土基高分子防蒸发复合材料的制备及性能研究

【摘要】：我国是一个人口大国,对粮食的需求量极大,但是人多地少是我国的基本国情。我国沙地面积约26亿亩,但耕地却不足20亿亩,且可利用耕地还在逐年减少,因此,沙地的开发及利用对解决我国耕地不足具有重要意义。大部分沙地位于干旱半干旱地区和荒漠化地区,降水量少,蒸发量大,所以,开发及利用沙地最大的障碍就是干旱缺水。降水量越少的地区,水分损耗中蒸发所占的比例越大。在干旱地区使用一些高分子材料,不仅可以降低土壤水分的蒸发率,提高土壤墒情,而且还能有效防止水土流失,提高土壤生态功能,为植物生长提供良好的水土条件。本论文以自然界大量存在的黄土和黏土为基本原料,添加天然高分子材料或复合吸水材料,制备土基高分子防蒸发复合材料,在自然条件下考察其防蒸发性能。具体内容如下:1.以黄土和红土以及生物质秸秆为原料,添加不同含量的植物胶(淀粉、糊化淀粉、纤维素)通过多位点原位缩聚制备了土基高分子防蒸发复合材料;通过FTIR,SEM和固体粒径分析对材料的结构和形貌进行了表征;在自然条件下考察了高分子种类及含量对土基材料蒸发性能的影响。结果表明,添加不同含量糊化淀粉制备的土基材料,其防蒸发性能均较优异,添加6.00%糊化可溶性淀粉的复合材料,在125.5 h内蒸发可降低44.65%;添加植物胶制备的土基复合材料,大多数防蒸发性能良好,添加1.00%黄原胶的复合材料,74.5 h内蒸发可降低31.54%;添加不同含量纤维素制备的土基防蒸发复合材料,其性能较好,添加1.00%和2.00%羧甲基纤维素钠(300-800 mPa·s)的复合材料,70.5 h内蒸发分别可降低35.75%和41.71%;添加1.00%和2.00%羟甲基纤维素钠(600-3000 mPa·s)的复合材料,76.0 h内蒸发分别可降低34.24%和43.00%。2.为了研究复合吸水材料在防止土壤水分蒸发中的应用,采用自由基聚合法制备了羟甲基纤维素钠-接枝-聚(丙烯酸-共聚-2-丙烯酰胺-2-甲基-1-丙磺酸)/红土(NaHMC-g-P(AA-co-AMPS)/laterite)复合吸水材料1(CAM1);通过FTIR,SEM和TGA对CAM1的结构和形貌进行了表征;优化了反应条件,考察了影响CAM1的吸水性能的因素。最佳合成条件下得到的CAM1,在蒸馏水达到溶胀平衡只需15 min,其在蒸馏水、自来水和0.9 wt%NaCl溶液中的最佳吸水倍率分别为1329g/g,269 g/g和140 g/g。通过拟二级溶胀动力学模型和Ritger-Peppas模型解释了CAM1的溶胀动力学机理。研究了土壤类型,CAM1粒径和含量对土壤水分蒸发速率的影响。3.采用自由基聚合法制备了羟丙基纤维素-g-聚(丙烯酸-共聚-2-丙烯酰胺-2-甲基-1-丙烷磺酸)/红土(HPC-g-P(AA-co-AMPS)/laterite)复合吸水材料2(CAM2);通过FTIR,SEM和TGA对合成材料CAM2的结构和形貌进行了表征;考察了CAM2在不同盐溶液中的吸液倍率,证明了CAM2对盐溶液的敏感性很强;CAM2在蒸馏水中的吸水速率较快,在18 min时达到吸水平衡,蒸馏水、自来水和0.9 wt%NaCl溶液中的最佳吸水倍率分别为1427 g/g、272 g/g和143 g/g。用拟二阶溶胀动力学模型解释了CAM2的溶胀机理。在不同温度和转度下,其保水性较好。研究了红土与黄土配比对土壤水分蒸发,CAM2含量对土壤水分蒸发和土壤结皮收缩的影响。4.采用水溶液聚合法制备了羟乙基纤维素-接枝-聚(丙烯酸-共聚-2-丙烯酰胺-2-甲基-1-丙烷磺酸)/红土(HPC-g-P(AA-co-AMPS)/laterite)复合吸水材料3(CAM3);通过FTIR,SEM和TG/DTG对合成材料的结构和形貌进行了表征;CAM3在蒸馏水、自来水和0.9 wt%NaCl溶液的最佳吸水倍率分别为1294 g/g、177 g/g和119 g/g。研究了CAM3在不同温度下的保水性能和重复溶胀性能,其性能均较好。CAM3在蒸馏水中的吸水速率非常快,5 min时就达到溶胀平衡;用二级溶胀动力学模型和Ritger-Peppas模型解释了CAM3的溶胀机理;考察了水凝胶的添加量对土壤水分蒸发率的影响。