本发明涉及生态环境领域，尤其是涉及一种用于砂质土抗渗蓄水的超疏水剂及其制备方法。
背景技术：
如何治理日益严峻的生态环境不仅是人类社会不可忽视的经济与社会问题，更是事关可持续发展的时代课题。我国是世界上荒漠化最为严重的国家之一，沙漠地区全年干旱，降雨稀少，加上砂质土壤结构疏松，保水蓄水能力缺乏，使得砂质土地区水分快速渗漏，砂质土壤无法保留充足的水资源供植株生长，致使该环境下植株的成活率极低。
为解决砂质土壤水分渗漏问题，我国学者开发出了同时具备防渗和透气性能的新型防渗材料-防渗透气砂。但由于防渗透气砂需在工厂提前制备，然后将防渗透气砂运送至砂质土地区施工，加上砂质土地区土壤地面崎岖不平，难以将颗粒状的防渗透气砂均匀地铺装于砂质土表层，整个过程需消耗大量的人力物力，因而其不适于大范围推广。针对现有技术存在的问题，亟需开发一种用于砂质土抗渗蓄水的超疏水剂，该超疏水剂可直接喷洒于砂质土壤表层，并快速固化成膜，进而提高砂质土壤防渗蓄水能力。
专利cn103992043a公开了一种疏水剂的制备方法，主要是将长链氟烷基低表面能物质加入有机溶剂中水解，使其具备与羟基的反应活性，然后加入全氟溶剂中静置、萃取，即制得该超疏水剂。但该疏水剂的疏水效果欠佳，且其与基材的黏附力较差，长期使用时，该超疏水剂形成的疏水膜易脱落，进而导致疏水功能型丧失。
技术实现要素：
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种用于砂质土抗渗蓄水的超疏水剂及其制备方法和应用，通过将超疏水剂喷洒在砂质土表面，基于其快速成膜性和超疏水性，能够有效阻止砂质土地区水分渗漏，提高砂质土壤的保水蓄水能力，进而提高砂质土环境下水资源的利用率及植株的存活率，具有非常广阔的应用前景。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
本发明提供一种用于砂质土抗渗蓄水的超疏水剂，由以下重量份的原料组成：疏水树脂60-70份、固化剂5-15份、稀释剂15-25份和纳米级粉状材料10-20份。
优选地，所述的疏水树脂选自有机硅改性酚醛树脂、有机硅改性丙烯酸树脂、氟改性聚氨酯、氟改性环氧树脂和c9石油树脂中的一种或几种；所述的固化剂选自六次甲基四胺、吡啶、异氰酸酯、吡啶、二乙烯三胺和三乙烯四胺中的一种或几种。
优选地：
所述疏水树脂采用有机硅改性酚醛树脂时，所述固化剂采用六次甲基四胺；所述疏水型树脂采用氟改性聚氨酯时，所述固化剂采用异氰酸酯；
所述的疏水树脂采用有机硅改性丙烯酸树脂时，所述的固化剂采用吡啶；
所述的疏水树脂采用氟改性环氧树脂或c9石油树脂时，所述的固化剂采用二乙烯三胺和三乙烯四胺中的一种或几种。
优选地，所述稀释剂采用非反应型稀释剂或反应型稀释剂，所述的非反应型稀释剂包括丙酮、乙酸乙酯、甲苯和二甲苯中的一种或几种，所述的反应型稀释剂包括丁基缩水甘油醚、乙二醇二缩水甘油醚和亚烷基缩水甘油醚中的一种或几种。
优选地，所述纳米级粉状材料选自纳米al2o3、tio2、zno2和sio2中的一种或几种，粒径范围为10-80nm。
本发明还提供一种用于砂质土抗渗蓄水的超疏水剂的制备方法，包括以下步骤：
(1)将一部分纳米级粉状材料加入疏水树脂中搅拌均匀，并超声分散，制得混合物a；
(2)将剩余的纳米级粉状材料加入固化剂中搅拌均匀，并超声分散，制得混合物b；
(3)将混合物b加入混合物a中搅拌均匀，制得混合物c；
(4)将稀释剂加入混合物c中，搅拌均匀，调至合适的粘度，即制得所述的用于砂质土抗渗蓄水的超疏水剂。
优选地，为确保纳米级粉状材料在疏水树脂及固化剂中混合的均匀性，混合物a和混合物b中的纳米级粉状材料的质量之比为3-5:1。
优选地，步骤(4)中调整粘度值为3000-4000mpa·s。
本发明还提供一种用于砂质土抗渗蓄水的超疏水剂的应用，将其喷洒于砂质土壤表面，疏水树脂固化成膜的过程中，在土壤表层形成兼具低表面能和纳米级粗糙结构的超疏水膜，进而有效防止砂质土环境下土壤水分下渗。
本发明通过选取表面能较低的疏水树脂，并通过在疏水树脂中加入纳米级粉状材料，以使得其在喷洒于砂质土壤表面后，疏水树脂固化成膜的过程中，在土壤表层形成兼具低表面能和纳米级粗糙结构的超疏水膜，进而有效防止砂质土环境下土壤水分下渗，以提高砂质土壤的保水蓄水能力和植株的成活率。且基于疏水树脂的粘结及固化作用，可使得纳米级粗糙结构牢牢黏附在疏水树脂表层，进而显著提升纳米粗糙结构的稳定性和超疏水功能的长效性。同时，为了优化超疏水剂的施工性能，在树脂中加入一定量的反应型或非反应型的稀释剂以降低树脂的粘度，提高超疏水剂的可喷洒性。其中，反应型稀释剂可直接与疏水树脂发生固化反应，进一步优化其在砂质土壤表层的成膜性；而非反应型稀释剂的蒸发速率极快，能在疏水树脂完全固化前，快速蒸发，因而不会影响疏水树脂的在砂质土壤表面形成的疏水膜，即不会对其抗渗性造成任何影响。
本发明具有以下优点：超疏水剂的快速成膜性和超疏水性，能够有效阻止砂质土地区水分渗漏，提高砂质土壤的保水蓄水能力，进而提高砂质土环境下水资源的利用率及植株的存活率，具有非常广阔的应用前景。
具体实施方式
一种用于砂质土抗渗蓄水的超疏水剂，由以下重量份的原料组成：疏水树脂60-70份、固化剂5-10份、稀释剂15-25份和纳米级粉状材料10-20份。
优选地，所述的疏水树脂选自有机硅改性酚醛树脂、有机硅改性丙烯酸树脂、氟改性聚氨酯、氟改性环氧树脂和c9石油树脂中的一种或几种；所述的固化剂选自六次甲基四胺、吡啶、异氰酸酯、吡啶、二乙烯三胺和三乙烯四胺中的一种或几种。
优选地：所述疏水树脂采用有机硅改性酚醛树脂时，所述固化剂采用六次甲基四胺；所述疏水型树脂采用氟改性聚氨酯时，所述固化剂采用异氰酸酯；所述的疏水树脂采用有机硅改性丙烯酸树脂时，所述的固化剂采用吡啶；所述的疏水树脂采用氟改性环氧树脂或c9石油树脂时，所述的固化剂采用二乙烯三胺和三乙烯四胺中的一种或几种。
优选地，所述稀释剂采用非反应型稀释剂或反应型稀释剂，所述的非反应型稀释剂包括丙酮、乙酸乙酯、甲苯和二甲苯中的一种或几种，所述的反应型稀释剂包括丁基缩水甘油醚、乙二醇二缩水甘油醚和亚烷基缩水甘油醚中的一种或几种。
优选地，所述纳米级粉状材料选自纳米al2o3、tio2、zno2和sio2中的一种或几种，粒径范围为10-80nm。
上述用于砂质土抗渗蓄水的超疏水剂的制备方法，包括以下步骤：
(1)将一部分纳米级粉状材料加入疏水树脂中搅拌均匀，并超声分散，制得混合物a；
(2)将剩余的纳米级粉状材料加入固化剂中搅拌均匀，并超声分散，制得混合物b；
(3)将混合物b加入混合物a中搅拌均匀，制得混合物c；
(4)将稀释剂加入混合物c中，搅拌均匀，调至合适的粘度，即制得所述的用于砂质土抗渗蓄水的超疏水剂。
优选地，为确保纳米级粉状材料在疏水树脂及固化剂中混合的均匀性，混合物a和混合物b中的纳米级粉状材料的质量之比为3-5:1。
优选地，步骤(4)中调整粘度值为3000-4000mpa·s。
上述用于砂质土抗渗蓄水的超疏水剂的应用，将其喷洒于砂质土壤表面，疏水树脂固化成膜的过程中，在土壤表层形成兼具低表面能和纳米级粗糙结构的超疏水膜，进而有效防止砂质土环境下土壤水分下渗。
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
步骤1：用于砂质土抗渗蓄水的超疏水剂的制备：
(1)将8份粒径为10-80nm的纳米sio2加入60份有机硅改性酚醛树脂中搅拌均匀，并超声分散30min，制得混合物a
(2)将2份粒径为10-80nm的纳米sio2加入10份六次甲基四胺中搅拌均匀，并超声分散30min，制得混合物b；
(3)将混合物b加入混合物a中搅拌均匀，制得混合物c；
(4)将20份乙酸乙酯加入混合物c中，搅拌均匀，调至其粘度值约为3500mpa·s，即制得该用于砂质土种植的超疏水剂。
步骤2：超疏水剂的施工：
在砂质土中挖设一个直径15cm，深20cm的种植槽，在种植槽的底部及四周喷洒该超疏水剂，待超疏水剂固化成膜后，在种植槽内覆上砂质土，种植绿萝，并设置未喷洒超疏水剂的种植槽为对照组，播种后，每一个月浇1次水，观察其成活率。三个月后，铺设超疏水剂的砂质土，其绿萝的成活率为88％；而未铺设超疏水剂的砂质土，其绿萝的成活率为0。
实施例2
步骤1：用于砂质土抗渗蓄水的超疏水剂的制备：
(1)将8份粒径为10-80nm的纳米zno2加入65份有机硅改性丙烯酸树脂中搅拌均匀，并超声分散30min，制得混合物a；
(2)将2份粒径为10-80nm的纳米zno2加入10份吡啶中搅拌均匀，并超声分散30min，制得混合物b；
(3)将混合物b加入混合物a中搅拌均匀，制得混合物c；
(4)将15份丙酮加入混合物c中，搅拌均匀，调至其粘度值约为4000mpa·s，即制得该用于砂质土种植的超疏水剂。
步骤2：超疏水剂的施工：
在砂质土中挖设一个直径15cm，深20cm的种植槽，在种植槽的底部及四周喷洒该超疏水剂，待超疏水剂固化成膜后，在种植槽内覆上砂质土，种植吊兰，并设置未喷洒超疏水剂的种植槽为对照组，播种后，每一个月浇1次水，观察其成活率。三个月后，铺设超疏水剂的砂质土，其吊兰的成活率为90％；而未铺设超疏水剂的砂质土，其吊兰的成活率为0。
实施例3
步骤1：超疏水剂的制备：
(1)将8份粒径为10-80nm的纳米al2o3加入60份氟改性环氧树脂中搅拌均匀，并超声分散30min，制得混合物a；
(2)将2份粒径为10-80nm的纳米al2o3加入15份二乙烯三胺搅拌均匀，并超声分散30min，制得混合物b；
(3)将混合物b加入混合物a中搅拌均匀，制得混合物c；
(4)将15份乙二醇二缩水甘油醚加入混合物c中，搅拌均匀，调至其粘度值约为4000mpa·s，即制得该用于砂质土种植的超疏水剂。
步骤2：超疏水剂的施工：
在砂质土中挖设一个直径15cm，深20cm的种植槽，在种植槽的底部及四周喷洒该超疏水剂，待超疏水剂固化成膜后，在种植槽内覆上砂质土，种植玻璃海棠，并设置未喷洒超疏水剂的种植槽为对照组，播种后，每一个月浇1次水，观察其成活率。三个月后，铺设超疏水剂的砂质土，其玻璃海棠的成活率为87％；而未铺设超疏水剂的砂质土，其玻璃海棠的成活率为0。
同时，对实施例1、2和3制得的用于砂质土种植的超疏水剂进行水珠在其表面的接触角、滚动角测试，测定1cm厚喷洒超疏水剂砂质土的耐静水压抗渗高度，并利用stz直读式透气性测定仪测定5cm厚喷洒超疏水剂的砂质土、原砂质土的透气性系数k，测定结果见表1
表1超疏水剂性能测试
由表1可知，本发明所制备的超疏水剂，其超疏水和低黏附性能优异，在具备较好抗渗性的前提下，透气性损失较小。
为检测该超疏水剂的耐久性，将实施例1、2和3制得的超疏水剂于自然条件下放置6个月后，测定水珠在其表面的接触角、滚动角以及喷洒超疏水剂的砂质土静水压抗渗高度和透气性，结果如表2所示。
表2超疏水剂耐久性测试(6个月后)
由表2可知，本发明所制备的超疏水剂6个月后的超疏水和低黏附性能依然优异，抗渗性能衰减较小，具有良好的耐久性能。
实施例4
本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于，本实施例中的用于砂质土抗渗蓄水的超疏水剂由以下重量份的原料组成：疏水树脂70份、固化剂5份、稀释剂25份和纳米级粉状材料15份。
实施例5
本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于，本实施例中的用于砂质土抗渗蓄水的超疏水剂由以下重量份的原料组成：疏水树脂65份、固化剂8份、稀释剂16份和纳米级粉状材料11份。
实施例6
本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于，本实施例中，混合物a和混合物b中的纳米级粉状材料的质量之比为3:1。
实施例7
本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于，本实施例中，混合物a和混合物b中的纳米级粉状材料的质量之比为5:1。上述对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。