CN104804140B

CN104804140B - 一种保水固沙液态地膜及其制备方法

Info

Publication number: CN104804140B
Application number: CN201510171846.6A
Authority: CN
Inventors: 朱红
Original assignee: Jiaxing Guo Xing Novel Material Science And Technology Ltd
Current assignee: Jiaxing Guo Xing Novel Material Science And Technology Ltd
Priority date: 2015-04-13
Filing date: 2015-04-13
Publication date: 2017-04-05
Anticipated expiration: 2035-04-13
Also published as: CN104804140A

Abstract

本发明涉及一种保水固沙液态地膜及其制备方法，属于农业生产技术领域。该液态地膜的重量份组成为：30‑50份超细硅溶胶或纳米二氧化硅、40‑100份羧甲基纤维素、20‑30份N‑异丙基丙烯酰胺、1‑5份二茂铁、0.02‑0.3份交联剂和0.4‑1.2份引发剂；超细硅溶胶的固含量为10wt％‑30wt％，其中二氧化硅的粒径为1‑100nm。本发明的液态地膜与水易形成胶体，可将土壤颗粒联接起来，将无结构分散的沙土，连接成具有弹性的稳定体，形成膜性良好、强度良好的网状膜，一方面可以封闭土壤表面孔隙，阻隔土壤水分挥发，另一方面却不阻碍水分的渗入，起到良好的保水、保墒、固沙作用，有效改善沙漠、干旱土壤的性能。

Description

一种保水固沙液态地膜及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种干旱土壤、沙漠用液态地膜，具体涉及一种保水固沙液态地膜及其制备方法，该地膜是一种具有网状结构的高分子有机复合液态地膜，具有保水、固沙、可降解功效，属于农业生产技术领域。

背景技术

我国是世界上沙漠化最严重的国家之一，沙化土地面积达40多万平方公里。且目前一些地方的沙化面积仍继续扩张。沙化不仅破坏了土地资源，使宝贵耕地、草场进一步减少，而且还带来了严重的环境问题，使人类的生存空间受到严重威胁。随着国家西部大开发战略的推进和沙漠地区基础设施建设的增加，人们对防沙治沙、改善生态环境的要求愈来愈强烈，合理的防沙治沙是当前中国可持续发展战略急需解决的问题之一。现代固沙技术和模式中，研究高效、廉价的化学固沙剂是极其重要的。

塑料地膜是一种人工合成的高分子化合物，在自然状态下完全降解要几百年才能完成，而且大部分的塑料地膜使用后易被弄湿、弄脏，最终只能回收到垃圾填埋场，不可循环利用。目前，世界上存在的“白色污染"问题，一方面表现在土壤中塑料地膜不停的累积，另一方面又缺乏行之有效的地膜回收方法。因此，地膜残留已成为人类亟待解决的问题。

液体地膜又称土面液膜，是一种新开发的可降解高分子有机化合物，属于土壤调理剂类，对水喷施后，可在土壤表层形成一层膜，可促进土壤形成团粒，改良土壤结构，固定表土、保护耕层、抑制水分蒸发、防止水分流失，在提高地温、节水、改善土壤物理性状，以及防沙固沙等方面作用显著，是国内外新涌现出的一种高新土壤保护技术。

液态地膜可分为第一代、第二代、第三代液态地膜。第一代液态地膜是以石油沥青或渣油为原料，生产地膜的成本比较高，推广受到了一定的限制；第二代液态地膜是在第一代液态地膜的基础上进行开发研制的，它的价格更低、原材料来源更为广泛，它主要是以农作物的稻秆、树皮等为原料，利用风化煤、褐煤或泥炭等进行化学改质，添加一些其他的添加剂生产而成的；第三代液态地膜是以造纸废液、酿酒废液、海藻废液、淀粉废液等为原料，在多种交联剂的作用下形成的高分子化合物。

CN1358906A公开了一种在治理土地荒漠化工程中利用液态地膜治沙固漠的方法，本发明的工艺过程如下：在退化草原沙漠、荒漠化、沙化的土地上进行农作物、草药、灌木、乔木播种或扦插后，将液态地膜原汁兑入4-12倍清水，用普通喷洒方式，每亩地均匀喷洒液态地膜原汁40-100公斤。使用液态地膜后，因其具有强烈的粘附作用，故尔可使喷洒后的土壤，联结起来，形成较理想的团聚体，从而防止水蚀和风蚀现象的发生，并可使土壤增温1-4℃，蒸发抑制率在30％以上，含水量提高幅度大于20％，水稳性团粒增加10％以上，由此，可培植出生长良好的植被，从而达到治沙固膜的目的。该地膜的稳定性和可降解性较差。

CN103305227A公开了一种黑色液态环保多功能地膜，包含以下几个组分：高浓有机废水20-40wt.％、腐殖酸0-30wt.％、聚合成膜剂3-15wt.％、水30-70wt.％、交联剂1-3wt.％、稳定剂0-20wt.％和土地添加物0-20wt.％。该发明采用以腐植酸和造纸黑液为原料生产的可降解液态地膜，它具有双重功效，既有塑料地膜的增温、保墒、保苗作用，还有较强的粘附能力，可将土粒联结成理想的团聚体，该地膜的保水功能不理想，而且容易造成二次污染。

CN102533276A公开了一种可降解液态地膜，包含蒙脱石、腐植酸。氢氧化钾或氢氧化钠、交联剂、成膜剂、水玻璃、微肥、农药、除草剂。该发明的地膜成本较高，原料来源受到一定限制，另外该物质稀释时遇硬水容易被乳化导致成膜性降低。

现有技术中，液态地膜的膜性能普遍不佳，特别是地膜的干湿强度、拉伸性、抗裂性等，在雨后，液态地膜容易破裂，膜质较厚，膜孔隙较大，保水、保温性差，固沙、保水的性能没有综合体现。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中存在的技术问题，提供一种具有网状结构的高分子有机复合液态地膜及其制备方法。本发明在高分子聚合物的基础上引入保水纳米无机物，使其具有保水、耐盐、固沙和可降解的多重功能，可有效改善沙漠、干旱土地的农用问题。

本发明的上述目的是通过以下技术方案实现的：

一种保水固沙液态地膜，即具有网状结构的高分子有机复合液态地膜，其原料组成如下(重量份)：

其中，所述超细硅溶胶为纳米二氧化硅的母体，其制备方法为：将硅酸钠稀释溶于水后，超声震荡10-20min混合均匀，形成浓度为5wt％～40wt％水玻璃溶液；将强酸性阳离子交换树脂与强碱性阴离子交换树脂按体积比1:2～1:3混合得到复合树脂；将水玻璃溶液与复合交换树脂按重量比20:1～40:1充分搅拌混合，除去杂质，得到预处理的硅酸溶液；向部分活性硅酸溶液中加入碱溶液，调节pH值为9-10、常压下控制70-85℃加热反应1-3小时后得硅溶胶母液；硅溶胶母液进行脱水分、浓缩并纯化，制备得到浓度为10wt％-30wt％的硅溶胶，其中二氧化硅粒径在1-100nm之间。

优选的，所述的超细硅溶胶所占重量份数为35-40，进一步优选为35；硅溶胶浓度为20wt％。本发明中，超细硅溶胶可替换为粒径为1～100nm的纳米二氧化硅。

优选的，羧甲基纤维素所占重量份数为70-90，进一步优选为75。

优选的，所述的交联剂为N,N-亚甲基双丙烯酰胺。

优选的，所述的引发剂为过硫酸钾和无水亚硫酸钠，二者质量比为1：1。

本发明的另一目的是提供一种具有网状结构的高分子有机复合液态地膜的制备方法。

一种保水固沙液态地膜的制备方法，包括如下步骤：

(1)按如下组成(重量份)备料：

(2)制备超细硅溶胶：将硅酸钠稀释溶于水后，超声震荡10-20min混合均匀，形成浓度为5wt％～40wt％水玻璃溶液；将强酸性阳离子交换树脂与强碱性阴离子交换树脂按体积比1:2～1:3混合得到复合树脂；将水玻璃溶液与复合交换树脂按重量比20:1～40:1充分搅拌混合，除去杂质，得到预处理的硅酸溶液；向部分活性硅酸溶液中加入碱溶液，调节pH值为9-10、常压下控制70-85℃加热反应1-3小时后得硅溶胶母液；硅溶胶母液进行脱水分、浓缩并纯化，制备得到浓度为10wt％-30wt％的硅溶胶，其中二氧化硅粒径在1-100nm之间。

(3)常温下，将羧甲基纤维素加入去离子水，在氮气保护下搅拌至完全溶解；

(4)依次加入超细硅溶胶溶液和二茂铁，形成溶胶液体；

(5)然后加入N-异丙基丙烯酰胺单体，在氮气氛围下，温度加热至20-50℃，搅拌溶解5-30min；

(6)当温度恒定时，用氢氧化钠碱溶液将pH值调至8-11后，依次加入引发剂过硫酸钾和无水亚硫酸钠的水溶液、交联剂N,N-亚甲基双丙烯酰胺的水溶液，加速搅拌，使其交联聚合，充分反应，保温反应3h-11h后，冷却至室温，得到有机-无机复合型聚合物凝胶；

(7)将凝胶配制成浓度为2wt％-10wt％的水溶液，用丙酮对聚合物进行沉淀分离后，在真空干燥箱中进行干燥，干燥温度为50-80℃，得到具有网状结构的高分子有机复合液态地膜。

所述的超细硅溶胶为纳米二氧化硅的母体，其制备方法为：将硅酸钠稀释溶于水后，超声震荡10-20min混合均匀，形成浓度为5wt％～40wt％水玻璃溶液；将强酸性阳离子交换树脂与强碱性阴离子交换树脂按体积比1:2～1:3混合得到复合交换树脂；将水玻璃溶液与复合交换树脂按重量比20:1～40:1充分搅拌混合，除去杂质，得到预处理的硅酸溶液；向硅酸溶液中加入碱溶液，调节pH值为9-10、常压下控制70-85℃加热反应1-3小时后得硅溶胶母液；硅溶胶母液进行脱水分、浓缩并纯化，制备得到浓度为10-30wt％的硅溶胶，其中二氧化硅粒径在1-100nm之间。

优选的，所述超细硅溶胶替换为纳米二氧化硅。

优选的，所述的超细硅溶胶所占重量份数为35，硅溶胶浓度为20wt％。

优选的，羧甲基纤维素所占重量份数为75。

本产品用水稀释溶解后，用农业喷洒设备均匀喷于土地上即可。

有益效果：

本发明根据羧甲基纤维素具有优越的吸水性，将高吸水树脂单体N-异丙基丙烯酰胺引入链中发生聚合、交联、接枝，形成网状结构，使得水分子易于与网状链接触、渗透入网隙，形成凝胶状物而贮存起来，将无机纳米SiO₂包覆羧甲基纤维素高分子复合作用机理，通过表面富含的羟基通过物理吸附和化学吸附大量水分子，不仅提高了吸水保水性能和重复吸水性能，还改善了高分子吸水树脂耐盐性差的性能，聚合物分子间的交联度会形成网状结构，同时分子间存在各种离子基团，能产生较强的水亲合力，能够牢牢的锁住水分，将其紧锁于网状结构之内，形成可以缓慢释放水分的凝胶状物。

本发明的液态地膜与水易形成胶体，可将土壤颗粒联接起来，连接成巨型网络，将无结构分散的沙土，连接成具有弹性的稳定体，形成膜性良好、强度良好的地膜，网状膜一方面可以封闭土壤表面孔隙，阻隔土壤水分挥发，另一方面却不阻碍水分的渗入，起到良好的保水、保墒、固沙作用，有效改善沙漠、干旱土壤的性能。同时，光降解引发剂二茂铁的加入可促进地膜在一定使用时间内促进光降解为CO₂和H₂O等，年降解率10wt％-30wt％，对土地不存在任何污染。

本发明的液态地膜在常温状态下即可配比完成，无需增加其他加温设备。其具有稳定优异的吸水保水性能，又具有很好的耐盐性，可快速改善沙漠、盐碱地、干旱土地的土壤性能，可有效用于治沙固沙，社会经济效益巨大。

在沙漠上使用本发明液态地膜，当风沙覆盖后，第二年还需要使用液态地膜，形成多层植被沙漠膜之后，将形成多层沙土地模型，如图1所示，极大地改变了沙土地的保水储水性能，从而将沙土地逐渐改变成用于植被土地。

下面通过具体实施例对本发明做进一步说明，但并不意味着对本发明保护范围的限制。

附图说明

图1为多层植被沙漠膜模型。

图2-(a)和图2-(b)分别为沙漠粉尘未使用液态地膜与使用液态地膜后的对比电镜照片。

具体实施方式

实施例1

制备超细硅溶胶：将硅酸钠稀释溶于水后，超声震荡20min混合均匀，形成浓度为30wt％的水玻璃溶液；将强酸性阳离子交换树脂与强碱性阴离子交换树脂按体积比1:2混合得到复合树脂；将水玻璃溶液与复合交换树脂按重量比20:1充分搅拌混合，除去杂质，得到预处理的硅酸溶液；向硅酸溶液中加入碱溶液，调节pH值为9.5、常压下控制70℃加热反应2小时后得硅溶胶母液；硅溶胶母液进行脱水分、浓缩并纯化，制备得到浓度为20wt％的硅溶胶，其中二氧化硅粒径在1-100nm之间。

常温下，将4g羧甲基纤维素加入去离子水，在氮气保护下搅拌至完全溶解，依次加入2g浓度为20wt％超细硅溶胶溶液和0.02g二茂铁，形成溶胶液体；然后加入3gN-异丙基丙烯酰胺单体，在氮气氛围下，温度加热至30℃，搅拌溶解约25min；用NaOH溶液将pH值调至9，依次加入含0.04g过硫酸钾和0.04g无水亚硫酸钠水溶液、含0.03g交联剂N,N-亚甲基双丙烯酰胺水溶液，加速搅拌，保温反应3h后，冷却至室温，得到凝胶；将凝胶配制成浓度为5wt％的水溶液，用丙酮对聚合物进行沉淀分离后，在真空干燥箱中进行干燥，干燥温度60℃，得到本发明超强吸水剂。

实施例2

常温下，将3g羧甲基纤维素加入去离子水，在氮气保护下搅拌至完全溶解，依次加入1.5g浓度为20wt％超细硅溶胶溶液和0.05g二茂铁，形成溶胶液体；然后加入2gN-异丙基丙烯酰胺单体，在氮气氛围下，温度加热至40℃，搅拌溶解约25min；用NaOH溶液将pH值调至8.5，依次加入含0.05g过硫酸钾和0.05g无水亚硫酸钠水溶液、含0.02g交联剂N,N-亚甲基双丙烯酰胺水溶液，加速搅拌，保温反应3.5h后，冷却至室温，得到凝胶；将凝胶配制成浓度为5wt％的水溶液，用丙酮对聚合物进行沉淀分离后，在真空干燥箱中进行干燥，干燥温度60℃，得到本发明超强吸水剂。

实施例3

常温下，将10g羧甲基纤维素加入去离子水，在氮气保护下搅拌至完全溶解，依次加入4g浓度为20wt％超细硅溶胶溶液和0.1g二茂铁，形成溶胶液体；然后加入6gN-异丙基丙烯酰胺单体，在氮气氛围下，温度加热至30℃，搅拌溶解约30min；用NaOH溶液将pH值调至9.5，依次加入含0.05g过硫酸钾和0.05g无水亚硫酸钠水溶液、含0.06g交联剂N,N-亚甲基双丙烯酰胺水溶液，加速搅拌，保温反应3h后，冷却至室温，得到凝胶；将凝胶配制成浓度为5wt％的水溶液，用丙酮对聚合物进行沉淀分离后，在真空干燥箱中进行干燥，干燥温度60℃，得到本发明超强吸水剂。

如图2-(a)和图2-(b)所示，为沙漠粉尘未使用液态地膜与使用液态地膜后的对比电镜照片，使用液态地膜后，液态地膜与沙漠粉尘胶黏形成胶粘膜。

本发明制备得到的液态地膜与水易形成胶体，可将土壤颗粒联接起来，连接成巨型网络，将无结构分散的沙土，连接成具有弹性的稳定体，形成膜性良好、强度良好的网状膜，网状膜一方面可以封闭土壤表面孔隙，阻隔土壤水分挥发，另一方面却不阻碍水分的渗入，起到良好的保水、保墒、固沙作用，有效改善沙漠、干旱土壤的性能。

在沙漠上使用该液态地膜，液态地膜与沙土结合形成一层植被沙漠膜；当风沙覆盖后，第二年再使用液态地膜，又形成一层植被沙漠膜，多年之后可形成沙土层和植被沙漠膜相隔的多层模型，如图1所示，由上到下为自生长植物、植被沙漠膜、沙土层(风沙覆盖后的沙漠表层)、原植被沙漠膜(固化为人工板结层)，下面是经过多次覆盖的沙土层及人工板结层。这样极大地改变了沙土地的保水储水性能，从而将沙土地逐渐改变成能用于植被的土地。

Claims

1.一种保水固沙液态地膜，其原料组成按重量份计如下：

其中，所述超细硅溶胶为纳米二氧化硅的母体，其制备方法为：将硅酸钠稀释溶于水后，超声震荡10-20min混合均匀，形成水玻璃溶液；将强酸性阳离子交换树脂与强碱性阴离子交换树脂按体积比1:2～1:3混合得到复合树脂；将水玻璃溶液与复合交换树脂按重量比20:1～40:1充分搅拌混合，除去杂质，得到预处理的硅酸溶液；向部分活性硅酸溶液中加入碱溶液，调节pH值为9-10、常压下控制70-85℃加热反应1-3小时后得硅溶胶母液；硅溶胶母液进行脱水分、浓缩并纯化，制备得到浓度为10wt％-30wt％的硅溶胶，其中二氧化硅粒径在1-100nm之间。

2.根据权利要求1所述的保水固沙液态地膜，其特征在于：所述超细硅溶胶替换为纳米二氧化硅。

3.根据权利要求1所述的保水固沙液态地膜，其特征在于：所述超细硅溶胶所占重量份数为35-40，硅溶胶浓度为20wt％。

4.根据权利要求1所述的保水固沙液态地膜，其特征在于：所述超细硅溶胶所占重量份数为35。

5.根据权利要求1-3中任一项所述的保水固沙液态地膜，其特征在于：羧甲基纤维素所占重量份数为70-90。

6.根据权利要求1-3中任一项所述的保水固沙液态地膜，其特征在于：所述交联剂为N，N-亚甲基双丙烯酰胺。

7.根据权利要求1-3中任一项所述的保水固沙液态地膜，其特征在于：所述引发剂为过硫酸钾和无水亚硫酸钠，二者质量比为1：1。

8.一种如权利要求1所述的保水固沙液态地膜的制备方法，包括如下步骤：

(1)按权利要求1所述成分和配比进行备料；

(2)制备超细硅溶胶：将硅酸钠稀释溶于水后，超声震荡10-20min混合均匀，形成水玻璃溶液；将强酸性阳离子交换树脂与强碱性阴离子交换树脂按体积比1:2～1:3混合得到复合树脂；将水玻璃溶液与复合交换树脂按重量比20:1～40:1充分搅拌混合，除去杂质，得到预处理的硅酸溶液；向部分活性硅酸溶液中加入碱溶液，调节pH值为9-10、常压下控制70-85℃加热反应1-3小时后得硅溶胶母液；硅溶胶母液进行脱水分、浓缩并纯化，制备得到浓度为10wt％-30wt％的硅溶胶，其中二氧化硅粒径在1-100nm之间；

(4)依次加入超细硅溶胶溶液和二茂铁，形成溶胶液体；

(5)然后加入N-异丙基丙烯酰胺单体，在氮气氛围下,温度加热至20-50℃，搅拌溶解5-30min；

(6)当温度恒定时，用氢氧化钠碱溶液将pH值调至8-11后，依次加入引发剂过硫酸钾和无水亚硫酸钠水溶液、交联剂N，N-亚甲基双丙烯酰胺水溶液,加速搅拌，使其交联聚合充分反应，保温反应3h-11h后，冷却至室温，得到有机-无机复合型聚合物凝胶；

(7)将凝胶配制成浓度为2％-10％的水溶液，用丙酮对聚合物进行沉淀分离后，在真空干燥箱中进行干燥，干燥温度50-80℃，得到产品。

9.根据权利要求8所述的保水固沙液态地膜的制备方法，其特征在于：所述超细硅溶胶替换为纳米二氧化硅。

10.根据权利要求8所述的保水固沙液态地膜的制备方法，其特征在于：所述超细硅溶胶所占重量份数为35，硅溶胶浓度为20％；所述羧甲基纤维素所占重量份数为75。