CN108585632A

CN108585632A - 一种土基抗皲裂保水复合材料及其制备方法

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Publication number: CN108585632A
Application number: CN201810590942.8A
Authority: CN
Inventors: 雷自强; 程莎; 彭辉; 马国富; 刘瑾; 张文旭
Original assignee: Northwest Normal University
Current assignee: Northwest Normal University
Priority date: 2018-06-09
Filing date: 2018-06-09
Publication date: 2018-09-28

Abstract

本发明公开了一种土基抗皲裂保水复合材料的制备方法，是在黏土或黄土中加入生物胶/淀粉粉末，混合均匀后加入自来水，搅拌使其充分作用，造粒、干燥，即得土基抗皲裂保水复合材料。该复合材料微观表面相对紧密，颗粒之间的粘结性增强，孔隙减小，使土基高分子复合材料不容易发生皲裂的同时，也使水分子不容易通过，从而达到抗皲裂、保水的效果；生物胶和淀粉类材料具有可再生、生物可降解、无毒等优点，避免了对土地的二次污染；土基高分子复合材料不仅可以将一部分降雨保存下来，增加土壤入渗、减少径流产生、提高土壤墒情、有效防止水土流失及土壤贫瘠化。

Description

一种土基抗皲裂保水复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种高分子保水材料，尤其涉及一种土基抗皲裂保水复合材料的的制备，属于复合材料技术领域和水土保持领域。

背景技术

我国是世界上水资源缺乏的国家之一，干旱半干旱地区面积占国土总面积的47%，即使在南方降水较多的地区，也存在着季节性和区域性缺水。此外，我国还是一个农业大国，农业用水量约4000亿立方米，约占总用水量的70%，其中农田灌溉用水量约为3600~3800亿立方米，约占农业用水总量的90%~95%，但是，目前我国灌溉用水平均利用率约为45%，远低于发达国家70%的水平。由于水资源严重不足，大部分的农作物无法及时补充水分，成为制约中国农业发展的一个主要因素。

近年来，随着气候变化，全球变暖，冰山融化，日照强烈，干旱加剧，农业受旱面积和水土流失面积不断扩大。因此，防止土壤皲裂，保持土壤中的水分和节约，发展节水高效农业作为农业可持续发展的重要措施。为促进农业增产，全世界普遍使用地膜作为提高地温、防止土壤皲裂和保持土壤水分的材料，在缺水地区，应用渗水地膜既可接纳雨水，又可防止蒸发。然而，使用地膜（或渗水地膜）有三个显著的缺陷，一是地膜不能降解，大量使用地膜会造成白色污染；二是价格昂贵，生产成本高；三是地膜使弥足珍贵的降雨不能渗透到田间，使沙地的环境进一步恶化；四是在风大沙大的环境，地膜的铺设和保存十分困难。

发明内容

本发明的目的是提供一种可降解、成本低、性能优的一种土基抗皲裂保水复合材料的制备方法。

一、土基抗皲裂保水复合材料的制备

本发明制备土基抗皲裂保水复合材料的方法，是在黏土或黄土中加入生物胶/淀粉粉末，混合均匀后加入自来水，搅拌使其充分作用，造粒、干燥，即得土基抗皲裂保水复合材料。

所述黏土为红土，还可以是坡缕石。

所述生物胶为黄原胶、瓜尔豆胶、魔芋胶、阿拉伯胶；生物胶的加入量为黏土或黄土质量的4.0~8.0%。

所述淀粉为可溶性淀粉、氧化淀粉；淀粉的加入量为黏土或黄土质量的12~15%。

生物胶和淀粉作为高分子聚合物，其显著特点是具有很强的粘聚作用，其作为土壤结构改良剂能够改善土壤的结构和增加土壤中团聚体的（水）稳定性，能防止土壤皲裂、增加土壤的入渗率，减少地表径流、防止水土流失以及具有较好的抑制土壤水分蒸发性能，具有保水、保土、保肥、增产等效用。

所述生物质秸秆为小麦秸秆、玉米秸秆或棉花秸秆；生物质秸秆的加入量为黏土或黄土质量的3.0%~7.0%。生物质秸秆具有典型的纤维特性，因此将其添加到复合材料中可以增大复合材料的抗拉伸强度，在一定程度上可降低其对于土壤的皲裂程度。

自来水的加入量为黏土或黄土质量的60~80%。

为了使黏土或黄土与生物胶/淀粉粉末等能够充分作用并完全反应，上述搅拌转速控制在300~600r/min，搅拌时间为30~60min。

二、土基抗皲裂保水复合材料的结构表征

下面对本发明黏土基高分子抗皲裂保水复合材料材料的结构和性能进行分析说明，并与无添加高分子的黏土基材料进行比较。

1、红外光谱表征

图1为本发明中红土基黄原胶抗皲裂保水复合材料的红外光谱图。其中a曲线（红土）在1445 cm^-1处的吸收峰归因于C-OH 的弯曲振动，该明显的特征吸收峰在红土基黄原胶抗皲裂保水复合材料的红外光谱图（曲线c）中明显减弱。此外，a曲线（红土）中位于1028 cm^-1处的强吸收峰是由于=Si-O的伸缩振动，该吸收峰在c曲线中出现但发生略微偏移；同时在467cm^-1处的吸收峰为Si-O-Si的弯曲振动峰，出现在了c曲线中。b曲线（黄原胶）在1730 cm^-1处的显著吸收峰归属于羰基的伸缩振动；在1028、1076和1159 cm^-1处的吸收峰为黄原胶中C-OH的伸缩振动峰，1639 cm^-1处的吸收峰为-OH的弯曲振动峰，这些特征吸收峰在c曲线中明显减弱或基本消失。以上结果表明红土与黄原胶发生了相互作用。

图2为本发明中黄土基氧化淀粉抗皲裂保水复合材料的红外光谱图。其中，（a）黄土；（b）氧化淀粉；（c）黄土基氧化淀粉抗皲裂保水复合材料的红外光谱图。a曲线在3623cm^-1处的吸收峰为黄土表面-OH的伸缩振动峰，1445 cm^-1处的吸收峰为-OH的弯曲振动峰，这两个特征吸收峰在黄土基氧化淀粉抗皲裂保水复合材料的红外光谱图（c）中明显减弱或基本消失；在1029 cm^-1处的强吸收峰为Si-O的伸缩振动峰，在c曲线中也稍有减弱。b曲线为氧化淀粉的红外光谱图，其两个特征吸收峰出现在3364cm^-1（-OH的伸缩振动）和1030cm^-1（C-O的伸缩振动）附近，这些吸收峰在c曲线中明显减弱。另外，c曲线在469 cm^-1处出现的微弱吸收峰为Si-O弯曲振动峰。以上结果表明黄土与氧化淀粉发生了相互作用。

2、扫描电镜表征

图3为未添加高分子和添加高分子后黏土基高分子抗皲裂保水复合材料的扫描电镜图。其中a、b、c分别为黄土、黄土基黄原胶抗皲裂保水复合材料、黄土基氧化淀粉抗皲裂保水复合材料的扫描电镜图；d、e、f分别为红土、红土基黄原胶抗皲裂保水复合材料、红土基氧化淀粉抗皲裂保水复合材料的扫描电镜图。从图中可以看出，土基高分子抗皲裂保水复合材料的表面形貌均因黄原胶和氧化淀粉的加入而发生了改变。黄土和红土的表面形貌相对疏松，而添加了黄原胶和氧化淀粉之后，其微观表面形貌变得相对紧密，颗粒之间的粘结性增强，孔隙减小，使土基高分子复合材料不容易发生皲裂的同时，也使水分子不容易通过，从而来达到抗皲裂、保水的效果。

三、高分子抗皲裂保水复合材料的性能

取6个规格相同（20.5×13.2×6.5cm）的塑料盒，盒底先平铺一层沙土，加入等量自来水。取所制的土基抗皲裂保水复合材料6份，加入水并搅拌均匀，使其配成不同浓度（0.5kg/L~2 kg/L）的粘稠状浊液，然后将其均匀平铺在沙土的上层，以形成土基抗皲裂保水层。

在自然条件下测量、观察，每隔2~4小时用电子天平称量样品的质量，记录数据并观察黏土基复合材料的皲裂程度。另外，记录新制备土基抗皲裂保水层、材料表面多余的水分蒸发干、材料中大部分的水分被蒸发以及材料出现皲裂、土基中的水分已全部蒸干，质量不再发生变化时的图片。

图4、图5分别是将不同种类的生物胶以不同的配比浓度与红土或黄土混合，其保水率与时间的关系。可以看出，与红土或黄土相比，添加生物胶制备的黏土基复合材料具有更好的抗皲裂、保水性能，其中保水性能强弱顺序为：黄原胶>魔芋胶>瓜尔豆胶>阿拉伯胶。68h时，黄原胶添加量为4.0~8.0%的红土基复合材料的保水率比未添加生物胶的红土基复合材料高20%以上。68.5h时，魔芋胶添加量为4.0~8.0%的黄土基复合材料的保水率比未添加魔芋胶的黄土基复合材料高24%以上。

图6、图7分别是将不同种类的淀粉以不同的配比浓度与红土或黄土混合，其保水率与时间的关系。可以看出，两种黏土基高分子复合材料的抗皲裂性能为：黄土基高分子复合材料的抗皲裂性能明显优于红土基高分子复合材料。与红土或黄土相比，添加淀粉制备的黏土基复合材料具有更好的抗皲裂、保水性能，其中保水性能强弱顺序：氧化淀粉>可溶性淀粉。65.5h时，氧化淀粉添加量为12~15%的红土基复合材料的保水率比未添加氧化淀粉的红土基复合材料高38%以上。59h时，氧化淀粉添加量为12~15%的黄土基复合材料的保水率比未添加氧化淀粉的黄土基复合材料高40 %以上。

将本发明制取的土基抗皲裂保水复合材料铺撒于土壤表面中，在自然条件下，观察黏土基复合材料对于土地的抗皲裂的影响。发现与未使用复合材料的土地相比，使用复合材料后，土地的皲裂程度明显得到改善。

综上所述，本发明相对于现有技术具有以下优点：

1、具有很好的抗皲裂、保水性能，能有效防止土壤皲裂，减少水分流失，提高土壤生态功能，给植被或作物提供一个良好的生长环境，促进植被或作物的生长；

2、生物胶和淀粉类材料具有可再生、生物可降解、无毒等优点，避免了对土地的二次污染；

3、土基高分子复合材料不仅可以将一部分降雨保存下来，增加土壤入渗、减少径流产生、提高土壤墒情、有效防止水土流失及土壤贫瘠化；

4、红土和黄土作为储量极其丰富、价格十分低廉的无机材料，可以很好的降低复合材料的生产成本。

附图说明

图1为红土（a），黄原胶（b），红土基黄原胶抗皲裂保水复合材料（c）的红外光谱图。

图2为黄土（a），氧化淀粉（b），黄土基氧化淀粉抗皲裂保水复合材料（c）的红外光谱图。

图3为未添加高分子和添加高分子后黏土基高分子抗皲裂保水复合材料的扫描电镜图。

图4为不同剂量生物胶作用下红土基抗皲裂保水复合材料保水率随时间变化曲线：（a）阿拉伯胶；（b）瓜尔豆胶；（c）黄原胶；（d）魔芋胶。

图5为不同剂量生物胶作用下黄土基抗皲裂保水复合材料保水率随时间变化曲线：（a）阿拉伯胶；（b）瓜尔豆胶；（c）黄原胶；（d）魔芋胶。

图6为不同剂量淀粉作用下红土基抗皲裂保水复合材料保水率随时间变化曲线：（a）可溶性淀粉；（b）氧化淀粉。

图7为不同剂量淀粉作用下黄土基抗皲裂保水复合材料保水率随时间变化曲线：（a）可溶性淀粉；（b）氧化淀粉。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明土基抗皲裂保水复合材料的制备和应用作进一步说明。

实施一

取一定量的红土，分别加入其质量3.0~7.0%的生物质秸秆粉末，4.0%~8.0%的生物胶（黄原胶、瓜尔豆胶、魔芋胶、阿拉伯胶），混合均匀后加入红土质量60%~80%的自来水，在300～600r/min的搅拌速度下搅拌30~60min。造粒、干燥，即得黏土基抗皲裂保水材料。

实施例二

取一定量的黄土，分别加入其质量3.0%~7.0%的生物质秸秆粉末，4.0%~8.0%的生物胶（黄原胶、瓜尔豆胶、魔芋胶、阿拉伯胶），混合均匀后加入红土质量60%~80%的自来水，在300～600r/min的搅拌速度下搅拌30~60min。造粒、干燥，即得黄土基抗皲裂保水材料。

实施例三

取一定量的红土，分别加入其质量3.0%~7.0%的生物质秸秆粉末，12%~15%的淀粉（可溶性淀粉、氧化淀粉），混合均匀后加入红土质量60%~80%的自来水，在300~600r/min的搅拌速度下搅拌30~60min。造粒、干燥，即得到黏土基抗皲裂保水材料。

实施例四

取一定量的黄土，分别加入其质量3.0%~7.0%的生物质秸秆粉末，12%~15%的淀粉（可溶性淀粉、氧化淀粉），混合均匀后加入红土质量60%~80%的自来水，在300~600r/min的搅拌速度下搅拌30~60min。造粒、干燥，即得到黄土基抗皲裂保水材料。

Claims

1.一种土基抗皲裂保水复合材料的制备方法，是在黏土或黄土中加入生物胶/淀粉粉末，混合均匀后加入自来水，搅拌使其充分作用，造粒、干燥，即得土基抗皲裂保水复合材料。

2.如权利要求1所述一种土基抗皲裂保水复合材料的制备方法，其特征在于：所述黏土为红土、坡缕石。

3.如权利要求1或2所述一种土基抗皲裂保水复合材料的制备方法，其特征在于：所述生物胶为黄原胶、瓜尔豆胶、魔芋胶、阿拉伯胶。

4.如权利要求3所述一种土基抗皲裂保水复合材料的制备方法，其特征在于：生物胶的加入量为黏土或黄土质量的4.0~8.0%。

5.如权利要求1或2所述一种土基抗皲裂保水复合材料的制备方法，其特征在于：所述淀粉为可溶性淀粉、氧化淀粉。

6.如权利要求5所述一种土基抗皲裂保水复合材料的制备方法，其特征在于：淀粉的加入量为黏土或黄土质量的12~15%。

7.如权利要求1或2所述一种土基抗皲裂保水复合材料的制备方法，其特征在于：所述生物质秸秆为小麦秸秆、玉米秸秆或棉花秸秆。

8.如权利要求1或2所述一种土基抗皲裂保水复合材料的制备方法，其特征在于：生物质秸秆的加入量为黏土或黄土质量的3.0%~7.0%。

9.如权利要求1或2所述一种土基抗皲裂保水复合材料的制备方法，其特征在于：自来水的加入量为黏土或黄土质量的60~80%。

10.如权利要求1或2所述一种土基抗皲裂保水复合材料的制备方法，其特征在于：所述搅拌转速为300~600r/min，搅拌时间为30~60min。