CN107189789A

CN107189789A - 一种生态环境固沙材料及其制备方法

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Publication number: CN107189789A
Application number: CN201710509454.5A
Authority: CN
Inventors: 侯晓华; 许蘅
Original assignee: Changzhou New Elegance Decorative Material Co Ltd
Current assignee: Changzhou New Elegance Decorative Material Co Ltd
Priority date: 2017-06-28
Filing date: 2017-06-28
Publication date: 2017-09-22

Abstract

本发明公开了一种生态环境固沙材料及其制备方法，属于沙漠化环境治理技术领域。本发明首先以木浆为原料，经氧化和均质处理制得纳米纤维，再于纳米纤维表面吸附二氧化硅，以二氧化硅为支撑材料，通过缓慢升温炭化形成中空结构的纳米纤维，并以此为载体，将聚天冬氨酸乳液和己二胺溶液分别包覆于中空纤维内部，并以脲醛树脂进行封端处理，分别制得A组分纤维和B组分纤维，再与壳聚糖、戊二醛、干酪素、硼砂和聚乙二醇等复配，即得生态环境固沙材料。本发明所得固沙材料固化时间短，固沙效果好，在为植物生长创造良好的水土环境的同时，可有效改善生态环境，有利于沙漠植物生长。

Description

一种生态环境固沙材料及其制备方法

技术领域

本发明公开了一种生态环境固沙材料及其制备方法，属于沙漠化环境治理技术领域。

背景技术

土地的沙漠化引起了一系列严重的生态环境与社会问题，对人类生存构成了巨大的威胁。沙漠化治理的关键是防沙固沙，在众多沙漠化治理技术和防治模式中，比较成熟的固沙方式是工程固沙和生物固沙。但是由于这些防治技术均存在成本高、收效低、劳动强度大、施工进度慢等问题，没有得到普遍推广和有效实施。近年来，化学固沙技术和化学固沙材料因其高效、廉价、快速、方便而日益受到关注。

化学固沙是指利用化学材料与工艺，在易于发生沙害的沙丘或沙质土地表面形成固沙、保水的固结层，从而达到控制沙害、提高沙地生产力的目的。传统的化学固沙材料可分为：水泥浆类、水玻璃类、石油产品类和高分子聚合物高吸水树脂类。而后续开发的新型化学固沙材料及其技术在考虑固沙效果的同时，更为重视材料制备和使用过程中的生态环境协调性，使其具有使用性能好、资源与能源消耗少、与生态环境相容性好等优点。新型化学固沙材料包括：对工农林业副产品进行改性处理的生态环境固沙材料，利用微生物技术的微生物固沙材料和有机-无机合成的复合固沙材料等。

1.工农林业副产品进行改性处理的生态环境固沙材料，如木质素类固沙材料，是制浆废液经化学改性制备而成的一种新型固沙材料，喷洒在沙土表面后，与表层的沙土颗粒结合，通过静电引力、氢键、络合等化学作用，在沙土颗粒之间产生架桥作用，促进沙土颗粒的聚集，使得表面沙粒彼此紧密结合，形成具有一定强度的致密固结层，从而达到固沙的目的。目前研究的木质素固沙材料均具有很好的水溶性，适用于干旱地区，但此类材料在短时潮湿或是降雨环境下的力学特性急剧下降，影响其实际应用效果。

2.微生物类固沙材料，微生物类固沙材料是利用沙漠生物结皮人工接种固沙或是从生物结皮中分离出可固沙的细菌，然后制成液体菌剂后直接用于固沙的新型固沙材料。微生物固沙材料能够适应干旱、营养贫瘠的环境，但目前的研究缺乏实用性，尤其在人工生物结皮恢复技术的研究的实用性和可操作性方面，还需深层次探讨。

但是，虽然目前采用的固沙技术和固沙材料能够在一定程度上提高地表沙土的稳定性和保水性，达到固定流沙、改良和治理荒漠化土地的目的，但多数材料使用后滞留在地表表层的大面积固沙材料在使用后期容易对生态环境产生负面影响，因此，亟待开发一种生态环境固沙材料，在为植物生长创造良好的水土环境的同时，永久性的改善生态环境，形成自然生态圈。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是：针对传统固沙材料在使用后期因滞留在地表表层，易对生态环境产生负面影响的问题，提供了一种生态环境固沙材料及其制备方法。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种生态环境固沙材料，其特征在于：是由以下重量份数的原料组成：60～80份A组分纤维，10～20份B组分纤维组成，100～120份壳聚糖粘稠液，8～10份戊二醛，10～20份干酪素，10～15份硼砂，8～10份聚乙二醇2000；

所述的生态环境固沙材料具体制备步骤为：

（1）按重量份数计，依次取100～120份固含量为2～6%的木浆，10～12份溴化钠，20～30份氧化剂，调节pH至10.5～11.0，恒温搅拌反应2～4h，待反应结束，经纳米均质机均质处理，得纳米纤维浆料，并将所得纳米纤维浆料过滤、洗涤和干燥，得纳米纤维；

（2）按重量份数计，依次取10～20份纳米纤维，100～120份乙醇溶液，混合后超声分散20～40min，再于搅拌状态下向乙醇溶液中滴加纳米纤维质量1.2～1.8倍的正硅酸乙酯，待滴加结束，继续搅拌反应45～60min，再经过滤、洗涤和干燥，得改性纳米纤维，并将所得改性纳米纤维转入炭化炉，于氩气保护状态下，以0.3～0.5℃/min速率程序升温至450～500℃，保温反应4～6h，得中空纤维；

（3）按质量比为1：80～1：100将中空纤维浸渍于聚天冬氨酸乳液中，再按重量份数计，依次取10～20份浸渍后的中空纤维，20～30份尿素，80～100份甲醛溶液，3～5份乙烯-顺丁烯二酸酐，2～4份氯化铵，4～6份间苯二酚和40～60份水，混合后恒温搅拌反应3～5h，再经抽滤、干燥得A组分纤维；

（4）按质量比为1：80～1：100将中空纤维浸渍于己二胺溶液中，再按重量份数计，依次取10～20份浸渍后的中空纤维，20～30份尿素，80～100份甲醛溶液，3～5份乙烯-顺丁烯二酸酐，2～4份氯化铵，4～6份间苯二酚和40～60份水，混合后恒温搅拌反应3～5h，再经抽滤、干燥得B组分纤维；

（5）将A组分纤维、B组分纤维、聚乙二醇2000、干酪素和硼砂加入壳聚糖粘稠液中，搅拌混合20～40min后，再加入戊二醛，继续搅拌混合10～20min，即得生态环境固沙材料。

所述的壳聚糖粘稠液是由壳聚糖与水按质量比为3：100～7：100混合而成。

步骤（1）所述的木浆为桦木木浆、杨木木浆、椴木木浆或枫木木浆中的一种。

步骤（1）所述的氧化剂是由以下重量份数的原料混合而成：60～80份质量分数为15%双氧水，6～8份次氯酸钠，4～6份2,2,6,6-四甲基哌啶氧化物。

步骤（3）所述的聚天冬氨酸乳液是由以下重量份数的原料混合而成：80～100份水，20～30份聚天冬氨酸，4～6份乳化剂OP-10。

本发明的有益效果是：

（1）本发明首先在氧化后的纳米纤维表面吸附水解产生的二氧化硅，在纤维表面形成均匀的纳米二氧化硅包覆层，并依次包覆层为支撑结构，控制缓慢升温速率进行炭化，使纳米纤维中水分和有机质分解挥发，形成中空纤维，再以此中空纤维为载体，将聚天冬氨酸乳液和己二胺溶液分别包覆于中空纤维内部，并以脲醛树脂进行封端处理，避免有效成分流失，在后期使用过程中，首先，纳米中空纤维的小尺寸效应，提高沙粒与产品固沙材料的接触点，配合壳聚糖和戊二醛交联形成的三维网络结构，在沙粒表面及内部孔隙中形成固沙网络，随着使用过程中，收到外力后，中空纤维部分破裂，其中包覆的聚天冬氨酸和己二胺释放，两者进一步发生交联反应，生成具有较强吸水性能的聚合物，且此聚合物随时间延长，可缓慢降解，降解后作为肥料，有益于沙漠中植物生长，对环境无害；

（2）本发明通过在产品中添加干酪素和硼砂为助剂，干酪素中含有丰富的活性基团，如羧基、氨基和羟基，且具有优异的吸附性能和黏性，可辅助产品中其他成分强力吸附于沙粒表面，干燥后在沙粒表面形成稳定包覆层，且干酪素有较强的吸湿性，可吸收空气和沙粒中的水分，并将水分固定于包覆层中，起到保水作用，而硼砂的添加有利于干酪素的稳定，提高其作用期限，避免沙漠中极端环境对其性能产生过分干扰而失效。

具体实施方式

按重量份数计，依次取100～120份固含量为2～6%的木浆，10～12份溴化钠，20～30份氧化剂，倒入反应釜中，用质量分数为8～10%氢氧化钠溶液调节pH至10.5～11.0，随后于温度为55～60℃，转速为400～600r/min条件下，恒温搅拌反应2～4h，待反应结束，将反应釜中物料转入纳米均质机，于压力为1800～2000bar条件下均质处理3～5次，得纳米纤维浆料，并将所得纳米纤维浆料过滤、洗涤和干燥，得纳米纤维；按重量份数计，依次取10～20份纳米纤维，100～120份质量分数为60～80%乙醇溶液，混合后于频率为40～50kHz条件下超声分散20～40min，再于搅拌状态下向乙醇溶液中滴加纳米纤维质量1.2～1.8倍的正硅酸乙酯，控制正硅酸乙酯滴加速率为8～10g/min，待滴加结束，继续搅拌反应45～60min，再经过滤、洗涤和干燥，得改性纳米纤维，并将所得改性纳米纤维转入炭化炉，以60～80mL/min速率向炉内通入氩气，于氩气保护状态下，以0.3～0.5℃/min速率程序升温至450～500℃，保温反应4～6h，得中空纤维；按质量比为1：80～1：100将中空纤维浸渍于聚天冬氨酸乳液中，浸渍45～60min，再按重量份数计，依次取10～20份浸渍后的中空纤维，20～30份尿素，80～100份质量分数为30%甲醛溶液，3～5份乙烯-顺丁烯二酸酐，2～4份氯化铵，4～6份间苯二酚和40～60份水，混合后于温度为50～60℃，转速为300～500r/min条件下，恒温搅拌反应3～5h，再经抽滤、干燥得A组分纤维；按质量比为1：80～1：100将中空纤维浸渍于质量分数为10%己二胺溶液中，浸渍45～60min，再按重量份数计，依次取10～20份浸渍后的中空纤维，20～30份尿素，80～100份质量分数为30%甲醛溶液，3～5份乙烯-顺丁烯二酸酐，2～4份氯化铵，4～6份间苯二酚和40～60份水，混合后于温度为50～60℃，转速为300～500r/min条件下，恒温搅拌反应3～5h，再经抽滤、干燥得B组分纤维；按重量份数计，依次取60～80份A组分纤维，10～20份B组分纤维组成，100～120份壳聚糖粘稠液，8～10份戊二醛，10～20份干酪素，10～15份硼砂，8～10份聚乙二醇2000，将A组分纤维、B组分纤维、聚乙二醇2000、干酪素和硼砂加入壳聚糖粘稠液中，搅拌混合20～40min后，再加入戊二醛，继续搅拌混合10～20min，即得生态环境固沙材料。所述的壳聚糖粘稠液是由壳聚糖与水按质量比为3：100～7：100混合而成。所述的木浆为桦木木浆、杨木木浆、椴木木浆或枫木木浆中的一种。所述的氧化剂是由以下重量份数的原料混合而成：60～80份质量分数为15%双氧水，6～8份次氯酸钠，4～6份2,2,6,6-四甲基哌啶氧化物。所述的聚天冬氨酸乳液是由以下重量份数的原料混合而成：80～100份水，20～30份聚天冬氨酸，4～6份乳化剂OP-10。

实例1

按重量份数计，依次取100份固含量为2%的木浆，10份溴化钠，20份氧化剂，倒入反应釜中，用质量分数为8%氢氧化钠溶液调节pH至10.5，随后于温度为55℃，转速为400r/min条件下，恒温搅拌反应2h，待反应结束，将反应釜中物料转入纳米均质机，于压力为1800bar条件下均质处理3次，得纳米纤维浆料，并将所得纳米纤维浆料过滤、洗涤和干燥，得纳米纤维；按重量份数计，依次取10份纳米纤维，100份质量分数为60%乙醇溶液，混合后于频率为40kHz条件下超声分散20min，再于搅拌状态下向乙醇溶液中滴加纳米纤维质量1.2倍的正硅酸乙酯，控制正硅酸乙酯滴加速率为8g/min，待滴加结束，继续搅拌反应45min，再经过滤、洗涤和干燥，得改性纳米纤维，并将所得改性纳米纤维转入炭化炉，以60mL/min速率向炉内通入氩气，于氩气保护状态下，以0.3℃/min速率程序升温至450℃，保温反应4h，得中空纤维；按质量比为1：80将中空纤维浸渍于聚天冬氨酸乳液中，浸渍45min，再按重量份数计，依次取10份浸渍后的中空纤维，20份尿素，80份质量分数为30%甲醛溶液，3份乙烯-顺丁烯二酸酐，2份氯化铵，4份间苯二酚和40份水，混合后于温度为50℃，转速为300r/min条件下，恒温搅拌反应3h，再经抽滤、干燥得A组分纤维；按质量比为1：80将中空纤维浸渍于质量分数为10%己二胺溶液中，浸渍45min，再按重量份数计，依次取10份浸渍后的中空纤维，20份尿素，80份质量分数为30%甲醛溶液，3份乙烯-顺丁烯二酸酐，2份氯化铵，4份间苯二酚和40份水，混合后于温度为50℃，转速为300r/min条件下，恒温搅拌反应3h，再经抽滤、干燥得B组分纤维；按重量份数计，依次取60份A组分纤维，10份B组分纤维组成，100份壳聚糖粘稠液，8份戊二醛，10份干酪素，10份硼砂，8份聚乙二醇2000，将A组分纤维、B组分纤维、聚乙二醇2000、干酪素和硼砂加入壳聚糖粘稠液中，搅拌混合20min后，再加入戊二醛，继续搅拌混合10min，即得生态环境固沙材料。所述的壳聚糖粘稠液是由壳聚糖与水按质量比为3：100混合而成。所述的木浆为桦木木浆。所述的氧化剂是由以下重量份数的原料混合而成：60份质量分数为15%双氧水，6份次氯酸钠，4份2,2,6,6-四甲基哌啶氧化物。所述的聚天冬氨酸乳液是由以下重量份数的原料混合而成：80份水，20份聚天冬氨酸，4份乳化剂OP-10。

实例2

按重量份数计，依次取110份固含量为4%的木浆，11份溴化钠，25份氧化剂，倒入反应釜中，用质量分数为9%氢氧化钠溶液调节pH至10.8，随后于温度为58℃，转速为500r/min条件下，恒温搅拌反应3h，待反应结束，将反应釜中物料转入纳米均质机，于压力为1900bar条件下均质处理4次，得纳米纤维浆料，并将所得纳米纤维浆料过滤、洗涤和干燥，得纳米纤维；按重量份数计，依次取15份纳米纤维，110份质量分数为70%乙醇溶液，混合后于频率为45kHz条件下超声分散30min，再于搅拌状态下向乙醇溶液中滴加纳米纤维质量1.5倍的正硅酸乙酯，控制正硅酸乙酯滴加速率为9g/min，待滴加结束，继续搅拌反应50min，再经过滤、洗涤和干燥，得改性纳米纤维，并将所得改性纳米纤维转入炭化炉，以70mL/min速率向炉内通入氩气，于氩气保护状态下，以0.4℃/min速率程序升温至480℃，保温反应5h，得中空纤维；按质量比为1：90将中空纤维浸渍于聚天冬氨酸乳液中，浸渍50min，再按重量份数计，依次取15份浸渍后的中空纤维，25份尿素，90份质量分数为30%甲醛溶液，4份乙烯-顺丁烯二酸酐，3份氯化铵，5份间苯二酚和50份水，混合后于温度为55℃，转速为400r/min条件下，恒温搅拌反应4h，再经抽滤、干燥得A组分纤维；按质量比为1：90将中空纤维浸渍于质量分数为10%己二胺溶液中，浸渍50min，再按重量份数计，依次取15份浸渍后的中空纤维，25份尿素，90份质量分数为30%甲醛溶液，4份乙烯-顺丁烯二酸酐，3份氯化铵，5份间苯二酚和50份水，混合后于温度为55℃，转速为400r/min条件下，恒温搅拌反应4h，再经抽滤、干燥得B组分纤维；按重量份数计，依次取70份A组分纤维，15份B组分纤维组成，110份壳聚糖粘稠液，9份戊二醛，15份干酪素，12份硼砂，9份聚乙二醇2000，将A组分纤维、B组分纤维、聚乙二醇2000、干酪素和硼砂加入壳聚糖粘稠液中，搅拌混合30min后，再加入戊二醛，继续搅拌混合15min，即得生态环境固沙材料。所述的壳聚糖粘稠液是由壳聚糖与水按质量比为5：100混合而成。所述的木浆为椴木木浆。所述的氧化剂是由以下重量份数的原料混合而成：70份质量分数为15%双氧水，7份次氯酸钠，5份2,2,6,6-四甲基哌啶氧化物。所述的聚天冬氨酸乳液是由以下重量份数的原料混合而成：90份水，25份聚天冬氨酸，5份乳化剂OP-10。

实例3

按重量份数计，依次取120份固含量为6%的木浆，12份溴化钠，30份氧化剂，倒入反应釜中，用质量分数为10%氢氧化钠溶液调节pH至11.0，随后于温度为60℃，转速为600r/min条件下，恒温搅拌反应4h，待反应结束，将反应釜中物料转入纳米均质机，于压力为2000bar条件下均质处理5次，得纳米纤维浆料，并将所得纳米纤维浆料过滤、洗涤和干燥，得纳米纤维；按重量份数计，依次取20份纳米纤维，120份质量分数为80%乙醇溶液，混合后于频率为50kHz条件下超声分散40min，再于搅拌状态下向乙醇溶液中滴加纳米纤维质量1.8倍的正硅酸乙酯，控制正硅酸乙酯滴加速率为10g/min，待滴加结束，继续搅拌反应60min，再经过滤、洗涤和干燥，得改性纳米纤维，并将所得改性纳米纤维转入炭化炉，以80mL/min速率向炉内通入氩气，于氩气保护状态下，以0.5℃/min速率程序升温至500℃，保温反应6h，得中空纤维；按质量比为1：100将中空纤维浸渍于聚天冬氨酸乳液中，浸渍60min，再按重量份数计，依次取20份浸渍后的中空纤维，30份尿素，100份质量分数为30%甲醛溶液，5份乙烯-顺丁烯二酸酐，4份氯化铵，6份间苯二酚和60份水，混合后于温度为60℃，转速为500r/min条件下，恒温搅拌反应5h，再经抽滤、干燥得A组分纤维；按质量比为1：100将中空纤维浸渍于质量分数为10%己二胺溶液中，浸渍60min，再按重量份数计，依次取20份浸渍后的中空纤维，30份尿素，100份质量分数为30%甲醛溶液，5份乙烯-顺丁烯二酸酐，4份氯化铵，6份间苯二酚和60份水，混合后于温度为60℃，转速为500r/min条件下，恒温搅拌反应5h，再经抽滤、干燥得B组分纤维；按重量份数计，依次取80份A组分纤维，20份B组分纤维组成，120份壳聚糖粘稠液，10份戊二醛，20份干酪素，15份硼砂，10份聚乙二醇2000，将A组分纤维、B组分纤维、聚乙二醇2000、干酪素和硼砂加入壳聚糖粘稠液中，搅拌混合40min后，再加入戊二醛，继续搅拌混合20min，即得生态环境固沙材料。所述的壳聚糖粘稠液是由壳聚糖与水按质量比为7：100混合而成。所述的木浆为枫木木浆。所述的氧化剂是由以下重量份数的原料混合而成：80份质量分数为15%双氧水，8份次氯酸钠，6份2,2,6,6-四甲基哌啶氧化物。所述的聚天冬氨酸乳液是由以下重量份数的原料混合而成：100份水，30份聚天冬氨酸，6份乳化剂OP-10。

在沙坡上划分4块区域后，分别标记1～4号并在1～4号区域中各种植1棵沙柳，将4号区域作为对比例，将实例1至3所得产品按掺杂量为6～8%（质量含量），对应使用于1至3号区域三块沙坡表面，测试其完全固结所需时间，固结后抗压强度，并于12个月后再次测试其抗压强度和沙柳生长情况，并测定其降解失效期。

取荒漠细砂，过100～150目筛后，按行业标准《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTGE51-2009）制作圆柱形试块，并将石块进行冻融性能测试和抗老化性能测试。冻融性能测试：将试块置于冻融装置，于-30～30℃的温差下反复进行冻融，根据《公路工程及水泥混凝土试验规程》中T0525方法，测定其质量损失率和强度损失率。

具体检测结果如表1所示：

表1

	实例1	实例2	实例3	对比例
					完全固结时间/h	6	7	8	无
固结后抗压强度/MPa	6.8	7.2	8.2	无
					12个月抗压强度/MPa	4.6	5.2	6.8	无
沙柳生长情况	良好	良好	良好	一般
					降解失效期/月	24	28	32	无
25次冻融质量损失率/%	6.8	6.5	6.2	无
					冻融强度损失/MPa	2.1	1.8	1.6	无

由表1检测结果可知，本发明所得产品使用后固结时间短，固化效果好，经24～32个月后即可完全降解，不会对生态环境造成干扰，有利于沙漠植株生长。

Claims

1.一种生态环境固沙材料，其特征在于：是由以下重量份数的原料组成：60～80份A组分纤维，10～20份B组分纤维组成，100～120份壳聚糖粘稠液，8～10份戊二醛，10～20份干酪素，10～15份硼砂，8～10份聚乙二醇2000；

所述的生态环境固沙材料具体制备步骤为：

2.根据权利要求1所述的一种生态环境固沙材料，其特征在于：所述的壳聚糖粘稠液是由壳聚糖与水按质量比为3：100～7：100混合而成。

3.根据权利要求1所述的一种生态环境固沙材料，其特征在于：步骤（1）所述的木浆为桦木木浆、杨木木浆、椴木木浆或枫木木浆中的一种。

4.根据权利要求1所述的一种生态环境固沙材料，其特征在于：步骤（1）所述的氧化剂是由以下重量份数的原料混合而成：60～80份质量分数为15%双氧水，6～8份次氯酸钠，4～6份2,2,6,6-四甲基哌啶氧化物。

5.根据权利要求1所述的一种生态环境固沙材料，其特征在于：步骤（3）所述的聚天冬氨酸乳液是由以下重量份数的原料混合而成：80～100份水，20～30份聚天冬氨酸，4～6份乳化剂OP-10。