疏水締合聚丙烯酰胺固沙劑的制備及性能研究

牛育華，楊通，王晨，宋潔

(1.陜西科技大學(xué) 教育部輕化工助劑化學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710021；2.陜西農(nóng)產(chǎn)品加工技術(shù)研究院,陜西 西安 710021)

由于全球氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)的影響，土壤退化造成沙塵暴、農(nóng)作物受損、污染物擴(kuò)散等已成為制約社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展最嚴(yán)重的問(wèn)題之一[1-5]。目前使用的覆蓋卵石、插入秸稈等措施成本高[6-7]并且使用環(huán)境有限[8-13]。采用天然產(chǎn)物合成的化學(xué)固沙劑存在毒性大、抵抗紫外線能力弱等缺點(diǎn)[14-16]。本文以陽(yáng)離子聚丙烯酰胺經(jīng)疏水締合作用制備一種新型固沙粘液，再加入土壤改良劑腐植酸溶液進(jìn)行混合制得液體固沙劑[17-18]，然后通過(guò)與沙粒之間的靜電作用進(jìn)行固沙[19-21]，該技術(shù)是將化學(xué)固沙與生物改良相結(jié)合，是防治荒漠化、實(shí)現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)逐步恢復(fù)的潛在有效方法。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料與儀器

丙烯酰胺、丙烯酸丁酯、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨、腐植酸、過(guò)硫酸鉀、N,N-亞甲基雙丙烯酰胺均為分析純。

PL-60-11應(yīng)變計(jì)；CDP-50位移傳感器。

1.2 固沙劑的制備

取去離子水80 g，10 g丙烯酰胺，2 g丙烯酸丁酯，8 g甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨，加入三口燒瓶中，水浴加熱，通氮?dú)?，進(jìn)行攪拌，升溫至50 ℃，然后用20 g去離子水溶解N，N-亞甲基雙丙烯酰胺0.06 g，并攪拌使其充分混合。攪拌15 min后，緩慢滴加用30 g去離子水溶解的過(guò)硫酸鉀0.3 g，升高溫度至65 ℃，反應(yīng)8 h，待上述過(guò)程完成后，對(duì)其滴加用9 g去離子水溶解的腐植酸鉀1 g，充分反應(yīng)2 h后取出，即得腐植酸固沙劑。將固沙劑與水按照一定的比例進(jìn)行混合來(lái)進(jìn)行固沙。固沙劑的反應(yīng)機(jī)理見(jiàn)圖1。

圖1 固沙劑反應(yīng)機(jī)理

1.3 測(cè)試固沙樣品的抗壓性能

將150 g沙粒與30 g濃度為25%的固沙劑水溶液混合均勻放入模具(直徑2.5 cm，高10 cm)中，在35 ℃下進(jìn)行固化，固化時(shí)間為24 h，將樣品從模具中取出。通過(guò)電液伺服通用試驗(yàn)機(jī)以5 mm/min的速率進(jìn)行位移控制，使用應(yīng)變計(jì)測(cè)量水平變形和位移傳感器用于測(cè)量軸向位移。通過(guò)壓縮沙棒來(lái)測(cè)試其抗壓性能。

1.4 研究固沙劑的滲透性

為了確定固沙劑水溶液的滲透性，將200 g沙粒放入模具(直徑2.5 cm，高10 cm)中，并將30 g 25%固沙劑水溶液進(jìn)行噴灑。其立即滲透到內(nèi)層，沙粒的粒度分布見(jiàn)表1。

由表1可知，沙粒的粒徑主要在0.2～0.25 mm和0.15～0.2 mm之間，密度為1.52 g/cm3,孔隙率為42.6%。

表1 沙子的顆粒分析Table 1 Particle analysis of sand

1.5 測(cè)試固沙樣品的抗風(fēng)蝕性能

將1 000 g沙粒試樣放入直徑14 cm，高4.5 cm的圓柱形沙表中，使沙面平坦化。通過(guò)將固沙劑溶解在水中制備濃度為25%的固沙劑水溶液，并將溶液以6 L/m2的速率噴灑在制備的沙粒表面上。溶液立即滲透到沙子內(nèi)部，隨著固沙劑固化，迅速形成固結(jié)層。將固沙樣品在室溫(20 ℃)和30%的空氣濕度下風(fēng)干7 d。將制備好的固沙試樣進(jìn)行模擬風(fēng)機(jī)實(shí)驗(yàn)，在風(fēng)力的作用下，以一定的速度和角度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置風(fēng)速為10 m/s,30 min;20 m/s,30 min。風(fēng)流角度0，45°。風(fēng)沙量定義為風(fēng)沙減沙量，風(fēng)蝕系數(shù)為單位面積、單位時(shí)間的風(fēng)蝕量。它們是評(píng)估抗風(fēng)蝕損害的重要物理量。根據(jù)式(1)計(jì)算風(fēng)蝕模量：

建筑行業(yè)以項(xiàng)目作為獨(dú)立的管理單元，項(xiàng)目周期短，無(wú)固定生產(chǎn)場(chǎng)地和生產(chǎn)部門(mén)，企業(yè)及其員工須根據(jù)項(xiàng)目規(guī)模及需要，不斷調(diào)整管理模式及工作地點(diǎn)，業(yè)人員流動(dòng)性大、分布廣泛的特點(diǎn)由此產(chǎn)生。傳統(tǒng)面對(duì)面的人力資源管理模式已無(wú)法滿足實(shí)際管理的需要，如何打破時(shí)間和空間的限制進(jìn)行信息傳遞是建筑企業(yè)人力資源管理者急需解決的問(wèn)題。

(1)

式中Re——風(fēng)蝕模數(shù)，g/(m2·min)；

m0——實(shí)驗(yàn)前沙粒的總質(zhì)量，g；

m1——實(shí)驗(yàn)后沙粒的總質(zhì)量，g；

S——試樣的表面積，m2；

T——測(cè)試時(shí)間，min。

1.6 表面形貌

將固化后的沙粒采用掃描電子顯微鏡測(cè)定其表面形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 固沙劑與沙粒的粘結(jié)機(jī)理分析

3個(gè)因素影響固沙劑水溶液和沙粒之間的固化作用。首先是疏水締合陽(yáng)離子聚丙烯酰胺-腐植酸存在陽(yáng)離子，其可與沙粒表面的陰離子形成靜電作用，進(jìn)而與沙粒之間進(jìn)行固化作用。第2個(gè)因素涉及到固沙劑水溶液中存在酰胺基和酯基，其可通過(guò)氫鍵作用粘附到沙粒表面以形成強(qiáng)的粘合力。第3個(gè)因素是固沙劑水溶液在沙粒表面的潤(rùn)濕性，只要固沙劑水溶液具有適宜的潤(rùn)濕性，它就能均勻的分散在沙粒表面。

圖2顯示了固沙劑水溶液浸泡在沙粒表面以及固沙劑與沙粒之間力的示意圖。由于疏水締合陽(yáng)離子聚丙烯酰胺-腐植酸溶液是一種高粘度流體，需加一定量的水讓其稀釋。水的表面張力非常高，因此固沙劑的粘附能力非常強(qiáng)，結(jié)合以形成高表面張力的粘合劑層。由于沙面張力也很高，屬于高能面。固沙劑水溶液與沙粒的潤(rùn)濕角度小，固沙劑水溶液的表面張力與沙粒的表面張力相似。因此，固沙劑水溶液可以均勻地浸泡在沙粒表面并且均勻分散。圖2a～2d顯示了固沙劑水溶液在沙面上的分散程序。

圖2 基于固沙劑與粘結(jié)劑機(jī)理

a.向沙粒表面噴灑固沙劑液滴；b.沙粒表面液滴；c.液滴在沙粒表面分散；d.液滴在沙粒表面均勻分散；e.沙粒與固沙劑之間的靜電作用；f.固沙劑與沙粒表面存在氫鍵作用

丙烯酰胺通過(guò)膠束聚合反應(yīng)與丙烯酸丁酯和甲基酰氧乙基三甲基氯化銨進(jìn)行接枝，形成疏水締合陽(yáng)離子聚丙烯酰胺，該疏水基團(tuán)可以有效地增強(qiáng)聚合物的粘度。聚合物中的氨基與酯基可以有效地與沙粒表面的羥基發(fā)生氫鍵作用，腐植酸分子存在大量的羧基和羥基，都能與沙粒表面的羥基發(fā)生氫鍵作用。圖2f是疏水締合陽(yáng)離子聚丙烯酰胺-腐植酸分子與沙粒之間氫鍵作用力的示意圖。

丙烯酰胺通過(guò)陽(yáng)離子化使其正電荷性，沙粒表面存在大量的負(fù)電荷，腐植酸分子本身具有負(fù)電荷并且具有良好的改良土壤的特點(diǎn)，三者之間通過(guò)靜電作用進(jìn)行結(jié)合，使沙粒進(jìn)行團(tuán)聚來(lái)進(jìn)行固沙。圖2e是疏水締合陽(yáng)離子聚丙烯酰胺-腐植酸分子與沙粒之間靜電作用力的示意圖。

疏水締合陽(yáng)離子聚丙烯酰胺-腐植酸固沙機(jī)理示意圖見(jiàn)圖3。

圖3 基于固沙劑的化學(xué)固沙工藝Fig.3 Chemical sand fixation process based on sand-fixing agenta.移動(dòng)沙子；b.噴灑固沙劑水溶液；c.受固沙劑影響的固沙層；d.沙粒之間的連接

當(dāng)固沙劑水溶液噴灑在沙粒表面上時(shí)(圖3a)，可以穿過(guò)沙孔并均勻分散在沙粒表面，在一段時(shí)間內(nèi)，固沙劑水溶液固化，固沙劑與沙粒形成強(qiáng)大的作用力，形成已知應(yīng)力的固定層(圖3b)。隨著水分蒸發(fā)，固沙劑體積減少，沙粒收縮(圖3c)。固沙劑與沙粒之間架起了一座橋梁，將沙粒連接在一起形成了一個(gè)固沙層，具有良好的抗壓應(yīng)力和風(fēng)蝕能力，可以提供一個(gè)適宜的、穩(wěn)定的環(huán)境。

2.2 討論DMC與KHA含量對(duì)抗壓性能的影響

實(shí)驗(yàn)條件同1.2節(jié)，在僅改變DMC用量和僅改變KHA用量時(shí)，制備固沙劑，考察固沙劑對(duì)抗壓性能的影響，結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 DMC變化量(a)和KHA用量(b)對(duì)固沙劑固沙的影響

固沙劑中陽(yáng)離子的含量是決定固沙劑抗壓性能的指標(biāo)之一。由圖4a可知，隨著DMC含量的增加，其壓縮強(qiáng)度也隨之增加，當(dāng)DMC的含量為8 g時(shí)，其壓縮強(qiáng)度達(dá)到1.13 MPa。KHA存在大量的羥基與羧基，其具有陰離子屬性，與沙粒之間存在大量的氫鍵作用，可以牢固地與沙粒結(jié)合，由圖4b可知，當(dāng)腐殖酸含量為3 g時(shí)，其壓縮強(qiáng)度達(dá)到最大值，為1.50 MPa，當(dāng)其含量繼續(xù)增加時(shí)，其阻礙著固沙劑與沙粒的結(jié)合，使其壓縮強(qiáng)度下降，當(dāng)其含量減小時(shí)，固沙劑與沙粒的結(jié)合度不夠，導(dǎo)致其壓縮強(qiáng)度下降。

2.3 固化時(shí)間與固沙劑質(zhì)量濃度對(duì)抗壓性能的影響

實(shí)驗(yàn)條件同1.3節(jié)，在僅改變固化時(shí)間和僅改變固沙劑濃度時(shí)，考察對(duì)抗壓性能的影響，結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 固化時(shí)間(a)和固沙劑濃度(b)對(duì)固沙劑固沙的影響

由圖5a可知，固化時(shí)間對(duì)抗壓性能的影響較大。當(dāng)固化時(shí)間為6 h時(shí)，其壓縮強(qiáng)度為0.69 MPa，這是由于固沙劑沒(méi)有完全固化，沙粒不能完全固結(jié)導(dǎo)致的。而當(dāng)24 h之后，固沙劑完全固化，沙粒完全固結(jié)，這時(shí)其壓縮強(qiáng)度達(dá)到1.5 MPa左右。由此可知該固沙劑最低固化時(shí)間為24 h左右。由圖5(b)可知，當(dāng)固沙劑質(zhì)量濃度為10%時(shí)，其壓縮強(qiáng)度為0.98 MPa，隨著固沙劑濃度的增加，其壓縮強(qiáng)度也隨之增加，當(dāng)固沙劑質(zhì)量濃度為25%時(shí)，其壓縮強(qiáng)度為1.53 MPa?？紤]成本與環(huán)境要求，固沙劑質(zhì)量濃度達(dá)到25%時(shí)，其性能最佳。

2.4 固沙劑滲透性能

固沙劑的滲透性能見(jiàn)圖6。

由圖6可知，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，其固沙劑的滲透厚度也隨之增大。在0～2 min之間，由于沙粒之間對(duì)固沙劑的阻力小，固沙劑的滲透速率大，而當(dāng)滲透厚度達(dá)到一定值時(shí)，沙粒表面的潤(rùn)濕性大，沙粒對(duì)固沙劑的阻力增加，其滲透速率減小，在10 min以后，曲線趨于平緩，固沙劑不再滲透。

圖6 固沙劑對(duì)沙粒滲透性能變化情況

2.5 固沙劑的抗風(fēng)蝕性能

實(shí)驗(yàn)條件同1.5節(jié)，考察抗風(fēng)蝕性能，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 由不同濃度和風(fēng)速所測(cè)試的固沙層的抗風(fēng)蝕實(shí)驗(yàn)Table 2 Wind erosion resistance tests of sand-fixing layers tested by different concentrations and wind speeds

由表2可知，該固沙劑的風(fēng)蝕模數(shù)最小為0.75 g/(m2·min)，最大為1.17 g/(m2·min)。當(dāng)風(fēng)速一定時(shí)，隨著角度的增加，其所得風(fēng)蝕模數(shù)也隨之增大，0°為0.75 g/(m2·min)，45°為0.98 g/(m2·min)。當(dāng)角度為一定時(shí)，隨著風(fēng)速的增加，其所得風(fēng)蝕模數(shù)也隨之增大，0°時(shí)，10 m/s為0.75 g/(m2·min),20 m/s為0.94 g/(m2·min)。與傳統(tǒng)固沙劑相比，該固沙劑有效地抑制了風(fēng)的吹蝕效果，成功地對(duì)沙粒起到了固結(jié)作用。

2.6 固結(jié)沙粒形貌圖

固沙劑對(duì)沙粒的固結(jié)情況見(jiàn)圖7。

圖7 固沙劑固結(jié)沙粒

Fig.7 Sand-fixing agent consolidated sand
a.1 mm；b.500 μm；c.200 μm

由圖7可知，沙粒經(jīng)過(guò)固沙劑的粘結(jié)作用，使沙粒黏連在一起，達(dá)到沙粒固結(jié)的作用。圖7a顯示出了沙粒經(jīng)過(guò)固沙劑的聚集作用使沙粒團(tuán)結(jié)在一起。圖7c可以明顯的看出沙粒的連接情況，沙粒與沙粒之間通過(guò)一定厚度的固沙劑連接，圖中兩線之間區(qū)域的距離表示固沙劑的固結(jié)厚度。由此可知,該固沙劑可以有效地對(duì)沙粒進(jìn)行固結(jié)作用。

3 結(jié)論

通過(guò)實(shí)驗(yàn)，對(duì)該合成工藝的DMC含量與KHA含量的工藝進(jìn)行了優(yōu)化，得到最終相對(duì)較優(yōu)的合成條件：DMC含量為8 g，KHA含量為3 g。對(duì)固沙劑的濃度、固化時(shí)間、固沙劑滲透性、抗風(fēng)蝕性、微觀形貌等進(jìn)行分析。結(jié)果表明，當(dāng)固沙劑質(zhì)量濃度為25%，固化時(shí)間為24 h時(shí)，其抗壓強(qiáng)度與抗風(fēng)蝕性能達(dá)到最佳。固沙劑水溶液在沙粒表面存在良好的潤(rùn)濕性，疏水締合陽(yáng)離子聚丙烯酰胺-腐植酸與沙粒之間的粘附力主要是通過(guò)氫鍵和靜電作用。疏水締合陽(yáng)離子聚丙烯酰胺-腐植酸具有酯鍵、酰胺基可與沙粒表面的羥基形成氫鍵，其接枝的陽(yáng)離子可與沙粒表面的陰離子形成靜電作用。