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、難以長期維持等問題。因此，開發(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。它通過將植物土壤、肥料、種子等養(yǎng)分材料通過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，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，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，易降解，環(huán)境友好，為水土流失和沙漠化問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)境造成長期污染，降解后的產(chǎn)物還能作為肥料為植物生長提供養(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)局限性使得其無法通過熔融方法加工成型。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，但是其加入量過多會(huì)導(dǎo)致玉米淀粉被過度增塑，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。但是馬來酸酐添加量過高，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，包括保水劑和生長基材。

20、所述保水劑的添加量為生長基材質(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，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。這是因?yàn)槿N聚合物的分子鏈在復(fù)合過程中發(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，保水劑在降解過程中會(huì)釋放出聚天冬氨酸等營養(yǎng)物質(zhì)，這些物質(zhì)可以被植物吸收利用，促進(jìn)植物的生長和發(fā)育。同時(shí)，降解產(chǎn)物對(duì)環(huán)境無害，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，且植物生長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，易降解，環(huán)境友好，為水土流失和沙漠化問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。

51、4.本發(fā)明通過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。