CN114752391A - 一种保水材料及其制备方法和在土壤保湿方面的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种保水材料及其制备方法和在土壤保湿方面的应用，属于材料制备技术领域。该保水材料包括以下质量份原料：改性煤矸石20‑30份，羧甲基纤维素15‑18份，磷酸镁水泥7‑12份，壳聚糖6‑10份，蒙脱土5‑7份。本发明制备的保水材料保水性能好，成本低，可在农林业大力推广。
Description
技术领域
本发明属于材料制备技术领域，具体涉及一种保水材料及其制备方法和在土壤保湿方面的应用。
背景技术
农林用水占总用水量比例很大，浪费也很严重，尤其是设施用水更多，所以农林节水至关重要。现在普遍采用的工程节水措施取得了很好的效果，而农林节水既经济又方便，也受到重视，许多地区使用抗旱保水剂这种农林节水方法来提高水分利用率，取得了较好的节水效果，同时能够促进一些作物的生长发育。目前保水剂从原料来源上主要分为合成类和半合成类，应用比较广泛，但是仍然存在成本高、耐盐碱性较差以及保水率低的问题，这些因素已经成为制约保水剂在农、林业中大面积推广应用的瓶颈问题。
因此，如何开发一种价格低廉、具有良好耐盐碱性以及保水率高的材料是目前亟需解决的问题。
发明内容
针对目前现有技术存在的缺陷，本发明提供一种保水材料及其制备方法和在土壤保湿方面的应用。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种保水材料，包括以下质量份原料：改性煤矸石20-30份，羧甲基纤维素15-18份，磷酸镁水泥7-12份，壳聚糖6-10份，蒙脱土 5-7份。
进一步地，所述羧甲基纤维素与壳聚糖的质量比为(1-2)：1。
进一步地，所述改性煤矸石与磷酸镁水泥的质量比为1： (0.1-0.5)。
本发明还提供一种保水材料的制备方法，包括以下步骤：
1)将改性煤矸石与磷酸镁水泥混合，加水搅拌，得到混合物；
2)将羧甲基纤维素加入水中加热处理，得到透明溶液，在透明液体中依次加入步骤1)得到的混合物、壳聚糖以及蒙脱土，搅拌，即得到保水材料。
进一步地，步骤1)中改性煤矸石的制备方法为：将煤矸石在 450-500℃焙烧10-20min，冷却后粉碎，得到改性煤矸石。
进一步地，所述改性煤矸石粒径为1-5mm。
进一步地，步骤1)中所述混合物的料液比为1:(0.02-0.08)。
进一步地，步骤2)中所述羧甲基纤维素与水的质量比为1：(5-6)。
进一步地，步骤2)中所述加热处理温度为50-60℃，时间为 5-8min。
本发明还提供一种保水材料在土壤保湿材料方面的应用。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
煤矸石的主要成分是SiO2和Al2O3，在高温焙烧阶段，硅酸盐、硅铝酸盐发生脱水，导致其中含有的碳体积发生膨胀，呈现蜂窝状的表面，微孔增多，提高孔隙率，提高了吸附性能，其中的氧化铝转变为活性γ-氧化铝，同时一部分由晶相变为非晶相，内能更高，焙烧能最大程度破坏硅晶格，提高硅的活性，从而提高表面能。将经过焙烧的煤矸石与磷酸镁水泥混合，利用磷酸镁水泥浆体的流动性和粘结性能，在煤矸石表面形成紧密的薄层，在保持粘结性能的同时，进一步形成足够多的孔隙，且不易堵孔，使煤矸石形成多层孔隙结构的物质，可进一步增大内部存储空间，从而提高吸附性能。
羧甲基纤维素在水中可以吸水溶胀，还有生物降解性能，降解产物对环境友好，壳聚糖是一种聚阳离子多糖，由甲壳素经脱乙酰化而得，具有良好的生物相容性和降解性，羧甲基纤维素为阴离子聚合物，与阳离子聚合物壳聚糖聚合，得到的聚合物分子链上均含有大量的亲水基团，如羟基、氨基、乙酰氨基等，使得到的材料具有高吸水保水性能。并且羧甲基纤维素还会进一步与改性煤矸石反应，提高煤矸石的强度，使其可以较好的维持多层孔隙结构，不会轻易被外界破坏而失去保水能力。羧甲基纤维素与壳聚糖反应后的物质粘附在多层孔隙结构外层，在外层大量吸水的同时可以很好的储存在多层结构的内容空间，进一步增强了吸水保水能力。
蒙脱土具有价格低廉、亲水性好的优势，将其作为保水材料可以进一步降低成本，提高吸水性能，羧甲基纤维素的存在还可以提高蒙脱土在保水材料中的分散稳定性，使得到的保水材料对土壤具有高持水性和通气性，也避免了由于分散性不好导致的团聚现象而引发出堵塞煤矸石的孔隙的风险。
本发明使用的原料易得，成本低。
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。本申请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。
本发明提供一种保水材料，包括以下质量份原料：改性煤矸石 20-30份，羧甲基纤维素15-18份，磷酸镁水泥7-12份，壳聚糖6-10 份，蒙脱土5-7份。
所述羧甲基纤维素与壳聚糖的质量比为:(1-2)：1。
所述改性煤矸石与磷酸镁水泥的质量比为1：(0.1-0.5)。
本发明还提供一种保水材料的制备方法，包括以下步骤：
1)将改性煤矸石与磷酸镁水泥混合，加水搅拌，得到混合物；
2)将羧甲基纤维素加入水中加热处理，得到透明溶液，在透明液体中依次加入步骤1)得到的混合物、壳聚糖以及蒙脱土，搅拌，即得到保水材料。
步骤1)中改性煤矸石的制备方法为：将煤矸石在450-500℃焙烧10-20min，冷却后粉碎，得到改性煤矸石。
所述改性煤矸石粒径为1-5mm。
步骤1)中所述混合物的料液比为1:(0.02-0.08)。
步骤2)中所述羧甲基纤维素与水的质量比为1：(5-6)。
步骤2)中所述加热处理温度为50-60℃，时间为5-8min。
本发明严格控制各原料比例，使其用量足以和多种物质反应，如煤矸石在于磷酸镁水泥反应的同时，还要有多余的部分与羧甲基纤维素进行反应，羧甲基纤维素与壳聚糖反应的同时还需要与蒙脱土反应，这种用量的控制可得到多种功能为一体的保水材料，提高保水性能。
本发明所用煤矸石购自临澧鑫众钙业有限公司，羧甲基纤维素购自广州松柏化工有限公司，磷酸镁水泥购自连云港东泰食品配料有限公司，壳聚糖购自江苏久佳生物科技有限公司，蒙脱土购自湖北恒景瑞化工有限公司。
本发明中所述的“份”如无特别说明，均按重量份计。
实施例1
改性煤矸石25份，羧甲基纤维素16份，磷酸镁水泥10份，壳聚糖8份，蒙脱土6份。
羧甲基纤维素与壳聚糖的质量比为:2：1；
改性煤矸石与磷酸镁水泥的质量比为1：0.4。
制备方法：
1)改性煤矸石的制备：将煤矸石在480℃焙烧15min，冷却后粉碎，得到粒径为1-5mm的改性煤矸石；
2)将得到的改性煤矸石与磷酸镁水泥混合，按照料液比1:0.06 的比例加水，搅拌，得到混合物；
3)按照羧甲基纤维素与水的质量比为1:5的比例混合，在55℃条件下加热6min，得到透明溶液；
4)将透明溶液、壳聚糖和蒙脱土混合，搅拌，冷却，干燥，得到保水材料。
实施例2
改性煤矸石20份，羧甲基纤维素18份，磷酸镁水泥10份，壳聚糖10份，蒙脱土5份。
羧甲基纤维素与壳聚糖的质量比为:1.8：1；
改性煤矸石与磷酸镁水泥的质量比为1：0.5。
制备方法：
1)改性煤矸石的制备：将煤矸石在500℃焙烧10min，冷却后粉碎，得到粒径为1-5mm的改性煤矸石；
2)将得到的改性煤矸石与磷酸镁水泥混合，按照料液比1:0.08 的比例加水，搅拌，得到混合物；
3)按照羧甲基纤维素与水的质量比为1:5的比例混合，在50℃条件下加热8min，得到透明溶液；
4)将透明溶液、壳聚糖和蒙脱土混合，搅拌，冷却，干燥，得到保水材料。
实施例3
改性煤矸石30份，羧甲基纤维素15份，磷酸镁水泥12份，壳聚糖9份，蒙脱土7份。
羧甲基纤维素与壳聚糖的质量比为:1.7：1；
改性煤矸石与磷酸镁水泥的质量比为1：0.4。
制备方法：
1)改性煤矸石的制备：将煤矸石在450℃焙烧20min，冷却后粉碎，得到粒径为1-5mm的改性煤矸石；
2)将得到的改性煤矸石与磷酸镁水泥混合，按照料液比1:0.02 的比例加水，搅拌，得到混合物；
3)按照羧甲基纤维素与水的质量比为1:6的比例混合，在60℃条件下加热5min，得到透明溶液；
4)将透明溶液、壳聚糖和蒙脱土混合，搅拌，冷却，干燥，得到保水材料。
对比例1
同实施例1，区别在于，将改性煤矸石替换成煤矸石。
对比例2
同实施例1，区别在于，不添加磷酸镁水泥。
对比例3
同实施例1，区别在于，不添加羧甲基纤维素。
对比例4
同实施例1，区别在于，不添加羧甲基纤维素和壳聚糖。
对比例5
同实施例1，区别在于，不添加蒙脱土。
试验例1
将实施例1-3和对比例1-5制备的保水材料按照0.05mg/cm3的比例加入土壤中，对照组不进行任何处理，试验区为40cm×40cm×40cm 的方形小坑，灌水量为土壤达到饱和含水率时停止灌水(水面下降不明显时)，经过20天后对保水材料和掺入保水材料的土壤进行性能测试，土壤持水量测试时取坑内20-40cm的土壤进行测试。试验重复 3次，将平均结果进行记录，结果如表1所示。
表1
通过表1可以看出，本发明实施例1-3制备的保水材料保水率高，且具有一定的抗压强度，结构不会轻易被破坏，而对比例1-5未按照本发明配方及方法制备的保水材料保水性能下降明显，说明本发明中各原料之间存在相互作用，发挥出其自身性能的同时，还能优化其他原料的性能。施用本发明制备的保水材料的土壤经过20天后的持水量测试后发现，土壤持水量最高可达27％，而未施用任何保水材料的对照组的土壤持水量仅为2％，由此说明本发明制备的保水材料保水、透水性能强，且具有缓释作用，可在20天后还保持土壤湿润状态，可大量推广使用。而且本发明使用的原料不仅可以作为保水材料，还可以改善土壤性质，在应用于农林领域时，可促进农作物生长。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种保水材料，其特征在于，包括以下质量份原料：改性煤矸石20-30份，羧甲基纤维素15-18份，磷酸镁水泥7-12份，壳聚糖6-10份，蒙脱土5-7份。
2.根据权利要求1所述的保水材料，其特征在于，所述羧甲基纤维素与壳聚糖的质量比为(1-2)：1。
3.根据权利要求1所述的保水材料，其特征在于，所述改性煤矸石与磷酸镁水泥的质量比为1：(0.1-0.5)。
4.一种如权利要求1-3任一项所述的保水材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将改性煤矸石与磷酸镁水泥混合，加水搅拌，得到混合物；
2)将羧甲基纤维素加入水中加热处理，得到透明溶液，在透明液体中依次加入步骤1)得到的混合物、壳聚糖以及蒙脱土，搅拌，即得到保水材料。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中改性煤矸石的制备方法为：将煤矸石在450-500℃焙烧10-20min，冷却后粉碎，得到改性煤矸石。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述改性煤矸石粒径为1-5mm。
7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中所述混合物的料液比为1:(0.02-0.08)。
8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤2)中所述羧甲基纤维素与水的质量比为1：(5-6)。
9.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤2)中所述加热处理温度为50-60℃，时间为5-8min。
10.一种如权利要求1-3任一项所述的保水材料作为土壤保湿材料的应用。
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