CN114059231A - 一种复合纤维毡材料及其制备方法与应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合纤维毡材料及其制备方法与应用，复合纤维毡材料的制备原料包括以下组分的一种或几种的任意组合：秸秆、食品垃圾、油田页岩、工业废渣、矿物原料、城市垃圾，在该复合纤维毡材料的一个毡面附有疏水层，另一个毡面附有亲水层。制备方法为首先将制备原料干燥后进行粉碎，得到粉碎料；其次将粉碎料进行加热处理，加热处理后得到未融化的晶态和非晶态的混合物；然后将步骤2得到的混合物压制成毡，在上下两个毡面的其中一个毡面上喷射憎水剂，另一个毡面上喷射亲水剂，得到复合纤维毡材料。本发明提供的材料能够很好的应用于土壤中，用来改善土壤墒情。

Description

一种复合纤维毡材料及其制备方法与应用

技术领域

本发明属于纤维复合材料制备技术领域，具体涉及一种复合纤维毡材料及其制备方法与应用。

背景技术

在干旱、半干旱地区，夏季地表温度高于气温（3～5m高处）的1.5倍～2倍，当气温30℃左右时，地表温度达60℃，在冬季阳光直射处地表温度也高于空气温度5～8℃，该地区土壤贫瘠，植被稀疏，风沙肆虐，根本原因是空气中相对湿度较低，而土壤中蒸发量大，降水量少。目前在干旱、半干旱地区的绿化工程中，都是栽种树苗以后定期浇水灌溉，而水分被植物及收部分不足50%，其余水分都被蒸发（含土壤吸收以后蒸发，不含植物自身蒸发和光合作用），现有技术中，并没有很好地手段来改善土壤墒情，尤其是干旱、半干旱地区的土壤墒情的改善仍然是一个破待解决的问题。

发明内容

本发明是一种以加工餐厨垃圾和油田页岩等为原材料经加工，涂覆憎水剂和亲水剂，利用可再生能源吸取空气中水分和吸收量的矿物纤维毡改善土壤中水分蒸发量，改善土壤伤情并增加土壤肥力的技术。从而改善水分少，而蒸发量大，植被稀缺，土壤缺乏肥力的干旱、半干旱地区土壤种植条件的技术。

一种复合纤维毡材料，其制备原料包括以下组分的一种或几种的任意组合：秸秆、食品垃圾、油田页岩、工业废渣、矿物原料、城市垃圾，在该复合纤维毡材料的一个毡面附有疏水层，另一个毡面附有亲水层。

以上所述的复合纤维毡材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，将制备原料干燥后进行粉碎，得到粉碎料；

步骤2，将粉碎料进行加热处理，加热处理后得到未融化的晶态和非晶态的混合物；

步骤3，将步骤2得到的混合物压制成毡，在上下两个毡面的其中一个毡面上喷射憎水剂，另一个毡面上喷射亲水剂，得到复合纤维毡材料。

进一步地，以上所述的复合纤维毡材料的制备方法，步骤1中干燥后的纤维源物料的含水量小于5%。

进一步地，以上所述的复合纤维毡材料的制备方法，步骤2中加热处理的温度为150℃～300℃。

进一步地，以上所述的复合纤维毡材料的制备方法，步骤2中加热处理过程在加压条件下进行。

一种复合纤维毡材料制备系统，包括原料传送设备、熔制设备和出料输送带，其中原料传送设备的传送出口设置在熔制设备的进料口处，输送熔制设备内部设置有搅拌器，熔制设备的材料出口设置出料输送带，出料输送带上方设置第一喷射器，出料输送带出料末端的下方设置第二喷射器。

进一步地，以上所述的输送的复合纤维毡材料制备系统，其特征在于，进料口设置有进料漏斗，进料漏斗上设置有进料阀。

进一步地，以上所述的复合纤维毡材料制备系统，原料传送设备为传送带，熔制设备为熔制炉。

进一步地，所述的复合纤维毡材料制备系统，熔制设备还连接空压机，所述空压机与所述熔制设备内部连通。

以上所述的复合纤维毡材料在改善土壤墒情中的应用，方式如下：

（1）将复合纤维毡材料铺设于土壤表面，附有疏水涂层的毡面与土壤接触；

（2）在复合纤维毡材料上方设置通风管道，通风管道的入口和出口均贴近所述复合纤维毡材料设置，管身向上延伸，且使得管身最高处与通风管道入口处由于存在高度差而产生相应的空气温差；

（3）在通风管道入口处设置风机，通过风机向通风管道内部引入空气，调节引入空气流速，使得空气在通风管道中流通过程中由于通风管道入口与管身最高处存在温差进而使得空气中的水汽凝结、聚集，并随管壁经通风管道的出口流出并引入土壤内部。

本发明熔制温度按照制备原料的特性可以控制在150℃～300℃，原料成未融化的晶态和非晶态混合，保持了部分有机物不被分解，又可形成直径1㎝左右在自然环境中易于分解和易于植物吸收的纤维。本发明复合纤维毡材料与玻璃废料不同，烧成温度低于玻璃熔融温度是一种玻璃态和晶态的混合物，这种产品较玻璃废料更易分解、改善、增强土壤肥力。

本发明中产品的原料为食品垃圾、城市垃圾、工业废料及矿物原料，产品用途与现有的岩矿棉的用途完全不同，是一种改善土壤墒情的毡材及配套技术。城市垃圾可选取餐厨垃圾，如菜蔬、果皮、动物骨骼及树叶等，工业废渣如矿渣等。

除油田页岩和餐厨垃圾外，本发明的原料可以为所改变的土壤土质增添其他成分。其中在加温过程中，油田页岩中的部分油料燃烧，根据0.1吨油/吨岩的比例3Mpa、300℃左右是页岩油的燃烧温度，低位发热量≥2000kJ/kg，根据0.1吨油/吨岩的比例原料中20%～50%油田页岩组分的发热量可以保持熔制炉中的原料水分蒸发，部分原料成半粘状。

油田页岩是地质时代各类生物遗体，茎叶与腐泥混合的产物主要成分是有机质、矿物质和水分。

在本发明中，将地质年代的油田页岩与目前以有机质为主体的餐厨来及混合加工成为一种含有类似肥沃土壤的碳质毡材。

本发明中将油田页岩矿物资源与其成分类似的食品垃圾混合加工既有利于城市垃圾的处理，油田页岩的开发，又可用于土壤保育。

本发明提供的制备体系中，半熔态的原料流股经熔制炉出口成纤，由输送带成毡输送。

本发明提供的复合纤维毡材料可以达到混合料纤维直径1～2㎝，毡宽0.5～2m，厚2～6㎝，长30m成卷，毡材尺寸可按需求调整。

本发明制备方法中，制备原料干燥可以采用干燥炉，进一步可以采用太阳能干燥炉，将已经粉碎的制备原料放入太阳能干燥炉去除其中的游离水分和吸附水分，干燥食品垃圾等进入大型太阳能干燥炉中进行干燥，使物料中的水分逐步汽化并扩散到空气中去，最终达到干燥的目的。可以依处理量的多少选择温室型和集热器型太阳能干燥器。干燥器温度保持在50℃～80℃，干燥后的物料中含水率降到5%以下，试验证明含有较高氮素，很多高油、高纤维素难以降解物质在现有的堆肥等技术中，这部分养分难以利用或成NH₃散发，在本发明中，将餐厨垃圾稍干燥加热能保持部分养分，部分转化为热能燃烧，这一温度可以降低水分，但仍大程度保持有机组分。

土壤肥力的氧化物避免放射性物质造成土壤污染的重金属氧化物。物料放入粉碎机中粉碎，使其颗粒直径小于2㎝。

在食品垃圾中，含有10%～40%的水分，长期堆放会分解产生臭味，污染空气和水。干燥后的粉碎物与垃圾发电废渣，油田页岩颗粒等其他工业矿渣、矿石原料混合后加入熔制炉。

本发明中毡厚度可在5～20㎝，在铺毡过程中加入水，在成毡过程中喷射亲水剂，亲水剂可以为质量百分比0.3%～1%的有效含量，亲水剂中不含有APEO、重金属离子以及含氟化合物，对环境友好，毡的另一面喷射憎水剂用量为粘接剂材料的3%～5%，可采用功能性有机硅水溶液等，性能稳定。本发明中采用的亲水剂，要求可以吸引水分子，但不溶解于水，在岩矿棉纤维表面的浸润角θ≤90°。

本发明中可采用网格布起到包装、运输、施工铺设作用。网格向上产品的一面，纤维直径2～8㎜，网格3～8㎝，向下接触土壤的一面直径2～8㎜，网格0.2～2㎝×0.5～2㎝。可用玻纤织物，也可使用以破碎窗玻璃或瓶玻璃为原料的A玻璃纤维成分。

A玻璃纤维不耐水浸，易腐蚀破碎，在本发明中利用这种特点，不要求纤维强度和耐久性，毡材铺放以后网格布可与其他材料逐步成为土壤表层的组成部分。A玻璃纤维组分SiO₂、CaO、Al₂O₃、是土壤常见成分，Na₂O+K₂O含量可以是15%～25%。对土壤中容重100～200kg/m³的纤维导热系数0.05～0.08W/m·K。

本发明提供的复合纤维毡材料中的纤维与现在流行的用于增强基材的无机非金属纤维（如E玻璃纤维、C玻璃纤维、碳纤维、凯夫拉纤维、玄武岩纤维等）用途不同，主要用于土壤的保育、改良，纤维不要求长期强度和时效，目的是在几年以内逐步分解，风化成为覆盖沙土表面上一层含较多养分的土层。

通过设置网格布，可以固定纤维保温层，防止风沙吹刮。

本发明提供的复合纤维毡材料在应用于改善土壤墒情的过程中，其采用三种方式增加土壤中的水分，一是在毡材上表面喷涂亲水剂，空气中的游离水气分子在毡材表面会受到范德华力，氢键结合和双极作用进入毡体，雨雪更易流入并在多孔棉状的毡体内保存。二是毡材底部的憎水剂喷涂憎水剂，憎水剂的功能阻止土壤中的水分蒸发，而在毡材中的水分到一定程度可由预留孔洞流入土壤。三是利用通风管道收集空气中的水分。

本发明提供的复合纤维毡材料在应用于改善土壤墒情的过程中，毡材料相距一定距离交替铺设通风管道（如2～8mm），通风管道可以为金属管道，金属管道的管身最高处设置在距地3～5m处，略带斜倾的水平放置，风机可以由太阳能或风力发电机驱动，空气在管道内流速0.5～2m/s。

本发明提供的复合纤维毡材料在应用于改善土壤墒情的过程中，避免了大量宝贵的浇灌水的直接散发，节省灌溉的次数和水量。下部土壤中的水分也会经接缝蒸发，但是相邻复合接缝与保温毡面积比率很小，接缝处可种植作物。通常种植作物时都要灌溉多次，采用本发明的方式可以明显减少灌溉次数和水量。

在干旱、半干旱地区，夏季地表温度高于气温（3～5m高处）的1.5倍～2倍。当气温30℃左右时，地表温度达60℃，在冬季阳光直射处地表温度也高于空气温度5～8℃。

在本发明中的通风管道热气已经存在上升效应，光电、风电不需很大功率。0.1～1kw/100㎡地表温度与空气温度的变更，引起凝水，通风管道中的凝水沿管道内壁经通风管道出口流入土壤。

本发明利于生态改善，现在干旱、半干旱地区的绿化工程中，都是栽种树苗以后定期浇水灌溉，而水分被植物及收部分不足50%，其余水分都被蒸发（含土壤吸收以后蒸发，不含植物自身蒸发和光合作用），而采用本发明技术应用以后，灌溉水分可以得到高效保温层的作用一是改善原干旱、半干旱地区土壤的表面温度，防止夏季酷热。冬季严寒。二是通过疏水剂吸取并贮存空气中的水分。

永冻土壤（包括湿冻与干冻、土温常年温度低于0℃）、寒冷土壤（年平均温度低于0℃）、寒性土壤（平均温度在0℃～8℃之间）、冷性土壤（温度年平均温度低于8℃）。

对于4类土壤，加本发明提供的复合纤维毡材料可以有效提高土壤（土表以上50㎝）的温度，促进土壤中的水分向上移动。对于年平均温度8℃～15℃的温性土壤，年平均温度15℃～22℃的热性土壤和年平均温度高于22℃的高热土壤，本发明的产品可以阻止土壤因日照引起温度过高，阻离土壤中的水分蒸发。保持土壤温度、保持在较理想范围，并减少波动范围利于植被生长。

本发明提供的复合纤维毡材料在土壤表面覆盖起到保温层作用，改善地表温度，据测算，夏季厚度10cm保温层下温度可较直晒温度下降10℃，而冬季升高5℃以上。在调整水分运动状态同时，也为微生物繁衍提供较好的生存空间。

本发明产品不受地域限制，可以在各城市郊区利用餐厨垃圾，选择工业废料，渗加油田页岩原料，可以节省能耗。

本发明产品在改善由干旱地区土壤伤情，增强土壤肥力方面有很好效果。

在本发明中，熔制炉温度可以为150℃～300℃，这个温度，使餐厨垃圾与其他原料混合粘接，可以减少餐厨垃圾的营养，分解蔬果根叶，农药、水分的蒸发，有些淀粉和蛋白质会糊化、融化，但没有分解碳化，油田页岩发热燃烧小部分油质，绝大部分处于加热状态。毡材基本处于松软状不影响后道卷曲工序。

在本发明中，空气中的水汽基本单向渗入土壤中，据测试在2～3年时间中土壤中的伤情会有较大改善，水分进入逐渐增加的良性循环，土壤中的有机物质，微生物有所增加，部分干荒不宜种植的地区达到草原水平。

在干旱、半干旱地区土壤贫瘠，植被稀疏，风沙肆虐，根本原因是空气中相对湿度较低，而土壤中蒸发量大，降水量少。本专利有助改善或扭转这种恶性循环，与现有的各种方案中利用废料投入较少，成效较好。很多国家和地区通过开荒种植，虽然投入大量资金，但效果并不理想。

本发明提供的复合纤维毡材料在土壤上能大规模地覆盖保育层，通过改善与外界水、气交换改变土壤生态环境的方式可以配合引水灌溉，植树造林等方式改良土壤生态是一个宏大的持续很长时间的系统工程，相比其他技术方案，本发明技术投资较少，主要利用需要处理的垃圾和蕴藏量丰富的油田页岩等矿渣为原料，制成的毡材可以转化为土壤表层，同时有效防止扬尘，逐步改变土壤生态循环，具有长期效果。

附图说明

图1为复合纤维毡材料的制备流程示意图；

图2为复合纤维毡材料制备系统示意图；

图3为复合纤维毡材料在改善土壤墒情中的应用示意图。

以上图2中，1为原料传送设备，2为熔制设备，21为搅拌器，22为进料漏斗，23为进料阀，3为出料输送带，4为第一喷射器，5为第二喷射器，6为空压机。

具体实施方式：

实施例1

一种复合纤维毡材料，其制备原料包括以下重量份的组分：

采用秸秆30份，食品垃圾20份，油田页岩30份，工业废渣10份，剔除不降解的塑料、砖瓦、石坎等杂质。

以上复合纤维毡材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，将制备原料在50℃条件下进行干燥，干燥至含水量为5%左右，然后进行粉碎，得到粉碎料的颗粒直径小于2cm；

步骤2，将粉碎料进行加热处理，加热处理后得到未融化的晶态和非晶态的混合物；

步骤3，将步骤2得到的混合物制成毡形，并在上毡面喷洒憎水剂形成疏水层，在下毡面喷洒亲水剂形成亲水层，得到复合纤维毡材料。

实施例2

一种复合纤维毡材料，其制备原料包括以下重量份的组分：

采用秸秆40份，食品垃圾30份，油田页岩45份，剔除不降解的塑料、砖瓦、石坎等杂质。

以上复合纤维毡材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，将制备原料在60℃条件下进行干燥，至含水量小于5%，然后粉碎至颗粒直径小于3cm，得到粉碎料；

步骤2，将粉碎料进行加热处理，加热处理后得到未融化的晶态和非晶态的混合物；

步骤3，将步骤2得到的混合物制成毡形，并在上毡面喷洒憎水剂形成疏水层，在下毡面喷洒亲水剂形成亲水层，得到复合纤维毡材料。

实施例3

一种复合纤维毡材料，其制备原料包括以下重量份的组分：

采用秸秆50份，餐厨垃圾32份，油田页岩30份，岩矿棉25份，剔除不降解的塑料、砖瓦、石坎等杂质。

以上复合纤维毡材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，将制备原料在80℃条件下进行干燥，干燥至含水量为5%左右，然后进行粉碎，得到粉碎料的颗粒直径小于2cm；

步骤2，将粉碎料进行加热处理，并在加热处理过程中保持一定的加压，加热处理后得到未融化的晶态和非晶态的混合物；

步骤3，将步骤2得到的混合物制成毡形，并在上毡面喷洒憎水剂形成疏水层，在下毡面喷洒亲水剂形成亲水层，得到复合纤维毡材料。

实施例4

一种复合纤维毡材料，其制备原料包括以下重量份的组分：

采用秸秆60份，餐厨垃70份，岩矿棉30份，城市垃圾30份，剔除不降解的塑料、砖瓦、石坎等杂质。

以上复合纤维毡材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，将制备原料在80℃条件下进行干燥，干燥至含水量为5%以下，然后进行粉碎，得到粉碎料的颗粒直径小于3cm；

步骤2，将粉碎料进行加热处理，热处理后得到未融化的晶态和非晶态的混合物；

步骤3，将步骤2得到的混合物制成毡形，并在上毡面喷洒憎水剂形成疏水层，在下毡面喷洒亲水剂形成亲水层，得到复合纤维毡材料。

实施例5

本实施例提供一种复合纤维毡材料制备系统，如图2所示，包括原料传送设备1、熔制设备2和出料输送带3，其中原料传送设备1的传送出口设置在熔制设备2的进料口处，输送熔制设备2内部设置有搅拌器21，熔制设备2的材料出口设置出料输送带3，出料输送带3上方设置第一喷射器4，出料输送带3出料末端的下方设置第二喷射器5，其中熔制设备2的进料口设置有进料漏斗22，进料漏斗22上设置有进料阀23，熔制设备2连接空压机6，所述空压机6的输出口与所述熔制设备2内部连通，可为熔制设备2内部输送增压气体。

本实施例提供的复合纤维毡材料制备系统，在制备复合纤维毡材料的过程中，首先制备原料经干燥和粉碎后，经原料传送设备1传送进入熔制设备2中，通过搅拌器21搅拌混合后进行加热处理，根据物料的实际需求可选择利用空压机6进行增压。加热处理后物料形成未融化的晶态和非晶态的混合物，根据粉碎的粒径大小最终得到粒径大小相似的复合纤维，复合纤维经熔制设备2的材料出口送至出料输送带3，形成复合纤维毡材料，可以事先在出料输送带3上铺设网格，将复合纤维毡材料铺至网格上成型，在出料输送带3传输的过程中第一喷射器4和第二喷射器5分别喷洒亲水剂和憎水剂，使得上下两个毡面覆盖上了亲水层和疏水层。

实施例6

将本发明提供的复合纤维毡材料应用于改善土壤墒情中，如图3所示，在土壤表面铺设本发明的复合纤维毡材料，其中疏水层的毡面朝下与土壤接触，亲水层的毡面朝上与空气接触，在复合纤维毡材料上方设置通风管道，通风管道的入口和出口均贴近所述复合纤维毡材料设置，管身向上延伸，且使得管身最高处与通风管道入口处由于存在高度差而产生相应的空气温差；在通风管道入口处设置风机，通过风机向通风管道内部引入空气，调节引入空气流速，使得空气在通风管道中流通过程中由于通风管道入口与管身最高处存在温差进而使得空气中的水汽凝结、聚集，并随管壁经通风管道的出口流出并引入土壤内部。

本发明提供的复合纤维毡材料在半干旱、干旱地区种植树木改善生态时可将其掩盖在树苗四周约1㎡处，起水土保持作用，栽培植物时，浇水后效果更好，也可与植树造林工程共同使用，也可以单独作为改良技术，例如铺设前在本发明提供的复合纤维毡材料中混渗耐旱的草籽树种，同时起改良土壤和绿化作用。由空气中吸取的水分，也会经种植树木留下的位置和两块棉毡的拼接部位流进土壤。

Claims (10)

1.一种复合纤维毡材料，其特征在于，其制备原料包括以下组分的一种或几种的任意组合：秸秆、食品垃圾、油田页岩、工业废渣、矿物原料、城市垃圾，在该复合纤维毡材料的一个毡面附有疏水涂层，另一个毡面附有亲水涂层。

2.权利要求1所述的复合纤维毡材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，将制备原料干燥后进行粉碎，得到粉碎料；

步骤2，将粉碎料进行加热处理，加热处理后得到未融化的晶态和非晶态的混合物；

步骤3，将步骤2得到的混合物成毡，在上下两个毡面的其中一个毡面上喷射憎水剂，另一个毡面上喷射亲水剂，得到复合纤维毡材料。

3.根据权利要求2所述的复合纤维毡材料的制备方法，其特征在于，步骤1中干燥后的纤维源物料的含水量小于5%。

4.根据权利要求1所述的复合纤维毡材料的制备方法，其特征在于，步骤2中加热处理的温度为150℃～300℃。

5.根据权利要求1所述的复合纤维毡材料的制备方法，其特征在于，步骤2中加热处理过程在加压条件下进行。

6.一种复合纤维毡材料制备系统，其特征在于，包括原料传送设备（1）、熔制设备（2）和出料输送带（3），其中原料传送设备（1）的传送出口设置在熔制设备（2）的进料口处，输送熔制设备（2）内部设置有搅拌器（21），熔制设备（2）的材料出口设置出料输送带（3），出料输送带（3）上方设置第一喷射器（4），出料输送带（3）出料末端的下方设置第二喷射器（5）。

7.根据权利要求6所述的复合纤维毡材料制备系统，其特征在于，熔制设备（2）的进料口设置有进料漏斗（22），进料漏斗（22）上设置有进料阀（23）。

8.根据权利要求6所述的复合纤维毡材料制备系统，其特征在于，原料传送设备（1）为传送带，熔制设备（2）为熔制炉。

9.根据权利要求6所述的复合纤维毡材料制备系统，其特征在于，熔制设备（2）还连接空压机（6），所述空压机（6）与所述熔制设备（2）内部连通。

10.权利要求1所述的复合纤维毡材料在改善土壤墒情中的应用，方式如下：

（1）将复合纤维毡材料铺设于土壤表面，附有疏水涂层的毡面与土壤接触；

（2）在复合纤维毡材料上方设置通风管道，通风管道的入口和出口均贴近所述复合纤维毡材料设置，管身向上延伸，且使得管身最高处与通风管道入口处由于存在高度差而产生相应的空气温差；

（3）在通风管道入口处设置风机，通过风机向通风管道内部引入空气，调节引入空气流速，使得空气在通风管道中流通过程中由于通风管道入口与管身最高处存在温差进而使得空气中的水汽凝结、聚集，并随管壁经通风管道的出口流出并引入土壤内部。

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