CN113061277A - 一种生物可降解智能透水保湿膜及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种生物可降解智能透水保湿膜及其制备方法和应用，该生物可降解智能透水保湿膜包括定型层和伸缩变形层；所述的定型层为改性聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯层，所述的伸缩变形层为复合在定型层上的淀粉改性丙烯酸酯水凝胶层；所述的伸缩变形层吸水后溶胀，脱水后复原；所述的生物可降解智能透水保湿膜上具有呈阵列分布的凹槽，凹槽底部开设有十字孔。本发明的生物可降解智能透水保湿膜具有透水、保湿、防水土流失及植被养护增肥功能，可用于边坡生态修复或恢复、园林绿化、农业生产等。

Description

一种生物可降解智能透水保湿膜及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及生态环境工程领域，尤其涉及一种生物可降解智能透水保湿膜及其制备方法和应用。
背景技术
中国地貌形态丰富、地形复杂，植被覆盖率只有13.92％。地质灾害在我国频繁发生，由于大量水土流失对生态造成了严重的危害，不仅包括对环境造成的影响，还对人民的生活及安全带来很大困扰。由地质灾害造成的影响体现在社会生活的各个方面，包括对江河航道、重要铁路公路线、重要施工场地等的危害，其中尤其以对矿山与水库的建设危害最大，围绕山体而建的矿山和依据山河地势而兴建的水利工程都会因为山体的地质灾害而发生重大安全隐患以及安全事故。而造成这些危险的主要因素是不稳定边坡的存在，这些不稳定和具有潜在危险边坡的存在将导致很多次生自然灾害的发生如，水土流失，泥石流，滑坡的发生。随着时间的推移这些自然灾害的发生强度也可能随之会增加，甚至于这些灾害的近一步发展会对小范围的气候与生态环境造成不可逆转的危害。具有潜在危险的天然和人工边坡，在一些关键因素的作用下如岩土重力、水和震动等其它因素，往往产生不良的变形和破坏，从而造成交通瘫痪，河川淤堵，水库填塞，更严重的甚至造成工程损毁和村镇埋没等巨大的经济损失及人民生命财产安全隐患。由此，重视边坡的稳定性对于工程的建设是非常必要的，对于工程与环境的稳定和长期安全具有重大意义。
但是，综合经济效益方面的考虑，如果过于考虑边坡稳定性则无法进行工程的具体实施，比如出于安全考虑将人工边坡大幅度降低坡度，或对其采用一些过于安全的保护措施，将造成资金的浪费和工期的紧张无法顺利完工。因此，对边坡进行高效而合理的治理及修复是生态恢复技术的研究重点。有研究表明(2019年山东农业大学、李传荣、焦方园等)，当坡度达到56°～62°以上时，显著降低了土壤质量，导致边坡修复效果差、土壤养分含量、酶活性及微生物数量均随坡度的增大而降低。当坡度达到B(56°～62°)时，土壤脲酶、蔗糖酶活性，真菌、固氮菌数量显著低于A(40°～46°)边坡；但当坡度达到C(72°～78°)时，土壤速效磷、有机质、硝态氮、氨态氮含量，酸性磷酸酶活性，细菌和放线菌的数量已显著低于B(56°～62°)边坡。采用土壤质量指数(SQI)的评价结果表明：A(40°～46°)边坡(0.960)>B(56°～62°)边坡(0.651)>C(72°～78°)边坡(0.100)。所以近年来，在边坡复绿应用过程中往往出现很多问题，常常出现“一年绿，二年黄，三年四年死光光”的复绿现象。因此研制出一种综合性能优异、利于植物生长，并能够快速恢复原生生态群落的坡面固结材料及其配套工艺体系是生态护坡技术的关键。
采用的生态护坡技术是集工程防护、化学固结、植被恢复、景观设计于一体的综合治理技术，该技术中最常用的是客土喷播工艺。该工艺的工法一般是先采用工程机械或人工将边坡进行整修、光面化，然后根据现场地质结构、土质、雨量、气候等条件，将含有土壤、长效高分子氮肥、植物所需微量元素、增强纤维、化学固结剂等材料进行客土喷播，然后在表面用无纺布保护膜进行保护，防止在植被发芽、生长期间由于雨水、大风、强烈光照等因素对客土中植物生长基质的破坏，特别是大坡度破面。最后利用生态护坡基质中植物种子的生根发芽长出坡面形成植被来达到固土护坡和环境治理的功效，最终实现“土蓄水、水养草、草固土”的目的。为实现这目标，复绿过程中客土基质表面的无纺布或遮荫网保护成为工程必不可少的一部分。
但近年来，随着国内环境保护重视力度的提高，出台了一系列政策和法律文件明确提出支持推广可降解材料，限制不可降解塑料制品的运用。边坡复绿工艺中使用无纺布或遮阴网覆盖在客土喷播基质表面，在植被生长前保护基质，防止被雨水冲刷，同时具有一定透水保湿性能，能显著提高植被种子的出芽率及成活率。等到植被生长后，却无法回收，被保留在土壤表面。其材质一般为填料改性聚丙烯，具有一定紫外光老化降解性能，在光照条件下强度下降非常快，但其降解过程中会产生大量的高分子颗粒，特别是无纺布，其一般纤维直径在5-15um左右，断裂后会产生大量的微小纤维，进入人体会造成一定的伤害性，且污染水体及土壤，进而对环境造成极大的损害。同时，聚烯烃高分子虽然在特殊添加剂改性后容易被紫外光降解，但埋入土中的聚合物非常难被微生物降解，降解周期一般长达50-150年，其在不断粉化过程中颗粒变小，但对生物的伤害性却在不断增大。
此外，无纺布及遮阴网虽然具有遮阴、保护、透水的功能，但其不能有效防止水分的蒸发，不具备保水的功能，同时对环境造成损害。因而研发一直替代品，既符合国家对于环保限塑要求，同时能满足现有遮阴网、农膜的功能，并且在可以让雨水透过的同时，能有效锁住土壤种植基质的水分，减少施工后期的喷水护养次数，同时其在降解过程能不断释放肥力的一种多功能产品非常具有市场价值，并且为开创新的环境恢复工程、荒漠化治理及农业发展开辟新的思路，特别是这种产品还具有预设智能水分调节功能，为生态、农业的智能化提供支持。
发明内容
本发明提供了一种生物可降解智能透水保湿膜及其制备方法，该智能透水保湿膜可生物降解，具有现有遮阴网、农膜的功能，并且在可以让雨水透过的同时能有效锁住土壤种植基质的水分。
本发明的技术方案如下：
一种生物可降解智能透水保湿膜，包括定型层和伸缩变形层；
所述的定型层为改性聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯层；所述的伸缩变形层为复合在定型层上的淀粉改性丙烯酸酯水凝胶层；所述的伸缩变形层吸水后溶胀，脱水后复原；
所述的生物可降解智能透水保湿膜上具有呈阵列分布的凹槽，凹槽底部开设有十字孔。
本发明的生物可降解智能透水保湿膜具有透水、保湿、防水土流失及植被养护增肥功能，可用于边坡生态修复或恢复、园林绿化、农业生产等。
优选的，所述的凹槽通过模压拉伸得到，为半球形碗状结构。
在使用时，伸缩变形层朝下贴近土壤基质。
以用于边坡生态修复或恢复为例，本发明的生物可降解智能透水保湿膜的工作原理如下：将本发明的生物可降解智能透水保湿膜铺设在边坡复绿的土壤基质表面，其半球形碗状结构的凹槽能有效收集雨水，并通过十字孔渗入到泥土里；当雨水过量时，过量的雨水将生物可降解智能透水保湿膜的伸缩变形层水凝胶层溶胀，在伸缩变形层溶胀变大而定型层不变时，使得半球形碗状结构向上凸起，使得雨水通过凸起半球状边缘流走，防止过量的水分冲走土壤基质中的养分；当天气干燥时，伸缩变形层失水收缩，凸起半球状结构慢慢回缩，十字孔产生的膜瓣因收缩而相互交叠，堵住十字孔，减少土壤基质土中的水分蒸发，起到保水作用。因此，本发明的生物可降解智能透水保湿膜具有智能调节土壤基质中含水量的作用；该生物可降解智能透水保湿膜能够让植被通过十字孔生长，并限制后期杂草的生长，起到助苗作用；于此同时，当土壤基质过于干燥时，生物可降解智能透水保湿膜的伸缩变形层完全收缩，向下恢复成半球形碗状凹槽，不仅有利于雨水的收集，同时也在没有雨水的情况下提示进行人工浇灌，便于智能化管理，起到节约水资源及防止土壤基质中养分流失的作用，也解决了普通农膜使用后土壤表面泛碱的问题。
优选的，以原料的重量份计，所述的定型层包括：
Figure BDA0003041848600000041
进一步优选的，以原料的重量份计，所述的定型层包括：
Figure BDA0003041848600000042
聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯(PBAT)是由对苯二甲酸、己二酸和丁二醇经缩聚而得，是一种新型的生物降解塑料，具有非常好的延展性。同时，PBAT在正常气候条件并埋土情况下，3-6个月可以完全降解，非常适合边坡复绿时的植被生长周期，(3-6个月能保证草本植物进入生长成熟期，其根系发达；保证木本植物发芽，并显著提高幼苗的成活率及生长速度)。
但PBAT存在结晶性差、熔体强度低，耐热性较差、硬挺度不足等缺点，本发明采用增强材料改性PBTA膜的硬挺性及尺寸稳定性。聚甲基乙撑碳酸酯(PPC)是一种无毒且具有良好生物降解性能的环境友好型聚合物，将PPC与PBAT共混，不仅可以延续良好的生物降解性，也提高了复合材料的综合性能，主要表现在：PPC为非结晶结构，可改善复合材料的柔韧性、降低复合材料的玻璃化转变温度、延长或调整复合材料的生物降解时间，其氧气、水分的高阻隔性有利于提高复合材料智能膜对杂草生长的限制。以该膜层为基准面，复合伸缩变形层。
优选的，所述的增强材料为生物基纤维素；进一步的，所述的增强材料为为木质素、木质纤维和纤维素中至少一种。
在生物可降解智能透水保湿膜的生物降解过程中，高分子缓释肥产生长效氮肥，为土壤基质中的植物提供生长养分。
优选的，所述的高分子缓释肥为N,N-(2-甲基亚丙基)二脲(IBDU)、亚丁烯基二脲(CDU)和脲甲醛中的至少一种。
所述的硅烷偶联剂为乙烯基三甲基硅烷(A-171)、乙烯基三乙基硅烷(A-151)、γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(A-174)、3-氨基丙基三乙氧基硅烷(A-1100)和γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷(A-187)中的至少一种。
所述的扩链剂为4,4′-二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)。
其他助剂为热稳定剂、润滑剂、抗老化剂、开口剂和防水解剂中的一种或多种。
本发明通过伸缩变形层的厚度调整或通过伸缩变形层的配比设置调整伸缩变形层的溶胀倍率，来达到在所设定的湿度时十字孔瓣膜的开起及闭合效果，实现本发明的生物可降解智能透水保湿膜具备设定保湿智能调节效果的目的。
优选的，所述的定型层厚度为150-350μm；所述的伸缩变形层厚度为200-400μm。
优选的，所述的凹槽的边缘直径为5-15mm；十字孔的最大尺寸为5-10mm；两相邻凹槽的中心距离为15-35mm。
优选的，所述的伸缩变形层是在定型层的表面涂覆淀粉改性丙烯酸酯自交联乳液，经干燥后得到。
进一步的，以原料的重量份计，所述的淀粉改性丙烯酸酯自交联乳液包括：
Figure BDA0003041848600000061
所述的丙烯酸类或丙烯酸酯类单体丙烯酸、甲基丙烯酸、丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸乙酯、丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸丁酯、丙烯酸异辛酯和丙烯酸异冰片酯中的至少一种。
所述的交联单体为丙烯酰胺、双丙酮丙烯酰胺、N-羟甲基丙烯酰胺、N-(异丁氧基)甲基丙烯酰胺、丙烯酸缩水甘油酯、甲基丙烯酸缩水甘油酯、异佛尔酮二胺和甲基丙烯酸乙酰乙酰氧基乙酯中的至少一种。
所述的缓冲剂为碳酸氢钠。
所述的乳化剂为反应性乳化剂对苯乙烯磺酸钠、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙烷磺酸钠(A-2405Na)和非离子乳液剂T-40、均染剂平平加O中的至少一种。
所述的硅烷偶联剂为乙烯基三甲基硅烷(A-171)、乙烯基三乙基硅烷(A-151)、γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(A-174)、3-氨基丙基三乙氧基硅烷(A-1100)和γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷(A-187)中的至少一种。
所述的引发剂包括过硫酸铵/亚硫酸氢钠引发体系和叔丁基过氧化/抗坏血酸引发体系。
优选的，以原料的重量份计，所述的淀粉改性丙烯酸酯自交联乳液包括：
Figure BDA0003041848600000071
本发明在进行定型层和伸缩变形层的改性设计时，对原料进行了特殊的设计，充分考虑了两层界面间的基团具有反应活性，提高两层间的结合效率和相容性。
基于同样的发明构思，本发明还提供了一种生物可降解智能透水保湿膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)将定型层的原料混合、挤出流延，之后进行冷却、定型、拉伸、测厚、电晕处理；
(2)在处理好的定型层表面涂覆淀粉改性丙烯酸酯自交联乳液，干燥后得到复合膜；
(3)通过模压拉伸在复合膜上形成凹槽结构，在凹槽底部开十字孔，得到所述的生物可降解智能透水保湿膜。
优选的，步骤(1)包括：
(1-1)将干燥的增强材料升温至80-120℃，加入增塑剂和硅烷偶联剂，搅拌反应，对增强材料进行改性，之后冷却；
(1-2)将聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯、聚甲基乙撑碳酸酯、扩链剂、改性后的增强材料加入到双螺杆挤出机中挤出造粒；
螺杆温度为：进料段为80℃-120℃；塑化段为150-155℃；熔融段为150-145℃；螺杆转速为120-300转/分钟；
(1-3)将步骤(1-2)挤出的母粒通过单螺杆挤出机过滤后挤出流延，之后进行冷却、定型、拉伸、测厚、电晕处理；
单螺杆挤出温度为130-150℃，口模温度为155℃；
拉伸倍率为1.2-1.8倍；膜厚度为150-350μm。
优选的，步骤(2)中，干燥温度为65-85℃，干燥时间为15-20min，干燥后涂膜厚度为200-400μm。
优选的，步骤(2)中，所述的淀粉改性丙烯酸酯自交联乳液的制备方法包括：
(i)将部分丙烯酸类或丙烯酸酯类单体、部分乳化剂、可溶性淀粉、缓冲剂加入部分水中，得到打底液；
(ii)将部分乳化剂、木质素磺酸盐、交联单体、硅烷偶联剂、剩余丙烯酸类或丙烯酸酯类单体加入部分水中，乳化成稳定的预乳液；
(iii)待打底液蓝光出现后，向打底液中滴加预乳液；
滴加温度为40-70℃，滴加时间为3-4h；滴加完后升温到50-70℃，保温0.5-2h；
滴加预乳液过程中同步滴加过硫酸铵/亚硫酸氢钠引发体系A；
(iv)步骤(iii)反应结束后，分两次滴加叔丁基过氧化/抗坏血酸引发体系B，并50-70℃保温0.5-2h，冷却后得到淀粉改性丙烯酸酯自交联乳液。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明的生物可降解智能透水保湿膜具有透水、保湿、防水土流失及植被养护增肥功能，可用于边坡复绿、园林绿化、农业生产，为该产业的科学化、专业化、多功能化的发展提供方向；
(2)本发明的生物可降解智能透水保湿膜采用特殊材料及结构设计，使得该复合膜可根据其智能水凝胶层的水溶胀程度，为复合膜提供智能透水(下凹)、保湿(闭合)、排水(凸起)功能的调整，为边坡复绿、农业生产中种植土含水量的配置与提醒，满足科学及智能化管理的要求；
(3)本发明的生物可降解智能透水保湿膜，其改性PBAT层(定型层)和可降解智能水凝胶层(伸缩变形层)都具备生物可降解性能，改进传统边坡复绿采用遮阴网或无纺布施工，因材料不能生物降解对环境造成的伤害；
(4)本发明采用生物基纤维、高分子缓释肥等对定型层进行改性，不仅能提高定型层的强度、满足变形要求，同时能在该膜层降解时，为土壤基质提供长效氮肥及其它植物生长所需元素；
(5)本发明的生物可降解智能透水保湿膜的改性PBAT膜和改性丙烯酸酯涂膜在改性设计时，充分考虑两层界面基团具有反应活性，从而结合效率及相容性。
附图说明
图1为实施例中的生物可降解智能透水保湿膜的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
如图1所示，本发明的用于边坡生态修复、恢复的生物可降解智能透水保湿膜包括面层和底层。面层为改性可降解塑料(PBTA)流延膜，底层为在面层表面上涂覆丙烯酸酯而形成的智能水溶胀层。面层和底层通过模压在膜上形成呈阵列分布的半球形碗状凹槽，在凹槽底部开十字孔。
凹槽的边缘直径优选为10mm，十字孔的最大尺寸优选为6mm，两相邻凹槽的中心距离优选为20mm。
半球形碗状凹槽能有效收集雨水，并通过十字孔渗入到泥土里；当雨水过量时，过量雨水将生物可降解智能透水保湿膜底层的水溶胀性丙烯酸酯树脂溶胀，在底层膜溶胀变大而面层不变时，使得半球形碗状凹槽向上凸起，使得雨水通过凸起半球状边缘流走，防止过量的水分会冲走基质土中的养分；当天气干燥时，底层膜失水收缩，凸起半球状结构慢慢回缩，十字孔产生的膜瓣因收缩而相互交叠，堵住十字孔，减少基质土中水分的蒸发，起到保水作用；当基质土过于干燥时，底层完全收缩，恢复成半球形碗状凹槽，不仅有利于雨水的收集，同时也在没有雨水的情况下提示我们进行人工浇灌，便于智能化管理。
所以，本发明的生物可降解智能透水保湿膜具有智能调节基质土含水量的作用，能够让植被通过十字孔生长，并限制后期杂草的生长，起到助苗作用；于此同时，也能起到节约水资源及防止基质土养分流失的作用。
实施例1
用于边坡生态修复、恢复的生物可降解智能透水保湿膜由改性可降解塑料(PBTA)流延膜的基材上喷涂丙烯酸酯智能水溶胀层并模压定型后开十字孔制备而成。
改性丙烯酸酯水溶胀层乳液是通过乳液聚合的方法制备，其原料配比为：
(1)打底
Figure BDA0003041848600000101
(2)预乳化
Figure BDA0003041848600000102
Figure BDA0003041848600000111
(3)引发剂
过硫酸铵/亚硫酸氢钠引发体系A 1份；
叔丁基过氧化/抗坏血酸引发体系B 0.3份；
水 50份；
(4)交联剂
N,N'-亚甲基双丙烯酰胺(MBA) 0.6份；
水 30。
2、改性丙烯酸酯水溶胀层乳液的制备包括以下步骤：
(ⅰ)按打底配方量的助剂及丙烯酸酯类单体打底，在60℃时聚合制备种子乳液；
(ⅱ)按预乳化配方量的乳化剂、丙烯酸酯类或甲基丙烯酸酯类单体、木质素磺酸盐、交联单体及部分配方量的水乳化成稳定预乳液；待打底蓝光出现后，滴加预乳液，滴加温度为60℃，滴加时间为3-4h，滴完后升温到65℃保温1h；滴加预乳液过程中同步滴加过硫酸铵/亚硫酸氢钠引发体系A；
(ⅲ)分二次滴加叔丁基过氧化/抗坏血酸引发体系B，并65℃保温1h后冷却出料，即得可降解丙烯酸酯水溶胀自交联乳液。
(iv)在上述乳液中加入适量增稠剂、消泡剂、流平剂、色浆等助剂，调整其粘度为6000左右厘泊，真空排气后备用。
二、改性PBTA流延膜的制备方法
1、改性PBTA流延膜的原料配比为：
Figure BDA0003041848600000112
Figure BDA0003041848600000121
2、改性PBTA流延膜的制备工艺包括：
(I)原料脱水。将纤维素、PPC和35℃下，PBAT在100℃下分真空干燥12h，备用；
(II)纤维素改性。将干燥的纤维素在高低速预混机中高速搅拌升温80-120℃，然后加入柠檬酸三乙酯及偶联剂，高速搅拌5分钟后，低速搅拌冷却备用；
(III)双螺杆挤出造粒。将PBAT、PPC、MDI、改性纤维素在双螺杆挤出机中挤出造粒，并风冷、切粒备用。螺杆温度为进料段：80℃、120℃；塑化段：150℃、155℃；熔融段：150℃、145℃。螺杆转速120-300转/分钟。
(IV)挤出流延成型。将上述母粒通过单螺杆挤出机过滤后挤出流延，通过冷却、定型、拉伸、测厚、电晕处理。挤出温度130-150℃，口模温度155℃，拉伸倍率1.4倍，厚度200um。
(V)喷涂复合水溶胀膜。将上述电晕处理后的PBAT改性膜刮涂(喷涂)智能吸水溶胀凝胶层，经干燥、压纹、打孔、切边、收卷等步骤即得边坡生态修复、恢复的生物可降解智能透水保湿膜。涂膜厚度550um，涂膜采用干燥热空气进行干燥，干燥温度65-85℃，干燥时间15min，干燥后膜厚300um；压纹辊为水冷中空冷却辊，周长1000mm、温度20℃，花纹为规则排列直径10mm半圆球形凸起，经向纬向每排间距都为10mm；在压纹的同时，在半圆形凸起的顶部开长度为6mm的十字交叉孔。
实施例2
一、改性丙烯酸酯水溶胀层乳液的制备
1、改性丙烯酸酯水溶胀层乳液是通过乳液聚合的方法制备，其原料配比为：
(1)打底
Figure BDA0003041848600000122
Figure BDA0003041848600000131
(2)预乳化
Figure BDA0003041848600000132
(3)引发剂
过硫酸铵/亚硫酸氢钠引发体系 A1份；
叔丁基过氧化/抗坏血酸引发体系B 0.3份；
水 50份；
(4)交联剂
N,N'-亚甲基双丙烯酰胺(MBA) 0.6份；
水 30份。
2、改性丙烯酸酯水溶胀层乳液的制备包括以下步骤：
(ⅰ)按打底配方量的丙烯酸酯类单体打底，在60℃时聚合制备种子乳液；
(ⅱ)按预乳化配方量的乳化剂、丙烯酸酯类或甲基丙烯酸酯类单体、木质素磺酸盐、交联单体及部分配方量的水乳化成稳定预乳液；待打底蓝光出现后，滴加预乳液，滴加温度为60℃，滴加时间为3-4h，滴完后升温到65℃保温1h；滴加预乳液过程中同步滴加过硫酸铵/亚硫酸氢钠引发体系A；
(ⅲ)分二次滴加叔丁基过氧化/抗坏血酸引发体系B，并65℃保温1h后冷却出料，即得可降解丙烯酸酯水溶胀自交联乳液。
(iv)在上述乳液中加入适量增稠剂、消泡剂、流平剂、色浆等助剂，调整其粘度为6000左右厘泊并真空排气后备用。
二、改性PBTA流延膜的制备方法
1、改性PBTA流延膜的原料配比为：
Figure BDA0003041848600000141
2、改性PBTA流延膜的制备工艺包括：
(I)原料脱水。将纤维素、PPC和35℃下，PBAT在100℃下分真空干燥12h，备用；
(II)纤维素改性。将干燥的纤维素在高低速预混机中高速搅拌升温80-120℃，然后加入柠檬酸三乙酯及偶联剂，高速搅拌5分钟后，低速搅拌冷却备用；
(III)双螺杆挤出造粒。将PBAT、PPC、MDI、改性纤维素在双螺杆挤出机中挤出造粒，并风冷、切粒备用。螺杆温度为进料段：80℃、120℃；塑化段：150℃、155℃；熔融段：150℃、145℃。螺杆转速120-300转/分钟。
(IV)挤出流延成型。将上述母粒通过单螺杆挤出机过滤后挤出流延，通过冷却、定型、拉伸、测厚、电晕处理。挤出温度130-150℃，口模温度155℃，拉伸倍率1.2倍，厚度150um。
(V)喷涂复合水溶胀膜。将上述电晕处理后的PBAT改性膜刮涂(喷涂)智能吸水溶胀凝胶层，经干燥、压纹、打孔、切边、收卷等步骤即得边坡生态修复(恢复)生物可降解智能透水保湿膜。涂膜厚度400um，涂膜采用干燥热空气进行干燥，干燥温度65-85℃，干燥时间15min，干燥后膜厚200um；压纹辊为水冷中空冷却辊，周长1000mm、温度20℃，花纹为规则排列直径10mm半圆形凸起，经向纬向每排间距都为10mm；在压纹的同时，在半圆形凸起的顶部开长度为6mm的十字交叉孔。
实施例3
一、改性丙烯酸酯水溶胀层乳液的制备
1、改性丙烯酸酯水溶胀层乳液是通过乳液聚合的方法制备，其原料配比为：
(1)打底
Figure BDA0003041848600000151
(2)预乳化
Figure BDA0003041848600000152
(3)引发剂
过硫酸铵/亚硫酸氢钠引发体系A 1份；
叔丁基过氧化/抗坏血酸引发体系B 0.3份；
水 50份；
(4)交联剂
己二酸二酰肼 3.6份；
水 30份。
2、改性丙烯酸酯水溶胀层乳液的制备包括以下步骤：
(ⅰ)按打底配方量的丙烯酸酯类单体打底，在50℃时聚合制备种子乳液；
(ⅱ)按预乳化配方量的乳化剂、丙烯酸酯类或甲基丙烯酸酯类单体、木质素磺酸盐、交联单体及部分配方量的水乳化成稳定预乳液；待打底蓝光出现后，滴加预乳液，滴加温度为50℃，滴加时间为3-4h，滴完后升温到60℃保温1h；滴加预乳液过程中同步滴加过硫酸铵/亚硫酸氢钠引发体系A；
(ⅲ)分二次滴加叔丁基过氧化/抗坏血酸引发体系B，并60℃保温1h后冷却出料，即得可降解丙烯酸酯水溶胀自交联乳液。
(iv)在上述乳液中加入适量增稠剂、消泡剂、流平剂、色浆等助剂，调整其粘度为6000左右厘泊备用。
二、改性PBTA流延膜的制备方法
改性PBTA流延膜的原料配比同实施例1，其制备工艺包括：
(I)原料脱水。将纤维素、PPC和35℃下，PBAT在100℃下分真空干燥12h，备用；
(II)纤维素改性。将干燥的纤维素在高低速预混机中高速搅拌升温105℃，然后加入柠檬酸三乙酯及偶联剂，高速搅拌5分钟后，低速搅拌冷却备用；
(III)双螺杆挤出造粒。将PBAT\PPC\MDI\纤维素在双螺杆挤出机中挤出造粒，并风冷、切粒备用。螺杆温度为进料段：80℃、120℃；塑化段：150℃、155℃；熔融段：150℃、145℃。螺杆转速120-300转/分钟。
(IV)挤出流延成型。将上述母粒通过单螺杆挤出机过滤后挤出流延，通过冷却、定型、拉伸、测厚、电晕处理。挤出温度130-150℃，口模温度155℃，拉伸倍率1.6倍，厚度300um。
(V)喷涂复合水溶胀膜。将上述电晕处理后的PBAT改性膜刮涂(喷涂)智能吸水溶胀凝胶层，经干燥、压纹、打孔、切边、收卷等步骤即得边坡生态修复(恢复)生物可降解智能透水保湿膜。涂膜厚度700um，涂膜采用干燥热空气进行干燥，干燥温度65-85℃，干燥时间20min，干燥后膜厚350um；压纹辊为水冷中空冷却辊，周长1000mm、温度20℃，花纹为规则排列直径10mm半圆形凸起，经向纬向每排间距都为10mm；在压纹的同时，在半圆形凸起的顶部开长度为6mm的十字交叉孔。
实施例4
改性丙烯酸酯水溶胀层乳液的配方和制备工艺同实施例1，但改性PBTA流延膜的原料配比及制备工艺不同，其原料配比为：
Figure BDA0003041848600000171
其制备工艺包括：
(I)原料脱水。将纤维素、PPC和35℃下，PBAT在100℃下分真空干燥12h，备用；
(II)纤维素改性。将干燥的纤维素在高低速预混机中高速搅拌升温110℃，然后加入柠檬酸三乙酯及偶联剂，高速搅拌5分钟后，低速搅拌冷却备用；
(III)双螺杆挤出造粒。将PBAT、PPC、MDI、纤维素在双螺杆挤出机中挤出造粒，并风冷、切粒备用。螺杆温度为进料段：80℃、120℃；塑化段：150℃、155℃；熔融段：150℃、145℃。螺杆转速120转/分钟。
(IV)挤出流延成型。将上述母粒通过单螺杆挤出机过滤后挤出流延，通过冷却、定型、拉伸、测厚、电晕处理。挤出温度130-150℃，口模温度155℃，拉伸倍率1.2倍，厚度250um。
(V)喷涂复合水溶胀膜。将上述电晕处理后的PBAT改性膜刮涂智能吸水溶胀凝胶层，经干燥、压纹、打孔、切边、收卷等步骤即得边坡生态修复(恢复)生物可降解智能透水保湿膜。涂膜厚度600um，涂膜采用干燥热空气进行干燥，干燥温度65-85℃，干燥时间20min，干燥后膜厚300um；压纹辊为水冷中空冷却辊，周长1000mm、温度20℃，花纹为规则排列直径10mm半圆形凸起，经向纬向每排间距都为10mm；在压纹的同时，在半圆形凸起的顶部开长度为6mm的十字交叉孔。
实施例5
改性丙烯酸酯水溶胀层乳液的原料配比为：
(1)打底
Figure BDA0003041848600000181
(2)预乳化
Figure BDA0003041848600000182
Figure BDA0003041848600000191
(3)引发剂
过硫酸铵/亚硫酸氢钠引发体系A 1份；
叔丁基过氧化/抗坏血酸引发体系B 0.3份；
水 50份；
(4)交联剂
异佛尔酮二胺 0.6份；
水 6。
其它同实施例4。
测试例1
将实施例1、2、3、5中制备的改性可降解丙烯酸酯水溶胀乳液在离型纸表面涂覆1mm涂膜并65-85℃干燥1小时，在23±2℃、湿度65％的条件下，放置24小时后放置去离子水中测试其水溶胀倍率，按国标GB/T10654-2001《高聚物多孔弹性材料拉伸强度和拉断伸长率的测定测试》用万能材料试验机(Zwick/Roell Z005)测试。其膨胀倍率及拉伸断裂强度结果见表1。
表1改性可降解丙烯酸酯水溶胀乳液涂层性能测试
实施例 溶胀倍率(％) 拉伸断裂强度(N)
1 185 97
2 455 46
3 145 102
5 112 178
测试例2
将实施例1-5制备的生物可降解智能透水保湿膜按ISO16929：2002《塑料-在实验室定义堆肥化中试条件下测定塑料的分解度》(等同GB/T19811-2005)进行生物分解率测试，按标准国际经济合作与发展组织简称经合组织OECD208《植物种植试验》进行生态无毒性测试，测试仪器：DKR-DA18可生物降解塑料测试系统(济南迪科瑞仪器有限公司)，培育周期12周。测试结果见表2。
表2生物降解塑料可降解性能测试
实施例 实验材料崩解率(％) 植物种植试验
1 97 合格
2 98 合格
3 97 合格
4 94 合格
5 78 合格
遮阴网 0 合格
无纺布 5 合格
测试例3
选择紫羊茅(FestucarubraL.)种子400粒，根据GB/T3543.4-1995《农作物种子检验规程》在测试测试在发芽箱(浙江托普农业科技有限公司，型号：RTOP-A)中，雅克勃逊发芽器上布种，光照条件下、温度控制10-40℃，发芽盘成72°角放置，选择相同培养基质(湿沙)及基质厚度，分别在其表面覆盖实施例1制备的生物可降解智能透水保湿膜、克重20g/m2聚丙烯无纺布、遮光率50％的2针遮阴网、不覆膜四种情况下，对四种情况下种子发芽率、及生产周期(种子发芽后不浇水，其它条件不变，计算其到干枯的时间)进行对比，其结果见表3。
表3种子发芽率及生长周期表
实验条件 发芽率(％) 生长周期(天)
实施例1制备智能膜 92 97
无纺布 92 17
遮荫网 93 15
无 93 15
测试例4
在杭州余杭区闲林街道联荣村山区的室外56°-62°岩石斜坡上，面朝东南面，总种植面积100m2。采用客土喷播工艺喷播，基质土厚度10-12cm并选用实施例1-5制备的生物可降解智能透水保湿膜、30g/m2无纺布、遮光率50％的2针遮阴网及基质土裸露情况五种情况下测试种植当天的土壤情况、及90天后测试土壤养分及PH变化，观察对比绿植30天、90及180天在不追加施肥情况下绿植生长情况。
其中生态修复植物种子选择如下：种子选用根系发达、抗逆性强的刺槐(RobiniapseudoacaciaLinn.)作为人工群落的建群种，紫穗槐(AmorphafruticosaLinn.)、胡枝子(LespedezabicolorTurcz)、荆条(HibiscussyriacusL.)等乡土灌木作为灌木层的优势种，高羊茅(Festuca elata Keng ex E.Alexeev)和紫羊茅(FestucarubraL.)、紫花苜蓿(Medicago sativa L.)、牛筋草(EleusineindicaL.Gaertn.)等草本作为先锋种，同时草本层中使用草木黄花樨(Melilotus officinalisL.Lam.)等豆科绿肥植物，持续增加土壤中的氮素含量，提供给其他植物利用。
土壤养分及pH测试方法：土壤全磷采用浓硫酸-高氯酸溶液消解后，使用连续流动分析仪(PROXIMA3，法国)测定；速效磷采用0.025mol/L HCl：0.03mol/L NH4F溶液，以土水比为1:7的比例浸提30min后，使用连续流动分析仪(PROXIMA3，法国)测定；有机质采用重铬酸钾容量法-稀释热法测定；硝态氮、氨态氮采用2mol/L氯化钾溶液浸提后，使用流动分析仪(PROXIMA3，法国)测定；土壤pH值用电位法(pH计，PHS-3E，中国)测定，土壤悬浊液为水土质量比1:2.5。
土壤养分原始情况见表4，90天后土壤土壤养分情况见结果见表5，30天、90天、180天边坡生态及植被生长情况见表6。
表4客土基原始种植基土养分
Figure BDA0003041848600000211
表5 90天后土壤养分及pH值
Figure BDA0003041848600000212
Figure BDA0003041848600000221
表6 90天及180天植被生长情况
Figure BDA0003041848600000222
以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种生物可降解智能透水保湿膜，其特征在于，包括定型层和伸缩变形层；
所述的定型层为改性聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯层，所述的伸缩变形层为复合在定型层上的淀粉改性丙烯酸酯水凝胶层；所述的伸缩变形层吸水后溶胀，脱水后复原；
所述的生物可降解智能透水保湿膜上具有呈阵列分布的凹槽，凹槽底部开设有十字孔。
2.根据权利要求1所述的生物可降解智能透水保湿膜，其特征在于，以原料的重量份计，所述的定型层包括：
Figure FDA0003041848590000011
3.根据权利要求1所述的生物可降解智能透水保湿膜，其特征在于，以原料的重量份计，所述的淀粉改性丙烯酸酯自交联乳液包括：
Figure FDA0003041848590000012
Figure FDA0003041848590000021
4.根据权利要求3所述的生物可降解智能透水保湿膜，其特征在于，所述的丙烯酸类或丙烯酸酯类单体丙烯酸、甲基丙烯酸、丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸乙酯、丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸丁酯、丙烯酸异辛酯和丙烯酸异冰片酯中的至少一种。
5.根据权利要求3所述的生物可降解智能透水保湿膜，其特征在于，所述的交联单体为丙烯酰胺、双丙酮丙烯酰胺、N-羟甲基丙烯酰胺、N-(异丁氧基)甲基丙烯酰胺、丙烯酸缩水甘油酯、甲基丙烯酸缩水甘油酯、异佛尔酮二胺和甲基丙烯酸乙酰乙酰氧基乙酯中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的生物可降解智能透水保湿膜，其特征在于，所述的定型层厚度为150-350μm；所述的伸缩变形层厚度为200-400μm；
所述的凹槽的边缘直径为5-15mm；十字孔的最大尺寸为5-10mm；两相邻凹槽的中心距离为15-35mm。
7.一种如权利要求1-6任一项所述的生物可降解智能透水保湿膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将定型层的原料混合、挤出流延，之后进行冷却、定型、拉伸、测厚、电晕处理；
(2)在处理好的定型层表面涂覆淀粉改性丙烯酸酯自交联乳液，干燥后得到复合膜；
(3)通过模压拉伸在复合膜上形成凹槽结构，在凹槽底部开十字孔，得到所述的生物可降解智能透水保湿膜。
8.根据权利要求7所述的生物可降解智能透水保湿膜的制备方法，其特征在于，步骤(1)包括：
(1-1)将干燥的增强材料升温至80-120℃，加入增塑剂和硅烷偶联剂，搅拌反应，对增强材料进行改性，之后冷却；
(1-2)将聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯、聚甲基乙撑碳酸酯、扩链剂、改性后的增强材料加入到双螺杆挤出机中挤出造粒；
螺杆温度为：进料段为80℃-120℃；塑化段为150-155℃；熔融段为150-145℃；螺杆转速为120-300转/分钟；
(1-3)将步骤(1-2)挤出的母粒通过单螺杆挤出机过滤后挤出流延，之后进行冷却、定型、拉伸、测厚、电晕处理；
单螺杆挤出温度为130-150℃，口模温度为155℃；
拉伸倍率为1.2-1.8倍；膜厚度为150-350μm。
9.根据权利要求7所述的生物可降解智能透水保湿膜的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述的淀粉改性丙烯酸酯自交联乳液的制备方法包括：
(i)将部分丙烯酸类或丙烯酸酯类单体、部分乳化剂、可溶性淀粉、缓冲剂加入部分水中，得到打底液；
(ii)将部分乳化剂、木质素磺酸盐、交联单体、硅烷偶联剂、剩余丙烯酸类或丙烯酸酯类单体加入部分水中，乳化成稳定的预乳液；
(iii)待打底液蓝光出现后，向打底液中滴加预乳液；
滴加温度为40-70℃，滴加时间为3-4h；滴加完后升温到50-70℃，保温0.5-2h；
滴加预乳液过程中同步滴加过硫酸铵/亚硫酸氢钠引发体系A；
(iv)步骤(iii)反应结束后，分两次滴加叔丁基过氧化/抗坏血酸引发体系B，并50-70℃保温0.5-2h，冷却后得到淀粉改性丙烯酸酯自交联乳液。
10.一种生物可降解智能透水保湿膜边坡生态修复或恢复、园林绿化、农业生产中的应用，其特征在于，所述的生物可降解智能透水保湿膜为如权利要求1-6任一项所述的生物可降解智能透水保湿膜。
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