CN102893848A

CN102893848A - 一种用于绿化屋顶的轻质人工土壤材料的制备方法

Info

Publication number: CN102893848A
Application number: CN2012104051592A
Authority: CN
Inventors: 贺英; 施周; 邱细妹; 蔡计杰; 唐先斌; 潘照东; 张瑶斐; 王均安
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2012-10-23
Filing date: 2012-10-23
Publication date: 2013-01-30

Abstract

本发明涉及一种用于绿化屋顶的轻质人工土壤材料的制备方法，具体步骤如下：1）丙烯酸-丙烯酰胺吸水性树脂的合成，采用水溶液法，获得丙烯酸-丙烯酰胺吸水性树脂；2）轻质人工土壤的制备，采用废弃的高分子发泡材料和高吸水性的树脂作为基质材料，树脂和发泡材料的质量比为1:40~68；再将其他基质，如凹凸棒、活性炭、缓释肥和沙砾等按不同比例加入，最终得轻质人工土壤。本发明与现有技术相比具有以下优点：成本低廉、低碳环保、使用寿命长、吸水含量高等等。本发明制得的轻质人工土壤具有较轻的质量，湿容重仅为588~800kg/m³，是园土的1/3-1/2，更小于现有通常发明的栽培基质的湿容重（900kg/m³左右），可满足更多的屋顶载荷的要求。

Description

一种用于绿化屋顶的轻质人工土壤材料的制备方法

技术领域

本发明涉及一种用于绿化屋顶的轻质人工土壤材料的制备方法，制备一种应用在绿化屋顶作为培栽介质的轻质人工土壤复合材料，属于功能复合材料技术领域。

背景技术

绿化屋顶在增加城市“绿量”、净化空气、降低温度、减少光危害、消除热岛效应等方面具有重大作用。现有的屋顶通常是在承重层上铺设沥青、防水涂料、防水卷材和高分子保温隔热板等材料来起到防水、保温隔热的作用，而这些高分子材料受光、热等因素影响容易老化、寿命较短。但屋顶经绿色植被覆盖后，屋面接受的光照热辐射大部分为植物叶片所遮挡、吸收和反射，因此能延长屋顶寿命，对顶层产生隔热、降温效果，降低室内温度，调节能耗。所以，屋顶绿化越来越受到人们重视，而栽培介质材料的选取又是整个系统最为重要的部分。

当前，国内外用于屋顶绿化的栽培介质一般分为天然矿石、田园土壤、工农业有机无机废弃物的单质或混合(复合体)三类。其中，利用工农业废弃物等生产的基质特别受到重视，比如制糖工业中的废蔗渣、制醋的醋糟、芦苇末基质等等。近年来，我国的屋顶绿化有了一定发展，但与先进国家相比，仍处于起步阶段，至今还没有适合地方特点、系列化的屋顶绿化技术。而国外先进国家，如韩国在天然土层中添加聚氨酯、纤维素、树脂材料和其他废弃物、环保材料研发出了KICT-GRS2005屋顶绿化系统，该系统干燥状态下，密度最轻可达到120 kg/m³，蓄水饱和状态下可达到700 kg/m³；德国等国家还专门开发了无土栽培技术，它们的主要成分是低密度的泡沫塑料或纤维等材料，完全没有土壤，整个系统非常轻，而且便于安装，甚至适合于坡屋顶。目前以废弃高分子泡沫材料和有机高分子吸水性树脂为主要成分的屋顶绿化栽培介质的发明，在国内外尚未见文献报道及应用。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种用于绿化屋顶的轻质人工土壤材料的制备方法，用于制备一种应用在绿化屋顶作为培栽介质的轻质土壤复合材料。所制备的材料具有成本低廉、低碳环保、使用寿命长、吸水含量高等优点，湿容重在588~800 kg/m³，符合通常屋顶允许的200~1200 kg/m³载荷范围。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于绿化屋顶的轻质人工土壤材料的制备方法，具体步骤如下：

1）丙烯酸-丙烯酰胺复合吸水性树脂的制备：

a．取一定质量的NaOH溶于水中，配成一定浓度的NaOH水溶液，其摩尔浓度为3.0~7.5 mol/L，然后将NaOH水溶液置于冰水浴中冷却到0 ℃；

b．将一密闭容器置于冰水浴中，先加入丙烯酸单体，在搅拌的条件下，缓慢滴加NaOH水溶液，两者用量的质量比为7:10.2~12，得到混合溶液；

c．将丙烯酰胺和交联剂N,N-二亚甲基双丙烯酰胺分别加入到步骤b中混合溶液中，丙烯酰胺和丙烯酸的质量比为1~4:7，交联剂和丙烯酸的质量比为0.01~0.7:100；

d．完全溶解后，在容器中通氮气10min来驱除氧气；然后加入一定量的引发剂过硫酸钾，过硫酸钾和丙烯酸的质量比为0.1~1:100，剧烈搅拌，在55~75℃下反应0.5~2h，产物为无色透明弹性体；取出产物，恒温干燥，粉碎，即得丙烯酸-丙烯酰胺复合吸水性树脂；最后测其吸水率；

2）轻质人工土壤材料的制备：

a．取一定量的上述制备的丙烯酸-丙烯酰胺复合吸水性树脂，经去离子水浸泡12 h后，用74μm的筛网过滤，静置1~2 h，待用；

b．将大块的废弃的高分子发泡塑料用粉碎机粉碎，用5mm的筛网滤去大块未粉碎的发泡塑料，与上述浸泡后的树脂搅拌混合，发泡塑料和树脂质量比为1:40~68；

c．再将其他基质加入混合，即得轻质人工土壤材料。

上述轻质人工土壤材料的制备步骤b中的废弃的高分子发泡塑料为聚氨酯、聚苯乙烯或聚氯乙烯。

上述轻质人工土壤材料的制备步骤c中的其他基质为凹凸棒、活性炭和缓释肥中的一种或多种，所述的凹凸棒和树脂的质量比为1:4.2~7.3；所述的活性炭和树脂的质量比为1:13.5~18；所述的缓释肥和树脂的质量比为1:13.5~18。

以下为本发明中所用到的丙烯酸聚合以及丙烯酸-丙烯酰胺聚合反应原理的方程式：

Figure 2012104051592100002DEST_PATH_IMAGE002

（1）

（2）

式（1）为丙烯酸聚合的反应方程式，丙烯酸、丙烯酸钠通过反应，形成三维网状结构，使丙烯酸树脂具有一定的吸水性。但是，单纯的丙烯酸树脂强度不高，韧性也较差。同时吸水性也只达到127 g/g。因此如式（2）所示，在上述体系中加入丙烯酰胺，提高树脂的亲水性。同时，丙烯酰胺的加入对于树脂的强度有相应的增强，最终得到的吸水率为428.47 g/g。

注：测试树脂吸水率的方法如下：取1 g树脂粉末，加入1000 mL去离子水烧杯中，12 h后，用孔径74 μm的筛网过滤，静置1~2 h后，称量凝胶质量。按下式计算其吸水率：

式中：Q为样品的吸湿倍率，单位为g/g；m1为样品干燥时的质量，此处m1=1g；m2为样品吸湿后的质量，单位为g。

本发明的优点如下所述：

1) 选用较难降解的高分子发泡材料作为基质，不仅价格低廉、来源广泛，而且直接保护环境。以高吸水性的丙烯酸-丙烯酰胺复合吸水性树脂为基质，保水性高、质量轻便。

2) 重量轻，湿容重仅为588~800 kg/m³，是园土的1/3-1/2，更小于现有通常发明的栽培基质的湿容重（900 kg/m³左右）。

3) 使用寿命长，丙烯酸-丙烯酰胺树脂不易分解，配合各种养分、缓释肥的应用，可以较长时间满足植物对养分的需求。添加不同的有机无机填料，如凹凸棒、活性炭、缓释肥、沙砾等等，保证栽培介质的养分及孔隙度。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进行详细说明：

实施例1

1）丙烯酸-丙烯酰胺复合吸水性树脂的制备

a．取3 g的NaOH，9 mL水，配成浓度为7.5 mol/L的NaOH水溶液，然后将其置于冰水浴中冷却到0 ℃。

b．将一密闭容器置于冰水浴中，先加入7 g丙烯酸单体，在搅拌的条件下，缓慢滴加NaOH水溶液，得到混合溶液。

c．然后将2.8 g丙烯酰胺和0.02 g交联剂N,N-二亚甲基双丙烯酰胺分别加入到混合溶液中，搅拌均匀。

d．全溶后，在容器中通氮气10 min来驱除氧气。然后加入0.03 g引发剂过硫酸钾，剧烈搅拌，在65 ℃下反应1 h，产物为无色透明弹性体。取出产物，恒温干燥，粉碎，即得丙烯酸-丙烯酰胺复合吸水性树脂。测得其吸水率为428.47 g/g。

2）轻质人工土壤材料的制备

a．取一定量的上述制备的树脂，经去离子水浸泡12 h后，用74 μm的筛网过滤，静置1~2 h，待用。

b．将大块的聚氨酯、聚苯乙烯或聚氯乙烯等发泡塑料，用粉碎机粉碎，用5 mm的筛网滤去大块未粉碎的发泡塑料，取3.5 g发泡塑料与176.27 g上述浸泡后的树脂搅拌混合。

c．再将其他基质，2.4 g凹凸棒、11 g活性炭和10 g缓释肥加入搅拌，即得轻质人工土壤。最终得到轻质人工土壤的容重为588 kg/m³。

实施例二：

1）丙烯酸-丙烯酰胺复合吸水性树脂的制备

a．取2.4 g的NaOH，9 mL水，配成浓度为6 mol/L的NaOH水溶液，然后将其置于冰水浴中冷却到0 ℃。

c．然后将1 g丙烯酰胺和0.0007 g交联剂N,N-二亚甲基双丙烯酰胺分别加入到混合溶液中，搅拌均匀。

d．全溶后，在容器中通氮气10 min来驱除氧气。然后加入0.007 g引发剂过硫酸钾，剧烈搅拌，在70 ℃下反应1 h，产物为无色透明弹性体。取出产物，恒温干燥，粉碎，即得丙烯酸-丙烯酰胺复合吸水性树脂。测得其吸水率为360 g/g。

2）轻质人工土壤材料的制备

b．将大块的聚氨酯、聚苯乙烯或聚氯乙烯等发泡塑料，用粉碎机粉碎，用5 mm的筛网滤去大块未粉碎的发泡塑料，取4.3 g发泡塑料与176.27 g上述浸泡后的树脂搅拌混合。

c．再将其他基质，2.4 g凹凸棒、9.7 g活性炭和10 g缓释肥加入搅拌，即得轻质人工土壤。最终得到轻质人工土壤的容重为630 kg/m³。

实施例三：

1) 丙烯酸-丙烯酰胺复合吸水性树脂的制备

a．取1.2 g的NaOH，9 mL水，配成浓度为3 mol/L的NaOH水溶液，然后将其置于冰水浴中冷却到0 ℃。

c．然后将2.1 g丙烯酰胺和0.0027 g交联剂N,N-二亚甲基双丙烯酰胺分别加入到混合溶液中，搅拌均匀。

d．全溶后，在容器中通氮气10 min来驱除氧气。然后加入0.018 g引发剂过硫酸钾，剧烈搅拌，在70 ℃下反应1 h，产物为无色透明弹性体。取出产物，恒温干燥，粉碎，即得丙烯酸-丙烯酰胺复合吸水性树脂。测得其吸水率为400 g/g。

2) 轻质人工土壤材料的制备

b．将大块的聚氨酯、聚苯乙烯或聚氯乙烯等发泡塑料，用粉碎机粉碎，用5 mm的筛网滤去大块未粉碎的发泡塑料，取2.6 g发泡塑料与176.27 g上述浸泡后的树脂搅拌混合。

c．再将其他基质，4.2 g凹凸棒、13 g活性炭和9.5 g缓释肥加入搅拌，即得轻质人工土壤。最终得到轻质人工土壤的容重为800 kg/m³。

Claims

1.一种用于绿化屋顶的轻质人工土壤材料的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：

1）丙烯酸-丙烯酰胺复合吸水性树脂的制备：

2）轻质人工土壤材料的制备：

c．再将其他基质加入混合，即得轻质人工土壤材料。

2.根据权利要求1所述用于绿化屋顶的轻质人工土壤材料的制备方法，其特征在于，所述轻质人工土壤材料的制备步骤b中的废弃的高分子发泡塑料为聚氨酯、聚苯乙烯或聚氯乙烯。

3.根据权利要求1所述用于绿化屋顶的轻质人工土壤材料的制备方法，其特征在于，所述轻质人工土壤材料的制备步骤c中的其他基质为凹凸棒、活性炭和缓释肥中的一种或多种，所述的凹凸棒和树脂的质量比为1:4.2~7.3；所述的活性炭和树脂的质量比为1:13.5~18；所述的缓释肥和树脂的质量比为1:13.5~18。

4.根据权利要求1所述用于绿化屋顶的轻质人工土壤材料的制备方法，其特征在于，所制得的轻质人工土壤材料湿容重在588~800 kg/m³，符合通常屋顶允许的200~1200 kg/m³的载荷范围。