一种用于土壤修复的生物基纤维土

摘要

维球与植物纤维相互配合，形成稳定的三维网状本发明公开了一种用于土壤修复的生物基 结构，增加制备出的纤维土的蓬松程度和透气纤维土，属于生态修复技术领域，包括泥炭土、玉 性，有利于植物根系生长，最后通过植被的自然米秸秆、小麦秸秆、腐殖质、蓬松纤维球、硝酸铵 覆盖防止水土流失，从而达到土壤的绿色修复目和磷酸二氢钾；其中，将乙二醇、对苯二甲酸、稳 的。定剂、防醚剂、催化剂、季戊四醇和氨基硅油混合并反应，出料后预结晶，得到生物基聚合物然后和聚乳酸混合，熔融喷丝并堆叠成团，然后向团

权利要求

1.一种用于土壤修复的生物基纤维土，其特征在于，按质量份计，包括如下组分：泥炭土150‑200份、玉米秸秆30‑40份、小麦秸秆20‑30份、腐殖质20‑30份、蓬松纤维球

20‑40份、硝酸铵2‑4份和磷酸二氢钾4‑8份；

蓬松纤维球通过如下步骤制备：

步骤A1：将乙二醇、对苯二甲酸、稳定剂、防醚剂、催化剂和季戊四醇混合打浆并转移至反应釜中，静置后通入氮气置换出反应釜内的空气，调节反应釜内的压力至350±30KPa，在

230‑240℃和50r/min的条件下反应2‑3h；补入氨基硅油，再次通入氮气置换出反应釜内的空气，升温至250℃后常压反应0.5h；调节反应釜内压力至‑80±20KPa，升温至260℃后反应

0.5h；升温至270‑280℃后真空缩聚反应0.5‑0.8h，出料后切粒、切片、干燥及预结晶，得到生物基聚合物；

步骤A2：将生物基聚合物和聚乳酸按照1:1的质量比混合，挤出，切粒，得到生物基原料；将生物基原料熔融喷丝成卷曲纤维并使卷曲纤维堆叠成团，然后向团状纤维表面喷洒黏合剂，烘干，得到蓬松纤维球；

黏合剂通过如下步骤制备：

步骤S1：将去离子水和乳化剂搅拌5‑10min，然后加入甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸、丙烯酸乙酯、丙烯酸丁酯和交联剂搅拌1.5‑2h，得到乳化液；

步骤S2：取乳化液的1/3并加入反应釜中，在100‑120r/min的条件下，稳定反应体系的pH值至7‑8，然后加入引发剂溶液总量的1/3，将反应釜升温至60℃，将剩余的引发剂溶液加入反应釜中并升温至80℃，将剩余的乳化液加入反应釜中，保温反应3‑4h后加入豆胶，搅拌

5‑10min，冷却，过滤出料，得到黏合剂；

所述乙二醇、对苯二甲酸、稳定剂、防醚剂、催化剂、季戊四醇和氨基硅油的用量比为

6.5kg：16kg：5g：5g：5g：60‑80g：30‑40g；

所述稳定剂为磷酸三苯酯；所述防醚剂为醋酸钠；所述催化剂为乙二醇锑。

2.根据权利要求1所述的一种用于土壤修复的生物基纤维土，其特征在于，通过如下步骤制备：将玉米秸秆、小麦秸秆用揉丝机粉碎，然后在120℃的条件下蒸汽软化1‑3h，然后将软化后的玉米秸秆和小麦秸秆与泥炭土、腐殖质、蓬松纤维球、硝酸铵及磷酸二氢钾混合，得到用于土壤修复的生物基纤维土。

3.根据权利要求1所述的一种用于土壤修复的生物基纤维土，其特征在于，去离子水、乳化剂、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸、丙烯酸乙酯、丙烯酸丁酯和交联剂的用量比为3‑5mL：

1.5g：15g：2g：25g：5g：1g。

4.根据权利要求1所述的一种用于土壤修复的生物基纤维土，其特征在于，乳化剂为吐温‑80和十二烷基磺酸钠按照5:7的质量比混合而成。

5.根据权利要求1所述的一种用于土壤修复的生物基纤维土，其特征在于，乳化液、引发剂溶液和豆胶的用量比为100g：7g：20g。

说明书

一种用于土壤修复的生物基纤维土

技术领域

[0001] 本发明属于生态修复技术领域，具体涉及一种用于土壤修复的生物基纤维土。

背景技术

[0002] 纤维土是指给填土中掺合一定比例的土工纤维，是广义上的加筋土。纤维土的作用原理与加筋土类似，是利用纤维材料与土之间的摩阻力或咬合力来限制土体的变化，纤维土不仅可以抑制土体的竖向和侧向变形，还可以有效提高土体的抗压和抗拉性能，从而使土的物理、力学性质得到改善。

[0003] 纤维土是土体加固中常用的一种材料，较早采用植物纤维加入土体中增强土体性能。植物纤维强度不高，并且容易发酵降解，所以现在一般采用高强度的人工纤维。水土流失甚至滑坡等自然灾害发生后，土壤养分大量流失，植被需要很久才能恢复，为了防止次生灾害的发生，一般通过纤维土和框架结构相互配合，来防止水土流失。但是使用的人工纤维不易降解，这种纤维土在长时间使用并坍缩后透气性差，影响植物的生长，所以需要一种不易坍缩的纤维土，便于植物的生长，通过绿色环保的方式稳固水土。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于提供一种用于土壤修复的生物基纤维土，以解决背景技术中的问题。

[0005] 本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

[0006] 一种用于土壤修复的生物基纤维土，按质量份计包括如下组分：

[0007] 泥炭土150‑200份、玉米秸秆30‑40份、小麦秸秆20‑30份、腐殖质20‑30份、蓬松纤维球20‑40份、硝酸铵2‑4份、磷酸二氢钾4‑8份。

[0008] 上述用于土壤修复的生物基纤维土的制备方法为：将玉米秸秆、小麦秸秆用揉丝机粉碎，将粉碎后的玉米秸秆和小麦秸秆转移至蒸压釜中，在120℃的条件下蒸汽软化1‑3h，然后将软化后的玉米秸秆和小麦秸秆与泥炭土、腐殖质、蓬松纤维球、硝酸铵及磷酸二氢钾混合，得到用于土壤修复的生物基纤维土。

[0009] 蓬松纤维球通过如下步骤制备：

[0010] 步骤A1：将乙二醇、对苯二甲酸、稳定剂、防醚剂、催化剂和季戊四醇加入打浆釜中打浆，然后将混合好的物料转移至反应釜中，静置5‑10min后通入氮气置换出反应釜内的空气，采用直接酯化法，调节反应釜内的压力至350±30KPa，在230‑240℃和50r/min的条件下加压反应2‑3h，得到对苯二甲酸乙二酯；向反应釜中补入氨基硅油，然后再次通入氮气置换出反应釜内的空气，升温至250℃后常压反应0.5h；调节反应釜内压力至‑80±20KPa，升温至260℃后低压反应0.5h；将反应釜抽真空，升温至270‑280℃后真空缩聚反应0.5‑0.8h，通入氮气破真空，出料，切粒，切片，将制备的切片置于烘箱中，在105℃的条件下干燥1h，然后在120‑135℃的条件下干燥预结晶0.5‑1h，得到生物基聚合物；

[0011] 步骤A2：将生物基聚合物和聚乳酸按照1:1的质量比混合，然后用双螺杆挤出机挤出，切粒，得到生物基原料；将生物基原料转移至熔融纺丝机中，在270‑280℃的条件下熔融喷丝，制备出卷曲纤维并使卷曲纤维堆叠成团，然后向团状纤维表面喷洒黏合剂，烘干，得到蓬松纤维球。

[0012] 进一步地，乙二醇、对苯二甲酸、稳定剂、防醚剂、催化剂、季戊四醇和氨基硅油的用量比为6.5kg：16kg：5g：5g：5g：60‑80g：30‑40g。

[0013] 进一步地，稳定剂为磷酸三苯酯。

[0014] 进一步地，防醚剂为醋酸钠。

[0015] 进一步地，催化剂为乙二醇锑。

[0016] 进一步地，黏合剂通过如下步骤制备：

[0017] 步骤S1：向烧瓶中加入去离子水和乳化剂，搅拌5‑10min后加入甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸、丙烯酸乙酯、丙烯酸丁酯和交联剂，在20‑30℃的条件下搅拌1.5‑2h，得到乳化液；

[0018] 步骤S2：取1/3量的乳化液转移进反应釜中，在搅拌装置转速为100‑120r/min的条件下，向反应釜中加入磷酸氢二钠用于稳定反应体系的pH值至7‑8，将剩余的2/3量的乳化液装入恒压漏斗中备用，然后加入1/3量的引发剂溶液，将反应釜升温至60℃，将剩余2/3量的引发剂溶液加入反应釜中，继续搅拌并升温至80℃，打开恒压漏斗将剩余的乳化液加入反应釜中，继续搅拌并保温反应3‑4h，然后加入豆胶，搅拌5‑10min，冷却，过滤出料，得到黏合剂。

[0019] 进一步地，乳化液中去离子水、乳化剂、甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸、丙烯酸乙酯、丙烯酸丁酯和交联剂的用量比为3‑5mL：1.5g：15g：2g：25g：5g：1g。

[0020] 进一步地，交联剂为N‑羟甲基丙烯酰胺。

[0021] 进一步地，乳化剂为吐温‑80和十二烷基磺酸钠按照5:7的质量比混合而成。

[0022] 进一步地，乳化液、引发剂溶液和豆胶的用量比为100g：7g：20g。

[0023] 进一步地，引发剂溶液为质量分数为10％的过硫酸铵溶液。

[0024] 本发明的有益效果：

[0025] 本发明纤维土中含有蓬松纤维球，通过生物基原料制备而成，容易被自然分解，更加环保。在生物基聚合物的共聚制备过程中，向分子链上引入季戊四醇和氨基硅油，可以提高及非晶区的亲水基团含量，可以有效提高共聚物的吸湿性，并且有利于改善制备出的蓬松纤维球的回潮性，从而增加纤维土的保水性能。蓬松纤维球表面喷有黏合剂，粘合剂中的豆胶含有氨基酸，增加黏合剂中的氨基和羧基的极性基团，增加对生物基纤维的粘结性，有利于蓬松纤维球形态的保持，与玉米秸秆和小麦秸秆的植物纤维相互配合，形成稳定的三维网状结构，增加制备出的纤维土的蓬松程度和透气性，有利于植物根系生长；并且蓬松纤维球具有较好的断裂强度，在多种纤维的配合与牵拉下，有利于防止该纤维土的过度流失。该纤维土中还添加有腐殖质，进一步增加其吸水保水能力，添加的硝酸铵和磷酸二氢钾为植物生长提供必要的营养元素，有利于促进植物生长，在纤维土中的蓬松纤维球降解后，通过植被的自然覆盖防止水土流失，从而达到土壤的绿色修复目的。

具体实施方式

[0026] 下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

[0027] 实施例1

[0028] 制备蓬松纤维球，包括如下步骤：

[0029] 步骤一：将吐温‑80和十二烷基磺酸钠按照5:7的质量比混合制得乳化剂；向烧瓶中加入300mL去离子水和150g乳化剂，搅拌5min后加入1500g甲基丙烯酸甲酯、200g丙烯酸、2500g丙烯酸乙酯、500g丙烯酸丁酯和100gN‑羟甲基丙烯酰胺，在20℃的条件下搅拌1.5h，得到乳化液。

[0030] 步骤二：取3kg乳化液，将其中1kg乳化液转移进反应釜中，在搅拌装置转速为100r/min的条件下，向反应釜中加入磷酸氢二钠用于稳定反应体系的pH值，使pH值至7，将剩余的2kg乳化液装入恒压漏斗中备用，然后加入70g量质量分数为10％的过硫酸铵溶液，将反应釜升温至60℃，将剩余140g过硫酸铵溶液加入反应釜中，继续搅拌并升温至80℃，打开恒压漏斗将剩余的乳化液加入反应釜中，继续搅拌并保温反应3h，然后加入200g豆胶，该豆胶为豆蛋白胶，搅拌5min，冷却，过滤出料，得到黏合剂，备用。

[0031] 步骤三：将6.5kg乙二醇、16kg对苯二甲酸、5g磷酸三苯酯、5g醋酸钠、5g乙二醇锑和60g季戊四醇加入打浆釜中打浆，然后将混合好的物料转移至反应釜中，静置5min后通入氮气置换出反应釜内的空气，采用直接酯化法，调节反应釜内的压力至320KPa，在230℃和50r/min的条件下加压反应2h，得到对苯二甲酸乙二酯；向反应釜中补入30g氨基硅油，然后再次通入氮气置换出反应釜内的空气，升温至250℃后常压反应0.5h；调节反应釜内压力至‑100KPa，升温至260℃后低压反应0.5h；将反应釜抽真空，升温至270℃后真空缩聚反应
0.5h，通入氮气破真空，出料，切粒，切片，将制备的切片置于烘箱中，在105℃的条件下干燥
1h，然后在120℃的条件下干燥预结晶0.5h，得到生物基聚合物；

[0032] 步骤四：将生物基聚合物和聚乳酸按照1:1的质量比混合，然后用双螺杆挤出机挤出，切粒，得到生物基原料；将生物基原料转移至熔融纺丝机中，在270℃的条件下熔融喷丝，制备出卷曲纤维并使卷曲纤维堆叠成团，然后向团状纤维表面喷洒黏合剂，烘干，得到蓬松纤维球。

[0033] 实施例2

[0034] 制备蓬松纤维球，包括如下步骤：

[0035] 步骤一：将吐温‑80和十二烷基磺酸钠按照5:7的质量比混合制得乳化剂；向烧瓶中加入400mL去离子水和150g乳化剂，搅拌8min后加入1500g甲基丙烯酸甲酯、200g丙烯酸、2500g丙烯酸乙酯、500g丙烯酸丁酯和100gN‑羟甲基丙烯酰胺，在25℃的条件下搅拌1.8h，得到乳化液。

[0036] 步骤二：取3kg乳化液，将其中1kg乳化液转移进反应釜中，在搅拌装置转速为110r/min的条件下，向反应釜中加入磷酸氢二钠用于稳定反应体系的pH值，使pH值至7.5，将剩余的2kg乳化液装入恒压漏斗中备用，然后加入70g量质量分数为10％的过硫酸铵溶液，将反应釜升温至60℃，将剩余140g过硫酸铵溶液加入反应釜中，继续搅拌并升温至80℃，打开恒压漏斗将剩余的乳化液加入反应釜中，继续搅拌并保温反应3.5h，然后加入200g豆胶，搅拌8min，冷却，过滤出料，得到黏合剂，备用。

[0037] 步骤三：将6.5kg乙二醇、16kg对苯二甲酸、5g磷酸三苯酯、5g醋酸钠、5g乙二醇锑和70g季戊四醇加入打浆釜中打浆，然后将混合好的物料转移至反应釜中，静置8min后通入氮气置换出反应釜内的空气，采用直接酯化法，调节反应釜内的压力至350KPa，在235℃和50r/min的条件下加压反应2.5h，得到对苯二甲酸乙二酯；向反应釜中补入35g氨基硅油，然后再次通入氮气置换出反应釜内的空气，升温至250℃后常压反应0.5h；调节反应釜内压力至‑80KPa，升温至260℃后低压反应0.5h；将反应釜抽真空，升温至275℃后真空缩聚反应
0.6h，通入氮气破真空，出料，切粒，切片，将制备的切片置于烘箱中，在105℃的条件下干燥
1h，然后在125℃的条件下干燥预结晶0.8h，得到生物基聚合物；

[0038] 步骤四：将生物基聚合物和聚乳酸按照1:1的质量比混合，然后用双螺杆挤出机挤出，切粒，得到生物基原料；将生物基原料转移至熔融纺丝机中，在275℃的条件下熔融喷丝，制备出卷曲纤维并使卷曲纤维堆叠成团，然后向团状纤维表面喷洒黏合剂，烘干，得到蓬松纤维球。

[0039] 实施例3

[0040] 制备蓬松纤维球，包括如下步骤：

[0041] 步骤一：将吐温‑80和十二烷基磺酸钠按照5:7的质量比混合制得乳化剂；向烧瓶中加入500mL去离子水和150g乳化剂，搅拌10min后加入1500g甲基丙烯酸甲酯、200g丙烯酸、2500g丙烯酸乙酯、500g丙烯酸丁酯和100gN‑羟甲基丙烯酰胺，在30℃的条件下搅拌2h，得到乳化液。

[0042] 步骤二：取3kg乳化液，将其中1kg乳化液转移进反应釜中，在搅拌装置转速为120r/min的条件下，向反应釜中加入磷酸氢二钠用于稳定反应体系的pH值，使pH值至7.5，将剩余的2kg乳化液装入恒压漏斗中备用，然后加入70g量质量分数为10％的过硫酸铵溶液，将反应釜升温至60℃，将剩余140g过硫酸铵溶液加入反应釜中，继续搅拌并升温至80℃，打开恒压漏斗将剩余的乳化液加入反应釜中，继续搅拌并保温反应4h，然后加入200g豆胶，搅拌10min，冷却，过滤出料，得到黏合剂，备用。

[0043] 步骤三：将6.5kg乙二醇、16kg对苯二甲酸、5g磷酸三苯酯、5g醋酸钠、5g乙二醇锑和80g季戊四醇加入打浆釜中打浆，然后将混合好的物料转移至反应釜中，静置10min后通入氮气置换出反应釜内的空气，采用直接酯化法，调节反应釜内的压力至380KPa，在240℃和50r/min的条件下加压反应3h，得到对苯二甲酸乙二酯；向反应釜中补入40g氨基硅油，然后再次通入氮气置换出反应釜内的空气，升温至250℃后常压反应0.5h；调节反应釜内压力至‑60KPa，升温至260℃后低压反应0.5h；将反应釜抽真空，升温至280℃后真空缩聚反应0.8h，通入氮气破真空，出料，切粒，切片，将制备的切片置于烘箱中，在105℃的条件下干燥
1h，然后在135℃的条件下干燥预结晶1h，得到生物基聚合物；

[0044] 步骤四：将生物基聚合物和聚乳酸按照1:1的质量比混合，然后用双螺杆挤出机挤出，切粒，得到生物基原料；将生物基原料转移至熔融纺丝机中，在280℃的条件下熔融喷丝，制备出卷曲纤维并使卷曲纤维堆叠成团，然后向团状纤维表面喷洒黏合剂，烘干，得到蓬松纤维球。

[0045] 实施例4

[0046] 制备用于土壤修复的生物基纤维土，步骤如下：

[0047] 将30kg玉米秸秆、20kg小麦秸秆用揉丝机粉碎，将粉碎后的玉米秸秆和小麦秸秆转移至蒸压釜中，在120℃的条件下蒸汽软化1h，然后将软化后的玉米秸秆和小麦秸秆与150kg泥炭土、20kg腐殖质、20kg实施例1中制得的蓬松纤维球、2kg硝酸铵及4kg磷酸二氢钾混合，得到用于土壤修复的生物基纤维土。

[0048] 实施例5

[0049] 制备用于土壤修复的生物基纤维土，步骤如下：

[0050] 将35kg玉米秸秆、25kg小麦秸秆用揉丝机粉碎，将粉碎后的玉米秸秆和小麦秸秆转移至蒸压釜中，在120℃的条件下蒸汽软化2h，然后将软化后的玉米秸秆和小麦秸秆与180kg泥炭土、25kg腐殖质、30kg实施例2中制得的蓬松纤维球、3kg硝酸铵及6kg磷酸二氢钾混合，得到用于土壤修复的生物基纤维土。

[0051] 实施例6

[0052] 制备用于土壤修复的生物基纤维土，步骤如下：

[0053] 将40kg玉米秸秆、30kg小麦秸秆用揉丝机粉碎，将粉碎后的玉米秸秆和小麦秸秆转移至蒸压釜中，在120℃的条件下蒸汽软化3h，然后将软化后的玉米秸秆和小麦秸秆与200kg泥炭土、30kg腐殖质、40kg实施例3中制得的蓬松纤维球、4kg硝酸铵及8kg磷酸二氢钾混合，得到用于土壤修复的生物基纤维土。

[0054] 对比例1：在实施例3的基础上，不加入聚乳酸，其余步骤保持不变，制备出蓬松纤维球。

[0055] 对比例2：在实施例6的基础上不添加蓬松纤维球，其余步骤保持不变，制备出生物基纤维土。

[0056] 对比例3：在实施例6的基础上，使用对比例1中制备的蓬松纤维球制备出生物基纤维土。

[0057] 对实施例1‑实施例3及对比例1中制得的蓬松纤维球进行测试，根据GB/T 6503‑2017对各组进行亲水性试验，计算出各组的回潮率；截取实施例1‑实施例3及对比例1中蓬松纤维球的部分纤维，计算各组纤维的断裂强度和断裂伸长率。结构如表1所示：

[0058] 表1

[0059]项目 实施例1 实施例2 实施例3 对比例1
回潮率/％ 0.72 0.72 0.73 0.64
断裂强度/cN/dtex 4.1 4.1 4.2 4.4
断裂伸长率/％ 87.9 88.0 88.1 90.0

[0060] 由表1可知，聚乳酸的添加会增加制备的蓬松纤维球的回潮率，对抗拉强度的影响较小。

[0061] 对实施例4‑实施例6、对比例2和对比例3根据GB/T 20197‑2006进行测试，将各组纤维土平铺在室外花园中，铺土厚度为20cm，观察各组土壤在3个月后的厚度及蓬松纤维球的断裂强度，如表2所示(“/”表示未测)：

[0062] 表2

[0063]

[0064] 由表1可以看出，实施例1‑实施例3中制备的蓬松纤维球具有较好的防坍塌能力，并且加入聚乳酸进行制备，断裂强度下降更明显，表明有利于生物降解。

[0065] 需要说明的是，在本文中，诸如术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

[0066] 尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。