CN115536313B - 一种改性粘土基水土保持喷膜材料、制备方法及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种改性粘土基水土保持喷膜材料，由85~100重量份蒙脱土、5~10重量份十二酸单甘油酯、5~15重量份木蜡、1~5重量份脂肪族羟基磺酸盐聚合物和15‑30重量份水制备而成。制备时，先将十二酸单甘油酯和水混合，然后加入木蜡和脂肪族羟基磺酸盐聚合物，搅拌均匀后加入蒙脱土，强力搅拌后喷淋到土壤表面，自然烘干后得到水土保持喷膜材料。本发明是通过十二酸单甘油酯的乳化效果将木蜡包覆在蒙脱土颗粒表面，将松散的蒙脱土颗粒粘结形成膜层，提高土壤抗冲刷能力。同时木蜡的包裹可提高膜层保水能力，结合草籽播撒，可提高草籽发芽率。脂肪族羟基磺酸盐聚合物可减少拌和用水，提高膜层强度。

Description

一种改性粘土基水土保持喷膜材料、制备方法及使用方法

技术领域

本发明涉及水土保持技术领域，具体是一种应用于水土保持工程的改性粘土基水土保持喷膜材料、制备方法及使用方法。

背景技术

现有水土保持措施主要包括工程措施、生物措施和蓄水保土耕作措施。工程建设项目的水土保持工作以传统的工程措施、植物措施和临时措施为主，临时措施主要以临时苫盖为主。传统技术如护坡（岸）、拦沙坝、挡土墙等，都属于“被动式”保持水土技术。由于黄土高原特殊的水土和气候环境等因素，黄土土质松散，垂直节理发育，干燥时坚如岩石，遇水则容易溶解，因此其自身抗水蚀能力较差。特别是在工程建设中形成的高陡边坡，采用常规水保措施难以及时有效地控制水土流失，且治理难度大、成本高。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有技术中存在的问题，而提供一种应用于水土保持工程的改性粘土基水土保持喷膜材料。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种改性粘土基水土保持喷膜材料，由下列重量份数的各原料制成：蒙脱土85~100份、十二酸单甘油酯5~10份、木蜡5~15份、脂肪族羟基磺酸盐聚合物1~5份、水15-30份。

优选的，蒙脱土的粒径为0.01～0.05mm。蒙脱土的粒径对水土保持喷膜性能影响较大，粒径≤0.01mm的蒙脱土由于静电力的作用，易团聚，难以在乳液中分散均匀，导致水土保持喷膜材料均一性较差，由于十二酸单甘油酯和木蜡乳液乳化效果限制，难以形成大包覆膜层；对于粒径≥0.05mm的蒙脱土颗粒，其表面的有机包覆膜层不稳定，容易破乳，导致膜层破裂，影响蒙脱土颗粒疏水性能。

进一步的，本发明还提供了上述改性粘土基水土保持喷膜材料的制备方法，包括如下步骤：

1）取一定量的水将其加热到80℃，然后将十二酸单甘油酯加入水中进行混合，保持水温在80℃，超声分散并机械搅拌30min，得到一次乳液；十二酸单甘油酯在水中分散困难，常规的机械搅拌效果较差，超声分散并机械搅拌可大幅度减少分散时间。

2）将木蜡和脂肪族羟基磺酸盐聚合物依此缓慢加入到一次乳液中，保持水温80℃，电磁磁化器磁化并机械搅拌60min，得到二次乳液；木蜡是天然植物提取制备的有机物，对环境无毒无害，是环境友好型酯类；但其成分复杂，由三甘油酯、游离脂肪酸、游离脂肪醇等多种化合物组成，常规机械搅拌的乳化效果较差，通过电磁磁化器磁化和机械搅拌结合，可大幅度提高乳化效果，并减少乳化时间。

3）将蒙脱土缓慢加入到二次乳液中，保持水温在80℃，高速搅拌30min，转速为5000r/min，最后即得到所述的改性粘土基水土保持喷膜材料。

上述制备方法中，水温始终控制在80℃，原因为十二酸单甘油酯作为木蜡的关键乳化剂，常温下微溶于水，室温下难以在水中分散均匀；升高温度可明显提高其在水中的分散性能，因此通过提高水温可加速反应。脂肪族羟基磺酸盐聚合物作为水土保持喷膜材料中的减水剂，其聚合反应温度为80℃，且其耐高温性能较差，过高的温度会明显降低其减水效果，导致水土保持喷膜材料的需水量加大，膜层强度下降；因此综合考虑，改性粘土基水土保持喷膜材料制备过程中水温保持80℃。

优选的，步骤1）中，水与十二酸单甘油酯的质量比为3:1。

进一步的，本发明还提供了上述改性粘土基水土保持喷膜材料的使用方法，包括如下步骤：

1）将改性粘土基水土保持喷膜材料与草籽种子充分拌合，得到拌合物；

2）将得到的拌合物通过喷淋机均匀喷淋在裸土表面，自然条件下养护24h后即可。

优选的，步骤1）中，每1kg改性粘土基水土保持喷膜材料中放入草籽种子100粒。

优选的，步骤2）中，拌合物的喷淋厚度为3cm。

本发明是基于黄土高原湿陷性黄土的特点，而提出的一种改性粘土基水土保持喷膜材料，通过十二酸单甘油酯和木蜡的双重改性效果，将松散的粘土颗粒粘结形成连续的膜层材料，大幅度降低粘土的孔隙率，提高抗侵蚀能力。同时，通过十二酸单甘油酯的乳化作用，将木蜡均匀分散包覆在粘土颗粒表面，提高粘土颗粒的憎水性，从而提高了膜层的保水性能，结合草籽播撒，可提高草籽发芽率。通过脂肪族羟基磺酸盐聚合物的减水效果，可大幅度减少拌和用水，降低膜层的孔隙率，进一步提高膜层强度和保水性能。与现有的客土喷播技术不同，现有的客土喷播技术多采用高分子量聚丙烯酰胺作为粘结剂和保水剂，高分子量的聚丙烯酰胺与粘土颗粒只是简单的物理混合，并未改变粘土颗粒的本征亲水性能和保水性能。且高分子量的聚丙烯酰胺抗老化性能差，在自然光照下易老化分解，造成喷播层开裂，水土保持能力下降。本发明通过加热搅拌反应，十二酸单甘油酯亲水基团与蒙脱土硅铝片层结构连接，疏水基团与木蜡连接，通过十二酸单甘油酯的“桥梁”作用，将木蜡均匀包覆在粘土颗粒表面，将粘土颗粒的本征亲水性改变为疏水性，大幅度提高膜层保水性能。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1）本发明改性粘土基水土保持喷膜材料的水土保持性能优异，干燥后得到的膜层透气保水性能好，草籽发芽率高；抗侵蚀性能和耐久性能好，长时间使用不开裂。

2）本发明改性粘土基水土保持喷膜材料可将松散的粘土颗粒粘结形成连续的膜层，并且可将木蜡均匀包覆在粘土微粒表面形成一层疏水膜，从而提高膜层的水土保持性能。

附图说明

图1为木蜡包覆粘土颗粒的示意图。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明作进一步的描述：

实施例1

一种改性粘土基水土保持喷膜材料，由下列重量份数的各原料制成：蒙脱土100g、十二酸单甘油酯5g、木蜡5g、脂肪族羟基磺酸盐聚合物1g、水15g；其中，蒙脱土的粒径为0.01mm。

上述改性粘土基水土保持喷膜材料的制备方法，包括如下步骤：

1）将5g十二酸单甘油酯加入到15g 80℃的水中，保持水温80℃，超声分散并机械搅拌30min，得到一次乳液；

2）将5g木蜡和1g脂肪族羟基磺酸盐聚合物依此缓慢加入到一次乳液中，保持水温80℃，电磁磁化器磁化并机械搅拌60min，得到二次乳液；

3）将100g蒙脱土缓慢加入到二次乳液中，保持水温80℃，高速搅拌30min，转速为5000r/min，最后即得到所述的改性粘土基水土保持喷膜材料。

上述改性粘土基水土保持喷膜材料的使用方法，包括如下步骤：

1）将搅拌均匀的改性粘土基水土保持喷膜材料与草籽种子充分拌合，得到拌合物；其中，每1kg改性粘土基水土保持喷膜材料中放入草籽种子100粒；

2）将拌合物通过喷淋机均匀喷淋在裸土表面，喷淋厚度3cm，自然条件下养护24h后即可。

实施例2

一种改性粘土基水土保持喷膜材料，由下列重量份数的各原料制成：蒙脱土95g、十二酸单甘油酯8g、木蜡10g、脂肪族羟基磺酸盐聚合物3g、水24g；其中，蒙脱土的粒径为0.03mm。

上述改性粘土基水土保持喷膜材料的制备方法，包括如下步骤：

1）将8g十二酸单甘油酯加入到24g 80℃的水中，保持水温80℃，超声分散并机械搅拌30min，得到一次乳液；

2）将10g木蜡和3g脂肪族羟基磺酸盐聚合物依此缓慢加入到一次乳液中，保持水温80℃，电磁磁化器磁化并机械搅拌60min，得到二次乳液；

3）将90g蒙脱土缓慢加入到二次乳液中，保持水温80℃，高速搅拌30min，转速为5000r/min，最后即得到所述的改性粘土基水土保持喷膜材料。

上述改性粘土基水土保持喷膜材料的使用方法，包括如下步骤：

1）将搅拌均匀的改性粘土基水土保持喷膜材料与草籽种子充分拌合，得到拌合物；其中，每1kg水土保持喷膜材料中放入草籽种子100粒；

2）将拌合物通过喷淋机均匀喷淋在裸土表面，喷淋厚度3cm，自然条件下养护24h后即可。

实施例3

一种改性粘土基水土保持喷膜材料，由下列重量份数的各原料制成：蒙脱土90g、十二酸单甘油酯10g、木蜡12g、脂肪族羟基磺酸盐聚合物5g、水30g；其中，蒙脱土的粒径为0.04mm。

上述改性粘土基水土保持喷膜材料的制备方法，包括如下步骤：

1）将10g十二酸单甘油酯加入到30g 80℃的水中，保持水温80℃，超声分散并机械搅拌30min，得到一次乳液；

2）将12g木蜡和5g脂肪族羟基磺酸盐聚合物依此缓慢加入到一次乳液中，保持水温80℃，电磁磁化器磁化并机械搅拌60min，得到二次乳液；

3）将95g蒙脱土缓慢加入到二次乳液中，保持水温80℃，高速搅拌30min，转速为5000r/min，最后即得到所述的改性粘土基水土保持喷膜材料。

上述改性粘土基水土保持喷膜材料的使用方法，包括如下步骤：

1）将搅拌均匀的改性粘土基水土保持喷膜材料与草籽种子充分拌合，得到拌合物；其中，每1kg水土保持喷膜材料中放入草籽种子100粒；

2）将拌合物通过喷淋机均匀喷淋在裸土表面，喷淋厚度3cm，自然条件下养护24h后即可。

实施例4

一种改性粘土基水土保持喷膜材料，由下列重量份数的各原料制成：蒙脱土85g、十二酸单甘油酯10g、木蜡15g、脂肪族羟基磺酸盐聚合物5g、水30g；其中，蒙脱土的粒径为0.05mm。

上述改性粘土基水土保持喷膜材料的制备方法，包括如下步骤：

1）将10g十二酸单甘油酯加入到30g 80℃的水中，保持水温80℃，超声分散并机械搅拌30min，得到一次乳液；

2）将15g木蜡和5g脂肪族羟基磺酸盐聚合物依此缓慢加入到一次乳液中，保持水温80℃，电磁磁化器磁化并机械搅拌60min，得到二次乳液；

3）将85g蒙脱土缓慢加入到二次乳液中，保持水温80℃，高速搅拌30min，转速为5000r/min，最后即得到所述的改性粘土基水土保持喷膜材料。

上述改性粘土基水土保持喷膜材料的使用方法，包括如下步骤：

1）将搅拌均匀的改性粘土基水土保持喷膜材料与草籽种子充分拌合，得到拌合物；其中，每1kg水土保持喷膜材料中放入草籽种子100粒；

2）将拌合物通过喷淋机均匀喷淋在裸土表面，喷淋厚度3cm，自然条件下养护24h后即可。

以下通过具体的实验数据，对本发明具体实施例作进一步的说明：

改性粘土基水土保持喷膜材料抗压性能根据水利行业标准SL 352—2006《水工混凝土试验规程》的测试方法进行测试。

改性粘土基水土保持喷膜材料抗老化性能根据水利行业标准SL 235—2012《土工合成材料测试规程》的测试方法进行测试。

改性粘土基水土保持喷膜材料的保水性能和模拟植草测试方法如下：

将改性粘土基水土保持喷膜材料和黑麦草种子搅拌均匀制浆后，均匀喷淋在初始含水率为25%的粘土表层，其中每1kg改性粘土基水土保持喷膜材料中放入草籽种子100粒，然后放入人工气候箱中模拟自然环境进行保水性能测试，7天后测试水土保持喷膜层下10cm的土壤含水率，10天后记录种子发芽数。人工气候箱24 h循环运行，设置如下：温度25℃，相对湿度50%，光照强度100%，时间8 h；温度20 ℃，相对湿度50%，光照强度60%，时间4h；温度15 ℃，相对湿度50%，光照强度0%，时间12h。

相关实验结果如表1所示：

表1

组别	抗压强度（7d）/MPa	抗老化性能（老化500h质量损失率）	保水性能（土壤含水率）	草籽发芽率
					实施例1	1.9	1.5%	18%	72%
实施例2	2.1	1.9%	20%	81%
					实施例3	2.5	2.1%	23%	85%
实施例4	2.8	2.5%	26%	79%

由表1可知，改性粘土基水土保持喷膜材料形成了连续的并且有一定强度的膜层，耐老化性能和保水性能较好，在改性粘土基水土保持喷膜材料的作用下，草籽发芽率较高。同时，改性粘土基水土保持喷膜材料的性能随十二酸单甘油酯、木蜡和脂肪族羟基磺酸盐用量变化有一定规律。其中，抗压强度随十二酸单甘油酯的增加略有提高，其中最高的是实施例4，7天抗压强度可达2.8MPa，说明十二酸单甘油酯的粘结效果对膜层强度贡献最大。老化500h质量损失率随十二酸单甘油酯、木蜡用量的增加逐渐增大，其中质量损失率最大的是实施例4的2.5%，这是因为老化主要是高分子材料造成的，因此十二酸单甘油酯和木蜡用量越大，抗老化性能越差。保水性能随木蜡用量的增加逐渐增大，其中土壤含水率最高的是实施例4的26%，这是因为十二酸单甘油酯和木蜡改性效果。如图1所示，通过十二酸单甘油酯的乳化效果，将木蜡均匀的包覆在粘土颗粒表面，将亲水性的粘土颗粒变为疏水性的，土壤水分蒸发困难，因此保水性能提高。草籽发芽率随十二酸单甘油酯和木蜡用量的增加呈现先升高后降低的趋势，这是因为十二酸单甘油酯和木蜡的包覆效果，可提高膜层保水能力，因此草籽发芽率有所提高，但是过多的十二酸单甘油酯和木蜡会降低膜层透气性能，因此草籽发芽率开始降低。

上面是对本发明实施例中的技术方案进行了清楚、完整地描述，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。

Claims (5)

1.一种用于黄土高原湿陷性黄土的改性粘土基水土保持喷膜材料，其特征在于，由下列重量份数的各原料制成：蒙脱土85~ 100份、十二酸单甘油酯5~10份、木蜡5~15份、脂肪族羟基磺酸盐聚合物1~5份、水15-30份；其中，蒙脱土的粒径为0.01～0.05mm；

上述用于黄土高原湿陷性黄土的改性粘土基水土保持喷膜材料的制备方法，包括如下步骤：

1）将水加热到80℃，然后将十二酸单甘油酯加入水中进行混合，保持水温在80℃，超声分散并机械搅拌30min，得到一次乳液；

2）将木蜡和脂肪族羟基磺酸盐聚合物依此缓慢加入到一次乳液中，保持水温80℃，电磁磁化器磁化并机械搅拌60min，得到二次乳液；

3）将蒙脱土缓慢加入到二次乳液中，保持水温在80℃，高速搅拌30min，转速为5000r/min，最后即得到所述的用于黄土高原湿陷性黄土的改性粘土基水土保持喷膜材料。

2.根据权利要求1所述的一种用于黄土高原湿陷性黄土的改性粘土基水土保持喷膜材料，其特征在于：制备方法的步骤1）中，水与十二酸单甘油酯的质量比为3:1。

3.如权利要求1所述的一种用于黄土高原湿陷性黄土的改性粘土基水土保持喷膜材料的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）将用于黄土高原湿陷性黄土的改性粘土基水土保持喷膜材料与草籽种子充分拌合，得到拌合物；

2）将得到的拌合物通过喷淋机均匀喷淋在裸土表面，自然条件下养护24h后即可。

4.根据权利要求3所述的一种用于黄土高原湿陷性黄土的改性粘土基水土保持喷膜材料的使用方法，其特征在于：步骤1）中，每1kg改性粘土基水土保持喷膜材料中放入草籽种子100粒。

5.根据权利要求4所述的一种用于黄土高原湿陷性黄土的改性粘土基水土保持喷膜材料的使用方法，其特征在于：步骤2）中，拌合物的喷淋厚度为3cm。