CN110305670A - 一种用于地表层蓄水的超疏水颗粒及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于地表层蓄水的超疏水颗粒及其制备方法，包括颗粒芯材以及包裹于颗粒芯材表面的疏水膜，所述的疏水膜表面构建有由微米级材料和纳米级材料形成的微‑纳二级粗糙结构，所述的疏水膜由疏水树脂及相应的固化剂在颗粒芯材表面交联固化得到；其中，按重量份计：颗粒芯材90‑94份、疏水树脂4‑6份、固化剂0.5‑1份、微米级材料1.2‑3份和纳米级材料0.4‑1份。与现有技术相比，本发明解决了在植被种植过程中，水资源利用率低，易渗漏等问题，显著提高了水资源的利用率和植株的成活率，且其制备及施工工艺简单，具有非常广阔的应用前景。

Description

一种用于地表层蓄水的超疏水颗粒及其制备方法
技术领域
本发明涉及生态环境领域，尤其是涉及一种用于地表层蓄水的超疏水颗粒及其制备方法。
背景技术
土地荒漠化是当前世界上资源与生态环境问题中最严重问题之一，也是全球重要的经济和社会问题，是脆弱的生态环境发生严重退化的重要反映。荒漠化治理的有效方式是提高植被覆盖率，达到涵养水源、保持水土的目的。而砂区旱区植被建设的难题是：水资源匮乏；灌溉引水、输水较为困难；砂区旱区土壤本身的高渗漏、高蒸发性，导致水资源有效利用率低，因而致使砂区旱区植株的成活率也较低。
为防止砂区土壤水分渗漏，我国学者已研制出兼具防渗和透气性能的新型防渗材料-防渗透气砂，该防渗透气砂是对沙漠砂表面进行改性，通过覆膜改变砂子的性能，使砂子保持其本身的透气性之外拥有防渗性能。但目前该材料无法很好地平衡抗渗和透气性能之间的关系，主要存在疏水性不好、抗渗效果不佳、表面易黏附、耐久性差等问题，无法满足长期的抗渗需求。针对现有技术存在的问题，亟需开发一种用于地表层蓄水的超疏水颗粒。
专利CN103563600A公开了一种透气防渗砂的生产方法，该透气防渗砂的制备方法是：在70℃的条件下，将砂子先后与硅烷偶联剂、硬脂酸混合，各搅拌20-25分钟至均匀，然后过筛、包装。但硅烷偶联剂的粘结性能较差，无法将硬脂酸钙牢牢地黏附在砂表面，且硬脂酸的耐热性能不佳，长期使用时，表层的硬脂酸钙易脱落、迁移，进而丧失疏水功能性，同时污染周边土壤及水源环境。因而该透气防渗砂存在疏水效果欠佳、表面易粘附、耐久性差等问题。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种用于地表层蓄水的超疏水颗粒及其制备方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
本发明提供一种用于地表层蓄水的超疏水颗粒，包括颗粒芯材以及包裹于颗粒芯材表面的疏水膜，所述的疏水膜表面构建有由微米级材料和纳米级材料形成的微-纳二级粗糙结构，所述的疏水膜由疏水树脂及相应的固化剂在颗粒芯材表面交联固化得到；其中，按重量份计：颗粒芯材90-94份、疏水树脂4-6份、固化剂0.5-1份、微米级材料1.2-3份和纳米级材料0.4-1份。
优选地，所述的颗粒芯材为连续级配的颗粒状材料，选自大漠砂、石英砂、河砂、海砂、尾矿、粉煤灰和石粉中的一种或几种，粒径为0.08-0.8mm。且可通过两种及以上颗粒级配的复合调整，协同调控超疏水颗粒的防渗性能和透气性能。
优选地，所述的疏水树脂选自氟硅树脂、氟碳树脂、氟改性有机硅树脂、丙烯酸树脂、聚甲基有机硅树脂和聚芳基有机硅树脂中的一种或几种；所述的固化剂选自异氰酸酯、吡啶、间苯二胺和己二胺中的一种或几种。
进一步优选地：
所述的疏水树脂采用氟硅树脂或氟碳树脂时，所述的固化剂采用异氰酸酯；
所述的疏水树脂采用氟改性有机硅树脂、聚甲基有机硅树脂、聚芳基有机硅树脂或丙烯酸树脂时，所述的固化剂采用间苯二胺、己二胺和吡啶中的一种或几种。
优选地，所述的微-纳二级粗糙结构是在疏水树脂未固化前，先后加入微米级材料和纳米级材料制得。
优选地，所述的微米级材料选自聚四氟乙烯微粉、有机硅粉末憎水剂和聚偏氟乙烯微粉中的一种或几种，其粒径为5-70um；所述的纳米级材料选自纳米ZnO、SiO2、Al2O3、CuO、TiO2和SiC中的一种或几种，其粒径为5-80nm。
本发明还提供一种用于地表层蓄水的超疏水颗粒的制备方法，包括以下步骤：
(1)将颗粒芯材加热，烘干其表面水分后，静置、冷却；
(2)待颗粒芯材冷却，加入疏水树脂及相应的固化剂搅拌均匀；
(3)在树脂未固化前，先加入微米级材料搅拌均匀，待其完全黏附于树脂表面后，再加入纳米级材料搅拌均匀，在树脂膜表面形成微-纳二级粗糙结构，即制得用于地表层蓄水的超疏水颗粒。
优选地：
步骤(1)中，加热的温度为150-200℃；
步骤(2)中，将颗粒芯材冷却至50-70℃时，加入搅拌锅中。
本发明利用疏水树脂及相应的固化剂在颗粒芯材表面包覆形成疏水膜，以降低颗粒的表面能，使其具备疏水性。同时，根据荷叶表面乳突结构使其具备超疏水效应原理，及Wenzel模型(图1)：
其中，其中，r为表面粗糙度因子，θw为粗糙表面的表观接触角。
增加材料的表观粗糙度，会使原来疏水的表面更加疏水。基于此，在疏水膜表面构建微-纳二级粗糙结构，使其具备超疏水特性。通过疏水树脂和固化剂粘结及固化作用，使得微米级材料和纳米级材料构建的微-纳二级粗糙结构牢牢黏附在颗粒芯材(例如石英砂)表面，有效提升了该颗粒疏水功能的长效性。因而，水滴在该超疏水颗粒表面具有较高的接触角和较低的滚动角，使得该超疏水颗粒具有超疏水和低黏附特性，显著提升其抗渗性能。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：能够解决防渗材料存在的疏水效果不好、抗渗效果不佳、表面易黏附、耐久性差等问题，具有制备工艺简单、超疏水、低黏附和高耐久等特性，具有非常广阔的应用前景。
附图说明
图1为Wenzel模型示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
将94份粒径为0.2-0.4mm的石英砂加热至200℃，去除其表面的水分后，静置；待其冷却至70℃时，将其加入搅拌锅中，并加入4份氟改性有机硅树脂和0.4份间苯二胺搅拌均匀；然后依次加入1.2份粒径为5-70um的聚四氟乙烯微粉和0.4份粒径为5-80nm的纳米SiO2，搅拌均匀，制得该用于地表层蓄水的超疏水颗粒。
在砂质土下15cm的深度铺设1.5cm厚的超疏水颗粒，在砂质土内种植20g杜鹃花种子，并设置未铺设超疏水颗粒的砂质土作为对照组，种子播种后，每半月浇1次水，观察其成活率。3个月后，铺设超疏水颗粒的砂质土，其杜鹃花的成活率为92％；而未铺设超疏水颗粒的砂质土，其杜鹃花成活率为0。
实施例2
将92份粒径为0.1-0.3mm的尾矿加热至180℃，去除其表面的水分后，静置；待其冷却至60℃时，将其加入搅拌锅中，并加入4份聚甲基有机硅树脂和0.8份己二胺搅拌均匀；然后依次加入2.6份粒径为5-70um的聚有机硅粉末憎水剂和0.6份粒径为5-80nm的纳米CuO，搅拌均匀，即制得该用于地表层蓄水的超疏水颗粒。
在砂质土下20cm的深度铺设2cm厚的超疏水颗粒，在砂质土内种植20g玫瑰花种子，并设置未铺设超疏水颗粒的砂质土作为对照组，种子播种后，每半月浇1次水，观察其成活率。3个月后，铺设超疏水颗粒的砂质土，其玫瑰花的成活率为90％；而未铺设超疏水颗粒的砂质土，其玫瑰花成活率为0。
实施例3
将90份粒径为0.08-0.2mm的粉煤灰加热至150℃，去除其表面的水分后，静置；待其冷却至50℃时，将其加入搅拌锅中，并加入6份丙烯酸树脂和1份吡啶搅拌均匀；然后依次加入2份粒径为5-70um的聚偏氟乙烯微粉和1份粒径为5-80nm的纳米TiO2，搅拌均匀，即制得该用于地表层蓄水的超疏水颗粒。
在砂质土下15cm的深度铺设1cm厚的超疏水颗粒，在砂质土内种植20g茉莉花种子，并设置未铺设超疏水颗粒的砂质土作为对照组，种子播种后，每半月浇1次水，观察其成活率。3个月后，铺设超疏水颗粒的砂质土，其茉莉花的成活率为95％；而未铺设超疏水颗粒的砂质土，其茉莉花成活率为0。
同时，对实施例1、2和3制得的用于地表层蓄水的超疏水颗粒进行水珠在其表面的接触角、滚动角测试，测定1cm厚超疏水颗粒的耐静水压抗渗高度，并利用STZ直读式透气性测定仪测定5cm厚超疏水颗粒、原石英砂和土壤(常用种植土)的透气性系数K，测定结果见表1。
表1超疏水颗粒性能测试
由表1可知，本发明所制备的超疏水颗粒，其超疏水和低黏附性能优异，具有优良的抗渗性和透气性。
为检测该超疏水颗粒的耐久性，将实施例1、2和3制得的超疏水颗粒于自然条件下放置6个月后，测定水珠在其表面的接触角、滚动角以及其静水压抗渗高度和透气性，结果如表2所示。
表2超疏水颗粒耐久性测试(6个月后)
由表2可知，本发明所制备的超疏水颗粒6个月后的超疏水和低黏附性能依然优异，抗渗性能衰减较小，具有良好的耐久性能。
实施例4
本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于，本实施例的超疏水颗粒中，按重量分计：颗粒芯材91份、疏水树脂5份、固化剂0.5份、微米级材料3份和纳米级材料0.5份.
实施例5
本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于，本实施例中，选择粒径为0.08-0.2mm的大漠砂和0.4-0.8mm的河砂作为颗粒芯材。
实施例6
本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于，本实施例中，选择粒径为0.1-0.5mm的海砂作为颗粒芯材。
实施例7
本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于，本实施例中，选择粒径为0.1-0.5mm的石粉作为颗粒芯材。
实施例8
本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于，本实施例中，疏水树脂采用氟硅树脂，相应的固化剂采用异氰酸酯。
实施例9
本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于，本实施例中，疏水树脂采用氟碳树脂，相应的固化剂采用异氰酸酯。
实施例10
本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于，本实施例中，疏水树脂采用聚芳基有机硅树脂，相应的固化剂采用己二胺。
实施例11
微米级材料选用粒径为5-70um的聚偏氟乙烯微粉，纳米级材料选用粒径为5-80nm的ZnO。
实施例12
微米级材料选用粒径为5-70um、质量比为1:1的聚四氟乙烯微粉和有机硅粉末憎水剂混合物，纳米级材料选用粒径为5-80nm质量比为2:1d的Al2O3和SiC的混合物。
上述对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于地表层蓄水的超疏水颗粒，其特征在于，包括颗粒芯材以及包裹于颗粒芯材表面的疏水膜，所述的疏水膜表面构建有由微米级材料和纳米级材料形成的微-纳二级粗糙结构，所述的疏水膜由疏水树脂及相应的固化剂在颗粒芯材表面交联固化得到；其中，按重量份计：颗粒芯材90-94份、疏水树脂4-6份、固化剂0.5-1份、微米级材料1.2-3份和纳米级材料0.4-1份。
2.根据权利要求1所述的一种用于地表层蓄水的超疏水颗粒，其特征在于，所述的颗粒芯材为连续级配的颗粒状材料，选自大漠砂、石英砂、河砂、海砂、尾矿、粉煤灰和石粉中的一种或几种，粒径为0.08-0.8mm。
3.根据权利要求1所述的一种用于地表层蓄水的超疏水颗粒，其特征在于，所述的疏水树脂选自氟硅树脂、氟碳树脂、氟改性有机硅树脂、丙烯酸树脂、聚甲基有机硅树脂和聚芳基有机硅树脂中的一种或几种；所述的固化剂选自异氰酸酯、吡啶、间苯二胺和己二胺中的一种或几种。
4.根据权利要求3所述的一种用于地表层蓄水的超疏水颗粒，其特征在于：
所述的疏水树脂采用氟硅树脂或氟碳树脂时，所述的固化剂采用异氰酸酯；
所述的疏水树脂采用氟改性有机硅树脂、聚甲基有机硅树脂、聚芳基有机硅树脂或丙烯酸树脂时，所述的固化剂采用间苯二胺、己二胺和吡啶中的一种或几种。
5.根据权利要求1所述的一种用于地表层蓄水的超疏水颗粒，其特征在于，所述的微-纳二级粗糙结构是在疏水树脂未固化前，先后加入微米级材料和纳米级材料制得。
6.根据权利要求1或5所述的一种用于地表层蓄水的超疏水颗粒，其特征在于，所述的微米级材料选自聚四氟乙烯微粉、有机硅粉末憎水剂和聚偏氟乙烯微粉中的一种或几种，其粒径为5-70um；所述的纳米级材料选自纳米ZnO、SiO2、Al2O3、CuO、TiO2和SiC中的一种或几种，其粒径为5-80nm。
7.如权利要求1～6任一所述的一种用于地表层蓄水的超疏水颗粒的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将颗粒芯材加热，烘干其表面水分后，静置、冷却；
(2)待颗粒芯材冷却，加入疏水树脂及相应的固化剂搅拌均匀；
(3)在树脂未固化前，先加入微米级材料搅拌均匀，待其完全黏附于树脂表面后，再加入纳米级材料搅拌均匀，在树脂膜表面形成微-纳二级粗糙结构，即制得用于地表层蓄水的超疏水颗粒。
8.根据权利要求7所述的一种用于地表层蓄水的超疏水颗粒的制备方法，其特征在于：
步骤(1)中，加热的温度为150-200℃；
步骤(2)中，将颗粒芯材冷却至50-70℃时，加入搅拌锅中。
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