销售的保水剂材料主要以丙烯酰胺-丙烯酸盐交联共聚物及聚丙烯酰胺为主（赵元霞等，2016）。有机单体聚合保水剂（聚丙烯酸盐）在去离子水吸水倍数最高，在自然条件下有十几天的保水性能；淀粉聚合类保水剂成本较低易分解，适宜作物成苗等短时期的土壤保水；有机无机复合保水剂（凹凸棒/聚丙烯酸钠）、有机单体与功能性成分复合保水剂（腐殖酸型保水剂），反复吸水性和抗二价（Ca2+）和三价（Fe3+）离子特性明显，适合盐碱地和废弃地的土壤改良应用（黄占斌等，2016）。