一种含纳米纤维素的超稳定水基泡沫及其制备方法和应用

本发明属于化工领域，具体涉及一种含纳米纤维素的超稳定水基泡沫及其制备方法和应用。

背景技术：

1、泡沫体系在日化、消防、矿物浮选、石油化工、石油开采(如油藏的泡沫驱油)等诸多领域都有广泛的应用。然而，泡沫通常是不稳定系统，因为薄膜排水，气泡的聚结和歧化肯定会发生，从而降低整个系统的自由能。为了更好的泡沫稳定性，表面活性剂、聚合物、蛋白质，或者表面活性固体颗粒通常被添加到泡沫系统中。但是，尽管通过添加表面活性剂容易且快速地移动到气-液界面，添加蛋白质和聚合物时泡沫膜的高粘度，或由表面活性固体颗粒聚集形成的弹性层，但这些添加剂不能有效地阻止气泡的衰减；泡沫液膜所占空间会自发减小以降低体系的整体表面自由能，维持自身稳定，从长时间角度看，泡沫的破灭不可逆转。泡沫体系的不稳定性一直是制约其应用的关键因素。当前泡沫稳定剂主要包括高分子聚合物和固相纳米材料，但是仍存在材料性能差、成本高和来源受限等问题。

2、在现代农业生产中，地膜覆盖技术被广泛应用于提高土壤温度、保持土壤水分、抑制杂草生长和改善作物生长环境。传统的地膜材料主要包括聚乙烯和和聚氯乙烯等塑料薄膜，这些材料在发挥作用的同时也带来了一系列环境和生态问题。塑料地膜不易降解，长期残留在土壤中会造成土壤结构破坏和微塑料污染，对农作物和生态环境造成负面影响。

3、为了解决这一问题，可降解地膜受到广泛关注。通过乳化法制备一种具有土壤改良功能的液体泡沫地膜，可作为石油基塑料地膜的可喷雾绿色替代品和退化土壤的土壤修复剂。目前，还没有将水基泡沫用作泡沫地膜的报道。

技术实现思路

1、为解决现有技术的缺点和不足之处，本发明的首要的目的是提供一种含纳米纤维素的超稳定水基泡沫地膜及其制备方法。本发明制备的水基泡沫地膜起泡性高，稳定性强，且制备工艺简单，易于大规模生产。

2、本发明的目的通过以下技术方案来实现：

3、一种含纳米纤维素的超稳定水基泡沫，以质量分数计，包括如下组分：以复配水基泡沫总质量100份为基准，纳米纤维素水凝胶0.1-2.0份，十二烷基硫酸钠(sds)0.5-5.0份，十四醇(tda)1.0-5.0份，聚乙烯醇(pva)0.1-3.0份，余量为水；上述组分通过高速搅拌产生泡沫，即制得超稳定水基泡沫。

4、优选地，所述纳米纤维素水凝胶中所含的纳米纤维素的长度为500-1000nm，直径3-5nm。

5、优选地，所述聚乙烯醇的醇解度为88％-100％。

6、优选地，所述十二烷基硫酸钠、十四醇、聚乙烯醇与纳米纤维素水凝胶的质量比为(2.5-5.0)：2.0：(0.5-2.0)：(0.5-1.5)。

7、所述超稳定水基泡沫的制备方法，包括如下步骤：

8、(1)将十二烷基硫酸钠和十四醇于水中混合后加热，使所有溶质均匀分散，冷却后高速搅拌，得到sds/tda泡沫体系；

9、(2)在上述泡沫体系中加入聚乙烯醇，使其完全溶解后，高速搅拌；

10、(3)将纳米纤维素水凝胶加入步骤(2)的泡沫体系中，混合均匀后，高速搅拌，即制得含纳米纤维素的超稳定水基泡沫。

11、优选地，步骤(1)～(3)所述高速搅拌的条件均为机械搅拌，转速1000-1500rpm，时间5-10min。

12、优选地，步骤(1)所述加热条件是60±10℃下加热20±10min。

13、所述含纳米纤维素的超稳定水基泡沫在泡沫地膜中的应用。

14、优选地，可以通过高压喷雾将超稳定水基泡沫喷洒到土壤或者水面上，形成泡沫地膜。

15、所述的含纳米纤维素的超稳定水基泡沫是由多层泡沫形成的。本发明将纳米纤维素均匀分散在水基泡沫体系中，显著改善了泡沫的稳定性差和起泡率低等问题。这是由于纳米纤维素具有非常高的比表面积，可以提供大量吸附位点，促进表面活性剂分子的有效吸附，从而降低液体的表面张力，有利于泡沫的形成和稳定。此外，当纳米纤维素分散在液体介质中时，它们可以相互交织形成一种三维网络结构。这种结构为泡沫提供了额外的机械强度，防止泡沫在受到外力作用时轻易破裂。纳米纤维素表面的羟基使其与水分子具有良好的亲和力，可以增强泡沫中的液膜强度，减少液体的排出速度，从而延长泡沫的寿命。本发明的多层泡沫体系比单层膜的泡沫更稳定，因为多层泡沫通常可以承受更高的气压波动阈值。并且即使一层膜破裂，其它层也可以在泡沫结构不变的情况下变得稳定，从而形成超稳定体系。

16、与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

17、(1)本发明超稳定泡沫地膜通过加入纳米纤维素(ncf)，十四醇(tda)和聚乙烯醇(pva)后可以有效地减缓排水、聚结和歧化过程，使这种泡沫具有超长寿命，可以稳定20天以上。

18、(2)纳米纤维素来源丰富，可完全生物降解，少量添加即可提高泡沫稳定性和起泡率，同时减少了化学类乳化剂的用量，有利于生态环境保护。

19、(3)本发明水基泡沫具有良好的环境适应性和可再生性，泡沫膜后期还可加入气体，如co2气体肥料，另可以漂浮在水田。本发明的多层泡沫体系比单层膜的泡沫更稳定，用作泡沫地膜，可根据植物生长周期，调节组分配比，以调控泡沫地膜的降解周期，且具有更好的保水增湿和保温效果。

1.一种含纳米纤维素的超稳定水基泡沫，其特征在于，以质量分数计，包括如下组分：以复配水基泡沫总质量100份为基准，纳米纤维素水凝胶0.1-2.0份，十二烷基硫酸钠0.5-5.0份，十四醇1.0-5.0份，聚乙烯醇0.1-3.0份，余量为水；上述组分通过高速搅拌产生泡沫，即制得含纳米纤维素的超稳定水基泡沫。

2.根据权利要求1所述的超稳定水基泡沫，其特征在于，所述纳米纤维素水凝胶中所含的纳米纤维素的长度为500-1000nm，直径3-5nm。

3.根据权利要求1所述的超稳定水基泡沫，其特征在于，所述聚乙烯醇的醇解度为88％-100％。

4.根据权利要求1或2或3所述的超稳定水基泡沫，其特征在于，所述十二烷基硫酸钠、十四醇、聚乙烯醇与纳米纤维素水凝胶的质量比为(2.5-5.0)：2.0：(0.5-2.0)：(0.5-1.5)。

5.权利要求1～4任一项所述超稳定水基泡沫的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)～(3)所述高速搅拌的条件均为机械搅拌，转速1000-1500rpm，时间5-10min。

7.根据权利要求5或6所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述加热条件是60±10℃下加热20±10min。

8.权利要求1～4任一项所述含纳米纤维素的超稳定水基泡沫在泡沫地膜中的应用。

9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，通过高压喷雾将超稳定水基泡沫喷洒到土壤或者水面上，形成泡沫地膜。