CN108929698A - 一种无机黏土-碱纤维素保水材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无机黏土‑碱纤维素保水材料的制备方法，是在无机黏土中加入其质量0.1~4.5%的碱纤维素混合均匀，再加入无机黏土质量60~85%的自来水，搅拌均匀，干燥，粉碎，即得无机黏土‑碱纤维素复合保水材料。本发明以天然的无机黏土作为原料，可以很好的降低土壤节水材料的生产成本；并且，黏土的使用可以为沙生植物提供必需的营养物质，使其快速的生长。碱纤维素的长链结构和所携带的强亲水基团使得此材料在具有优异的粘结性外，还具有良好的保水和吸水性能；本发明制备的土壤保水材料具有优异的保水性能，能有效减少水分流失，提高土壤生态功能，为植物生长提供良好的水土条件，促进植被或作物的生长。

Description

一种无机黏土-碱纤维素保水材料的制备方法
技术领域
本发明涉及一种用于土壤保墒的保水材料，尤其涉及一种无机黏土-碱纤维素复合保水材料的制备方法，属于水土保持技术领域。
背景技术
人多地少是我国的基本国情，可利用耕地还在不断减少，扩展生存空间只有利用沙地（我国沙地26亿亩，耕地不足20亿亩）。但许多沙地位于干旱半干旱风沙危害区，年降水稀少，利用沙地旱地的最大障碍就是缺水。降水越少的地区，蒸发损耗水分所占的比例就越高。例如在极端干旱地区，雨水的90%以上通过蒸发损耗，在干旱地区，雨水的80~90%通过蒸发损耗，在半干旱地区，雨水的约50%通过蒸发损耗。对陕北黄土高原农田土壤蒸散规律的研究表明，年蒸发量占降水量的74.4%。可见在干旱半干旱地区，雨水损耗的主要途径是蒸发。当前，土地干旱已经是全国性和国际性的重大生态环境问题，要遏止日益严重的土地荒漠化势头，必须采取有效的、切实可行的保水技术和措施，对干旱土地进行有效且经济环保的可持续化治理。
面对日益严重的环境问题，为了我国的生态文明建设，水土保持显示出其重要的地位。在保持土壤水分，防止水土流失和土地沙漠化的工程中，保水材料起到了十分重要的作用。目前，保水材料主要有高吸水性树脂和地膜。高吸水性树脂的制备过程较复杂、对制备条件和反应设备要求较高。地膜使用价格高，易引起环境污染，在多风沙漠地区使用受限。而高分子具有来源广泛、可降解和无毒害优点，并且，在干旱地区使用一些高分子保水材料，不仅可以提高土壤的保水率，提高土壤墒情，减少土壤贫瘠化，而且还能有效防止水土流失、提高土壤生态功能，为植物生长提供良好的水土条件，有利于植被或作物的生长。因此，基于天然高分子和无机黏土的环境友好型有机-无机复合节水材料的设计和开发引起了人们的极大关注。
发明内容
本发明的目的是提供一种无机黏土-碱纤维素的制备方法。
一、无机黏土-碱纤维素保水材料的制备
本发明无机黏土-碱纤维素保水材料的制备方法，在无机黏土中加入其质量0.1~4.5%（优选2.5~4.5%）的碱纤维素混合均匀，再加入无机黏土质量60~85%的自来水，在转速300~500r/min下搅拌60~120min；造粒，干燥，即得无机黏土-碱纤维素复合保水材料。
所述碱纤维素为羧甲基纤维素钠、羟甲基纤维素钠、甲基纤维素钠、羟乙基纤维素钠、羟丙基纤维素钠和羟丙基甲基纤维素钠中的至少一种。碱纤维素类的长链结构和所携带的强亲水基团使得此材料在具有优异的粘结性外，还具有良好的保水和吸水性能；另外，碱纤维素材料具有来源广泛、可再生、生物可降解、无毒无害等优点，避免了对土壤的二次污染。
所述无机黏土为红土和黄土的混合物，且红土与黄土的质量比1:0.2~1:5。使用前，无机黏土经除杂质后，干燥，粉碎至100~200目。黄土和红土作为原料，可以很好的降低土壤节水材料的生产成本；此外，黄土和红土的使用可以为沙生植物提供必需的营养物质，使其快速生长。
二、无机黏土-碱纤维素的结构与性能
下面对本发明中无机黏土-碱纤维素保水材料的结构和性能进行分析说明，并与无添加碱纤维素保水材料进行比较。
图1为本发明制备的无机黏土-羧甲基纤维素钠保水水材料的红外光谱图。a曲线（无机黏土）在1438 cm-1处的吸收峰归因于C-OH的弯曲振动，该显著的特征吸收峰在无机黏土-羧甲基纤维素钠保水材料的红外光谱图（曲线c）中明显减弱。此外，a曲线（无机黏土）中位于1026 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；同时在470cm-1处的吸收峰为Si-O-Si的弯曲振动峰，也出现在c曲线中。b曲线（羧甲基纤维素钠）在3420 cm-1处的吸收峰归属于O-H的伸缩振动；在1599 cm-1处的吸收峰归属于羧羰基的非对称伸缩振动，1420 cm-1处的吸收峰归属于羧羰基的对称伸缩振动；在1109 cm-1处的吸收峰为C-O-（H）中的C-O伸缩振动，1060 cm-1处的吸收峰是醚键的伸缩振动；650 cm-1附近的吸收峰是-OH的面外弯曲振动峰；这些特征吸收峰在c曲线中发生偏移且明显减弱。以上结果表明无机黏土与羧甲基纤维素钠发生了相互作用。
图2为本发明制备的无机黏土-羟甲基纤维素钠保水材料的红外光谱图。图中，a曲线（红土）在1438 cm-1处的吸收峰归因于C-OH的弯曲振动，该显著的特征吸收峰在无机黏土-羟甲基保水材料的红外光谱图（曲线c）中明显减弱。此外，a曲线（无机黏土）中位于1026cm-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；同时在470 cm-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曲线为羟甲基纤维素钠的红外光谱图，在1647cm-1处的吸收峰归属于羟甲基基团的特征吸收峰；3462 cm-1处的吸收峰为-OH的振动峰，这些吸收峰在c曲线中强度均发生变化。以上结果表明无机黏土与羟甲基纤维素钠发生了相互作用。
图3为本发明制备的无机黏土-羟丙基甲基纤维素钠保水材料的红外光谱图。图3中，a曲线（无机黏土）在1438 cm-1处的吸收峰归因于C-OH的弯曲振动，该显著的特征吸收峰在无机黏土-羟丙基甲基纤维素钠保水材料的红外光谱图（曲线c）中明显减弱。此外，a曲线（无机黏土）中位于1026 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；同时在470 cm-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曲线为羟丙基甲基纤维素钠的红外光谱图，1688cm−1处为脂肪族C=O 伸缩振动峰，骨架中的C=O 伸缩振动峰在1034cm-1；在1516 cm-1的吸收峰是芳香结构骨架中C=C 伸缩振动峰，这些吸收峰在c曲线中明显减弱或消失。以上结果表明无机黏土与羟丙基甲基纤维素钠发生了相互作用。
图4为未添加碱纤维素和添加碱纤维素后保水材料的扫描电镜图。其中，a、b、c、d分别为无机黏土、无机黏土-甲基纤维素钠土保水材料、无机黏土-羟乙基纤维素钠保水材料、无机黏土-羟丙基纤维素钠保水材料的扫描电镜图。从图4中可以看出，无机黏土-碱纤维素保水材料的表面形貌均因纤维素的加入而发生了改变，无机黏土的表面形貌相对疏松，而添加了碱纤维素之后，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，一定程度上阻碍水分子顺利通过黏土-碱纤维素保水材料，从而达到提高土壤保水能力的效果。
图5为无机黏土（a）、无机黏土-羧甲基纤维素钠保水材料（b）、无机黏土-羟甲基纤维素钠保水材料（c）、无机黏土-甲基纤维素钠保水材料（d）、无机黏土-羟乙基纤维素钠保水材料（e）、无机黏土-羟丙基纤维素钠保水材料（f）、无机黏土-羟丙基甲基纤维素钠保水材料（g）颗粒的粒径分析图。从图5可以看出，无机黏土颗粒的粒径主要分布在396~615nm之间；无机黏土-羧甲基纤维素钠保水材料颗粒的粒径主要分布在615~1480nm之间；无机黏土-羟甲基纤维素钠保水材料颗粒的粒径主要分布在955~3090nm之间；无机黏土-甲基纤维素钠保水材料颗粒的粒径主要分布在1280~1990nm之间；无机黏土-羟乙基纤维素钠保水材料颗粒的粒径主要分布615~955nm之间；无机黏土-羟丙基纤维素钠保水材料颗粒的粒径主要分布在712~955nm之间；无机黏土-羟丙基甲基纤维素钠保水材料颗粒的粒径主要分布在1280~1990nm之间。这是由于纤维素与无机黏土之间通过分子间弱相互作用力形成网状结构，使土粒团聚在一起，增大了黏土颗粒的体积。
三、保水材料的保水性能
取8个规格相同（20.5×13.2×6.5cm）的塑料盒，盒底先平铺一层泥土，加入等量自来水，然后取等量土壤节水材料样品（粘稠状浊液）8份，分别平铺在泥土的上层。在自然条件下，每隔2~4小时用电子天平称量样品的质量，记录数据。
图6为不同剂量羧甲基纤维素钠制备的保水材料的保水率随时间变化曲线。图6的结果显示，无机黏土-羟甲基纤维素钠保水材料的保水效果随着羟甲基纤维素钠添加量的上升基本呈现增加的趋势；与未使用保水材料的土地相比，使用此保水材料后土地的保水能力得到很大程度的提高。不同添加量羧甲基纤维素钠作用下土壤节水材料的节水效果为：3.5~4.5%>2.5~3.5%> 1.5~2.5%>1.0~1.5%>0.5~1.0%>0.1~0.5%>0%。
图7为不同剂量羟甲基纤维素钠制备的无机黏土-羟甲基纤维素钠保水材料的保水率随时间变化曲线。图7的结果显示，无机黏土-羟甲基纤维素钠保水材料的保水效果随着羟甲基纤维素钠添加量的上升基本呈现增加的趋势；与未使用保水材料的土地相比，使用此保水材料后土地的保水能力得到很大程度的提高。不同添加量羟甲基纤维素钠作用下土壤节水材料的节水效果为：3.5~4.5%>2.5~3.5%>1.5~2.5%>1.0~1.5%>0.1~0.5%>0.5~1.0%>0%。
图8为不同剂量甲基纤维素钠制备的无机黏土-甲基纤维素钠保水材料的保水率随时间变化曲线。图8的结果显示，无机黏土-甲基纤维素钠保水材料的保水效果随着甲基纤维素钠添加量的上升基本呈现增加的趋势；与未使用保水材料的土地相比，使用此保水材料后土地的保水能力得到很大程度的提高。80h时，甲基纤维素钠添加量为2.5~4.5%的土壤节水材料的节水率比未添加甲基纤维素钠的土壤保水率高38.92%以上。不同添加量甲基纤维素钠作用下土壤节水材料的节水效果为：3.5~4.5%>2.5~3.5%>1.5~2.5%>1.0~1.5%>0.5~1.0%>0.1~0.5%>0%。
图9为不同剂量羟乙基纤维素钠制备的保水材料的保水率随时间变化曲线。图9的结果显示，无机黏土-羟乙基纤维素钠保水材料的保水效果随着羟乙基纤维素钠添加量的上升基本呈现增加的趋势；与未使用保水材料的土地相比，使用此保水材料后土地的保水能力得到很大程度的提高。不同添加量羟乙基纤维素钠的保水材料的保水效果为：3.5~4.5%>2.5~3.5%>1.0~1.5%>1.5~2.5%>0.1~0.5%>0.5~1.0%>0%。
图10为不同剂量羟丙基纤维素制备的保水材料的保水率随时间变化曲线。图10的结果显示，无机黏土-羟丙基纤维素钠保水材料的保水效果随着羟丙基纤维素钠添加量的上升基本呈现增加的趋势；与未使用保水材料的土地相比，使用此保水材料后土地的保水能力得到很大程度的提高。不同添加量羟丙基纤维素钠的保水材料的保水效果为：3.5~4.5%>2.5~3.5%>1.5~2.5%>1.0~1.5%>0.1~0.5%>0.5~1.0%>0%。
图11为不同剂量羟丙基甲基纤维素钠制备的土壤保水材料的保水率随时间变化曲线。图11的结果显示，无机黏土-羟丙基甲基纤维素钠保水材料的保水效果随着羟丙基甲基纤维素钠添加量的上升基本呈现增加的趋势；与未使用保水材料的土地相比，使用此保水材料后土地的保水能力得到很大程度的提高。不同添加量羟丙基甲基纤维素钠作用下土壤节水材料的节水效果为：2.5~3.5%>3.5~4.5%>1.5~2.5%>1.0~1.5%>0.1~0.5%>0.5~1.0%>0%。
综上所述，本发明相对于现有技术具有以下优点：
1、以天然的无机黏土作为原料，可以很好的降低土壤节水材料的生产成本，而且可以为植物提供营养物质，使其快速的生长；
2、碱纤维素的长链结构和所携带的强亲水基团使得此材料具有优异的粘结性，并且具有良好的保水和节水性能；
3、碱纤维素材料具有来源广泛、可再生、生物可降解、无毒等优点，避免了对土壤的二次污染；
4、此土壤节水材料具有优异的保水性能，能有效减少水分流失，提高土壤生态功能，为植物生长提供良好的水土条件，促进植被或作物的生长。
附图说明
图1为本发明制备的土基羧甲基纤维素钠土壤节水材料的红外光谱图。
图2为本发明制备的土基羟甲基纤维素钠土壤节水材料的红外光谱图。
图3为本发明制备的土基羟丙基甲基纤维素钠土壤节水材料的红外光谱图。
图4为未添加纤维素和添加纤维素后土壤节水材料的扫描电镜图。
图5为未添加纤维素和添加纤维素后土壤节水材料的粒径分析图。
图6为不同剂量羧甲基纤维素钠作用下土壤节水材料节水率的随时间变化曲线。
图7为不同剂量羟甲基纤维素钠作用下土壤节水材料节水率的随时间变化曲线。
图8为不同剂量甲基纤维素钠作用下土壤节水材料节水率的随时间变化曲线。
图9为不同剂量羟乙基纤维素钠作用下土壤节水材料节水率的随时间变化曲线。
图10为不同剂量羟丙基纤维素钠作用下土壤节水材料节水率的随时间变化曲线。
图11为不同剂量羟丙基甲基纤维素钠作用下土壤节水材料的节水率随时间变化曲线。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明的土基纤维素土壤节水材料的制备和应用作进一步说明。
实施例一、
1、无机黏土-羧甲基纤维素钠土壤保水材料的制备
1）将黄土和红土除杂质后以1:0.2的质量比混合，干燥，粉碎至100~200目；
2）取一定量处理过的黄土和红土混合土，加入其质量2.5~4.5%的羧甲基纤维素钠，混合均匀后加入无机黏土质量60~85%的自来水，在300~600r/min的搅拌速度下搅拌30~60min，干燥，粉粹，即得无机黏土-羧甲基纤维素钠土壤保水材料。
3）将无机黏土-羧甲基纤维素钠保水材料配成浓度为0.75g/mL的粘稠状浊液，然后将其均匀平铺在泥土的上层，压制以形成土基保水层。在自然条件下，称量其质量并计算保水率。73.5h时，土壤保水材料的保水率比纯无机黏土高40.25 %以上。
实施例二、无机黏土-羟甲基纤维素钠土壤保水材料的制备
1）将黄土和红土除杂质后以1:0.5的质量比混合，干燥，粉碎至100~200目；
2）取一定量处理过的混合无机黏土，加入其质量2.5~4.5%的羟甲基纤维素钠，混合均匀后加入无机黏土质量60~85%的自来水，在300~600r/min的搅拌速度下搅拌30~60min，干燥、粉碎，即得无机黏土-羟甲基纤维素钠土壤保水材料；
3）将无机黏土-羟甲基纤维素钠保水材料配成浓度为0.75g/mL的粘稠状浊液，然后将其均匀平铺在泥土的上层，压制以形成土基保水层。在自然条件下，称量其质量并计算保水率。76h时，无机黏土-羟甲基纤维素钠土壤保水材料的保水率比纯无机黏土高40.16 %以上。
实施例三、无机黏土-甲基纤维素钠土壤保水材料的制备
1）将黄土和红土除杂质后以1:1的质量比混合，干燥，粉碎至100~200目；
2）取一定量处理过的混合无机黏土，加入其质量2.5~4.5%的甲基纤维素钠，混合均匀后加入无机黏土质量60~85%的自来水，在300~600r/min的搅拌速度下搅拌30~60min，干燥、粉碎，即得无机黏土-甲基纤维素钠土壤保水材料；
3）将无机黏土-甲基纤维素钠保水材料配成浓度为0.75g/mL的粘稠状浊液，然后将其均匀平铺在泥土的上层，压制以形成土基保水层。在自然条件下，称量其质量并计算保水率。80h时，无机黏土-甲基纤维素钠土壤保水材料的保水率比纯无机黏土高38.92%以上。
实施例四、无机黏土-羟乙基纤维素钠土壤节水材料的制备
1）将黄土和红土除杂质后以1:2的质量比混合，干燥，粉碎至100~200目；
2）取一定量处理过的混合无机黏土，加入其质量2.5~4.5%的羟乙基纤维素钠，混合均匀后加入无机黏土质量60~85%的自来水，在300~600r/min的搅拌速度下搅拌30~60min，干燥，粉碎，即得黏土-羟乙基纤维素钠土壤节水材料。
3）将无机黏土-羟乙基纤维素钠保水材料配成浓度为0.75g/mL的粘稠状浊液，然后将其均匀平铺在泥土的上层，压制以形成土基保水层。在自然条件下，称量其质量并计算保水率。99.5h时，黏土-羟乙基纤维素钠土壤保水材料的保水率比纯无机黏土高14.96%以上。
实施例五、无机黏土-羟丙基纤维素钠土壤保水材料的制备
1）将黄土和红土除杂质后以1:3的质量比混合，干燥，粉碎至100~200目；
2）取一定量处理过的混合无机黏土，加入其质量2.5~4.5%的羟丙基纤维素钠，混合均匀后加入无机黏土质量60~85%的自来水，在300~600r/min的搅拌速度下搅拌30~60min，干燥，粉碎，即得黏土-羟丙基纤维素钠土壤保水材料；
3）将无机黏土-羧丙基纤维素钠保水材料配成浓度为0.75g/mL的粘稠状浊液，然后将其均匀平铺在泥土的上层，压制以形成土基保水层。在自然条件下，称量其质量并计算保水率。76.5h时，黏土-羟丙基纤维素钠土壤保水材料的保水率比纯无机黏土高33.36%以上。
实施例六、无机黏土-羟丙基甲基纤维素钠土壤保水材料的制备
1）将黄土和红土除杂质后以1:5的质量比混合，干燥，粉碎至100~200目；
2）取一定量处理过的混合无机黏土，加入其质量2.5~4.5%的羟丙基甲基纤维素钠，混合均匀后加入无机黏土质量60~85%的自来水，在300~600r/min的搅拌速度下搅拌30~60min，干燥，粉碎，即得黏土-羟丙基甲基纤维素钠土壤保水材料；
3）将无机黏土-羧丙基甲基纤维素钠保水材料配成浓度为0.75g/mL的粘稠状浊液，然后将其均匀平铺在泥土的上层，压制以形成土基保水层。在自然条件下，称量其质量并计算保水率。73h时，黏土-羟丙基甲基纤维素钠土壤保水材料的保水率比纯无机黏土高34.28%以上。

Claims (6)

1.一种无机黏土-碱纤维素保水材料的制备方法，在无机黏土中加入其质量0.1~4.5%的碱纤维素混合均匀，再加入无机黏土质量60~85%的自来水，搅拌均匀，干燥，粉碎，即得无机黏土-碱纤维素复合保水材料。
2.如权利要求1所述一种无机黏土-碱纤维素保水材料的制备方法，其特征在于：所述碱纤维素为羧甲基纤维素钠、羟甲基纤维素钠、甲基纤维素钠、羟乙基纤维素钠、羟丙基纤维素钠和羟丙基甲基纤维素钠中的至少一种。
3.如权利要求1所述一种无机黏土-碱纤维素保水材料的制备方法，其特征在于：所述无机黏土为红土和黄土的混合物，且红土与黄土的质量比1:0.2~1:5。
4.如权利要求1所述一种无机黏土-碱纤维素保水材料的制备方法，其特征在于：所述碱纤维素的加入量为无机黏土质量的2.5~4.5%。
5.如权利要求1所述一种无机黏土-碱纤维素保水材料的制备方法，其特征在于：所述无机黏土经除杂质后，干燥，粉碎至100~200目。
6.如权利要求1所述一种无机黏土-碱纤维素保水材料的制备方法，其特征在于：所述搅拌转速为300~500r/min，搅拌时间为60~120min。
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