一种防蒸发可降解复合材料及其制备方法和在沙漠化治理中的应用与流程

1.本发明涉及一种防蒸发可降解复合材料，以及该复合材料的制备方法和在沙漠化治理中的应用。


背景技术：

2.土地沙漠化对人类社会发展和进步造成了十分严重的影响。自然因素和人为因素是形成荒漠化最主要的两个因素，其中自然因素主要由于气候干旱，地表植物被破坏出现风蚀、风积地貌，随着风沙活动加剧，进一步出现流动沙丘或沙堆，逐渐形成荒漠化。人类的生产、生活等活动，长期以来也影响着土地荒漠化进程。例如，过度种植和过度放牧，导致植被损失，造成养分丧失和水土流失；过度灌溉，导致水分蒸发过快，形成盐碱土地，都是造成土地荒漠化的主要原因。
3.自20世纪30年代以来，各国科研工作者致力于研究和开发土地沙漠化防护和治理方法。目前，采用的固沙技术主要有工程固沙、化学固沙和植物固沙技术等。工程固沙是在沙地表面设置草、树枝、黏土等障碍物，来阻碍风沙移动，起到防风固沙改善地貌的作用。但因劳动强度大，施工进度慢，投资成本高，常作为临时性、辅助性的固沙措施。化学固沙是将化学粘结材料喷洒于松散的沙地表面，在沙子表面和沙粒之间形成紧密的胶结层，以此来隔离风与沙面的直接接触，从而起到防风固沙的效果。其目前面临的主要问题是价格昂贵，污染环境，性能单一，不便于推广应用。
4.传统的植物固沙是在荒漠地区通过种植沙生植物，抑制风沙侵蚀，达到改善沙漠生态环境的目的。从长远来说，植物固沙是控制流沙最根本且最经济有效的措施，一方面植物根系能起到固结沙粒的作用，枯落的植物会在地表形成结皮，腐烂后可以提高沙子间粘结性，使沙土的营养性增加，促进植物生长，进而达到逆转荒漠化的结果；另一方面固沙植物能为沙区人们和牲畜提供充足的燃料和饲料，促使经济利益最大化。但是植物固沙在实际应用中存在着许多问题，最根本的问题是植物在流沙上成活和生存，由于沙漠地区气候干旱，沙地贫瘠以及流沙本身的活动性引起的风蚀、沙埋等使植物治沙面临严峻的考验。因此，单一的采用植物固沙技术，将很难实现全面治沙的目的。


技术实现要素：

5.基于植物固沙存在的问题，本发明的目的在于提供一种防蒸发可降解复合材料，以及该复合材料的制备方法和在沙漠化治理中的应用。
6.为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案如下：一种防蒸发可降解复合材料，其特点在于，所述防蒸发可降解复合材料包括纸基体，以及覆于纸基体表面的主要由秸秆粉末和可降解高分子粘合剂组成的涂层。
7.优选地，所述纸基体为废旧包装纸。
8.优选地，所述可降解高分子粘合剂选自海藻酸钠、聚乙烯醇、羧甲基纤维素钠和聚氨基酸中的至少一种。
9.优选地，所述秸秆粉末的粒度为100
‑
200目。
10.优选地，所述秸秆选自小麦秸秆、玉米秸秆、马铃薯秸秆、胡麻秸秆中的至少一种。
11.优选地，所述秸秆粉末和可降解高分子粘合剂的质量比为0.1
‑
1:1。
12.更优选地，所述秸秆粉末和可降解高分子粘合剂的质量比为0.25
‑
0.5:1。
13.优选地，所述涂层还含有增塑剂。
14.优选地，所述增塑剂的含量为所述可降解高分子粘合剂质量的1~30 %，更优选地，所述增塑剂的含量为所述可降解高分子粘合剂质量的3~10 %。
15.优选地，所述涂层还含有交联剂。
16.优选地，所述交联剂的含量为所述可降解高分子粘合剂质量的0.2~10 %，更优选地，所述交联剂的含量为所述可降解高分子粘合剂质量的0.5~5 %。
17.优选地，所述涂层的厚度为1~100微米。
18.更优选地，所述涂层的厚度为20~50微米。
19.优选地，所述纸基体的厚度为50~5000微米。
20.更优选地，所述纸基体的厚度为200~500微米。
21.优选地，所述纸基体的正面和反面均覆有所述涂层。
22.上述防蒸发可降解复合材料的制备方法，包括：（1）将秸秆粉末、可降解高分子粘合剂、增塑剂和交联剂在溶剂中混合均匀，得到涂覆液；（2）将涂覆液涂覆在纸基体，干燥，得到所述的防蒸发可降解复合材料。
23.优选地，所述秸秆粉末经过水热活化处理。水热活化处理可以使秸秆中的纤维素、半纤维素、木质素溶胀或部分水解、暴露，裸露更多的纤维分子，增加了纤维表面可游离的羟基数量，从而提高反应性官能团数量和活性。
24.更优选地，所述水热活化处理的温度为160
‑
240℃，时间为1
‑
2小时。
25.优选地，所述增塑剂选自甘油、聚乙二醇、邻苯二甲酸二丁酯和氯化石蜡中的至少一种。
26.优选地，所述增塑剂的用量为所述可降解高分子粘合剂质量的1~30 %。
27.更优选地，所述增塑剂的用量为所述可降解高分子粘合剂质量的3~10 %。
28.优选地，所述交联剂选自氯化锂、戊二醛、柠檬酸和草酸中的至少一种。
29.优选地，所述交联剂的用量为所述可降解高分子粘合剂质量的0.2~10 %。
30.更优选地，所述交联剂的用量为所述可降解高分子粘合剂质量的0.5~5 %。
31.优选地，混合后，在70~90℃下搅拌1~4h。
32.优选地，所述溶剂为水。
33.上述的防蒸发可降解复合材料在沙漠化、荒漠化治理中的应用。
34.一种植物栽培盆，其特点在于，所述植物栽培盆的盆体材质为如上所述的防蒸发可降解复合材料。
35.优选地，所述盆体为一端开口的圆筒。
36.更优选地，所述圆筒的直径为0.2
‑
0.3m，高度为0.35
‑
0.5m。
37.优选地，所述植物为沙生植物。
38.一种网状组合沙障，所述网状组合沙障包括均匀分布的沙坑，以及埋在所述沙坑中的如上所述的植物栽培盆，其中，所述植物栽培盆盆体有1/4至1/2的高度露在所述沙坑外。
39.优选地，各所述沙坑的间距为1.5~2m。
40.优选地，各所述沙坑呈菱形网格状均匀分布。
41.更优选地，所述菱形网格的锐角等于60度。
42.优选地，在所述植物栽培盆中种植有沙生植物。
43.更优选地，所述沙生植物为沙蒿。
44.本发明以可降解高分子粘合剂、秸秆粉末和纸为原料，设计制备了一种价格低廉、环境友好、性能优异、便于应用推广的新型防蒸发可降解复合材料，该复合材料具有保水、防蒸发、可降解、强度高、润湿性强的优点。将其制作成沙生植物的栽培装置，应用到沙漠地区的植物繁育、种植与保护，再以其构成网状沙障，实现了以植物固沙为主，与工程固沙、化学固沙相结合的效果，与单一其他固沙技术相比更具有明显的优势，不仅可以起到保水，防蒸发的效果，解决因沙漠地区水分蒸发过快，容易形成盐碱地植物难成活的问题，还能够起到阻挡、减缓、分流和固定流沙，同时截留雨水、促进植物生长的效果。另外，本发明的复合材料具有可降解性，无毒无污染，降解之后能为植物生长提供一定的营养性，在达到满足固沙效果的同时，又可以恢复和改善生态环境。
附图说明
45.图1为实施例1所述防蒸发可降解复合材料表面(a)及截面(b)的sem图。
46.图2为实施例1所述防蒸发可降解复合材料和废旧包装纸的应力
‑
应变曲线。
47.图3为实施例1所述防蒸发可降解复合材料和废旧包装纸的溶胀曲线。
48.图4为实施例1所述防蒸发可降解复合材料和废旧包装纸的溶解图。
49.图5为实施例1所述防蒸发可降解复合材料在不同时间段的接触角。
50.图6为铺设实施例1所述防蒸发可降解复合材料下的水分蒸发率曲线。
51.图7为实施例1所述防蒸发可降解复合材料土埋降解(a)0天、(b)20天、(c)60天后的sem图。
52.图8为实施例1所述防蒸发可降解复合材料土埋降解的失重曲线。
53.图9为本发明所述植物栽培盆的正视图(a)和俯视图(b)。
54.图10为沙蒿在本发明所述植物栽培盆中种植繁育生长图。
55.图11为本发明的网状组合沙障。
具体实施方式
56.以下结合附图及优选实施例对本发明的技术方案做进一步详细说明。
57.1秸秆的预处理将农作物废弃秸秆（小麦秸秆、玉米秸秆、马铃薯秸秆、胡麻秸秆等）剪碎后，放入去离子水中洗涤干净，在电热鼓风干燥箱内烘干1h，待秸秆完全干燥后，粉碎机粉碎，过100
‑
200目筛子，即得到一定粒径秸秆粉末。然后将所得到的秸秆微粒与去离子水按照一定
的比例混合，放入高压水热釜中，在一定的温度下（160
‑
240℃）对秸秆微粒水热活化1
‑
2h，取出水热釜室温降温后，通过真空过滤回收固体产物，并在80℃的烘箱中干燥24小时，备用。
58.2防蒸发可降解复合材料的制备称取一定比例经预处理后的秸秆粉末和天然高分子材料（海藻酸钠、聚乙烯醇、羧甲基纤维素钠、聚氨基酸等）加入到一定去离子水中，再添加一定量增塑剂和交联剂，经超声分散后，置于至70~90℃油浴锅中搅拌1~4h，得到均匀的涂覆液后，涂覆在废旧包装纸的表面，室温干燥后，即得防蒸发可降解复合材料。
59.实施例1~5实施例1~5所述防蒸发可降解复合材料的制备过程如上，所用的涂覆液配方见表1
‑
2。
60.表1 涂覆液的原料种类表2涂覆液的原料配比3性能测试测试样品为本实施例1所制备的防蒸发可降解复合材料(composite material)，对照样为未涂覆的废旧包装纸(waste paper)空白样。
61.3.1 扫描电子显微镜（sem）表征分别对复合材料的表面和截面进行喷金处理，利用sem（德国zeiss公司的ultra plus型热场发射扫描电镜）观察其微观形貌。
62.3.2 力学性能测试
利用nu
‑
x20kn/5kn型电子万能材料试验机对复合材料进行力学性能检测。测试条件参考参照标准gb/t1040—2006方法，将复合材料裁成10
×
1.5cm的样条，以测试速率为20mm/min测定样条的力学性能。
63.3.3 溶胀、溶解性测试参照 gb1733
‑
93对复合材料进行溶胀性测试，裁取1
×
3cm的样条w1，浸入去离子水中48小时。小心擦去样品表面的残留水，然后称取样品质量w2。此后，在80℃下干燥，直到重量停止变化，并称重为w3。结果为三次实验测试的标准差，溶胀比和溶解度用下式(1) 和(2) 计算。
64.溶胀比(%) = (w2‑
w1)/w1×
100%
ꢀꢀꢀꢀ
(1)溶解度(%) = (w1‑
w3)/w1×
100%
ꢀꢀꢀꢀ
(2)3.4 润湿性测试利用中晨科技有限公司出产的jc2000d3接触角测量仪对样品进行了水接触角测试。测定次数最少10次,求标准差以缩小实验误差。
65.3.5 防蒸发测试将一定量沙子置于规格相同的塑料盒中，将沙子在塑料盒中铺平，分别加入等量自来水，使沙子全部浸湿均匀。然后将所制备的复合材料平铺在塑料盒中，并将四个边深埋在沙子中，即得防蒸发材料，未铺设复合材料的为对照组。塑料盒放置于自然条件下，2～4 h 称量一次材料的质量。材料的蒸发率根据以下公式 (3)计算：蒸发率 = (m0‑
m1)/m2×
100%
ꢀꢀꢀ
(3)式中：m0是防蒸发材料的总质量，m1是 t 时刻防蒸发材料的质量，m2是防蒸发材料中加入自来水的总质量。
66.3.6 降解性测试参考gb/t 19275
‑
2003测试方法进行土埋降解性测试，将复合材料裁剪为1
×
1cm，烘干至恒重，记录其质量为w0，用纱布将其包裹，并以此标记序号，掩埋于室外土壤下（15
‑
20 cm），间隔一定时间后取出，清洗烘干，用sem拍摄不同时间表面形貌变化，记录其质量为w1，如下式(4)计算：降解率 = (w0‑
w1)/w1×
100%
ꢀꢀꢀꢀ
(4)4 结果与分析4.1 sem形貌表征分析图1为所制备防蒸发可降解复合材料的表面和截面的sem图。从（a）图中可以明显的看出活化的秸秆均匀分散在聚合物中，秸秆与聚合物之间形成了致密的结构；（b）图显示出了秸秆基聚合物紧密的黏附在废旧包装纸两侧表面上，约30微米厚。
67.4.2 力学分析图2为废旧包装纸和所制备防蒸发可降解复合材料的力学性能图。图中废旧包装纸的拉伸强度约为10mpa左右；所制备复合材料拉伸强度可达18mpa，由于秸秆基复合材料均匀的黏附在废纸两侧表面上，形成致密结构，能够有效提高复合材料力学性能。因此，复合材料在实际应用过程中，能够有效阻挡沙漠地带风、流沙的侵蚀，截留雨水，保护沙生植物的生长。
68.4.3 溶胀、溶解性分析
图3、图4分别为废旧包装纸和所制备防蒸发可降解复合材料的溶胀、溶解性能图。从图3分析可知，复合材料浸泡在水中0.5h内吸水达到溶胀平衡，与废旧包装纸相比能够吸附自身重量三倍的水分。因此，复合材料在实际应用中，能够迅速吸水溶胀，渗入沙层，为植物提供生长所需的水分。但它的溶解度非常低，仅为9.8%，因此，在使用的过程中具有良好的持久性。
69.4.4 润湿性分析图5为复合材料在不同时间段的接触角。从图5中可以发现，该复合材料具有良好的亲水性，随着时间的增加，复合材料的亲水性越强，结合扫描电镜图，进一步证明，在实际应用过程中，雨水可以透过秸秆渗入沙层，同时秸秆富有营养性，能为沙生植物提供充足的养分。
70.4.5 防蒸发性分析图6为未铺设复合材料和铺设复合材料在不同时间段的蒸发性能图。植物种子在适宜的温度和水分下萌发通常需要3~7天。从图中可知未铺设复合材料在3~7天的蒸发率为55.6%~95.1%，相比较铺设了复合材料在3~7天的蒸发率仅为30.7%~69.1%，有较低的蒸发率，基本可以满足种子在萌发阶段对水分的要求。进一步证明，该复合材料具有良好防蒸发性，在干旱少雨的沙漠地区能够较持久的保持土壤水分，对种子萌发生长有很好的促进作用。
71.4.6降解性分析图7为土埋降解不同时间段后复合材料的sem图，从图中可以看出，随着时间增加，与最初(a)的形态相比，复合材料在土中掩埋一段时间后，表面开始变得粗糙、褶皱，随着时间推移，出现许多小孔，表明复合材料发生了降解。失重率如图8所示，20天时复合材料质量减少8.8%，80天时复合材料减少44.4%，120天时复合材料减少53.3%，充分说明，本发明所制备的复合材料具有良好的生物降解性，而且降解后又能为沙生植物提供充足的营养物质。
72.5防蒸发可降解复合材料的固沙应用将复合材料制备成为直径约0.2～0.3m，高度约0.35～0.5m的一端开口的圆柱形沙生植物栽培盆，作为沙生植物种植、繁育与保护的装置，如图9所示。在该装置中填入富含微生物的营养土（包含腐叶土、山泥 、河沙、草木灰、骨粉、木屑、生物秸秆等），并种植沙生植物种子。图10为该装置的实验室沙蒿繁育、种植图，沙蒿在该装置中长势良好，沙蒿出芽率、成活率均达到90%。本发明采用未涂覆的空白废旧包装纸制作同尺寸的栽培盆，在相同繁育、种植条件下进行对照试验，沙蒿的出芽率、成活率仅为70%；在沙漠化、荒漠化防控中，可在沙土表面挖成直径约为0.25～0.35m、深度为0.2～0.3m的圆柱形沙坑，沙坑与沙坑间呈等边三角形，间距约为1.5～2m，形成菱形网格状的材料
‑
植物
‑
工程复合型沙障，如图11所示。将上述栽培盆均匀直立的埋入沙坑中，使栽培盆的上半部分露出沙层表面大约0.15～0.2m。这种组合排列方式，有利于阻挡、减缓、分流和固定流沙，同时能够截留雨水、促进植物生长。
73.最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的
保护范围之内。