CN112094077A

CN112094077A - 一种用于地表层蓄水的生态种植板及其制备方法

Info

Publication number: CN112094077A
Application number: CN202010561023.5A
Authority: CN
Inventors: 张�雄; 吕欣妍
Original assignee: Tongji University
Current assignee: Tongji University
Priority date: 2020-03-31
Filing date: 2020-06-18
Publication date: 2020-12-18

Abstract

本发明涉及一种用于地表层蓄水的生态种植板及其制备方法，该生态种植板由超疏水颗粒和疏水纤维混合，经粘结剂粘结固化，并经压力成型制得。与现有技术相比，本发明解决了旱区沙区生态种植过程中，由于地表层土壤的高渗透性，水资源利用率低、植株成活率低等问题，且本发明制备的用于地表层蓄水的生态种植板兼具防渗和透气功能，不会阻断氧气在水分中的溶解通道，可显著提高水分含氧量，且其力学性能优良，铺装工艺简单，具有广阔的应用前景。

Description

一种用于地表层蓄水的生态种植板及其制备方法

技术领域

本发明涉及防渗材料领域，尤其是涉及一种用于地表层蓄水的生态种植板及其制备方法。

背景技术

建筑绿色保护屏障是治理沙漠化最重要的手段之一。而沙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；土壤高渗透、高蒸发特性导致水资源极度浪费、植被不易成活。

目前的防渗材料在与沙区土壤结合时难以保证防渗、透气、易铺装施工和绿色环保这四个基本要求。能否利用现有的科学技术手段对砂质土壤进行改性，使砂兼备防渗和透气功能，开辟“用砂治沙”的新路径成为当前需要解决的难题。

现有技术中已经出现一种叫做防渗透气砂的发明，该发明具有防渗水兼透气的功能，但是其状态为散料，不利于施工，不能保证铺装的均匀性。因此，可将该发明制备成块材、板材，以便施工。

为解决防渗透气砂的铺装施工问题，在现有技术中，专利CN102531464A公开了一种砂基防水透气砖，该发明是通过将砂基疏水颗粒和粘结剂混合并压制成型，并具有防水透气功能，但是该砖的抗折强度低，防渗效果一般，透气效果不明。

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生态种植板及其制备方法。解决荒漠化、砂质土壤地区水分渗漏问题，且该生态种植板兼具防渗、透气功能，可用于生态种植，保水保肥，其制备工艺简单快捷，制备过程绿色环保，且力学性能优良，具有广阔的应用前景。

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生态种植板，由超疏水颗粒和疏水纤维混合，经粘结剂粘结固化，并经压力成型制得。

优选地，所述的超疏水颗粒、疏水纤维和粘结剂的重量份之比为 90-95:0-5:3-10。

优选地，该生态种植板的孔隙率为15％-40％。保证了该种植板的透气性，以供植物根系呼吸。

优选地，所述的超疏水颗粒包括颗粒芯材、疏水树脂和相应的固化剂在颗粒芯材表面交联固化形成的疏水膜、以及通过微米级疏水颗粒材料和纳米级疏水颗粒材料构建于疏水膜表面的微-纳二级粗糙结构。

优选地：

所述的颗粒芯材包括大漠砂、机制砂、风积砂、河砂、陶粒、膨胀珍珠岩等中的一种或几种；

所述的疏水树脂为酚醛树脂、甲基硅树脂、氟硅树脂、氟碳树脂等中的一种或几种；

所述的固化剂为六次甲基四胺、二乙烯三胺、三乙烯四胺等中的一种或几种；优选当所述的疏水树脂使用酚醛树脂时，相应固化剂使用六次甲基四胺；当所述的疏水树脂使用甲基硅树脂、氟硅树脂或氟碳树脂时，相应固化剂使用二乙烯三胺或三乙烯四胺；

所述的微米级疏水颗粒材料为疏水改性微米CaCO₃、疏水改性微米级粉煤灰、疏水改性微米级硅灰等中的一种或几种；

所述的纳米级疏水颗粒材料为疏水改性纳米ZnO、疏水改性纳米SiO₂、疏水改性纳米TiO₂、纳米级聚四氟乙烯等中的一种或几种。

优选地，颗粒芯材、疏水树脂、固化剂、微米级疏水颗粒材料、纳米级疏水颗粒材料的重量份之比为90-95:2-4:0.5-1:2-3:0.5-2。

优选地，所述的超疏水颗粒的制备方法包括以下步骤：将颗粒芯材加搅拌锅，并加入经过加热的疏水树脂和相应固化剂，搅拌均匀，然后加入微米级疏水颗粒材料，搅拌均匀，再加入纳米级疏水颗粒材料，搅拌均匀，最后在烘箱中加热固化，得到所述的超疏水颗粒。

优选地，加热的温度为50℃；固化的时间为5h。

优选地，所述的超疏水颗粒的接触角大于等于150°，滚动角小于等于5°，超疏水颗粒粒径为0.1-5mm。

优选地，所述的疏水纤维为经过疏水改性剂改性制得的纤维；所述的纤维包括玻璃纤维、聚丙烯纤维和聚丙烯腈纤维等中的一种或几种；所述的疏水改性剂包括硬脂酸铝、硬脂酸、辛烷基三乙氧基硅烷、十二烷基三乙氧基硅烷和十六烷基三乙氧基硅烷等中的一种或几种。

优选地，所述的疏水纤维的接触角大于等于90°。

优选地，所述的粘结剂为粉状的热熔胶，包括共聚酰胺、乙烯-醋酸乙烯共聚物或聚氨酯等中的一种或几种。

本发明还提供所述的用于地表层蓄水的生态种植板的制备方法，包括以下步骤：

(1)将超疏水颗粒和疏水纤维加入搅拌锅，搅拌均匀；

(2)将粘结剂加入搅拌锅中，得到混合料，搅拌均匀；

(3)将搅拌均匀的混合料倒入模具，均匀布料，静压成型；

(4)将带有混合料的模具放入烘箱，加热至粘结剂对应熔点温度并保持，然后取出模具，冷却至室温，脱模，制得所述的用于地表层蓄水的生态种植板。

优选地，步骤(1)中，搅拌3-5min。

优选地，步骤(2)中，搅拌1-3min。

优选地，步骤(3)中，静压的压力为10-15KPa。

优选地，步骤(4)中，加热至粘结剂对应熔点温度并保持1h。

本发明通过将超疏水颗粒、疏水纤维与粘结剂均匀混合，并在一定压力下压制成型，构建用于沙区旱区地表层蓄水的生态种植板。其中，超疏水颗粒是通过覆膜技术对沙子进行表面改性，使膜材表面能远低于水，同时在膜材表面构建微观粗糙结构，以达到超疏水状态；该超疏水颗粒使水滴与材料之间形成一层空气膜，能够有效阻碍水对材料表面的润湿。超疏水纤维能够在疏水的同时提高板材的韧性、抗疲劳性、抗冲磨性能以及抵御冻融破坏的能力。粘结剂能够将超疏水颗粒和疏水纤维均匀地粘结成板体材料，能有效阻止离析现象，提高了整个体系的稳定性。同时，所用粘结剂、改性剂均可生物降解，绿色环保，不会污染周边生态环境。

本发明制备的用于地表层蓄水的生态种植板兼具防渗和透气功能，不会阻断氧气在水分中的溶解通道，可显著提高水分含氧量，且其力学性能优良，铺装工艺简单，具有广阔的应用前景。解决了旱区沙区生态种植过程中，由于地表层土壤的高渗透性，水资源利用率低、植株成活率低等问题

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明解决了荒漠化、砂质土壤地区土壤的高蒸发问题，兼具防渗和透气功能，保水保肥，为植物生长提供必要条件，性能优良，具有良好的抗折、抗压强度，其制备工艺简单，具有广阔的应用前景。

具体实施方式

一种用于地表层蓄水的生态种植板，由超疏水颗粒和疏水纤维混合，经粘结剂粘结固化，并经压力成型制得。

本发明中超疏水颗粒、疏水纤维和粘结剂的重量份之比优选为90-95:0-5:3-10。该生态种植板的孔隙率优选为15％-40％。

本发明中，超疏水颗粒优选包括颗粒芯材、疏水树脂及相应的固化剂在颗粒芯材表面交联固化形成的疏水膜以及通过微米级颗粒材料和纳米级颗粒材料构建于疏水膜表面的微-纳二级粗糙结构。其中，颗粒芯材包括大漠砂、机制砂、风积砂、河砂、陶粒、膨胀珍珠岩等中的一种或几种。疏水树脂优选为酚醛树脂、甲基硅树脂、氟硅树脂、氟碳树脂等中的一种或几种。固化剂优选为六次甲基四胺、二乙烯三胺、三乙烯四胺等中的一种或几种；进一步优选当疏水树脂使用酚醛树脂时，相应固化剂使用六次甲基四胺；当疏水树脂使用甲基硅树脂、氟硅树脂或氟碳树脂时，相应固化剂使用二乙烯三胺或三乙烯四。微米级疏水颗粒材料优选为现有技术的疏水改性微米CaCO₃、疏水改性微米级粉煤灰和疏水改性微米级硅灰等中的一种或几种，微米级疏水材料的粒径优选为50～100μm。纳米级疏水材料优选为现有技术的疏水改性纳米ZnO、疏水改性纳米SiO₂、疏水改性纳米TiO₂、纳米级聚四氟乙烯等中的一种或几种，纳米级疏水材料的粒径优选为20～70nm。颗粒芯材包括大漠砂、机制砂、风积砂、河砂、陶粒、膨胀珍珠岩等中的一种或几种。进一步优选超疏水颗粒中，颗粒芯材、疏水树脂、固化剂、微米级疏水颗粒材料、纳米级疏水颗粒材料的重量份之比为90-95:2-4:0.5-1:2-3:0.5-2。

本发明中，上述超疏水颗粒的制备方法包括以下步骤：将颗粒芯材加搅拌锅，并加入经过加热的疏水树脂和相应固化剂，搅拌均匀，然后加入微米级疏水颗粒材料，搅拌均匀，再加入纳米级疏水颗粒材料，搅拌均匀，最后在烘箱中加热固化，得到所述的超疏水颗粒。加热的温度优选为50℃；固化的时间优选为5h。本发明中，超疏水颗粒的接触角优选大于等于150°，滚动角优选小于等于5°，超疏水颗粒粒径优选为0.1-5mm。

本发明中，疏水纤维优选为经过疏水改性剂改性制得的纤维；纤维优选包括玻璃纤维、聚丙烯纤维和聚丙烯腈纤维等中的一种或几种；疏水改性剂优选包括硬脂酸铝、硬脂酸、辛烷基三乙氧基硅烷、十二烷基三乙氧基硅烷和十六烷基三乙氧基硅烷等中的一种或几种。进一步优选疏水纤维的接触角大于等于90°。

本发明中，粘结剂优选为粉状的热熔胶，包括共聚酰胺、乙烯-醋酸乙烯共聚物或聚氨酯等中的一种或几种。

上述用于地表层蓄水的生态种植板的制备方法，包括以下步骤：

(1)将超疏水颗粒和疏水纤维加入搅拌锅，搅拌均匀；

(2)将粘结剂加入搅拌锅中，得到混合料，搅拌均匀；

(3)将搅拌均匀的混合料倒入模具，均匀布料，静压成型；

(4)将带有混合料的模具放入烘箱，加热至粘结剂对应熔点温度并保持，然后取出模具，冷却至室温，脱模，制得用于地表层蓄水的生态种植板。

步骤(1)中，优选搅拌的时间为3-5min。步骤(2)中，优选搅拌的时间为 1-3min。步骤(3)中，静压的压力优选为10-15KPa。步骤(4)中，优选加热至粘结剂对应熔点温度并保持1h。

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。

制备例1

本实施例用于制备超疏水大漠砂

将90重量份大漠砂，4重量份50℃水浴加热的酚醛树脂，1重量份六次甲基四胺加入搅拌锅，搅拌均匀；搅拌3min后，搅拌同时均匀加入3重量份疏水改性 CaCO₃和2重量份疏水改性纳米ZnO，搅拌3min。将制得材料放入烘箱，在50℃下，固化5小时，即制得超疏水大漠砂。

实施例1

将制备例1制得的超疏水大漠砂、疏水改性玻璃纤维、共聚酰胺粉按重量比为 90:5:5，并按照上述生态种植板的制备方法，制得生态种植板。

实施例2

将制备例1制得的超疏水大漠砂、疏水改性聚丙烯纤维、共聚酰胺粉按重量比为90:3:7，并按照上述生态种植板的制备方法，制得生态种植板。

实施例3

将制备例1制得的超疏水大漠砂、疏水改性聚丙腈纤维、共聚酰胺粉按重量比为90:1:9，并按照上述生态种植板的制备方法，制得生态种植板。

对比例1

将制备例1制得的超疏水大漠砂、共聚酰胺粉按重量比为90:10，并按照上述生态种植板的制备方法，制得生态种植板，区别在于疏水改性纤维添加量为0。

对实施例1-3和对比例1制得的生态种植板进行防渗透气性能、力学性能测试，其中，透气性能以透气指数表征，防渗性能以最大静水高度表征；力学性能以抗压强度和抗折强度两个指标表征，结果如表1所示。

表1

由表1可知，本发明制备的生态种植板具有良好的防渗性能、透气性能，同时也具备优良的力学性能，相比于实施例1-3，对比例1的抗折强度偏低。

实施例5-8为采用实施例1-3进行种植试验，模拟土层结构：由底层到顶层依次为碎石层、沙层、生态种植板材、沙层(种植层)。

实施例5

取实施例1制备得到的生态种植板，放入模拟土层结构，上部布置沙层约10cm 厚，种植五株最高高度约为17cm的蝴蝶兰，3个月后观察蝴蝶兰的生长情况，观察结果显示5株蝴蝶兰均生长良好，平均最高高度为28cm。

实施例6

取实施例1制备得到的生态种植板，放入模拟土层结构，上部布置沙层约10cm 厚，每个中分别种植五株最高高度约为15cm的四季桂，3个月后观察四季桂的生长情况，观察结果显示5株四季桂均生长良好，平均最高高度为36cm。

实施例7

取实施例2制备得到的生态种植板，放入模拟土层结构，上部布置沙层约10cm 厚，每个中分别种植五株最高高度约为18cm的蝴蝶兰，3个月后观察蝴蝶兰的生长情况，观察结果显示5株蝴蝶兰均生长良好，平均最高高度为31cm。

实施例8

取实施例3制备得到的生态种植板，放入模拟土层结构，上部布置沙层约10cm 厚，每个中分别种植五株最高高度约为16cm的蝴蝶兰，3个月后观察蝴蝶兰的生长情况，观察结果显示5株蝴蝶兰均生长良好，平均最高高度为26cm。

综上可知，本发明所述生态种植板能够在防渗的同时兼具透气功能，适用于多种植物的种植，具有一定力学强度，适用于沙区旱区生态重建、水土养护、农作物种植等领域。

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

1.一种用于地表层蓄水的生态种植板，其特征在于，由超疏水颗粒和疏水纤维混合，经粘结剂粘结固化，并经压力成型制得。

2.根据权利要求1所述的一种用于地表层蓄水的生态种植板，其特征在于，所述的超疏水颗粒、疏水纤维和粘结剂的重量份之比为90-95:0-5:3-10。

3.根据权利要求1所述的一种用于地表层蓄水的生态种植板，其特征在于，该生态种植板的孔隙率为15％-40％。

4.根据权利要求1所述的一种用于地表层蓄水的生态种植板，其特征在于，所述的超疏水颗粒包括颗粒芯材、疏水树脂和相应的固化剂在颗粒芯材表面交联固化形成的疏水膜、以及通过微米级疏水颗粒材料和纳米级疏水颗粒材料构建于疏水膜表面的微-纳二级粗糙结构。

5.根据权利要求4所述的一种用于地表层蓄水的生态种植板，其特征在于：

所述的颗粒芯材包括大漠砂、机制砂、风积砂、河砂、陶粒、膨胀珍珠岩中的一种或几种；

所述的疏水树脂为酚醛树脂、甲基硅树脂、氟硅树脂和氟碳树脂的一种或几种；

所述的固化剂为六次甲基四胺、二乙烯三胺和三乙烯四胺的一种或几种，优选当所述的疏水树脂使用酚醛树脂时，相应固化剂使用六次甲基四胺，当所述的疏水树脂使用甲基硅树脂、氟硅树脂或氟碳树脂时，相应固化剂使用二乙烯三胺或三乙烯四胺；

所述的微米级疏水颗粒材料为疏水改性微米CaCO₃、疏水改性微米级粉煤灰和疏水改性微米级硅灰中的一种或几种；

所述的纳米级疏水颗粒材料为疏水改性纳米ZnO、疏水改性纳米SiO₂、疏水改性纳米TiO₂和纳米级聚四氟乙烯中的一种或几种。

6.根据权利要求4或5所述的一种用于地表层蓄水的生态种植板，其特征在于，包括以下任一项或多项：

(i)颗粒芯材、疏水树脂、固化剂、微米级疏水颗粒材料和纳米级疏水颗粒材料的重量份之比为90-95:2-4:0.5-1:2-3:0.5-2；

(ii)所述的超疏水颗粒的制备方法包括以下步骤：将颗粒芯材加搅拌锅，并加入经过加热的疏水树脂和相应固化剂，搅拌均匀，然后加入微米级疏水颗粒材料，搅拌均匀，再加入纳米级疏水颗粒材料，搅拌均匀，最后在烘箱中加热固化，得到所述的超疏水颗粒。

(iii)所述的超疏水颗粒的接触角≥150°，滚动角≤5°，且超疏水颗粒粒径为0.1-5mm。

7.根据权利要求1所述的一种用于地表层蓄水的生态种植板，其特征在于，包括以下任一项或多项：

(i)所述的疏水纤维为经过疏水改性剂改性制得的纤维；所述的纤维包括玻璃纤维、聚丙烯纤维和聚丙烯腈纤维中的一种或几种；所述的疏水改性剂包括硬脂酸铝、硬脂酸、辛烷基三乙氧基硅烷、十二烷基三乙氧基硅烷和十六烷基三乙氧基硅烷中的一种或几种；

(ii)所述的疏水纤维的接触角大于等于90°。

8.根据权利要求1所述的一种用于地表层蓄水的生态种植板，其特征在于，所述的粘结剂为粉状的热熔胶，包括共聚酰胺、乙烯-醋酸乙烯共聚物和聚氨酯中的一种或几种。

9.如权利要求1～8任一所述的用于地表层蓄水的生态种植板的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将超疏水颗粒和疏水纤维加入搅拌锅，搅拌均匀；

(2)将粘结剂加入搅拌锅中，得到混合料，搅拌均匀；

(3)将搅拌均匀的混合料倒入模具，均匀布料，静压成型；

10.根据权利要求9所述的用于地表层蓄水的生态种植板的制备方法，其特征在于，包括以下条件中的任一项或多项：

(i)步骤(1)中，搅拌3-5min；

(ii)步骤(2)中，搅拌1-3min；

(iii)步骤(3)中，静压的压力为10-15KPa；

(iv)步骤(4)中，加热至粘结剂对应熔点温度并保持1h。