本發(fā)明屬于生態(tài)修復(fù)，具體涉及一種保水固沙的生態(tài)棒及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、隨著全球氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)的不斷加劇，水土流失和沙漠化已成為全球范圍內(nèi)嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題。水土流失導(dǎo)致土地肥力下降、河流湖泊淤積，嚴(yán)重影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)系統(tǒng)功能；而沙漠化則進(jìn)一步加劇了土地資源的浪費(fèi)和風(fēng)沙災(zāi)害的發(fā)生，對(duì)周邊地區(qū)的生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)發(fā)展構(gòu)成嚴(yán)重威脅。

2、目前，針對(duì)上述問(wèn)題，已有多種生態(tài)修復(fù)技術(shù)被提出和應(yīng)用，如植被恢復(fù)、土壤改良、工程固沙等。然而，這些方法在實(shí)際應(yīng)用中往往存在成本高、效果有限、難以長(zhǎng)期維持等問(wèn)題。因此，開(kāi)發(fā)一種經(jīng)濟(jì)、高效、可持續(xù)的保水固沙技術(shù)顯得尤為重要。

3、保水固沙生態(tài)棒正是在這一背景下應(yīng)運(yùn)而生的一種新型生態(tài)修復(fù)材料。它通過(guò)將植物土壤、肥料、種子等養(yǎng)分材料通過(guò)特殊工藝加工成管狀結(jié)構(gòu)，不僅具有良好的固土效果，還能有效保持土壤水分，促進(jìn)植物生長(zhǎng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)水土流失和沙漠化的有效治理。

4、盡管現(xiàn)有的生態(tài)修復(fù)技術(shù)在一定程度上緩解了水土流失和沙漠化問(wèn)題，但仍存在以下不足：成本高：部分技術(shù)需要高昂的材料成本和施工費(fèi)用，難以大規(guī)模推廣應(yīng)用。效果有限：部分技術(shù)雖然能在短期內(nèi)改善土壤狀況，但長(zhǎng)期效果不理想，難以維持生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。難以降解：部分固沙材料難以降解，可能對(duì)土壤和地下水造成二次污染。

5、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明旨在提供一種經(jīng)濟(jì)、高效、可持續(xù)的保水固沙生態(tài)棒及其制備和應(yīng)用方法。該生態(tài)棒不僅能夠有效固沙保水，促進(jìn)植物生長(zhǎng)，還具有易降解、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，為水土流失和沙漠化問(wèn)題的治理提供了一種新的解決方案。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供一種保水固沙的生態(tài)棒及其制備方法，所述保水固沙的生態(tài)棒不僅能夠有效固沙保水，還能促進(jìn)植物生長(zhǎng)，易降解，環(huán)境友好，為水土流失和沙漠化問(wèn)題的治理提供了一種新的解決方案。

2、本發(fā)明提供的一種保水固沙的生態(tài)棒，其制備原料包括柱狀外殼和內(nèi)部填充物。

3、所述柱狀外殼的制備原料，按重量份計(jì)，包括以下成分：70～90份聚乳酸(pla)、10～20份聚己二酸/對(duì)苯二甲酸丁二酯(pbat)、5～15份改性玉米淀粉、1～3份引發(fā)劑、2～6份馬來(lái)酸酐。

4、優(yōu)選的，所述pla在190℃下熔融指數(shù)為1～5g/10min，拉伸強(qiáng)度為30～35mpa，彎曲強(qiáng)度為53～56mpa，彎曲模量為2600～2800mpa。

5、在一些優(yōu)選的方案中，所述pla購(gòu)自淄博天聚鴻川新材料科技，thjs-8801-1。

6、優(yōu)選的，所述pbat的斷裂伸長(zhǎng)率≥300％，190℃下熔融指數(shù)為1～5g/10min，維卡軟化溫度≥80℃；進(jìn)一步優(yōu)選的，所述pbat的斷裂伸長(zhǎng)率≥400％，190℃下熔融指數(shù)為2.5～4.5g/10min，維卡軟化溫度≥80℃。

7、在一些優(yōu)選的方案中，所述pbat購(gòu)自新疆藍(lán)山屯河化工，th-801t。

8、所述改性玉米淀粉的制備方法，包括以下步驟：將玉米淀粉在70～90℃下真空干燥至恒重后，加入改性劑，攪拌均勻后密封，在70～90℃下真空干燥5～8h后取出，在110～130℃下熔融共混，即得改性玉米淀粉。

9、優(yōu)選的，所述改性劑的添加量為玉米淀粉的20～30％。

10、優(yōu)選的，所述改性劑為甘油和山梨糖醇。

11、優(yōu)選的，所述甘油和山梨糖醇的質(zhì)量比為1：(0.5～2)；進(jìn)一步優(yōu)選的，為1：1。

12、在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)于生態(tài)棒的柱狀外殼的要求較高，需要具有一定的韌性和耐水性，這樣有助于生態(tài)棒在受到風(fēng)力作用時(shí)保持形狀穩(wěn)定，不易破損，提高其防風(fēng)性能，同時(shí)不會(huì)吸取過(guò)多水分，提高了其保水性能，此外，外殼應(yīng)最好為可降解材料，使用后不僅不會(huì)對(duì)環(huán)境造成長(zhǎng)期污染，降解后的產(chǎn)物還能作為肥料為植物生長(zhǎng)提供養(yǎng)分。玉米淀粉是一種天然的生物降解材料，且價(jià)格低廉，但其自身結(jié)構(gòu)局限性使得其無(wú)法通過(guò)熔融方法加工成型。發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，選用質(zhì)量比為1：(0.5～2)的甘油和山梨糖醇作為改性劑對(duì)玉米淀粉進(jìn)行改性，能夠在提高生態(tài)棒柱狀外殼力學(xué)性能的同時(shí)，還能提高加工性能。這可能是因?yàn)閮煞N改性劑協(xié)同作用，能夠破壞淀粉原本結(jié)晶結(jié)構(gòu)，使淀粉分子變得松散，從而提高淀粉熱塑性，使得其能夠通過(guò)熔融方法加工成型，從而提高了成型得到的生態(tài)棒柱狀外殼的各項(xiàng)性能。同時(shí)，兩種物質(zhì)還會(huì)與淀粉反應(yīng)形成新的鍵，進(jìn)一步增強(qiáng)淀粉強(qiáng)度，較小的丙三醇分子還具有一定的潤(rùn)滑作用，從而進(jìn)一步提高了加工性能。發(fā)明人在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，丙三醇雖然增塑效果較山梨糖醇更佳，能夠提高柱狀外殼的可生物降解性，但是其加入量過(guò)多會(huì)導(dǎo)致玉米淀粉被過(guò)度增塑，分子與分子之間更容易滑移，導(dǎo)致拉伸強(qiáng)度下降，影響生態(tài)棒柱狀外殼的力學(xué)性能。即使對(duì)玉米淀粉進(jìn)行改性，其與pla和pbat之間的相容性仍較差，三種物質(zhì)之間只是物理共混，從而影響最終制備得到的生態(tài)棒的性能。

13、優(yōu)選的，所述pla、pbat和改性玉米淀粉的質(zhì)量比為(7～9)：(1～2)：1；進(jìn)一步優(yōu)選的，為16：3：2。

14、優(yōu)選的，所述引發(fā)劑為過(guò)氧化苯甲酰。

15、發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，選用特定的pbat，且所述pla、pbat和改性玉米淀粉的質(zhì)量比為(7～9)：(1～2)：1，同時(shí)引入馬來(lái)酸酐，能夠在提高制備得到的柱狀外殼力學(xué)性能的同時(shí)，提高其耐水性能，從而提高生態(tài)棒的防風(fēng)保水性。這可能是因?yàn)橐环矫鎝la的鏈段會(huì)與pbat的鏈段形成互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而增強(qiáng)了分子間的相互作用力，還能夠改變pbat的結(jié)晶行為，從而提高柱狀外殼的力學(xué)性能，另一方面改性玉米淀粉的填充效應(yīng)和界面相互作用不僅能夠減少pbat鏈段的運(yùn)動(dòng)，從而提高柱狀外殼的力學(xué)性能，還能夠和pla復(fù)配，在一定程度上阻礙水分子的滲透，提高復(fù)合材料的耐水性，改善柱狀外殼的阻隔性能。但玉米淀粉添加量過(guò)高會(huì)大幅降低熔體強(qiáng)度，不利于材料加工成型制得柱狀外殼。此外，適量馬來(lái)酸酐的引入不僅能夠促進(jìn)丙三醇在玉米淀粉分子鏈上的接枝反應(yīng)，還能夠增強(qiáng)pla、pbat與改性玉米淀粉之間的界面結(jié)合力，促進(jìn)玉米淀粉和聚合物的接枝作用，提高兩相的相互作用力，增大了玉米淀粉在體系中的相容性，通過(guò)交聯(lián)反應(yīng)形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，減少水分子的滲透通道，從而提高了柱狀外殼的各項(xiàng)性能。但是馬來(lái)酸酐添加量過(guò)高，其自身分子間會(huì)發(fā)生相互作用，不利于玉米淀粉在體系中的分散，從而影響成型效果，進(jìn)而影響最終得到的柱狀外殼的各項(xiàng)性能。

16、所述柱狀外殼的制備方法，包括以下步驟：將原料干燥后混合均勻，熔融共混后擠出得到粒料，將粒料破碎后注塑壓制即得。

17、優(yōu)選的，所述熔融共混溫度為175～190℃，轉(zhuǎn)速為30～50r/min。

18、優(yōu)選的，所述注塑壓力為8～12mpa，注塑溫度為170～180℃。

19、所述內(nèi)部填充物，其制備原料，包括保水劑和生長(zhǎng)基材。

20、所述保水劑的添加量為生長(zhǎng)基材質(zhì)量的2％～5％。

21、所述保水劑的制備方法，包括以下步驟：取聚琥珀酰亞胺于水中均勻分散，加入適量交聯(lián)劑，于35～40℃下攪拌并加入氫氧化鈉溶液直至ph為8～9，溶液澄清透明后冷卻至常溫，加入改性凹凸棒土、丙烯酰胺、丙烯酸、海藻酸鈉，攪拌均勻后升溫至60～70℃，再加入過(guò)硫酸鉀，繼續(xù)攪拌3～5h后，干燥粉碎即得。

22、優(yōu)選的，所述聚琥珀酰亞胺的平均分子量為8000～10000。

23、在一些優(yōu)選的方案中，所述聚琥珀酰亞胺購(gòu)自上海麥克林生化科技股份有限公司。

24、優(yōu)選的，所述聚琥珀酰亞胺和水的質(zhì)量比為1：(20～40)。

25、優(yōu)選的，所述交聯(lián)劑為γ-氨丙基三乙氧基硅烷(kh550)和γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(kh570)。

26、優(yōu)選的，所述kh550和kh570的質(zhì)量比為1：(0.5～2)；進(jìn)一步優(yōu)選的，為1：1。

27、優(yōu)選的，所述交聯(lián)劑的添加量為聚琥珀酰亞胺的1.5～2mol％。

28、優(yōu)選的，所述氫氧化鈉溶液的濃度為1mol/l。

29、所述改性凹凸棒土的制備方法，包括以下步驟：取凹凸棒土改性劑溶于濃度為80wt％的乙醇水溶液中，再加入凹凸棒土，在75～85℃下攪拌2～4h后，過(guò)濾，在100℃下烘干12h，即得。

30、優(yōu)選的，所述凹凸棒土改性劑為十二烷基苯磺酸鈉和十六烷基三甲基氯化銨。

31、優(yōu)選的，所述十二烷基苯磺酸鈉和十六烷基三甲基氯化銨的質(zhì)量比為1：(1～3)；進(jìn)一步優(yōu)選的，為1：2。

32、優(yōu)選的，所述改性劑和乙醇水溶液的質(zhì)量比為1：25～35；進(jìn)一步優(yōu)選的，為1：30。

33、優(yōu)選的，所述凹凸棒土的吸附率為32％，抗壓強(qiáng)度為80mpa，粒度為0.01μm。

34、在一些優(yōu)選的方案中，所述凹凸棒土購(gòu)自靈壽縣瑪琳礦產(chǎn)品加工廠。

35、優(yōu)選的，所述凹凸棒土和改性劑的質(zhì)量比為1：1～2；進(jìn)一步優(yōu)選的，為2：3。

36、在一些優(yōu)選的方案中，添加一定量凹凸棒土能夠在提高保水劑固沙保水性能的同時(shí)，還能夠提高其耐溫耐候性能。這是因?yàn)榘纪拱敉辆哂歇?dú)特的棒狀晶體結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)能夠增加土壤的孔隙度和比表面積，從而提供更多的水分存儲(chǔ)空間。凹凸棒土物理化學(xué)穩(wěn)定優(yōu)異性，有助于土壤在極端氣候條件下保持其結(jié)構(gòu)和功能的穩(wěn)定性，提高土壤的耐候耐溫性。此外，凹凸棒土還能夠調(diào)節(jié)土壤的酸堿度，使其保持在適宜的范圍內(nèi)，從而有利于土壤微生物的活動(dòng)和植物的生長(zhǎng)，進(jìn)而有助于土壤在不同氣候條件下保持其生態(tài)平衡和穩(wěn)定性。但是凹凸棒土和高分子聚合物之間的相容性差，在體系中容易發(fā)生團(tuán)聚影響效果。

37、發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，選用十二烷基苯磺酸鈉和十六烷基三甲基氯化銨對(duì)凹凸棒土進(jìn)行改性，不僅能夠提高凹凸棒土與高分子聚合物之間的相容性，還能夠進(jìn)一步提高保水固沙效果。這可能是因?yàn)槭榛交撬徕c和十六烷基三甲基氯化銨協(xié)同作用，通過(guò)物理吸附和化學(xué)結(jié)合的方式與凹凸棒土表面發(fā)生作用，改變其表面性質(zhì)，在凹凸棒土表面形成一層有機(jī)薄膜，有助于增強(qiáng)與高分子聚合物之間的相容性。十二烷基苯磺酸鈉和十六烷基三甲基氯化銨一方面通過(guò)插層作用插入凹凸棒土的層間結(jié)構(gòu)中，增大層間距，使得土壤顆粒間的結(jié)合更加緊密，也有助于與高分子聚合物之間形成更緊密的結(jié)合，另一方面其親水端和憎水端在土壤中形成了一種平衡狀態(tài)，既保證了土壤的親水性以便儲(chǔ)存水分，又通過(guò)憎水網(wǎng)絡(luò)減少了水分的蒸發(fā)和沙粒的流動(dòng)。

38、優(yōu)選的，所述聚琥珀酰亞胺、丙烯酰胺、丙烯酸的摩爾比為1：(0.5～2)：(2～4)；進(jìn)一步優(yōu)選的，為1：1：3。

39、發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，選用特定的聚琥珀酰亞胺、丙烯酰胺、丙烯酸為原料制備保水劑，不僅能夠提高生態(tài)棒的保水固沙功能，還能夠促進(jìn)植物生長(zhǎng)。這是因?yàn)槿N聚合物的分子鏈在復(fù)合過(guò)程中發(fā)生相互纏繞和交聯(lián)，形成穩(wěn)定的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)不僅提高了水凝膠的機(jī)械強(qiáng)度，還增強(qiáng)了其保水性和固沙能力。聚天冬氨酸的羧基、羥基等親水基團(tuán)與聚丙烯酰胺和聚丙烯酸的極性基團(tuán)相互作用，形成更多的氫鍵和離子鍵，從而提高了水凝膠的吸水性和穩(wěn)定性。此外，保水劑在降解過(guò)程中會(huì)釋放出聚天冬氨酸等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，這些物質(zhì)可以被植物吸收利用，促進(jìn)植物的生長(zhǎng)和發(fā)育。同時(shí)，降解產(chǎn)物對(duì)環(huán)境無(wú)害，符合綠色化學(xué)的要求。但是只有這三種聚合物耐候性較差，會(huì)受熱氧老化和光氧老化，發(fā)生鏈斷裂和交裂聯(lián)反應(yīng)，影響防風(fēng)固沙性能。

40、優(yōu)選的，所述改性凹凸棒土的添加量為聚琥珀酰亞胺、丙烯酰胺、丙烯酸總質(zhì)量的3％～5％。

41、優(yōu)選的，所述海藻酸鈉的用量為聚琥珀酰亞胺、丙烯酰胺、丙烯酸總質(zhì)量的1％～2％。

42、優(yōu)選的，所述過(guò)硫酸鉀用量為丙烯酰胺和丙烯酸總質(zhì)量的1％～2％。

43、優(yōu)選的，所述生長(zhǎng)基材為土壤。

44、所述保水固沙的生態(tài)棒的制備方法，步驟為：將內(nèi)部填充物填充在柱狀外殼內(nèi)即得。

45、在一些優(yōu)選的方案中，所述保水固沙的生態(tài)棒直徑為10～15cm，其內(nèi)部培育耐寒、耐寒、耐鹽堿等灌木植物，在生態(tài)棒的作用下該植物能順利生長(zhǎng)，且植物生長(zhǎng)后可以起到阻沙和固沙的作用，非常適合推廣使用，對(duì)于保護(hù)環(huán)境，治理水土流失和沙漠化問(wèn)題具有重大意義。

46、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和有益效果為：

47、1.本發(fā)明提供一種保水固沙的生態(tài)棒，不僅能夠有效固沙保水，還能促進(jìn)植物生長(zhǎng)，易降解，環(huán)境友好，為水土流失和沙漠化問(wèn)題的治理提供了一種新的解決方案。

48、2.本發(fā)明選用質(zhì)量比為1：(0.5～2)的甘油和山梨糖醇作為改性劑對(duì)玉米淀粉進(jìn)行改性，能夠在提高生態(tài)棒柱狀外殼力學(xué)性能的同時(shí)，還能提高加工性能。

49、3.本發(fā)明通過(guò)選用特定的pbat，且所述pla、pbat和改性玉米淀粉的質(zhì)量比為(7～9)：(1～2)：1，同時(shí)引入馬來(lái)酸酐，能夠在提高制備得到的柱狀外殼力學(xué)性能的同時(shí)，提高其耐水性能，從而提高生態(tài)棒的防風(fēng)保水性。

50、3.本發(fā)明通過(guò)選用特定的聚琥珀酰亞胺、丙烯酰胺、丙烯酸為原料制備保水劑，不僅能夠提高生態(tài)棒的保水固沙功能，還能夠促進(jìn)植物生長(zhǎng)。

51、4.本發(fā)明通過(guò)選用凹凸棒土作為原料之一，能夠在提高保水劑固沙保水性能的同時(shí)，還能夠提高其耐溫耐候性能。

52、5.本發(fā)明選用十二烷基苯磺酸鈉和十六烷基三甲基氯化銨對(duì)凹凸棒土進(jìn)行改性，不僅能夠提高凹凸棒土與高分子聚合物之間的相容性，還能夠進(jìn)一步提高保水固沙效果。