Научная проблема, на решение которой направлен проект;
В начале 21-го века общепринятые технологии возделывания сельскохозяйственных культур не могут обеспечить стабильно-высоких урожаев, а соответственно, повышения качества жизни населения, из-за различных факторов, таких как, неблагоприятные погодные условия, загрязнения окружающей среды, деградация и засоления почв и т.д.
Проект направлен на решение проблемы по повышению экологической устойчивости и снижению себестоимости и импортозамещению почвенных кондиционеров посредством создания композиционных материалов с бинарным наполнением, содержащих необходимые растениям макроэлементы, методом радикальной полимеризации, что окажет существенное влияние на урожайность культур и эффективности использования удобрений в дальнейшем.
Предполагаемый проект соответствует Стратегии научно-технологического развития Российской Федерации: переход к высокопродуктивному и экологически чистому агро- и аквахозяйству, разработку и внедрение систем рационального применения средств химической и биологической защиты сельскохозяйственных растений и животных, хранение и эффективную переработку сельскохозяйственной продукции, создание безопасных и качественных, в том числе функциональных, продуктов питания.
Актуальность проблемы, научная значимость решения проблемы
Повышение плодородия почв и увеличение фактической урожайности сельскохозяйственных культур обеспечивается комплексом факторов, среди которых наибольшее значение имеет регулярное поступление воды и основных питательных веществ для поддержания физических, химических и метаболических процессов в почвенной среде. Известно, что в современном мире сельское хозяйство потребляет почти две трети всей используемой пресной воды. Особенно этот вопрос актуален в районах с засушливым климатом, где наблюдается значительная нехватка естественных влагозапасов.
Хорошо известно, что дефицит биогенных элементов (К, Р, N, Mg и т.д.), играющих ключевую роль в процессах обмена веществ, значительно снижает продуктивность и качество сельскохозяйственной продукции. Именно поэтому достаточно важно, чтобы макро- и микроэлементы находились в почве в достаточном количестве и оптимальном соотношении для сбалансированного питания растений, особенно, в начале роста и во время их плодоношения. Одним из способов решения поставленной задачи является создание эффективных влагоудерживающих композиционных материалов на основе гидрогелей и наполнителей, содержащих макроэлементы. Известно, что эффективность применения удобрений увеличивается, если одновременно вносятся как органические, так и минеральные.
Одним из инновационных решений повышения влагообеспеченности почв, а следовательно, и их урожайности, является использование гидрофильных редкосшитых полиэлектролитов – гидрогелей, способных не только поглощать и удерживать значительное количество жидкости (в несколько сотен раз больше массы самого полимера), но и постепенно высвобождать и отдавать воду по мере необходимости растениям.
Конкретная задача в рамках проблемы, на решение которой направлен проект, ее масштаб;
Разработать методику, оптимальную рецептуру состава и получить влагоудерживающий акриловый гидрогелевый материал с бинарным наполнителем с заданными сорбционными характеристиками и устойчивостью при повышенных температурах почв (до 45 °С). Данный проект направлен на повышение конкурентоспособности и импортозамещения гидрогелевых материалов.
Научная новизна поставленной задачи, обоснование достижимости решения поставленной задачи и возможности получения запланированных результатов;
Выявление закономерностей «состав – структура – свойство» применительно к акриловым полимерным композиционным материалам с целью направленного регулирования свойств влагоудерживающего нанокомпозиционного материала для использования в сельском хозяйстве в качестве почвенного кондиционера. Достижение поставленной цели и получения запланированных результатов обусловлены опытом научного коллектива.
Современное состояние исследований по данной проблеме;
Широкое распространение в качестве влагоабсорбентов получили акриловые гидрогели, присутствие которых в почве обеспечивает улучшение ее водно-физических характеристик, уменьшение эрозии, удержание от вымывания питательных веществ и т.д. Однако, акриловые абсорбенты обладают рядом существенных недостатков, таких как, высокой чувствительностью к ионному составу растворов, биодеградацией, малой прочностью и т.п. Таким образом, создание полимерных композиционных материалов на основе влагопоглощающей акриловой полимерной матрицы и бинарных наполнителей позволит оказывать выраженное положительное влияние на рост и выживание сельскохозяйственных растений, а также снизить их себестоимость.
В области теории высокоэластических сеток существует значительное количество работ, касающихся получения и исследования поведения полимерных слабозаряженных или незаряженных сеток при различных внешних воздействиях. Фундаментальные исследования представлены в трудах таких российских и зарубежных ученых, как Flory P.J., Tanakа T., Peppas N.A., Берлина А.А., Хохлова А.Р. и других. В настоящее время в работу по получению влагоемких полимерных материалов, имеющих практическое применение, в различных областях науки и промышленности, включились и другие коллективы исследователей.
Однако, несмотря на большое число публикаций по разработке гидрогелевых сорбентов, используемых в сельском хозяйстве, крайне недостаточна информация по составу и методике получения полимерных композитов, модифицированных бинарными наполнителями.
Предлагаемые методы и подходы, общий план работы на весь срок выполнения проекта;
В качестве основного метода получения полимерных влагоудерживающих материалов выбран метод радикальной полимеризации, который позволяет получать полимерные композиты с различными эксплуатационными характеристиками из экологически чистых растворителей. Разработанная методика получения почвенных кондиционеров отличается своей простотой, не требующая сложного или дорогостоящего оборудования.
План работ:
1. Настройка и наладка оборудования. 2 недели
2. Поведение синтеза влагоудерживающих акриловых гидрогелевых материалов с бинарным наполнителем. 1 месяц
3. Исследование синтезированных влагоудерживающих акриловых гидрогелевых материалов с бинарным наполнителем. 1,5 месяца
Имеющийся у коллектива исполнителей научный задел по проекту.
Научный коллектив проекта обладает необходимым теоретическим и практическим заделом в области создания и исследования процессов получения и физико-химических свойств композиционных материалов на основе акриловых гидрогелей, в том числе, полиэлектролитов с образованием полиэлектролитных комплексов между полимерами.
Разработаны системы почвенных кондиционеров на основе акриловых и фосфорсодержащих мономеров, а также композиционные влагоудерживающие материалы, на основе акрилового гидрогеля и белкового наполнителя (защищены 2 кандидатские диссертации). Достигнутые научные результаты по направлению проекта демонстрируют, что команда имеет опыт исследования систем на основе заявленных в проекте материалов на мировом уровне, а также опыт реализации подобных проектов. Опыт совместной работы участников научного коллектива в направлении исследований подтверждается научными публикациями. Заявленные в плане работ методы и подходы уже успешно применялись для получения и изучения аналогичных систем. По причине наличия у научного коллектива необходимого опыта при разработке влагоудерживающих композиционных материалов, подчёркивается высокая степень достижимости намеченных задач, а также получение запланированных результатов в рамках проекта.
