CN113355103A - 一种沙漠造林保水用多孔材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种沙漠造林保水用多孔材料及其制备方法，属于沙漠保水技术领域。具体公开了原料包括：丙烯酸、十六烷基二甲基苄基氯化铵、无机物、表面活性剂和致孔剂；制备方法为：先利用表面活性剂对无机物进行改性，然后将其与十六烷基二甲基苄基氯化铵以及致孔剂加入丙烯酸盐体系中，在保护性气氛中进行高能电子束辐照，将得到的聚合物干燥至恒重，即得多孔保水材料。本发明的原料种类简单、安全无害，在数秒内即可完成反应，制备方法简单、可控，材料的保水效果优异，可实现超强吸水，能够满足极度缺水沙漠地区的应用需求。

Description

一种沙漠造林保水用多孔材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及沙漠地区造林保水技术领域，特别是涉及一种沙漠造林保水用多孔材料及其制备方法。
背景技术
防止水资源流失、节水保水是提高沙漠地区植树造林植株成活率所必须要解决的问题。
目前，国内外在解决沙漠地区水资源相关问题时，主要采用的吸水材料为高吸水树脂，高吸水树脂主要具备两个特性：1.高吸水性，可以在短时间内吸收自身重量上千倍的水；2.可缓慢释放所吸收的水分。上述两个特性能防止灌溉水的快速渗漏和蒸发，提高植物的成活率。但目前高吸水树脂材料存在的主要问题是：使用过程中仍有大量灌溉水渗漏，材料的吸水保水效果仍有待改善。
乳液聚合法和悬浮聚合法是目前保水材料的主要生产方法，但上述方法在制备时需要通过交联剂、引发剂等组分来实现聚合，从而不可避免的存在反应周期长的缺点。同时，上述方法还存在组分复杂的问题，尤其是其中的引发剂和交联剂多为有毒有害物质，在吸水材料中的残留还会在材料实际应用过程中对环境造成危害。
基于上述现状，提供一种组分简单、安全，制备方法便捷且吸水保水效果优异的保水材料，对于沙漠地区的植树造林及保水工作具有极为重要的意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种沙漠造林保水用多孔材料及其制备方法，以解决上述现有技术存在的问题，使保水材料的组分简单、安全，制备方法简单、可控，并且保水效果优异。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明的技术方案之一是提供一种多孔保水材料，原料包括以下质量份的组分：
丙烯酸100份、十六烷基二甲基苄基氯化铵0.5-1.8份、无机物1-1.3份、表面活性剂0.01-0.04份和致孔剂0.3-1.4份；
所述无机物为陶土、硅灰石、硅藻土、黄土或粉煤灰中的一种或多种的混合物。
进一步地，原料包括以下质量份的组分：
丙烯酸100份、十六烷基二甲基苄基氯化铵0.5份、无机物1份、表面活性剂0.04份和致孔剂0.3份。
进一步地，所述表面活性剂为硅烷表面活性剂或磷酸酯表面活性剂。
进一步地，所述致孔剂为聚乙烯吡咯烷酮或聚氨酯。
本发明的技术方案之二是提供一种上述多孔保水材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将无机物与表面活性剂在125-135℃条件下，搅拌反应8-15min，得到物料A；
(2)利用碱溶液中和丙烯酸至pH为5.5-6，然后加入所述物料A、十六烷基二甲基苄基氯化铵以及致孔剂，在保护性气氛中进行高能电子束辐照；
(3)辐照结束后，将得到的聚合物干燥至恒重，即得多孔保水材料。
进一步地，所述碱溶液为氢氧化钠水溶液。
进一步地，所述保护性气氛为氮气或氩气气氛。
进一步地，所述高能电子束辐照的辐照剂量为18-30kGy。
本发明的技术方案之三是提供上述多孔保水材料在沙漠保水中的应用。
本发明的多孔材料在应用过程中，当降水或者灌溉时，可以实现超强的水分吸收，且保证水分缓慢释放，属于超强吸水保水材料，应用于极度缺水的沙漠地区中，可满足植株生长过程中对水分的长期需求，提高沙漠地区植株成活率。
本发明公开了以下技术效果：
1.本发明首先利用表面活性剂对粒子表面富含羟基的亲水无机矿物进行疏水改性，使得无机矿物粒子表面的羟基与表面活性剂的亲水基发生键合，从而将表面活性剂另一端的疏水基团引入，赋予无机矿物材料疏水、防渗性能，保证产品的优异保水效果。
2.本发明采用高能电子束辐照技术制备多孔保水材料，反应过程仅需数秒即可完成，聚合单体可以直接参与反应，且无需进行低温预冻处理，仅需控制辐照能量即可；高能电子束的能量可以促使单体双键断裂，因此无需外加交联剂和引发剂，且实现的保水效果更加优异，同时避免了有毒有害交联剂和引发剂导致的环境污染问题，同时制备过程可控性强，工艺难度低。
3.本发明在加入致孔剂的同时，还加入了十六烷基二甲基苄基氯化铵，经高能电子束辐照，致孔剂与十六烷基二甲基苄基氯化铵共同作用，在形成多孔结构的基础上，十六烷基二甲基苄基氯化铵还能够通过插层作用将松散的无机矿物颗粒黏结在一起进行固结，保证后续制备得到保水效果优异、结构稳定的多孔保水材料。
4.本发明原料种类简单、安全无害，同时制备方法简单，保水效果优异，可实现超强吸水，能够满足极度缺水沙漠地区的应用需求，提高植株成活率。
具体实施方式
现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。
应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。
在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见的。本发明说明书和实施例仅是示例性的。
关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
本发明中所述的“份”如无特别说明，均按质量份计。
本发明实施例所用无机物为陶土、硅灰石、硅藻土、黄土或粉煤灰中的一种或多种的混合物。
表面活性剂为硅烷表面活性剂或磷酸酯表面活性剂。
致孔剂为聚乙烯吡咯烷酮(PVP)或聚氨酯(PU)。
实施例1
一种沙漠保水用多孔材料，原料包括以下质量份的组分：
丙烯酸100份、十六烷基二甲基苄基氯化铵0.5份、无机物1份、表面活性剂0.04份和致孔剂0.3份。
所用无机物为黄土；所用表面活性剂为γ-缩水甘油醚氧基丙基三甲氧基硅烷；所用致孔剂为聚乙烯吡咯烷酮。
沙漠保水用多孔材料的制备过程如下：
(1)将无机物与表面活性剂在125℃条件下，搅拌反应8min，得到物料A；
(2)称取丙烯酸于烧杯中，缓慢加入氢氧化钠溶液进行中和，至溶液体系pH为6，然后将溶液转移至氮气环境中，按照原料配比加入物料A、十六烷基二甲基苄基氯化铵以及致孔剂，搅拌均匀，进行高能电子束辐照，辐照剂量为18kGy。
(3)将辐照后得到的聚合物干燥至恒重，粉碎，即得沙漠保水用多孔材料。
实施例2
一种沙漠保水用多孔材料，原料包括以下质量份的组分：
丙烯酸100份、十六烷基二甲基苄基氯化铵1.6份、无机物1.2份、表面活性剂0.01份和致孔剂1.2份。
所用无机物为陶土、硅灰石、黄土等质量比的混合物；所用表面活性剂为聚氧乙烯单烷基磷酸酯；所用致孔剂为聚氨酯。
沙漠保水用多孔材料的制备过程如下：
(1)将无机物与表面活性剂在130℃条件下，搅拌反应15min，得到物料A；
(2)称取丙烯酸于烧杯中，缓慢加入氢氧化钠溶液进行中和，至溶液体系pH为5.5，然后将溶液转移至氮气环境中，按照原料配比加入物料A、十六烷基二甲基苄基氯化铵以及致孔剂，搅拌均匀，进行高能电子束辐照，辐照剂量为30kGy。
(3)将辐照后得到的聚合物干燥至恒重，粉碎，即得沙漠保水用多孔材料。
实施例3
一种沙漠保水用多孔材料，原料包括以下质量份的组分：
丙烯酸100份、十六烷基二甲基苄基氯化铵1.8份、无机物1.3份、表面活性剂0.02份和致孔剂1.4份。
所用无机物为粉煤灰、黄土按照质量比1:2组成的混合物；所用表面活性剂为γ-缩水甘油醚氧基丙基三甲氧基硅烷；所用致孔剂为聚氨酯。
沙漠保水用多孔材料的制备过程如下：
(1)将无机物与表面活性剂在135℃条件下，搅拌反应13min，得到物料A；
(2)称取丙烯酸于烧杯中，缓慢加入氢氧化钠溶液进行中和，至溶液体系pH为6，然后将溶液转移至氮气环境中，按照原料配比加入物料A、十六烷基二甲基苄基氯化铵以及致孔剂，搅拌均匀，进行高能电子束辐照，辐照剂量为25kGy。
(3)将辐照后得到的聚合物干燥至恒重，粉碎，即得沙漠保水用多孔材料。
实施例4
一种沙漠保水用多孔材料，原料包括以下质量份的组分：
丙烯酸100份、十六烷基二甲基苄基氯化铵1.1份、无机物1.1份、表面活性剂0.03份和致孔剂0.5份。
所用无机物为粉煤灰；所用表面活性剂为月桂醇醚磷酸酯钾；所用致孔剂为聚乙烯吡咯烷酮。
沙漠保水用多孔材料的制备过程如下：
(1)将无机物与表面活性剂在128℃条件下，搅拌反应10min，得到物料A；
(2)称取丙烯酸于烧杯中，缓慢加入氢氧化钠溶液进行中和，至溶液体系pH为5.5，然后将溶液转移至氮气环境中，按照原料配比加入物料A、十六烷基二甲基苄基氯化铵以及致孔剂，搅拌均匀，进行高能电子束辐照，辐照剂量为20kGy。
(3)将辐照后得到的聚合物干燥至恒重，粉碎，即得沙漠保水用多孔材料。
对比例1
同实施例1，区别在于无机物不经步骤(1)的表面活性剂处理。
对比例2
同实施例1，区别在于不添加十六烷基二甲基苄基氯化铵。
对比例3
同实施例1，区别在于采用常规交联剂乙二醇二缩水甘油醚和引发剂过硫酸铵进行聚合。本对比例反应聚合的时间为5h。
对实施例1-4及对比例1-3制备得到的多孔保水材料进行吸水性能测试和吸液性能测试，测试方法如下：
1.吸水性能(Q水)的测定：
准确称量保水材料试样，置于烧杯中，加入去离子水，在室温下静置4h后，用100目金属网过滤1h，除去多余的去离子水，称重。
吸水率的计算公式如式(1)所示：
Figure BDA0003136274420000081
式(1)中，Q水为吸水率，单位为g/g；
W0为保水材料吸水前重量，单位为g；
W1为保水材料吸水后重量，单位为g；
2.吸液性能(Q盐)的测定：
准确称量保水材料试样，置于烧杯中，加入0.9％的氯化钠溶液，在室温下静置4h后，用100目金属网过滤1h，除去多余的水溶液，称重。
吸液率的计算公式如式(2)所示：
Figure BDA0003136274420000091
式(2)中，Q盐为吸液率，单位为g/g；
W0为保水材料吸液前重量，单位为g；
W1为保水材料吸液后重量，单位为g；
各保水材料的吸水性能测试和吸液性能测试结果如表1所示：
表1
组别 吸水率(g/g) 吸液率(g/g)
实施例1 951 93
实施例2 853 86
实施例3 756 78
实施例4 802 81
对比例1 329 38
对比例2 341 41
对比例3 362 45
本发明制备的沙漠用多孔保水材料不仅具有超强的吸水保水性能，同时还能实现水分的缓慢释放，吸水至饱和的保水材料在沙漠地区的释放时间可达95-100天。
在沙漠干旱地区进行防风固沙林实验，在使用了本发明的多孔保水材料后，苗木的成活率提高了30-35％。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种多孔保水材料，其特征在于，原料包括以下质量份的组分：
丙烯酸100份、十六烷基二甲基苄基氯化铵0.5-1.8份、无机物1-1.3份、表面活性剂0.01-0.04份和致孔剂0.3-1.4份；
所述无机物为陶土、硅灰石、硅藻土、黄土或粉煤灰中的一种或多种的混合物。
2.根据权利要求1所述的多孔保水材料，其特征在于，原料包括以下质量份的组分：
丙烯酸100份、十六烷基二甲基苄基氯化铵0.5份、无机物1份、表面活性剂0.04份和致孔剂0.3份。
3.根据权利要求1所述的多孔保水材料，其特征在于，所述表面活性剂为硅烷表面活性剂或磷酸酯表面活性剂。
4.根据权利要求1所述的多孔保水材料，其特征在于，所述致孔剂为聚乙烯吡咯烷酮或聚氨酯。
5.根据权利要求1-4任一项所述的多孔保水材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将无机物与表面活性剂在125-135℃条件下，搅拌反应8-15min，得到物料A；
(2)利用碱溶液中和丙烯酸至pH为5.5-6，然后加入所述物料A、十六烷基二甲基苄基氯化铵以及致孔剂，在保护性气氛中进行高能电子束辐照；
(3)辐照结束后，将得到的聚合物干燥至恒重，即得多孔保水材料。
6.根据权利要求5所述的多孔保水材料的制备方法，其特征在于，所述碱溶液为氢氧化钠水溶液。
7.根据权利要求5所述的多孔保水材料的制备方法，其特征在于，所述保护性气氛为氮气或氩气气氛。
8.根据权利要求5所述的多孔保水材料的制备方法，其特征在于，所述高能电子束辐照的辐照剂量为18-30kGy。
9.如权利要求1-4任一项所述的多孔保水材料在沙漠保水中的应用。
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