本发明涉及一种高分子防水蚀材料，具体涉及一种土基高分子复合防水蚀材料的制备，属于水土保持领域。
背景技术：
我国黄土高原总面积64×104km2，水蚀沟壑是黄土高原典型地貌。黄土高原地区水蚀面积达到45.4×104km2，其中年侵蚀模数大于15000t/km2（吨/平方公里）的剧烈水蚀面积为3.67×104km2，占全国同类面积的89%。由于水蚀的加剧，致使黄土高原沟壑发展速度十分惊人，其沟壑密度一般在2~5km/km2以上，有些地方甚至达6~8km/km2以上，切割深度可达100~200m以上，地面裂度多在20%~50%左右，最高可达65%以上。水蚀造成当地土地荒漠化，洪水期使黄河处于危险状态，威胁国家生态、环境及人民生命安全。
黄土高原输入黄河下游的泥沙年平均值为16亿吨，其中有4亿吨淤积在黄河下游的河道上，平均每年淤高10cm，造成下游河床高出两岸地面3~10m，最高处达15m。在黄土高原年平均流失的16亿吨泥沙中，含有氮、磷、钾总量约4000万吨。西北地区尤其是黄土高原地区，气候干燥，植被稀少，降雨少且集中，土壤抗蚀性差，水蚀严重。水蚀造成千沟万壑，良田毁坏，大量泥沙淤积于河道，抬高河床，降低了河堤大坝防洪泄洪能力。我国西部黄土高原地区地表水和地下水资源十分贫乏，虽有千沟万壑，但80%以上是干沟，常在暴雨期间形成山洪。黄土高原径流量小，水资源短缺，人均河川地表径流量水量仅相当于全国平均水平的1/5，耕地亩均径流量不足全国平均水平的1/8。严重的水蚀不仅使黄土高原地区土地退化、制备破坏、土地生产力低下，而且导致生态环境恶化，给国民经济发展和人民生活带来巨大危害。
化学措施防治水蚀、提高雨水利用率国内外已有许多研究。高分子聚合物以其独特的结构和多样的功能以及廉价的价格成为人们关注的重点，使用高分子材料来改良土壤结构，增加土壤入渗，减少水蚀是非常有效的。虽然，当前研究得到的土壤固化剂具有较显著的固化效果，并且一些固土材料也呈现出显著的抗水性能，但仍存在一些不足，如材料制备过程复杂、固化时间短、添加化学物质较多、成本相对较高、环境风险和操作复杂等。
技术实现要素：
本发明的目的是针对现有土壤固化剂存在制备过程复杂、固化时间短、添加化学物质较多、成本相对较高等一些问题，提供一种黏土/黄土基高分子聚合物复合防水蚀材料的制备方法。
一、黏土或黄土基高分子复合防水蚀材料的制备
本发明土基高分子聚合物复合防水蚀材料的制备方法，是将纯天然黏土或黄土粉碎，过80目筛，加入高分子材料，混合均匀后加入水搅拌，成型，干燥，得到防水蚀材料样品；
其中，高分子材料的加入量为黏土或黄土质量的1%~10%。水的加入量为粘土或黄土质量的20%~60%。所述干燥是在60~80℃下干燥20~24h。
所述高分子材料为多糖类、纤维素类、羟乙基纤维素-丙烯酸-醋酸乙烯酯复合材料。
其中多糖类为瓜尔豆胶、魔芋胶、阿拉伯胶、黄原胶、可溶性淀粉、氧化淀粉；纤维素为水溶性的羧甲基纤维素钠、羟甲基纤维素钠、羟乙基纤维素钠、羟丙基纤维素钠或羟丙基甲基纤维素钠等。
所述羟乙基纤维素-丙烯酸-醋酸乙烯酯复合材料（hec-g-paa/vac）的制备，是以羟乙基纤维素作原料，乙酸乙烯酯作为软单体，丙烯酸作为硬单体，采用水溶液自由基聚合法制备的一种水溶性胶黏剂。具体制备工艺为：将羟乙基纤维素充分分散于超纯水中，升温至60~70℃，糊化1.5~2h后冷却至40~45℃，再在纤维素糊化液中加入中和度在50%的丙烯酸，充分搅拌后将混合液升温至聚合温度85~90℃，缓慢滴加适量乙酸乙烯酯和引发剂过硫酸钾溶液，反应3h，降温出料，得到乳白色乳液，其中丙烯酸与醋酸乙烯酯的质量比为3:2，羟乙基纤维素占单体总质量的5%。引发剂过硫酸钾的加量为单体总质量的0.02~0.03%。
所述样品模型是采用模具压制成直径为2~10cm，高1~4.5cm的圆饼状模型。
二、黏土或黄土基高分子复合材料的抗水蚀性能
下面对本发明黏土或黄土基高分子复合材料的抗水蚀性能进行分析说明，并与纯黏土或黄土进行比较。
采用微喷头组合模拟人工降雨或洪水进行斜坡面冲刷试验，降雨强度控制在25ml/s左右，冲刷槽长80cm，宽6cm，高4cm，坡度为6~60°，冲刷高度0.02~2m，下端设有出水口，盛接土壤侵蚀量。降雨前测定样品质量，降雨后测定质量损失一半的时间、表面破坏情况及全部冲蚀的时间。表1~5是将不同种类的纤维素以不同的配比浓度与黏土或黄土混合，测定质量损失一半的时间、表面破坏情况及全部冲蚀的时间。
由表1~5可知，与纯黏土或黄土相比，添加纤维素制备的样品具有更好的抗水蚀性能，其中抗水蚀性能强弱顺序：羟丙基甲基纤维素钠>羟甲基纤维素钠>羟乙基纤维素钠>羧甲基纤维素钠>羟丙基纤维素钠。
表6~7是将几种不同种类的多糖类以不同的配比浓度与黏土或黄土混合制备的复合材料，测定质量损失的时间和表面破坏情况。表6~7的数据显示，与纯黏土或黄土相比，添加多糖类制备的样品具有更好的抗水蚀性能，其中黄原胶抗水蚀性能最强。
表8是将羟乙基纤维素-丙烯酸-醋酸乙烯酯复合材料（hec-g-paa/vac）以不同的配比浓度与黏土或黄土混合后制备的复合材料，测定质量损失一半的时间、表面破坏情况及全部冲蚀的时间。表8的数据显示，与纯黏土或黄土相比，添加合成胶黏剂（hec-g-paa/vac）的样品具有更好的抗水蚀性能，且选用坡缕石、蒙脱土作为基质效果优于红土、黑土或黄土。
表9是将黄土与筛选出可明显提高抗水蚀性能的黄原胶、羟丙基甲基纤维钠混合，制成微型模拟堤坝复合材料，测定表面破坏情况及全部冲蚀的时间，与纯黄土堤坝、单层、双层组合堤坝抗冲蚀时间对比。表9的数据显示，与纯黄土样品相比，添加黄原胶和纤维素类制备的样品具有更好的抗水蚀性能，同时添加黄原胶和羟丙基甲基纤维钠样品的集水、保水性能明显提高，并且双层组合堤坝较单层堤坝耐冲蚀。
综上所述，本发明以环境友好黏土或黄土为基本原料，复配高分子材料，制备的防水蚀材料具有良好的水蚀稳定性（抗冲刷性、水稳定性、保水性），能够抗暴雨和洪水冲刷，透气性良好，有利于植物发芽和生长，是一种集集水、保水、保肥、固土为一体的高分子复合防水蚀材料。此外，该复合防水蚀材料在消除水蚀的同时，还能够辅助季节性降雨或季节性洪水的利用。
附图说明
图1是将筛选出可明显改善土壤流失性能的黄原胶以最佳配比浓度与黄土混合，改变冲刷高度进行坡面冲刷试验，侵蚀量与冲蚀时间的关系图。
图2是将筛选出可明显改善土壤流失性能的黄原胶以最佳配比浓度与黄土混合，改变坡面倾角进行坡面冲刷试验，侵蚀量与冲蚀时间的关系图。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明的黏土或黄土基高分子聚合防水蚀材料的制备和应用作进一步说明。
实施例一
1、土基羟丙基甲基纤维素钠复合防水蚀材料的制备
（1）取一定量的纯天然黏土或黄土，粉碎，过80目筛，备用；
（2）取150g黏土（红土、黑土、坡缕石、蒙脱土）或黄土，分别加入质量分数为1%~10%的羟丙基甲基纤维素钠，混合，搅拌均匀，加入水的质量为20%~60%，制成直径为5cm，高1.5cm的圆饼状模型，在60℃下干燥24h，即得到土基羟丙基甲基纤维素钠复合防水蚀材料样品。
2、防水蚀材料的性能测试
采用微喷头组合模拟人工降雨或洪水进行坡面冲刷试验。降雨前测定样品质量，降雨后测定质量损失一半的时间、表面破坏情况及全部冲蚀的时间。结果显示，羟丙基甲基纤维素钠质量分数大于3.0%时，土基羟丙基甲基纤维素钠复合材料的抗水蚀时间大于7h（见表1~5，图1）。
实施例二
1、土基黄原胶复合防水蚀材料的制备
（1）取一定量的纯天然黏土或黄土，粉碎，过80目筛，备用；
（2）取150g黏土（红土、坡缕石）或黄土分别加入质量分数为1%~10%的黄原胶，混合，搅拌均匀，加入水的质量分数为20%~60%，制成直径为5cm，高1.5cm的圆饼状模型，在60℃下干燥24h，即得到土基黄原胶复合防水蚀材料样品。
2、防水蚀材料的性能测试
采用微喷头组合模拟人工降雨或洪水进行坡面冲刷试验。降雨前测定样品质量，降雨后测定全部冲蚀的时间和表面破坏情况。结果显示，黄原胶质量分数为大于4.0%时，土基黄原胶复合材料的抗水蚀时间大于7h（见表6）。
实施例三
1、防水蚀材料的制备
（1）取一定量的纯天然黏土或黄土，粉碎，过80目筛，备用；
（2）取150g黏土（红土、黑土、坡缕石、蒙脱土）或黄土分别加入质量分数为1%～10%的羟乙基纤维素-丙烯酸/醋酸乙烯酯（hec-g-paa/vac），混合，搅拌均匀，加入水的质量分数为20%～60%，制成直径为5cm，高1.5cm的圆饼状模型，在60℃下干燥24h，即得到防水蚀材料样品。
其中，羟乙基纤维素-丙烯酸-醋酸乙烯酯复合材料（hec-g-paa/vac）的制备：是将羟乙基纤维素加入超纯水中，搅拌使其充分混合后升温至65℃，糊化2h后冷却至45℃，再在纤维素糊化液中加入用氢氧化钠中和至中和度在50%的丙烯酸，充分搅拌后将混合液升温至聚合温度85℃，缓慢滴加乙酸乙烯酯和引发剂过硫酸钾溶液，反应3h，降温出料，得到乳白色乳液，其中丙烯酸与醋酸乙烯酯的质量比为3:2，羟乙基纤维素占单体总质量的5%。引发剂过硫酸钾的加量为单体总质量的0.02~0.03%。
2、防水蚀材料的性能测试
采用微喷头组合模拟人工降雨或洪水进行坡面冲刷试验。降雨前测定样品质量，降雨后测定质量损失一半的时间、表面破坏情况及全部冲蚀的时间。结果表明，hec-g-paa/vac质量分数为大于6.0%时，土基防水蚀复合材料的抗水蚀时间大于2h，模型选用坡缕石、蒙脱土作为基质效果优于黑土、黄土和红土（见表8）。
实施例四
1、防水蚀材料的制备
（1）取一定量的纯天然黏土或黄土，粉碎，过80目筛，备用；
（2）取300g黄土分别加入可明显提高抗水蚀性能的黄原胶质量分数为2.0%，羟丙基甲基纤维钠质量分数为2.0%，混合，搅拌均匀，加入水的质量分数为20%～60%，制成长6cm，宽2cm，高2cm的微型模拟堤坝，在60℃下干燥24h，即得到防水蚀材料样品。
2、防水蚀材料的性能测试
采用微喷头组合模拟人工降雨或洪水进行坡面冲刷试验。设计只添加黄原胶堤坝，只添加羟丙基甲基纤维钠堤坝，同时添加黄原胶和羟丙基甲基纤维钠堤坝，与纯黄土堤坝，单层、双层组合堤坝抗冲蚀时间对比。结果显示，与纯黄土样品相比，添加黄原胶和纤维素类制备的样品具有更好的抗水蚀性能，同时添加黄原胶和羟丙基甲基纤维钠样品的集水、保水性能明显提高，并且双层组合堤坝较单层堤坝耐冲蚀（见表9）。
实施例五
1、防水蚀材料的制备
（1）取一定量的黄土，粉碎，过80目筛，备用；
（2）取150g黄土与筛选出抗水蚀性能较好的黄原胶以最佳配比浓度2.0%混合，搅拌均匀，加入水的质量为20%～60%，制成直径为5cm，高1.5cm的圆饼状模型，在60℃下干燥24h，即得到防水蚀材料样品。
2、防水蚀材料的性能测试
采用微喷头组合模拟人工降雨或洪水进行坡面冲刷试验。改变坡面倾角和降水冲刷高度，观察表面破坏情况和全部冲蚀的时间。坡面倾角升高，降水冲刷高度变高后，样品更易被冲蚀。所以在坡度较大的地方应适量调整聚合物的质量分数（见图1和2）。