CN115074135B - 一种固化生物基纤维土及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种固化生物基纤维土及制备方法，属于生态修复技术领域，包括如下重量份原料：固化生物基纤维土包括40‑50份基土、10‑20份生物基添加剂、8‑13份填料、15‑30份植物纤维；所述生物基添加剂包括组分A和组分B。制备方法包括如下步骤：将原料混合搅拌，得到混合料，加入模具中，进行加压成型。本发明中利用了植被防护的优点，制备了一种固化生物基纤维土，该固化生物基纤维土所用的原料均可降解，对环境无污染，弥补了传统工程防护的缺陷，可以对边坡土体的加固，减少水土的流失，提高固化生物基纤维土整体的保水和加固作用，且遵循生态防护的宗旨。

Description

一种固化生物基纤维土及制备方法

技术领域

本发明属于生态修复技术领域，具体地，涉及一种固化生物基纤维土及制备方法。

背景技术

工程建设中大面积的开山、筑堤等破坏了坡体原有的地表情况，这不仅导致水土流失，还会引发形式多样的自然灾害，如坡体发生滑坡、泥石流等，对人类的生命安全和财产均造成了严重的损失。与此同时，破坏了坡体原有的地表情况，更是对生态环境的平衡造成了破坏。

目前，针对水土流失产生的一系列灾害，常见的有工程措施和植被措施。工程措施作为传统的防护方法，主要有喷射混凝土、浆砌块石护坡、设置挡墙等。这些方法虽然对治理水土流失、加固边坡有一定的功效，但弊端较多。不仅需要大量资金的投入，而且，利用建筑材料如混凝土等材料会随着时间的推移，发生风化破坏和老化破坏，即该方法无法从根本上解决环境破坏的问题，且在一定程度上会破坏原有的环境，与绿色生态理念相悖。

发明内容

为了解决背景技术中提到的技术问题，本发明提供一种固化生物基纤维土及制备方法。弥补了传统工程防护的缺陷，既实现了对边坡土体的加固，减少水土的流失，又达到了保护自然环境的目的。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种固化生物基纤维土，包括如下重量份原料：

40-50份基土、10-20份生物基添加剂、8-13份填料、15-30份植物纤维。其中，生物基添加剂包括组分A和组分B，且组分A和组分B的质量比为2：1；生物基添加剂在固化生物基纤维土中起到粘结和保水的作用；组分A和组分B可起到协同配合作用。

所述组分A通过如下步骤制备：

步骤一、将淀粉和去离子水混合，在温度为35℃条件下搅拌，用1mol/L的氢氧化钠溶液调节pH值为9，然后滴加十八烯基琥珀酸酐和异丙醇的混合液，滴加结束后，保持温度不变，继续搅拌4h，然后用盐酸溶液调节pH值为6，用去离子水洗涤至中性，洗涤结束后，在40℃条件下干燥至恒重，粉碎过100目筛，得到改性淀粉；淀粉结构中的羟基与十八烯基琥珀酸酐发生反应，进行改性，引入碳氢长链，赋予改性淀粉的亲水亲油双亲特性，导致螺旋结构的形成受阻，亲水部分可以水分子结合，配合疏水结构的引入降低失水率；提高生物基添加剂在固化生物基纤维土中的保水作用；

步骤二、在温度为20℃条件下，将高碘酸钠和去离子水混合，搅拌分散，然后加入改性淀粉，用盐酸调节pH值为3，保持温度反应6h，反应结束后，用去离子水洗涤至中性，洗涤结束后，在40℃条件下干燥至恒重，粉碎过100目筛，得到组分A。高碘酸钠具有选择性氧化的特性，可以将改性淀粉中葡萄糖环中的邻二醇氧化成二醛基，即经过步骤一种酯化改性在高碘酸钠的作用下发生氧化反应，得到组分A；

进一步地，步骤一中十八烯基琥珀酸酐和异丙醇的混合液的用量比为1g：10mL；淀粉与十八烯基琥珀酸酐和异丙醇的混合液的用量比为1-3g：100mL；步骤二中高碘酸钠、去离子水和改性淀粉的用量比为0.5g：50mL：10g。

进一步地，所述淀粉为玉米淀粉、木薯淀粉中的一种。

进一步地，所述组分B为壳聚糖季铵盐；

所述壳聚糖季铵盐通过如下步骤制备：

在氮气保护条件下，将氨乙基壳聚糖和去离子水混合，升温至60℃，加入过硫酸钾，搅拌分散后加入不饱和季铵盐，升温至70℃，保持温度不变，继续搅拌反应3-4h，反应结束后，用氢氧化钠调节pH值为7，经过过滤、干燥，研磨过50目筛，得到壳聚糖季铵盐。氨乙基的引入壳聚糖中提高了骨架中的氨基含量，氨乙基壳聚糖中的氨基一部分能作为与不饱和季铵盐发生接枝共聚的反应位点，另一部分保留，作为组分B与组分A中的醛基反应，形成席夫碱交联。氨乙基壳聚糖与不饱和季铵盐发生接枝共聚得到壳聚糖季铵盐，其抗菌性更加稳定，在土壤环境中，更有利于抗菌性能的发挥。

进一步地，氨乙基壳聚糖、过硫酸钾、不饱和季铵盐和去离子水的用量比为5g：0.01g：1.8-2g：50mL。

氨乙基壳聚糖的制备：

将1g壳聚糖和0.05mol2-氯乙胺盐酸盐加入去50mL离子水中，用氢氧化钠调节pH值为11，升温至65℃，搅拌20min，然后升温至85℃，搅拌反应16h，反应结束后，经过用去离子水洗涤，经过过滤、干燥，得到氨乙基壳聚糖。

进一步地，不饱和季铵盐通过如下步骤制备：

将0.05mol丙烯酸二甲氨基乙酯和50mL丙酮混合，然后加入0.05mol卤代烃，在温度为30-35℃条件下搅拌反应24h，反应结束后，用乙醚沉淀，再用乙酸乙酯重结晶，得到不饱和季铵盐。

进一步地，所述卤代烃为十二烷基溴、十四烷基溴中的一种。

进一步地，所述填料为蛭石和珍珠岩按照1：2混合而成。蛭石可用作建筑材料、吸附剂、防火绝缘材料、机械润滑剂、土壤改良剂，

蛭石和珍珠岩均具有土壤改良的作用，其中，蛭石具有机械润滑作用，蛭石和珍珠岩相互配合，作为固体填料，提高纤维土的成型后的稳定性，同时作为改善土壤的改良剂，提高土壤质量。

进一步地，所述基土为细沙、黏土和泥炭土按照质量比3：2：1混合而成。

进一步地，植物纤维的长度为10-15mm，直径为0.4±0.2mm，植物纤维来源于植物秸秆、植物根系；其中植物秸秆包括玉米秸秆、小麦秸秆、水稻秸秆中的一种，植物根系为薹草根系。

一种固化生物基纤维土的制备方法，包括如下步骤：

按重量份称取原料，将称取好的原料混合搅拌，得到混合料，将到的混合料加入模具中，进行加压成型，得到一种固化生物基纤维土。

进一步地，加压成型的压力为150-180kg/m²；加压成型的时间为10-20秒。

本发明的有益效果：

为解决现有技术中传统工程措施中存在的缺陷，本发明中利用了植被防护的优点，制备了一种固化生物基纤维土，该固化生物基纤维土所用的原料均可降解，对环境无污染，弥补了传统工程防护的缺陷，既实现了对边坡土体的加固，减少水土的流失，又达到了保护自然环境的目的。

固化生物基纤维土中结合了物理交联和化学交联，其中物理交联主要利用植物纤维中的作物秸秆和植物根系，具有高模量和高强度的特性，可以从一定程度上减轻土体强度低的缺陷；化学交联主要利用生物基添加剂中组分A与组分B的反应；物理交联和化学交联相互配合，对土中的水源起到了涵养的作用，提高固化生物基纤维土整体的保水和加固作用，且遵循生态防护的宗旨。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

制备组分B：

将1g壳聚糖和0.05mol2-氯乙胺盐酸盐加入去50mL离子水中，用氢氧化钠调节pH值为11，升温至65℃，搅拌20min，然后升温至85℃，搅拌反应16h，反应结束后，经过用去离子水洗涤，经过过滤、干燥，得到氨乙基壳聚糖。

将0.05mol丙烯酸二甲氨基乙酯和50mL丙酮混合，然后加入0.05mol十二烷基溴，在温度为30℃条件下搅拌反应24h，反应结束后，用乙醚沉淀，再用乙酸乙酯重结晶，得到不饱和季铵盐。

在氮气保护条件下，将5g氨乙基壳聚糖和50mL去离子水混合，升温至60℃，加入0.01g过硫酸钾，搅拌分散后加入1.8g不饱和季铵盐，升温至70℃，保持温度不变，继续搅拌反应3h，反应结束后，用氢氧化钠调节pH值为7，经过过滤、干燥，研磨过50目筛，得到壳聚糖季铵盐。

实施例2

制备组分B：

将1g壳聚糖和0.05mol2-氯乙胺盐酸盐加入去50mL离子水中，用氢氧化钠调节pH值为11，升温至65℃，搅拌20min，然后升温至85℃，搅拌反应16h，反应结束后，经过用去离子水洗涤，经过过滤、干燥，得到氨乙基壳聚糖。

将0.05mol丙烯酸二甲氨基乙酯和50mL丙酮混合，然后加入0.05mol十四烷基溴，在温度为35℃条件下搅拌反应24h，反应结束后，用乙醚沉淀，再用乙酸乙酯重结晶，得到不饱和季铵盐。

在氮气保护条件下，将5g氨乙基壳聚糖和50mL去离子水混合，升温至60℃，加入0.01g过硫酸钾，搅拌分散后加入2g不饱和季铵盐，升温至70℃，保持温度不变，继续搅拌反应4h，反应结束后，用氢氧化钠调节pH值为7，经过过滤、干燥，研磨过50目筛，得到壳聚糖季铵盐。

对比例1

将实施例2中的氨乙基壳聚糖换成未处理的壳聚糖，且直接与不饱和季铵盐混合，得到组分B’。

实施例3

制备组分A：

步骤一、将玉米淀粉和去离子水混合，混合，在温度为35℃条件下搅拌，用1mol/L的氢氧化钠溶液调节pH值为9，然后滴加十八烯基琥珀酸酐和异丙醇的混合液，滴加结束后，保持温度不变，继续搅拌4h，然后用盐酸溶液调节pH值为6，用去离子水洗涤至中性，洗涤结束后，在40℃条件下干燥至恒重，粉碎过100目筛，得到改性淀粉；十八烯基琥珀酸酐和异丙醇的混合液的用量比为1g：10mL；淀粉与十八烯基琥珀酸酐和异丙醇的混合液的用量比为1g：100mL；

步骤二、在温度为20℃条件下，将0.5g高碘酸钠和50mL去离子水混合，搅拌分散，然后加入10g改性淀粉，用盐酸调节pH值为3，保持温度反应6h，反应结束后，用去离子水洗涤至中性，洗涤结束后，在40℃条件下干燥至恒重，粉碎过100目筛，得到组分A。

实施例4

制备组分A：

步骤一、将木薯淀粉和去离子水混合，混合，在温度为35℃条件下搅拌，用1mol/L的氢氧化钠溶液调节pH值为9，然后滴加十八烯基琥珀酸酐和异丙醇的混合液，滴加结束后，保持温度不变，继续搅拌4h，然后用盐酸溶液调节pH值为6，用去离子水洗涤至中性，洗涤结束后，在40℃条件下干燥至恒重，粉碎过100目筛，得到改性淀粉；十八烯基琥珀酸酐和异丙醇的混合液的用量比为1g：10mL；淀粉与十八烯基琥珀酸酐和异丙醇的混合液的用量比为3g：100mL；

步骤二、在温度为20℃条件下，将0.5g高碘酸钠和50mL去离子水混合，搅拌分散，然后加入10g改性淀粉，用盐酸调节pH值为3，保持温度反应6h，反应结束后，用去离子水洗涤至中性，洗涤结束后，在40℃条件下干燥至恒重，粉碎过100目筛，得到组分A。

对比例2

在温度为20℃条件下，将0.5g高碘酸钠和50mL去离子水混合，搅拌分散，然后加入10g木薯淀粉，用盐酸调节pH值为3，保持温度反应6h，反应结束后，用去离子水洗涤至中性，洗涤结束后，在40℃条件下干燥至恒重，粉碎过100目筛，得到组分A’。

实施例5

一种固化生物基纤维土的制备方法，包括如下步骤：

按重量份称取40份基土、10份生物基添加剂、8份填料、15份植物纤维。其中，生物基添加剂包括实施例1制备的组分A和实施例3制备的组分B；将称取好的原料混合搅拌，得到混合料，将到的混合料加入模具中，进行加压成型，加压成型的压力为150kg/m²；加压成型的时间为10秒，得到一种固化生物基纤维土。

其中，填料为蛭石和珍珠岩按照1：2混合而成。基土为细沙、黏土和泥炭土按照质量比3：2：1混合而成。植物纤维的长度为10-15mm，直径为0.4±0.2mm，植物纤维来源于植物秸秆、植物根系；其中植物秸秆为玉米秸秆，植物根系为薹草根系。

实施例6

一种固化生物基纤维土的制备方法，包括如下步骤：

按重量份称取45份基土、15份生物基添加剂、10份填料、20份植物纤维。其中，生物基添加剂包括实施例2制备的组分A和实施例4制备的组分B；将称取好的原料混合搅拌，得到混合料，将到的混合料加入模具中，进行加压成型，加压成型的压力为170kg/m²；加压成型的时间为20秒，得到一种固化生物基纤维土。

其中，填料为蛭石和珍珠岩按照1：2混合而成。基土为细沙、黏土和泥炭土按照质量比3：2：1混合而成。植物纤维的长度为10-15mm，直径为0.4±0.2mm，植物纤维来源于植物秸秆、植物根系；其中植物秸秆为小麦秸秆，植物根系为薹草根系。

实施例7

一种固化生物基纤维土的制备方法，包括如下步骤：

按重量份称取50份基土、20份生物基添加剂、13份填料、30份植物纤维。其中，生物基添加剂包括实施例1制备的组分A和实施例4制备的组分B；将称取好的原料混合搅拌，得到混合料，将到的混合料加入模具中，进行加压成型，加压成型的压力为180kg/m²；加压成型的时间为20秒，得到一种固化生物基纤维土。

其中，填料为蛭石和珍珠岩按照1：2混合而成。基土为细沙、黏土和泥炭土按照质量比3：2：1混合而成。植物纤维的长度为10-15mm，直径为0.4±0.2mm，植物纤维来源于植物秸秆、植物根系；其中植物秸秆为水稻秸秆，植物根系为薹草根系。

实施例8

将实施例6中的组分A和组分B按照质量比2：1搅拌混合，得到生物基添加剂C，然后将对比例1制备的组分A’和对比例2制备的组分B’按照质量比2：1搅拌混合，得到生物基添加剂C’；

将生物基添加剂加入质量分数0.90％的NaCl溶液溶胀24h，然后加入1mL(细菌细胞浓度为10⁵-10⁶个/mL数量级，真菌为10³个/mL数量级)，置于摇床振荡培养。用无菌移液管移取0.1mL菌液，滴入装有18mL培养基的直径为9cm的培养皿中，将培养皿置于培养箱培养，取出，观察微生物生长情况，按照式抗菌率＝[(N₁-N₂)/N₁]×100％，计算保水剂抗菌率。式中，N₁,N₂分别表示加入空白样和含菌液在培养皿上的平均菌落数，cfu/mL。

在表1中记录抑菌率；

表1

	生物基添加剂C	生物基添加剂C’
			抑菌率/％	65％	20％

经过接枝共聚得到的组分B具有更好的耐盐稳定性，抗菌性更好，对于需要接触土壤环境的生物基添加剂，提高其耐盐稳定性，更有利于抗菌性能的发挥。

对比例3

将实施例6中的组分A换成对比例1制备的组分A’，其余原料及制备过程保持不变。

对比例4

将实施例6中的组分A换成对比例1制备的组分A’，且组分B换成对比例2制备的组分B’，其余原料及制备过程保持不变。

对实施例5-实施例7和对比例3-对比例4制备的样品进行测试；

测试样品的保水率，保水率的测试方法为：单位质量或体积的基质能够吸收的水分与纤维土自身的体积或质量的比成为保水率，保水时间的测试方法为：保水时间＝将土壤盒内充分吸水的基质放置40℃烘箱内，通风烘干至基质相对持水量为0时所需时间。

测试结果如下表2所示：

表2

从测试数据可知，本发明制备的一种固化生物基纤维土具有良好的保水性，生物基添加剂中的组分A和组分B具有协同作用，制备的生物基添加剂能提高固化生物基纤维土的保水性能。

在说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上内容仅仅是对本发明所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种固化生物基纤维土，其特征在于，包括如下重量份原料：40-50份基土、10-20份生物基添加剂、8-13份填料、15-30份植物纤维；所述生物基添加剂包括组分A和组分B，且组分A和组分B的质量比为2：1；

所述组分A通过如下步骤制备：

步骤一、将淀粉和去离子水混合，在温度为35℃条件下搅拌，调节pH值为9，然后滴加十八烯基琥珀酸酐和异丙醇的混合液，滴加结束后，保持温度不变，继续搅拌4h，调节pH值为6，经过洗涤、干燥、粉碎，得到改性淀粉；

步骤二、在温度为20℃条件下，将高碘酸钠和去离子水混合，搅拌分散，然后加入改性淀粉，调节pH值为3，保持温度反应6h，反应结束后，经过洗涤、干燥、粉碎，得到组分A；

所述组分B为壳聚糖季铵盐；所述壳聚糖季铵盐通过如下步骤制备：

将丙烯酸二甲氨基乙酯和丙酮混合，然后加入卤代烃，在温度为30-35℃条件下搅拌反应24h，反应结束后，用乙醚沉淀，再用乙酸乙酯重结晶，得到不饱和季铵盐；所述卤代烃为十二烷基溴、十四烷基溴中的一种；

在氮气保护条件下，将氨乙基壳聚糖和去离子水混合，升温至60℃，加入过硫酸钾，搅拌分散后加入不饱和季铵盐，升温至70℃，保持温度不变，继续搅拌反应3-4h，反应结束后，用氢氧化钠调节pH值为7，经过过滤、干燥，研磨过50目筛，得到壳聚糖季铵盐；

所述填料为蛭石和珍珠岩按照1：2混合而成；所述基土为细沙、黏土和泥炭土按照质量比3：2：1混合而成；

所述植物纤维来源于植物秸秆、植物根系；其中植物秸秆包括玉米秸秆、小麦秸秆、水稻秸秆中的一种，植物根系为薹草根系。

2.根据权利要求1所述的一种固化生物基纤维土，其特征在于，步骤一中淀粉与十八烯基琥珀酸酐和异丙醇的混合液的用量比为1-3g：100mL。

3.根据权利要求1所述的一种固化生物基纤维土，其特征在于，所述淀粉为玉米淀粉、木薯淀粉中的一种。

4.根据权利要求1所述的一种固化生物基纤维土，其特征在于，植物纤维的长度为10-15mm，直径为0.4±0.2mm。

5.根据权利要求1所述的一种固化生物基纤维土的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

按重量份称取原料，将称取好的原料混合搅拌，得到混合料，将得到的混合料加入模具中，进行加压成型，得到一种固化生物基纤维土。

6.根据权利要求5所述的一种固化生物基纤维土的制备方法，其特征在于，加压成型的压力为150-180kg/m²；加压成型的时间为10-20秒。