一种蔬菜大棚使用的控温水凝胶的制备方法

技术领域

本发明属于功能材料技术领域，特别涉及一种蔬菜大棚使用的控温水凝胶的制备方法。

背景技术

随着世界人口的增长和现代社会生活水平的提高，对食物和蔬菜的需求也在增加。随着农业科学技术的进步，种植设施的快速发展提高了农业产量。覆膜的蔬菜大棚在蔬菜生产中起着非常重要的作用，并在许多国家，特别是在中国得到了广泛应用。

蔬菜的质量和产量受环境条件和微气候的影响，例如蔬菜大棚温室中的温度，湿度和光照。在这些因素中，某些蔬菜的种植过程对温度较敏感。夏季，中国大部分农业地区的气温接近40℃，地表温度接近60℃。蔬菜大棚温室内的温度远远超过了大多数蔬菜生长所需的最高温度。以番茄为例，如果环境温度高于35℃，正常情况下很难形成番茄红素，这可能会导致番茄最终变成杂色。因此，蔬菜大棚温室内部较高的温度会破坏适合蔬菜生长的环境，并极大地降低最终产品的价值，从而导致农民的经济利益下降和资源浪费。因此，如何在夏季防止蔬菜大棚温室内部温度升高以及如何在蔬菜生长温度范围内控制温度是非常重要的问题。

近年来，控制温室温度的方法和措施大多数解决方案基于以下分类：喷水-蒸发冷却，机械通风-制冷冷却，遮蔽式幕墙冷却以及其他组合方法。不同的冷却方法之间存在缺陷。例如，喷水-蒸发冷却可以在冷却温室温度的同时增加蔬菜生长环境的相对湿度。机械通风-制冷冷却方法通常由消耗大量电能的风扇和空调辅助，而遮蔽式遮阳方法通常会遮挡植物生长所需的部分阳光。

因此，开发一种有助于蔬菜大棚冷却系统的新型材料是解决以上问题急需的。由于其大的比热容，水被广泛用于蒸发冷却系统。水凝胶具有三维微观结构和亲水性，可以吸收并保持大量的水而不会被溶解失去机械强度。同时，在石化资源短缺的背景下，天然生物资源的应用及其改性研究日益受到关注。为了设计一种经济有效的控温凝胶材料，本专利发明了由卡拉胶和聚丙烯酰胺组成的天然多糖基水凝胶，该凝胶具有高的弹性和强度以及可重复的控温冷却能力。

本发明以生物质资源卡拉胶和常用的聚丙烯酰胺为原料，操作简单，反应条件温和，绿色环保，采用一锅法制备了高机械强度、可见光透过率较高、具有降温效果的蔬菜大棚使用的控温水凝胶。在蔬菜大棚的控温复合材料领域具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种蔬菜大棚使用的控温水凝胶的制备方法。

本发明采用的技术方案包括一种蔬菜大棚使用的控温水凝胶的制备方法，其具体特征为：基于绿色可再生的原料卡拉胶，使用一锅法混合聚丙烯酰胺法制备高弹性高机械强度的水凝胶；丙烯酰胺单体可以在卡拉胶的内部由自由基聚合引发剂引发形成线性聚丙烯酰胺聚合物。首先，通过在给定温度下混合丙烯酰胺水溶液和卡拉胶水溶液，然后，将过硫酸铵作为引发剂，N，N-亚甲基双丙烯酰胺作为交联剂，N，N，N`，N`-四甲基乙二胺作为聚丙烯酰胺的交联促进剂和氯化钾作为卡拉胶的离子交联剂。之后，将溶液倒入不同尺寸的玻璃模具中固化一定时间，即可得到控温水凝胶。

为了兼顾卡拉胶以及聚丙烯酰胺良好的性能，本发明用操作简便的一锅法的制备方式及在模具中流涎法固化凝胶最终制备了卡拉胶和聚丙烯酰胺的复合凝胶材料，并测定了其力学性能、微观结构及控温降温能力。

通过该发明制备的可降温控温的水凝胶对湿度刺激具有明显的响应效果，同时其自身能够进行吸水润涨从而储存大量的水。使用本发明制备的控温水凝胶在大量水存在时候仍然具有良好的机械稳定性，在气温较高，雨水较多的农作物种植地区具有良好的应用前景。本发明提供了一种利用廉价易得的自然界可再生资源卡拉胶制备农业使用功能材料的新策略，具很好的经济效益和环境效益。

本发明的优点是：

1、充分利用自然界中提取的生物质卡拉胶作为主要原料，因此原料来源丰富，成本低廉，实现了自然资源的高附加值利用。

2、水凝胶是由卡拉胶和丙烯酸聚合形成的。本发明不需要添加额外的主体原料成分、减少了水凝胶制备时其他大量使用的化学试剂原料的引入。

3、本发明采用的是在常温常压下采用一锅法进行制备。避免了危险性的、操作复杂的、成本较高的制备条件；同时成膜根据需要的尺寸，如面积大小和厚度，在模具内采用流涎法的方式固化一定时间简单处理即可获得膜材料。该过程操作简单、绿色环保。

4、制备的控温水凝胶膜材料具有良好的机械强度、保水性、控温能力、可见光透过率和重复使用的能力。

附图说明

图1为控温水凝胶膜材料的制备流程简图

图2为控温水凝胶膜材料实物扫描电镜图

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

下面结合具体的实施例，对本发明做进一步的说明，但本发明并不限于此。

实施例1

首先，通过在给定温度下混合丙烯酰胺水溶液和卡拉胶水溶液，然后，将过硫酸铵作为引发剂，N，N-亚甲基双丙烯酰胺作为交联剂，N，N，N`，N`-四甲基乙二胺作为聚丙烯酰胺的交联促进剂和氯化钾作为卡拉胶的离子交联剂。之后，将溶液倒入不同尺寸的玻璃模具中固化一定时间，即可得到控温水凝胶。其中，卡拉胶质量份数为1，丙烯酰胺为6，四甲基乙二胺为0.03，过硫酸铵为0.057，氯化钾为0.13，亚甲基双丙烯酰胺为0.001，水为43。制备出的水凝胶的拉伸强度为300kPa，压缩强度为1800kPa,拉伸长度是自身原长度的110倍，吸水值为自身质量的40倍，在模拟日光照射下，无水凝胶的空间温度上升为57℃，有水凝胶覆盖的蔬菜大棚保持温度在35℃，通过吸水-释放水循环可以实现有效控温。

实施例2

首先，通过在给定温度下混合丙烯酰胺水溶液和卡拉胶水溶液，然后，将过硫酸铵作为引发剂，N，N-亚甲基双丙烯酰胺作为交联剂，N，N，N`，N`-四甲基乙二胺作为聚丙烯酰胺的交联促进剂和氯化钾作为卡拉胶的离子交联剂。之后，将溶液倒入不同尺寸的玻璃模具中固化一定时间，即可得到控温水凝胶。其中，卡拉胶质量份数为1，丙烯酰胺为7，四甲基乙二胺为0.05，过硫酸铵为0.07，氯化钾为0.19，亚甲基双丙烯酰胺为0.0015，水为50。制备出的水凝胶的拉伸强度为310kPa，压缩强度为1750kPa,拉伸长度是自身原长度的120倍，吸水值为自身质量的43倍，在模拟日光照射下，无水凝胶的空间温度上升为60℃，有水凝胶覆盖的蔬菜大棚保持温度在33℃，通过吸水-释放水循环可以实现有效控温。

实施例3

首先，通过在给定温度下混合丙烯酰胺水溶液和卡拉胶水溶液，然后，将过硫酸铵作为引发剂，N，N-亚甲基双丙烯酰胺作为交联剂，N，N，N`，N`-四甲基乙二胺作为聚丙烯酰胺的交联促进剂和氯化钾作为卡拉胶的离子交联剂。之后，将溶液倒入不同尺寸的玻璃模具中固化一定时间，即可得到控温水凝胶。其中，卡拉胶质量份数为1，丙烯酰胺为5，四甲基乙二胺为0.04，过硫酸铵为0.1，氯化钾为0.11，亚甲基双丙烯酰胺为0.002，水为35。制备出的水凝胶的拉伸强度为290kPa，压缩强度为1960kPa,拉伸长度是自身原长度的129倍，吸水值为自身质量的66倍，在模拟日光照射下，无水凝胶的空间温度上升为60℃，有水凝胶覆盖的蔬菜大棚保持温度在29℃，通过吸水-释放水循环可以实现有效控温。

以上所述仅为本发明的较佳实施举例，并不用于限制本发明，凡在本发明精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

最后应该说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。