CN117770095B - 一种具有多层结构的透气防渗毯及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有多层结构的透气防渗毯及其制备方法和应用，属于农业种植领域。透气防渗毯依下至上具有三层结构，分别是疏水层、保水层和吸水层，通过不同堆积密度的膨胀蛭石与粘合剂模压制得。其中，疏水层的膨胀蛭石为含氟物质疏水改性的高堆积密度型膨胀蛭石。透气防渗毯可以用于植物种植系统，该种植系统的制备方法包括如下步骤:（1）基础层处理；（2）气囊层铺设；（3）透气防渗毯铺设；（4）保护层铺设；（5）回填种植土层铺设。上述透气防渗毯使得植物种植系统适用于重污染水体治理，且防渗透气兼顾，且长期效果稳定。

Description

一种具有多层结构的透气防渗毯及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及一种具有多层结构的透气防渗毯及其制备方法和应用，属于农业种植领域。具体地说，涉及一种用于重污染水体改造工程中的植物种植系统的透气防渗毯及其制造方法和应用。

背景技术

在城市土地利用有限的情况下，垃圾厂、水污染区域被视为水体改造重点区域，并且改造后的水体往往含有水生植物和乔木等，提供透气、防渗的生存环境是保证水生植物生存的关键。

现有技术中，传统的防水材料（土工膜、膨润毯等）大多数只防渗，不透气，无法从根本上满足水生植物生长，达不到理想的水体改造效果。行业中的科研研究者也进行了大量的科研。中国专利文献CN103385096A公开了一种盐碱地植物种植系统，包括设置在盐碱地中的种植沟，所述种植沟的内部由下向上填充有透气防渗层、保护层、找平层、防护层和种植土层，所述透气防渗层为透气防渗沙层。该种植系统的防渗效果并不适用于地基较软且水含量较高的重污染水体环境。这是因为，该系统未进行地基处理，透气防渗层也是常规的透气防渗沙组成的透气防渗层。该类型透气防渗层受到种植系统基础层沉降的影响，出现部分透气防渗层不连续状态，从而使得透气防渗层被破坏，不能长期阻隔盐碱，更重要的是常规的透气防渗沙不能兼具良好的防渗和透气效果。

中国专利文献CN113512927A公开了一种用于重污染水体改造的砂基透气防渗毯的施工方法，包括如下步骤：步骤一：对施工场地进行平整作业，并碾压多遍后，形成平整层；步骤二：在平整层上铺设级配碎石，并进行压实作业后形成基础层；步骤三：在级配碎石上铺设粗砂，形成找平层；步骤四：在找平层上铺设砂基防渗毯，在砂基防渗毯的搭接处均匀撒粘接粉；步骤五：在砂基防渗毯上铺设细砂，形成砂基防渗毯保护层；步骤六：回填种植土壤以覆盖砂基防渗毯保护层，以形成种植土壤层。其中，砂基防渗毯的制备方法包括：制备透气防渗砂，透气防渗砂的原料包括硅砂，采用针刺法工艺将透气防渗砂固定在两层布中间，以形成具有透气防渗功能的地毯式土工合成材料。在实际研究中发现，主要成分为透气防渗砂构成的砂基防渗毯在含水量较大的使用环境，防渗效果并不理想，并不能完全阻隔污染水体的长期缓慢渗透。同时，由于该类使用环境的地基不仅存在坡度，而且还偶尔发生沉降的问题，因此，原本连续的透气防渗层时间一长，会出现硅砂随坡度移动集中导致出现不连续的间隙，从而出现渗透，并慢慢变得越来越严重。另外，中国专利文献CN103420638A也公开了一种透气防渗毯，所述透气防渗毯为固化的沙子和胶粘剂混合物，混合物的原料包括以下重量份的成分：沙子1‐3份，和胶粘剂7‐9份；所述透气防渗毯的制备方法为将沙子和胶粘剂混合、碾压、烘干固化而得。其骨料为沙子，由于沙子本身不具有透气性，且含量较低，导致其防渗效果虽好，但透气性效果一般。如果在此基础上调高沙子含量，其防渗效果将会出现明显下降，因此无法同时实现较好的防渗和透气效果。

因此，发明要解决的技术问题是如何得到一种适用于重污染水体治理的防渗透气且长期稳定的透气防渗毯及其制备方法，以及采用该透气防渗毯的植物种植系统。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种具有多层结构的透气防渗毯及其制备方法和应用，从而形成底疏顶吸的特殊结构，底层的疏水层，有效阻止了底层以下污染水体的向上渗透，保水层和吸水层则实现了种植体系的保水效果。

第一方面，本发明提供一种具有多层结构的透气防渗毯的制备方法，以透气防渗毯的总质量计，依下至上包括：15-25wt %的疏水层，35-60wt %的保水层和25-45wt %的吸水层，制备方法包括如下步骤：

步骤一、将疏水改性膨胀蛭石与第一粘合剂按照质量比（45-55）：（45-55）搅拌均匀，置于模具中碾压平整以铺设疏水层；其中，所述疏水改性膨胀蛭石为高堆积密度型膨胀蛭石经含氟物质疏水改性制得，所述高堆积密度型膨胀蛭石的堆积密度为1000-1200kg/m³；

步骤二、将中堆积密度型膨胀蛭石和第二粘合剂按照质量比为（45-55）：（45-55）搅拌均匀，置于步骤一中所述疏水层上方并碾压平整以铺设保水层，其中，所述中堆积密度型膨胀蛭石的堆积密度为450-950kg/m³，所述第二粘合剂为聚丙烯酸酯乳液；

步骤三、将膨胀蛭石、富硒矿石和第三粘合剂按照质量比为（35-50）：（5-10）：（45-55）搅拌均匀，置于步骤二中的模具保水层上方并碾压至上述物料完全充满模具以铺设吸水层；其中，所述膨胀蛭石的堆积密度为100～300kg/ m³，所述富硒矿石为粉末状，粒径为200-300目，其中，所述第三粘合剂为VAE乳液或醋丙乳液；

步骤四、将所述模具和混合物置于温度80-100℃、湿度为饱和湿度的烘干设备中烘干固化4-5h，得到具有一定弹性的透气防渗毯，厚度为0.5-4cm。

进一步地，所述疏水层中采用的第一粘合剂为溶剂型环氧树脂或溶剂型聚氨酯。

进一步地，所述疏水改性膨胀蛭石制备工艺包括如下步骤：

（1）对蛭石进行膨胀煅烧：取蛭石原料进行除杂，并投入到温度为700-1000℃的回转炉中，加热膨胀10-20秒，出料后得到其堆积密度为1000-1200kg/m³的高堆积密度型膨胀蛭石；

（2）将步骤（1）的高堆积密度型膨胀蛭石物料经回转炉出口处的传送装置送入冷却降温装置实施冷却降温处理；

（3）经步骤（2）冷却降温后的高堆积密度型膨胀蛭石物料经冷却降温装置的出料口直接送入连续混合机中，同时，向其中的膨胀蛭石物料喷洒有机硅烷改性剂，并连续搅拌混合均匀，得到有机硅烷疏水改性膨胀蛭石；

（4）将有机硅烷疏水改性膨胀蛭石、水基氟碳表面活性剂和氟碳树脂分散液按照5：（0.1-0.3）:20的重量份数比进行混合，并进行超声分散40-60分钟。

进一步地，有机硅烷改性剂为KH550。

进一步地，所述氟碳树脂分散液为低固含量低分子量氟碳树脂分散液，其中固含量为10-15%，树脂类型为低分子量氟代丙烯酸酯共聚物。

进一步地，所述低分子量氟代丙烯酸酯共聚物的重均分子量为5000-80000，所述氟碳树脂分散液中所述低分子量氟代丙烯酸酯共聚物的平均粒径为0.1-0.6μm，所述氟碳树脂分散液中分散剂为去离子水。

进一步地，所述氟碳树脂分散液为EFKA-3600或EFKA-3777的去离子水稀释氟碳树脂分散液。

进一步地，所述水基氟碳表面活性剂为FSN100。

第二方面，本发明还提供一种具有多层结构的透气防渗毯，由上述透气防渗毯的制备方法制备得到。

第三方面，本发明还提供一种透气防渗毯在制造植物种植系统中的应用，制造植物种植系统包括如下步骤：

（1）基础层处理：对重污染水体改造施工场地进行平整、碾压夯实，平整至整个大面光滑、基本干燥；

（2）气囊层铺设：在处理好的基础层上铺设5-10cm厚中粗砂，并找平，形成气囊层；

（3）透气防渗毯铺设：在气囊层上面铺设所述透气防渗毯，铺设过程顺坡铺设；透气防渗毯搭接处采用透气防渗砂覆盖，所述透气防渗砂厚度3-5cm；所述透气防渗毯搭接宽度为30-50cm，搭接方向沿水流方向顺水搭接；

（4）保护层铺设：在透气防渗毯上铺设细沙层5-10cm，并找平，形成保护层；

（5）回填种植土层铺设。

采用上述技术方案后，本发明至少具有如下有益效果：

（1）透气防渗毯具有三层结构，从底部到顶部分别是疏水层、保水层和吸水层，从而形成底疏顶吸的特殊结构，底层的疏水层，有效阻止了底层以下污染水体的向上渗透，保水层和吸水层则实现了种植体系的保水效果。而且保水层水含量较高，也进一步保证了极少数污染水体透过疏水层继续向上渗透，保障了防渗毯的整体防渗效果。

（2）透气防渗毯的三层结构都含有大量的蛭石，除了膨胀蛭石内部的层间空隙，蛭石骨料之间还存在空隙，这些空隙为防渗毯良好的透气性能提供了结构上的保障。对于防渗效果，从上之下，蛭石的堆积密度逐渐提高，也就是蛭石层间空隙逐步变小，其吸水效果变低，最底层的蛭石层具有较低的吸水性，在此基础上，有机硅烷和氟碳树脂分散液的疏水改性，使得底层的高堆积密度型膨胀蛭石具有较强的疏水性，拒水防渗性进一步提高。疏水改性过程中，氟碳树脂分散液选择固含量较低的低分子量氟碳丙烯酸乳液，是为了低固含量的低分子量的氟碳树脂在超声作用下有效进入膨胀蛭石层间，使得膨胀蛭石内部也具有良好的疏水效果。其次，蛭石的层状堆叠结构，在层间疏水的基础上，膨胀蛭石的层间结构也延长了污染水体的渗透路径，从而加强了防渗效果。因此，底层的疏水性高堆积密度蛭石层在具有较好的透气性能的同时，也具有良好的拒水防渗效果。

（3）对于粘合剂树脂类型的选择，发明人发现粘合剂的树脂类型对透气防渗毯的效果具有一定影响，疏水层选择溶剂型环氧树脂或溶剂型聚氨酯，通过采用疏水性的粘合剂，进一步改善了疏水性，提高了底层的防渗效果，而且聚氨酯和环氧树脂耐水性好，使用寿命长。而中间的保水层则选择了具有一定亲水性的聚丙烯酸酯，则增强了保水层的保水性，顶层的吸水层则采用了VAE乳液或醋丙乳液，一则明显降低了成本，二则上述两种树脂具有较好的弹性等机械性能，能够很好的保护防渗毯不被植物的根系穿透，具有较好的保护作用。

（4）第3层的吸水层还添加有富硒矿石粉末，其作为骨料提高透气防渗毯的防渗透气的作用的基础上，通过透气防渗毯与土壤层之间的水不定期交换，使得富硒矿石的硒元素缓慢向土壤中富集，有效维持了土壤中的硒元素含量，使得该种植体系有利于富硒植物如富硒苹果、富硒西红柿等高价值经济作用的生长。

（5）疏水改性高堆积密度型膨胀蛭石制备工艺选择超声分散的目的是在于在实验中发现，普通的搅拌分散，氟碳树脂分散液大部分会包覆在膨胀蛭石的外面，超声分散增强了小分子量的氟碳树脂的运动，使得大量的氟碳树脂得以进入膨胀蛭石的内部层间，而膨胀蛭石预先采用有机硅烷改性目的在于提高疏水性的同时，改善蛭石与氟碳树脂的相容性，使得氟碳树脂进入膨胀蛭石内部层间的数量更多。

附图说明

图1为本发明含有透气防渗毯的植物种植系统的主视图。

图中，种植系统，从底层到顶层，分别是基础层、气囊层、透气防渗毯、保护层、回填土层。

具体实施方式

下面结合具体实施例对发明的技术方案进行详细说明。

实施例 1 透气防渗毯 A 的制备

所述透气防渗毯，依下至上具有三层结构：

（1）第一层疏水层，以透气防渗毯总质量计，疏水层占比20wt %，采用疏水改性剂含氟物质改性高堆积密度型膨胀蛭石和粘合剂制得，所述高堆积密度型膨胀蛭石堆积密度为1100kg/m³；

（2）第二层保水层，以透气防渗毯总质量计，保水层占比50wt %，采用中堆积密度型膨胀蛭石和粘合剂制得，所述中堆积密度型膨胀蛭石堆积密度为650kg/m³；

（3）第三层吸水层，以透气防渗毯总质量计，疏水层占比30wt %，采用膨胀蛭石、富硒矿石和粘合剂制得，所述膨胀蛭石堆积密度230kg/m³。

该透气防渗毯的制备工艺包括如下步骤：

1）按照质量比为50：50取疏水改性剂含氟物质改性高堆积密度型膨胀蛭石和粘合剂，搅拌均匀，置于模具中碾压平整以铺设第一层，其中，粘合剂为溶剂型环氧树脂；

2）按照质量比为50：50取中堆积密度型膨胀蛭石和粘合剂，搅拌均匀，置于步骤1）中的模具中并碾压平整以铺设第二层，其中，粘合剂为聚丙烯酸酯乳液；

3）按照质量比为40：10：50取膨胀蛭石、富硒矿石和粘合剂，搅拌均匀，置于步骤2）中的模具中并碾压至上述物料完全充满模具以铺设第三层；其中，富硒矿石为粉末状，粒径为230目，其中，粘合剂为VAE乳液；

4）模具和混合物一起置于温度80℃、湿度为饱和湿度的烘干设备中烘干固化4h，得到具有一定弹性的透气防渗毯，厚度为2cm。

其中，步骤1）之前，模具内表面涂有脱模剂；所述烘干设备的湿度通过喷水控制。

另外，疏水改性高堆积密度型膨胀蛭石制备工艺包括如下步骤：

1）对蛭石进行膨胀煅烧：取蛭石原料进行除杂，并投入到温度为900℃的回转炉中，加热膨胀12秒，出料后得到其堆积密度为1100kg/m³的高堆积密度型膨胀蛭石；

2）将步骤1）的膨胀蛭石物料经回转炉出口处的传送装置送入冷却降温装置实施冷却降温处理；

3）经步骤2）冷却降温后的膨胀蛭石物料经冷却降温装置的出料口直接送入连续混合机中，同时，向其中的膨胀蛭石物料喷洒有机硅烷改性剂KH550，并连续搅拌混合均匀，得到有机硅烷改性疏膨胀蛭石；

4）将有机硅烷改性疏膨胀蛭石、水基氟碳表面活性剂FSN100和氟碳树脂分散液（EFKA-3600采用去离子水10倍预先稀释）按照5：0.2:20的重量份数比进行混合，并进行超声分散40分钟；

5）将步骤4）所得分散液进行离心分离，并将沉淀进行初步干燥从而得到疏水改性高堆积密度型膨胀蛭石，剩余的分散液可以补充表面活性剂和氟碳树脂分散液后继续使用。

实施例 2 透气防渗毯 B 的制备

在实施例1的基础上，将疏水层的高堆积密度型膨胀蛭石替换成堆积密度是230kg/m³的膨胀蛭石，其他制备步骤相同，得到透气防渗毯B。

实施例 3 透气防渗毯 C 的制备

在实施例1的基础上，省略对疏水层高堆积密度型膨胀蛭石的疏水改性，直接采用未改性的高堆积密度型膨胀蛭石代替实施例1中的疏水改性高堆积密度型膨胀蛭石，其他制备步骤相同，得到透气防渗毯C。

实施例 4 透气防渗毯 D 的制备

在实施例1的基础上，将疏水层、保水层和吸水层的粘合剂全部替换成实施例1步骤1）中的溶剂型环氧树脂，其他制备步骤相同，得到透气防渗毯D。

实施例 5 透气防渗毯 E 的制备

在实施例1的基础上，将保水层和吸水层的中堆积密度型膨胀蛭石和普通膨胀蛭石替换成堆积密度为1100kg/m³的膨胀蛭石，其他制备步骤相同，得到透气防渗毯E。

实施例 6 透气防渗毯 F 的制备

在实施例1的基础上，调整透气防渗毯中疏水层、保水层和吸水层的质量比，以透气防渗毯的总质量计，依下至上包括： 25wt%的疏水层，40wt%的保水层和35wt%的吸水层。

实施例 7 透气防渗毯 G 的制备

在实施例1的基础上，调整透气防渗毯中疏水层、保水层和吸水层的质量比，以透气防渗毯的总质量计，依下至上包括：15wt%的疏水层，45wt%的保水层和40wt%的吸水层。

实施例 8 植物种植系统 A’、B’、C’、D’、 E’、F’、G’的制造

（1）基础层1处理：对重污染水体改造施工场地进行平整、碾压夯实，平整至整个大面光滑、基本干燥，不能有明水和凸出2cm以上的岩石、软土、树根或砂石；

（2）气囊层2铺设：在处理好的基础层上铺设8cm厚中粗砂，并找平，形成气囊层；为了防止透气防渗毯被刺破，采用天然河沙作为气囊层的铺设材料；

（3）透气防渗毯3铺设：在气囊层上面铺设2cm厚的透气防渗毯，铺设过程顺坡铺设；透气防渗毯搭接处采用透气防渗砂覆盖，防渗砂厚度4cm；透气防渗毯搭接宽度为40cm，搭接方向沿水流方向顺水搭接；

（4）保护层4铺设：在透气防渗毯上铺设细沙层8cm，并找平，形成保护层；为了防止透气防渗毯被刺破，采用天然河沙作为保护层的铺设材料；

（5）进行50cm层厚的回填种植土层5铺设。

其中，步骤（3）中透气防渗毯分别采用实施例1-7中制备得到的透气防渗毯A、B、C、D、E、F、G，从而得到不同的植物种植系统A’、B’、C’、D’、 E’、F’、G’。

对照组：

实施例 9 对照组植物种植系统

（1）在花盆底部铺设8cm厚天然河沙中粗砂，并找平，形成气囊层。

（2）在气囊层上面铺设天然河沙细沙层10cm，并找平，形成保护层。

（3）进行50cm层厚的回填种植土层铺设。

效果测试：

分别在实施例8得到的植物种植系统A’、B’、C’、D’、E’、F’、G’中移栽大葱。同时，在实施例9中，采用与实施例8中添加的种植土相同的种植土，移栽同样的植物，作为对照组H。在实施例8和实施例9的种植系统中，分别在移栽后1个月、2个月、3个月后观察移栽大葱的株高，结果如下表所示。

3个月实验结束后，掘开回填种植土层5和保护层4，并对透气防渗毯3切开，观察其侧面发现，种植系统A’、F’、G’中仅仅底部疏水层有少量污染水体渗透进入，种植系统D’有少量渗透水体进入中部保水层和上部吸水层，种植系统B’、C’和种植系统E’有大量污染水体进入中部保水层和上部吸水层，甚至少量进入保护层。由此可见，种植系统A’、F’、G’具有良好的防渗作用，且透气性能良好，有利于植物的组成生长。通过测试结果可知，采用本发明实施例中的透气防渗毯的种植体系，在重污染环境中种植的植物株高与对照组中正常种植体系的植物株高生长保持一致。

Claims (8)

1.一种具有多层结构的透气防渗毯的制备方法，其特征在于:以透气防渗毯的总质量计，依下至上包括：15-25wt%的疏水层，35-60wt%的保水层和25-45wt%的吸水层，制备方法包括如下步骤：

步骤一、铺设疏水层：将疏水改性膨胀蛭石与第一粘合剂按照质量比（45-55）：（45-55）搅拌均匀，置于模具中碾压平整以铺设疏水层；其中，所述疏水改性膨胀蛭石为高堆积密度型膨胀蛭石经含氟物质疏水改性制得，所述高堆积密度型膨胀蛭石的堆积密度为1000-1200kg/m³；其中，所述第一粘合剂为溶剂型环氧树脂或溶剂型聚氨酯；所述疏水改性膨胀蛭石制备工艺包括如下步骤：

（1）对蛭石进行膨胀煅烧：取蛭石原料进行除杂，并投入到温度为700-1000℃的回转炉中，加热膨胀10-20秒，出料后得到其堆积密度为1000-1200kg/m³的高堆积密度膨胀蛭石；

（2）将步骤（1）的膨胀蛭石物料经回转炉出口处的传送装置送入冷却降温装置实施冷却降温处理；

（3）经步骤（2）冷却降温后的膨胀蛭石物料经冷却降温装置的出料口直接送入连续混合机中，同时，向其中的膨胀蛭石物料喷洒有机硅烷改性剂，并连续搅拌混合均匀，得到有机硅烷疏水改性膨胀蛭石；

（4）将有机硅烷疏水改性膨胀蛭石、水基氟碳表面活性剂和氟碳树脂分散液按照5：（0.1-0.3）:20的重量份数比进行混合，并进行超声分散40-60分钟；

步骤二、在所述疏水层上铺设保水层：将中堆积密度型膨胀蛭石和第二粘合剂按照质量比为（45-55）：（45-55）搅拌均匀，置于步骤一中所述疏水层上并碾压平整以铺设保水层，其中，所述中堆积密度型膨胀蛭石的堆积密度为450-950kg/m³，所述第二粘合剂为聚丙烯酸酯乳液；

步骤三、在所述保水层上铺设吸水层：将膨胀蛭石、富硒矿石和第三粘合剂按照质量比为（35-50）：（5-10）：（45-55）搅拌均匀，置于步骤二中所述保水层上并碾压至上述物料完全充满模具以铺设吸水层；其中，所述膨胀蛭石的堆积密度为100～300kg/ m³，所述富硒矿石为粉末状，粒径为200-300目，其中，所述第三粘合剂为VAE乳液或醋丙乳液；

步骤四、将所述模具和混合物置于温度80-100℃、湿度为饱和湿度的烘干设备中烘干固化4-5h，得到具有一定弹性的透气防渗毯，厚度为0.5-4cm。

2.根据权利要求1所述的透气防渗毯的制备方法，其特征在于：有机硅烷改性剂为KH550。

3.根据权利要求1所述的透气防渗毯的制备方法，其特征在于：所述氟碳树脂分散液为低固含量低分子量氟碳树脂分散液，其中固含量为10-15%，树脂类型为低分子量的氟代丙烯酸酯共聚物。

4.根据权利要求3所述的透气防渗毯的制备方法，其特征在于：所述氟代丙烯酸酯共聚物的重均分子量为5000-80000，所述氟碳树脂分散液中所述氟代丙烯酸酯共聚物的平均粒径为0.1-0.6μm，所述氟碳树脂分散液中分散剂为去离子水。

5.根据权利要求1所述的透气防渗毯的制备方法，其特征在于：所述氟碳树脂分散液为EFKA-3600或EFKA-3777的去离子水稀释分散液。

6.根据权利要求1所述的透气防渗毯的制备方法，其特征在于：所述水基氟碳表面活性剂为FSN100。

7.一种具有多层结构的透气防渗毯，根据权利要求1-6任一所述透气防渗毯的制备方法制备得到。

8.一种如权利要求7所述的透气防渗毯在制造植物种植系统中的应用，其特征在于，制造植物种植系统包括如下步骤：

（1）基础层处理：对重污染水体改造施工场地进行平整、碾压夯实，平整至整个大面光滑、基本干燥；

（2）气囊层铺设：在处理好的基础层上铺设5-10cm厚中粗砂，并找平，形成气囊层；

（3）透气防渗毯铺设：在气囊层上面铺设所述透气防渗毯，铺设过程顺坡铺设；透气防渗毯搭接处采用透气防渗砂覆盖，所述透气防渗砂厚度3-5cm；所述透气防渗毯搭接宽度为30-50cm，搭接方向沿水流方向顺水搭接；

（4）保护层铺设：在透气防渗毯上铺设细沙层5-10cm，并找平，形成保护层；

（5）回填种植土层铺设。