基于竹纤维素的多功能水凝胶设计与性能研究：水肥协同调控的创新策略

本研究针对农业水资源低效利用和尿素肥料快速流失问题，通过超声辅助水溶液聚合法将二丙酮丙烯酰胺(DAAM)和丙烯酸(AA)接枝到竹粉(BP)上，开发出兼具保水(1401.5 g·g-1)和智能控肥功能的BP-AD水凝胶。FT-IR和DFT计算证实其通过氢键和静电作用实现尿素的多层吸附，释放过程符合Korsmeyer-Peppas模型，为可持续农业提供了新型功能材料。

　　

全球农业生产正面临水资源利用效率低下与化肥流失严重的双重挑战。传统尿素肥料因硝化作用和快速分解导致氮素利用率不足35%，不仅造成资源浪费，更引发水体富营养化等环境问题。与此同时，石油基高吸水性树脂(SAP)存在不可降解、成本高昂等缺陷。在这背景下，浙江农林大学郭建忠团队创新性地利用中国丰富的竹资源，通过分子设计构建兼具水分保持和养分控释功能的生物质基材料，相关成果发表在农林科学领域权威期刊《Industrial Crops and Products》上。

研究采用超声辅助绿色水溶液聚合法，将竹粉(BP)与二丙酮丙烯酰胺(DAAM)、丙烯酸(AA)进行接枝共聚，通过正交实验优化合成条件。利用FT-IR、XRD、TGA等技术表征材料结构，结合伪二级动力学模型和Freundlich吸附模型分析水肥相互作用机制，并采用密度泛函理论(DFT)计算从分子层面阐释吸附机理。

3.1 正交实验结果分析

通过L₁₆(4⁵)正交实验确定最佳合成条件为A₄B₂C₄D₁E₂，此时水凝胶在超纯水中吸水倍率达1401.5 g·g^-1，显著高于多数报道的纤维素基材料。

3.2 BP-AD表征

SEM显示材料具有多孔结构，尿素吸附后表面形成晶体覆盖层。FT-IR证实羧基(1723 cm^-1)和酰胺基(1629 cm^-1)的成功引入，TGA显示材料在418°C才达到最大分解速率，热稳定性优异。

3.3-3.5 环境响应性能

在pH 3-11范围内保持稳定吸水性能，NaCl浓度升至0.6%时吸水率下降82%。温度实验显示65°C下8小时仍能保持35%含水率，体现温度响应性释放特性。

3.6 吸水动力学

伪二级动力学模型(R²=0.9991)表明吸水过程以化学吸附为主导，分子动力学模拟揭示水分子主要通过羟基、羧基形成氢键网络。

3.8 尿素控释行为

Freundlich模型(R²=0.9847)表明尿素为多相多层吸附，在0.05M NaCl溶液中释放速率最快，Korsmeyer-Peppas模型显示释放指数n<0.45，符合Fickian扩散机制。

3.9 DFT计算

前沿分子轨道分析显示，DAAM的酰胺基(HOMO)和酮羰基(LUMO)能与尿素形成N-H···O=C氢键，吸附后能隙(ΔE_gap)减小证实相互作用。

这项研究创新性地将生物质转化与现代精准农业相结合，开发的BP-AD水凝胶通过三维网络结构、静电排斥和氢键等多重作用实现水肥协同调控。其环境响应特性可匹配作物生长周期，尿素利用率提升约40%，为解决农业面源污染提供了新材料范式。该工作为发展低碳农业提供了兼具理论基础和应用价值的研究范例，特别适合在中国南方竹资源丰富地区推广应用。