CN112646381A - 一种高分子防蒸发控温材料的制备及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种高分子防蒸发控温材料的制备方法，是将高温有机相变储能材料和低温有机相变储能材料加热复合，冷却后得到低温储能材料；将低温储能材料与高岭土‑高分子防蒸发材料加入自来水中，于室温下搅拌混合均匀，即得高分子防蒸发控温材料。将该材料与沙、土、粪混合物混合均匀，可用于寒旱地区植物的种植与生长。该材料可有效提高土壤微环境温度，并使其能够长时间维持在植物所能承受的最低温度之上，有利于缓解寒旱地区环境温度骤变对植物生长造成的压力。该材料具有优异的吸水保水性能及防蒸发性能，能为植物种子提供适宜的发芽和生长环境。本发明制备方法简单、环境友好且成本低廉，在寒旱地区植物种植和生长中具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于农业及生态修复技术领域，涉及一种高分子防蒸发控温材料的制备方法，该高分子防蒸发控温材料主要用于寒旱地区植物的种植与生长。
背景技术
我国的荒漠化主要位于干旱半干旱的西北地区，其年平均降水量低于400mm，由于人口快速增长、工业化快速发展，使得我国高寒干旱地区降水量及河流径流量明显减少，而蒸发量发明显增加，水土环境进一步恶化，根据2014年全国第五次检测结果得知，目前我国已经发生荒漠化的面积有261.16万平方公里，占全国土地面积的27.20%，荒漠化土地主要集中分布在新疆、内蒙古、西藏、甘肃和青海五省。水资源严重限制了这些地区生态环境修复和经济发展，降低水分蒸发对干旱地区的发展刻不容缓。
蒸发是指土壤中的水分通过孔隙以水蒸气的形式扩散，并进入到大气中的过程。在自然界的水循环过程中，蒸发又是最重要的环节之一。在干旱地区的水循环过程中，特别是在一些地下水位较前区域，其蒸发量引起的水分消耗量大约是地表径流量的两倍左右，这会严重影响土壤的水量平衡，进而使植物生长受限。目前生产中经常通过秸秆铺设和地膜覆盖地表来降低土壤水分的蒸发，秸秆虽然可以保持土壤水分及土壤温度稳定，但在应用中，需要量大且不能调温；地膜虽被广泛利用，但它不易降解会造成白色污染，且在风沙大的环境下铺设保存十分困难。因此，一些可以提高土壤含水量的环境友好的高分子防蒸发材料，逐渐成为荒漠化地区防止土壤水分快速蒸发的首选材料。
此外，高寒干旱地区恶劣反常的气候也是影响植物生长和生态修复的一个不容忽视的因素。气候的变化不管是变暖还是变冷，都会在一定程度上对光照、水分、热量等气候要素的量值、时间格局造成一定程度的影响，且农作物会受到多方面多层次的影响。而光照、地热等因素又是影响农作物生长的重要因素同时还会对土壤有机质、微生物活动及反之造成一定影响，从而影响到土壤肥力。当温度升高或降水量减少时会对土壤中的有机碳含量造成影响，会直接导致土壤肥力下降进而导致土地资源的使用率受到影响；而当温度降低、或降水量增加时土壤的有机碳会逐渐增多，从而增强了土壤肥力，因此气候温度与降水量是影响土壤肥力的两大重要因素。
在寒旱地区的田地沙土成分高，白天升温极快而夜间又急剧降温，这种温度骤变不利于作物生长。因此，修复高寒干旱地区受损的生态环境，促进其更好的发展需要解决两个技术问题，第一是为种子发芽和生长提供充足的水肥条件；第二是提高种子所处土壤微环境的温度。这就要求土壤微环境能够兼备控温（低温储能材料）和防止水分蒸发（集水节水）两种特性来提高土壤持水持肥功能。
发明内容
本发明的目的是提供一种高分子防蒸发控温材料的制备方法，该高分子防蒸发控温材料主要用于寒旱地区植物的种植与生长。
是将高温有机相变储能材料和低温有机相变储能材料以1:1~1:5的质量比于50 ~90 ℃下复合1 ~ 7 h，冷却后得到低温储能材料；将低温储能材料与高岭土-高分子防蒸发材料以3:1~10:1的质量比加入自来水中，于室温下充分搅拌混合均匀，即得高分子防蒸发控温材料；所述高岭土-高分子防蒸发材料是由高分子防蒸发材料与高岭土复配得到，其中高岭土的质量分数为3%~10%；所述高分子防蒸发材料为丙烯酰胺接枝共聚乙基纤维素、丙烯酰胺接枝共聚阿拉伯树胶、丙烯酰胺接枝共聚低取代羟丙基纤维素、丙烯酰胺接枝共聚文莱胶、丙烯酰胺接枝共聚魔芋胶中的至少一种。
高岭土-高分子防蒸发材料中，高岭土对7-25μm波长的红外线具有阻隔作用，且高岭土具有羟基的表面有很好的吸水性能，而高分子防蒸发材料具有羧基、氨基、磺酸基和酰胺基等大量亲水基团，并且具有轻度交联可溶胀的三维网状结构。因此，高岭土-高分子防蒸发材料不仅能够有效地吸水保水，而且吸收的水分在一定压力下也不会完全损失，高分子防蒸发控温材料内部高分子链互相缠绕，水分子与内部原子（如氧、氮等）以氢键侨联作用将吸收的水分保留在材料内部，再加上密布的孔隙结构，使得材料失水更加缓慢。另外，高岭土与高分子防蒸发材料复配还能防止温度扩散，减少昼夜温差，降低成本。
所述高温有机相变储能材料为蜂蜡、木糖醇、棕榈酸、聚乙二醇中的至少一种。所述低温有机相变储能材料为甘油、乳酸、乙二醇、木糖醇、正辛酸中的至少一种。有机相变储能材料按其本征相变温度的高低划分，相变温度高的高温有机相变储能材料与相变温度低的低温有机相变储能材料加热复合得到低温储能材料，其相变温度为5 ~ 30 ℃，相变潜热为80 ~ 150 J/g。有机相变储能材料固体成型好，不易发生相分离及过冷析出现象，性能稳定，无毒，无腐蚀性，价格便宜，且将高温有机相变储能材料和低温有机相变储能材料按不同比例复合，可以得到具有不同的较宽相变温度范围的混合储热材料，以适应对温度有不同要求的应用。低温储能材料具有较大的相变潜热和优异的相变储能特性，在低温时可以通过从固相到液相的相态变化调控周围土壤的温度，以此达到调控土壤微环境温度的目的，使其长时间维持在种子所能承受的最低温度之上。本发明是利用物理相互作用把低温储能材料接枝到载体高分子防蒸发材料上，包括吸附作用(分子间作用力或氢键力)和网状结构，使得最终得到的高分子防蒸发控温材料在本质上进行固-液相变，宏观上仍能保持稳定的固态形状，所以在达到或超过其相变温度时，其在宏观上仍能保持其固体形态。并且低温储能材料在微观上发生固-液相变，充热和释热过程中，不存在与载体高分子防蒸发材料的脱离问题，是集高分子防蒸发材料于一体的聚合物。
本发明高分子防蒸发控温材料用于寒旱地区植物的种植与生长，将高分子防蒸发控温材料加入沙、土、粪混合物中混合均匀并装入麻袋中，即可用于寒旱地区植物的种植与生长；所述高分子防蒸发控温材料的加入量为沙、土、粪混合物质量的1.5~2%。麻袋中的土、沙、牛粪混合物中加入高分子防蒸发控温材料后，持水率可提高30%～48%。麻袋内部温度比附近沙中温度平均高9~13℃，并且在环境温度为-3~5 ℃时，经过10天麻袋内温度仍能维持在5~9 ℃。沙土可就地取材，大大的降低了成本。
综上所述，本发明首先通过高温有机相变储能材料和低温有机相变储能材料加热复合得到低温储能材料，然后将高岭土-高分子防蒸发材料与低温储能材料结合得到高分子防蒸发控温材料。该材料可以提供稳定的热能，有效提高了土壤微环境温度，并使其能够长时间维持在植物所能承受的最低温度之上，有利于缓解寒旱地区环境温度骤变对植物生长造成的压力。另外，该材料具有优异的吸水保水性能及防蒸发性能，能够有效防止土壤水分流失，为植物种子提供适宜的发芽和生长环境。且本发明制备方法简单易操作、环境友好并且成本低廉，适合大规模推广使用，在寒旱地区植物种植和生长中具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为低温储能材料的TG/DSC图。
图2为10天内放置高分子防蒸发控温材料与未放置高分子防蒸发控温材料的土壤温度随时间变化的曲线。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明高分子防蒸发控温材料的制备和应用作进一步说明。
实施例1
分别称取5 g蜂蜡、15 g乳酸，在水浴锅中80 ℃机械搅拌4 h。待自然降温后得到低温储能材料，该材料相变温度为12 ℃，相变潜热为90 J/g，见图1。之后，将低温储能材料与高岭土-丙烯酰胺接枝共聚魔芋胶（高岭土的质量分数为3 %）按质量比为3:1加入自来水中，室温下机械搅拌7 h，得到高分子防蒸发控温材料。
将上述高分子防蒸发控温材料加入到由当地土、沙和牛粪组成的混合物中（沙:土:牛粪=70:1:1，高分子防蒸发控温材料为混合物质量的1.7%），混合均匀后，装入80 cm•100 cm麻袋。麻袋中的土、沙、牛粪混合物中加入高分子防蒸发控温材料后，持水率提高30%，麻袋内部温度比附近沙中温度平均高10~11℃，并且在环境温度为-3~5 ℃时，经过10天麻袋内温度仍能维持在5 ℃左右，见图2。
实施例2
分别称取5 g棕榈酸、15 g甘油，在水浴锅中80 ℃机械搅拌4 h。待自然降温后得到低温储能材料，该材料相变温度为15 ℃，相变潜热为95 J/g。之后，将低温储能材料与高岭土-丙烯酰胺接枝共聚乙基纤维素（高岭土的质量分数为5%）按质量比为3:1加入自来水中，室温下机械搅拌7 h，得到高分子防蒸发控温材料。
将上述高分子防蒸发控温材料加入到由当地土、沙和牛粪组成的混合物中（沙:土:牛粪=70:1:1，高分子防蒸发控温材料为混合物质量的1.7%），混合均匀后，装入80 cm•100 cm麻袋。麻袋中的土、沙、牛粪混合物中加入高分子防蒸发控温材料后，持水率提高35%，麻袋内部温度比附近沙中温度平均高9~11℃，并且在环境温度为-3~5 ℃时，经过10天麻袋内温度仍能维持在6℃左右。
实施例3
分别称取5 g聚乙二醇、15 木糖醇，在水浴锅中80 ℃机械搅拌4 h。待自然降温后得到低温储能材料，该材料相变温度为17 ℃，相变潜热为99 J/g。之后，将低温储能材料与高岭土-丙烯酰胺接枝共聚低取代羟丙基纤维素（高岭土的质量分数为7%）按质量比为3:1加入自来水中，室温下机械搅拌6 h，得到高分子防蒸发控温材料。
将上述高分子防蒸发控温材料加入到由当地土、沙和牛粪组成的混合物中（沙:土:牛粪=70:1:1，高分子防蒸发控温材料为混合物质量的1.7%），混合均匀后，装入80 cm•100 cm麻袋。麻袋中的土、沙、牛粪混合物中加入高分子防蒸发控温材料后，持水率提高40%，麻袋内部温度比附近沙中温度平均高10~12℃，并且在环境温度为-3~5 ℃时，经过10天麻袋内温度仍能维持在8 ℃左右。
实施例4
分别称取5 g蜂蜡、15 g正辛酸，在水浴锅中80 ℃机械搅拌4 h。待自然降温后得到低温储能材料，该材料相变温度为19 ℃，相变潜热为112 J/g。之后，将低温储能材料与高岭土-丙烯酰胺接枝共聚文莱胶（高岭土的质量分数为9%）按质量比为3:1加入自来水中，室温下机械搅拌7 h，得到高分子防蒸发控温材料。
将上述高分子防蒸发控温材料加入到由当地土、沙和牛粪组成的混合物中（沙:土:牛粪=70:1:1，高分子防蒸发控温材料为混合物质量的1.7%），混合均匀后，装入80 cm•100 cm麻袋。麻袋中的土、沙、牛粪混合物中加入高分子防蒸发控温材料后，持水率提高45%，麻袋内部温度比附近沙中温度平均高10~13℃，并且在环境温度为-3~5 ℃时，经过10天麻袋内温度仍能维持在9 ℃左右。
实施例5
分别称取5 g棕榈酸、15 g乳酸，在水浴锅中80 ℃机械搅拌4 h。待自然降温后得到低温储能材料，该材料相变温度为18 ℃，相变潜热为125 J/g。之后，将低温储能材料与高岭土-丙烯酰胺接枝共聚阿拉伯胶（高岭土的质量分数为10%）按质量比为8:1加入自来水中，室温下机械搅拌6 h，得到高分子防蒸发控温材料。
将上述高分子防蒸发控温材料加入到由当地土、沙和牛粪组成的混合物中（沙:土:牛粪=70:1:1，高分子防蒸发控温材料为混合物质量的1.7%），混合均匀后，装入80 cm•100 cm麻袋。麻袋中的土、沙、牛粪混合物中加入高分子防蒸发控温材料后，持水率提高48%，麻袋内部温度比附近沙中温度平均高10~12℃，并且在环境温度为-3~5 ℃时，经过10天麻袋内温度仍能维持在9 ℃左右。
Claims (5)
1.一种高分子防蒸发控温材料的制备方法，是将高温有机相变储能材料和低温有机相变储能材料以1:1~1:5的质量比于50~90 ℃下复合1~7 h，冷却后得到低温储能材料；将低温储能材料与高岭土-高分子防蒸发材料以3:1~10:1的质量比加入自来水中，于室温下充分搅拌混合均匀，即得高分子防蒸发控温材料；所述高岭土-高分子防蒸发材料是由高分子防蒸发材料与高岭土复配得到，其中高岭土的质量分数为3%~10%；所述高分子防蒸发材料为丙烯酰胺接枝共聚乙基纤维素、丙烯酰胺接枝共聚阿拉伯树胶、丙烯酰胺接枝共聚低取代羟丙基纤维素、丙烯酰胺接枝共聚文莱胶、丙烯酰胺接枝共聚魔芋胶中的至少一种。
2.如权利要求1所述一种高分子防蒸发控温材料的制备方法，其特征在于：所述高温有机相变储能材料为蜂蜡、木糖醇、棕榈酸、聚乙二醇中的至少一种。
3.如权利要求1所述一种高分子防蒸发控温材料的制备方法，其特征在于：所述低温有机相变储能材料为甘油、乳酸、乙二醇、木糖醇、正辛酸中的至少一种。
4.如权利要求1所述方法制备的高分子防蒸发控温材料用于寒旱地区植物的种植与生长，其特征在于：将高分子防蒸发控温材料加入沙、土、粪混合物中混合均匀并装入麻袋中，即可用于寒旱地区植物的种植与生长。
5.如权利要求4所述高分子防蒸发控温材料用于寒旱地区植物的种植与生长，其特征在于：所述高分子防蒸发控温材料的加入量为沙、土、粪混合物质量的1.5~2%。
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