Polyme siêu hấp thụ nước là polyme ưa nước được khâu mạch lỏng lẻo có thể hấp thụ lượng nước lớn gấp nghìn lần khối lượng của chính nó và lượng nước hầu như không bị loại bỏ ngay cả dưới áp lực. Một trong những ứng dụng quan trọng nhất của polyme siêu hấp thụ nước là ứng dụng trong nông nghiệp và trồng vườn, đặc biệt là việc sử dụng nước hiệu quả ở những vùng đất khô và hoang mạc. Hơn nữa, vật liệu này có thể cải tạo đất canh tác, làm đất thông thoáng và ngăn cản xói mòn. Sự kết hợp một cách tối ƣu polyme siêu hấp thụ nước và phân bón nhả chậm có thể cải thiện dinh dưỡng cho cây trồng, đồng thời làm giảm tác động tới môi trường từ các loại phân bón tan trong nước, giảm thất thoát phân bón do bay hơi, giảm số lần tưới nước [40].
M. Liu và các cộng sự [40] đã nghiên cứu và tổng hợp phân bón nitơ nhả chậm siêu hấp thụ nước bằng phương pháp trùng hợp dung dịch axit acrylic và anhydrit maleic sử dụng chất khâu mạch MBA, hệ khơi mào oxi hóa khử (NH4)2S2O8/Na2SO3 và sự có mặt của ure. Kết quả thu đƣợc là hàm lượng nitơ trong phân ure nhả chậm siêu hấp thụ nước được tổng hợp là 28,5% và độ hấp thụ nước là 900(g/g) đối với nước cất và 180 (g/g) đối với nước máy. Khả năng nhả nitơ trong đất và trong nước cũng đã được khảo sát.
Kết quả cho thấy sản phẩm khâu mạch bề mặt không chỉ giúp điều khiển quá trình nhả phân tốt mà còn giữ ẩm cho đất rất tuyệt vời. Đồng thời, kết quả cũng chỉ ra rằng phân bón nitơ nhả chậm siêu hấp thụ nước có thể ứng dụng trong nông nghiệp và làm vườn, đặc biệt ở những vùng đất có nguy cơ hạn hán.
M. Guo và cộng sự [41] đã nghiên cứu và tổng hợp màng phân ure nhả chậm bọc bằng màng polyme siêu hấp thụ nước và giữ ẩm. Sản phẩm được tổng hợp từ tinh bột khâu mạch (lớp thứ nhất), axit acrylic, acrylamit, borat, amoniac, ure (lớp thứ 2). Các thông số ảnh hưởng đến độ hấp thụ nước đã được khảo sát và tối ưu hóa. Độ hấp thụ nước của sản phẩm gấp 80 lần khối lượng khô ban đầu khi ngâm sản phẩm trong nước ở nhiệt độ phòng trong 80 phút. Kết quả phân tích nguyên tố chỉ ra rằng sản phẩm chứa 26,74% N. Với khả năng nhả chậm tốt và giữ nước, sản phẩm đã cải thiện đáng kể việc sử dụng phân bón và nguồn nước trong thời gian dài.
B. Tyliszczak và cộng sự [42] đã nghiên cứu tổng hợp phân photpho nhả chậm trên nền polyme siêu hấp thụ nước có khả năng phân hủy sinh học PAA. Sản phẩm được tổng hợp bằng phương pháp trùng hợp dung dịch axit acrylic và phân KH2PO4 hòa tan sử dụng chất tạo lưới MBA, chất khơi mào APS. Kết quả chỉ ra rằng polyme siêu hấp thụ với mạng lưới 3 chiều ưa nước có thể hấp thụ lượng nước lớn gấp hàng nghìn lần khối lượng khô ban đầu
giúp duy trì lượng phân bón và lượng nước cho cây, nhờ đó mà tiết kiệm đƣợc của cải và công sức lao động.
Trong đề tài này chúng tôi nghiên cứu, tổng hợp phân ure nhả chậm siêu hấp thụ nước trên nền polyacrylamit sử dụng chất tạo lưới MBA, hệ khơi mào oxi hóa khử APS/ASC bằng phương pháp trùng hợp dung dịch theo cơ chế gốc gồm 3 giai đoạn:
* Giai đoạn khơi mào
Giai đoạn này gồm hai phản ứng: hình thành gốc khơi mào và đƣa gốc khơi mào tới monome để hình thành gốc monome.
Chất khơi mào 2R (gốc khơi mào) (1)
R CH2 CH
X
R CH2 C H
X (2)
* Giai đoạn phát triển mạch
Giai đoạn phát triển mạch liên quan đến sự tăng trưởng của mạch polyme bởi quá trình cộng hợp nhanh mạch chuỗi monome vào các tâm hoạt động. Khả năng phản ứng của các gốc đang phát triển giả thiết là không phụ thuộc vào kích thước hoặc mức độ trùng hợp:
R CH2 C H X
CH2 CH
X
R CH2 CH X
CH2 C X
H
(3)
CH2 CH
X R CH2 CH
X
CH2 C X n1 H
R CH2 CH X
CH2 C X n H
(4)
* Giai đoạn ngắt mạch
Quá trình phát triển mạch tiếp tục xảy ra cho đến khi có một số phản ứng ngắt mạch xảy ra. Hai con đường chính mà sự ngắt mạch có thể xảy ra trong trùng hợp gốc tự do là gốc nối hay kết hợp gốc (5) và phản ứng dị li (6)
+ Phản ứng kết hợp
R CH2 CH X
CH2 C X n H
R CH2 CH X
CH2 CH
n X CH
X
CH2 CH X
CH2 R n
(5) + Phản ứng dị li
n
R CH2 CH
X
CH CH
X
R CH2 CH CH2 CH2 X n X
(6)
* Cụ thể
Cơ chế của phản ứng trùng hợp acrylamit có mặt oxy với mặt hệ khơi mào oxy hóa ascobic - pesunfat dựa trên cơ sở động học sau:
M + AH- k1 MAH-
2 2 8
S O + AH2 k2 S O AH2 28 2
MAH-+ S O AH2 28 2 MA H + HSO 4 + A H + SO24
Gốc A H có thể hình thành bởi quá trình oxy hóa tự xúc tác của axit ascobic theo hình 1.
2R CH2 CH X
CH2 C X
H n
Hình 1. Cơ chế tạo gốc của hệ khơi mào oxy hóa ascobic-pesunfat Quá trình khơi mào và phát triển mạch và ngắt mạch tạo thành polyme được mô tả bởi các sơ sơ đồ phương trình sau:
M + A H MA H MA H + M AH-M2
MA H + O2 M + A + HO2
(Gốc HO2 không có khả năng khơi mào phản ứng trùng hợp) AH-M2 + (n-2) M AH-Mn
2AH-M n Polyme Trong đó: M là acrylamit
A H là gốc ascobat AH2 là axit ascobic