超聲作用下羥丙基甲基纖維素抑塵劑的制備及應(yīng)用

來水利 王召帥 張昭 陳功 李玉珍

（1. 陜西科技大學(xué)，陜西西安 710021；2. 咸陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西咸陽 712000）

1 引言

煤炭在我國能源的生產(chǎn)與消費(fèi)結(jié)構(gòu)中一直占據(jù)著主要地位（60%～70%），其在開采、運(yùn)輸、儲存過程中會產(chǎn)生大量的粉塵［1-2］，這不僅造成煤炭資源的嚴(yán)重浪費(fèi)，還給周圍的環(huán)境造成較大的污染，過量的煤塵還會引起粉塵爆炸，給人們的生命安全帶來威脅［3-4］。隨著抑塵技術(shù)的不斷發(fā)展［5-8］，化學(xué)抑塵劑因其優(yōu)良的抑塵性能受到越來越多的青睞［9-14］，但目前市場上的高分子抑塵劑多為“硬殼型”，產(chǎn)品噴灑后固結(jié)層較硬較脆，受到運(yùn)輸中震蕩和風(fēng)力作用后容易碎裂，從而失去抑塵效果。

針對存在的這種問題，本文以羥丙基甲基纖維素（HPMC）、丙烯酸（AA）、丙烯酰胺（AM）等為原料，以過硫酸銨（APS）為引發(fā)劑，二甲基二烯丙基氯化銨（DMDAAC）為交聯(lián)劑，制備出一種成膜柔軟、拉伸強(qiáng)度及熱穩(wěn)定性高、應(yīng)用性能良好的軟膜型環(huán)保抑塵劑，其可以有效抑制煤塵污染，具有較好的應(yīng)用前景。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)試劑與儀器

2.1.1 試劑

HPMC：工業(yè)級，西安富士得化工有限公司；AA、AM、APS、碳酸氫鈉，分析純，天津大茂化學(xué)試劑廠；DMDAAC、十二烷基苯磺酸鈉（SDBS）、丙三醇，分析純，天津天力化學(xué)試劑有限公司。

2.1.2 儀器

MS－600N 型超聲波處理器，上海生析超聲化學(xué)儀器有限公司；VECTOR－22 型傅里葉變換紅外光譜儀（FT－IR），德國布魯克公司；S4800 型掃描電子顯微鏡（SEM），日本理學(xué)株式會社；Q500 型熱重分析儀（TGA），美國TA 公司；Q2000 型差示掃描量熱儀（DSC），美國TA 公司；XWW－20B 型萬能試驗(yàn)機(jī)，承德金建檢測儀器有限公司；HY－4 調(diào)速多用振蕩器，國華電器有限公司。

2.2 HPMC 抑塵劑的制備

稱取2 g HPMC 加入燒杯中，加入80 g 去離子水，超聲溶解5 min 后留存待用。稱取6 g AA，在冰水浴下用碳酸氫鈉溶液中和至80%，再加入2 g AM，快速攪拌至其完全溶解。將配好的單體溶液、0.08 g引發(fā)劑APS 和0.04 g 交聯(lián)劑DMDAAC 加入盛有HPMC 溶液的燒杯中，再加入0.1 g SDBS 和0.5 g 增塑劑丙三醇，在200 W 超聲功率下反應(yīng)70 min 后，冷卻至室溫，得到抑塵劑溶液。然后用無水乙醇洗滌處理并在0.7 MPa，70 ℃的真空條件下干燥12 h，再經(jīng)研磨后過100 目篩得到粉狀抑塵劑。

2.3 結(jié)構(gòu)表征與性能測試

2.3.1 紅外光譜表征（FT－IR）

通過KBr 壓片法制樣，將制備好的干燥抑塵劑粉末再次研磨，后與KBr 進(jìn)行充分混合，并按照1 ∶100 的比例配制，然后將配制好的樣品與KBr 粉末倒入壓片機(jī)中制成薄片，并將其放在樣品倉內(nèi)，測得紅外光譜。

2.3.2 熱重分析（TGA）

稱取10 mg 干燥提純產(chǎn)物，將其放入坩堝中，在20 mL/min 的氮?dú)夥諊袦y試得到熱重曲線，測試條件為：升溫速率20 ℃/min，溫度范圍20～600 ℃。

2.3.3 差示掃描量熱法（DSC）

用差示掃描量熱儀可測量抑塵劑的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg及熔融溫度Tm，將其測試參數(shù)設(shè)置為：升溫速率20 ℃/min，溫度范圍20～280 ℃；測試得到DSC曲線。

2.3.4 掃描電子顯微鏡（SEM）

利用SEM 對噴灑抑塵劑溶液（或者水）后干燥的煤粉表層（噴金）進(jìn)行掃描電鏡觀察。

2.3.5 薄膜拉伸實(shí)驗(yàn)

取適量不同單體配比下制備的抑塵劑，分別制備成5%的抑塵劑溶液，將其倒入聚四氟乙烯板中，流延成膜。將抑塵劑薄膜裁剪成10 mm×50 mm 的樣條，然后在萬能試驗(yàn)機(jī)上測其拉伸時(shí)的斷裂伸長率。

2.3.6 應(yīng)用性能測試

所制備的抑塵劑溶液的保水性、抗風(fēng)蝕性、抗震蕩性能測試按照參考文獻(xiàn)［15］中的方法進(jìn)行測試。

3 結(jié)果與討論

3.1 紅外光譜分析

圖1 為HPMC 與HPMC－AA－AM 的紅外光譜圖，3 474 cm－1為羥丙基甲基纖維素糖環(huán)上的－OH伸縮振動吸收峰，2 931 cm－1為－CH3上的C－H 伸縮振動吸收峰。HPMC 中－OH 吸收峰強(qiáng)度明顯要強(qiáng)于其在HPMC－AA－AM 曲線中的吸收峰強(qiáng)度，根據(jù)此結(jié)果可判斷出HPMC 中的活潑羥基在反應(yīng)中廣泛參與。1 724 cm－1為酰胺鍵上C＝O 的伸縮振動吸收峰，1 594 cm－1為C－N 鍵的伸縮振動吸收峰。結(jié)果表明，HPMC 鏈上含有AM 與AA 的鏈段，即證明已經(jīng)發(fā)生了接枝聚合反應(yīng)。

3.2 熱重分析

熱重分析曲線如圖2 所示。

圖2 HPMC－AA－AM 接枝共聚物熱重分析曲線

由圖2 可知，剛開始由于－OH 受熱分解，所以質(zhì)量損失比較快，接枝共聚物在309.41 ℃開始分解，其后隨著溫度不斷提高，相應(yīng)的分解也越快，到534.64 ℃以后基本結(jié)束，表現(xiàn)出良好的熱穩(wěn)定性，因此溫度不會對該抑塵劑的應(yīng)用產(chǎn)生影響。

3.3 差示掃描量熱分析

由圖3 可以看出，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg為12.56 ℃，因此可說明常溫下成膜是柔軟的；Tm為146.05 ℃，因此可說明膜的熔融溫度較高，膜的耐熱性能良好。

圖3 HPMC 與HPMC－AA－AM 的差示掃描量熱分析

3.4 掃描電鏡分析

掃描電鏡分析見圖4。

圖4 掃描電鏡圖

由圖4a 噴灑水后的煤粉表面形貌可知，煤粉在水蒸發(fā)后顆粒排列表現(xiàn)出松散特征，因此灑水抑塵的效果有限，只能在短時(shí)間內(nèi)通過潤濕凝聚來抑塵。由圖4b 噴灑抑塵劑后的煤粉表面形貌可以看出，經(jīng)過噴灑抑塵劑之后的煤粉，其表層顆粒緊密地黏結(jié)在一起，形成了有一定厚度的固化層，能夠有效防止煤塵飛揚(yáng)，起到較好的抑塵作用。

3.5 性能測試結(jié)果分析

3.5.1 薄膜拉伸性能測試結(jié)果

抑塵劑在成膜后的抗拉強(qiáng)度越大，韌性越好，在成膜之后就不容易被破壞，能夠具有較好的抑塵效果。對制備的樣條進(jìn)行拉伸斷裂伸長率測試，結(jié)果見表1。

表1 薄膜拉伸結(jié)果 %

由表1 可知，抑塵劑成膜后拉伸強(qiáng)度較高，能夠保證在使用時(shí)不被輕易破壞。

3.5.2 保水性測試結(jié)果

圖5 為煤粉保水率與放置時(shí)間的關(guān)系。由圖5可知，煤粉在前16 h 失水的比例很高，在此區(qū)間內(nèi)噴灑水的曲線降幅明顯地高于噴灑抑塵劑的。此外還可以看出，噴灑抑塵劑40 h 后保水率高達(dá)74.52%，而噴灑水后的保水率僅為15.69%。

圖5 煤粉保水率與室溫放置時(shí)間關(guān)系

3.5.3 抗風(fēng)蝕性測試結(jié)果

抗風(fēng)蝕性能測試結(jié)果如圖6 所示。由圖6 可知，噴灑抑塵劑的煤樣在使用14～15 m/s 風(fēng)連續(xù)吹掃3 h后的煤粉損失率僅為1.26%，且煤粉表面相對平整，而噴灑水的煤樣被風(fēng)吹3 h 后煤粉表面凹凸不平，造成大量煤粉損失，損失率達(dá)7.91%。根據(jù)此結(jié)果可判斷出這種抑塵劑抗風(fēng)蝕性也達(dá)到較高水平。

圖6 煤粉損失率與風(fēng)力吹掃時(shí)間的關(guān)系

3.5.4 抗震蕩性測試結(jié)果

低速震蕩處理煤粉40 h 內(nèi)所得結(jié)果見圖7。由圖7 可知，在震蕩一段時(shí)間后，表層噴灑抑塵劑溶液的煤粉損失率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于表層噴灑水的煤粉損失率。在150 r/min 條件下40 h 震蕩的實(shí)驗(yàn)過程中，煤粉表層噴灑了水的煤樣最終煤粉損失率達(dá)到69.14%，而表層噴灑抑塵劑溶液的煤粉損失率僅為5.06%，因此抑塵劑對于煤粉的抗震蕩性能有明顯提高。

圖7 煤粉損失率與震蕩時(shí)間的關(guān)系

4 結(jié)論

（1）在超聲作用下制備出了一種軟膜型煤炭抑塵劑。對所得產(chǎn)品進(jìn)行紅外分析，表明在超聲作用下HPMC 與AA，AM 可發(fā)生接枝共聚反應(yīng)，制得的抑塵劑熱穩(wěn)定性良好，噴灑了抑塵劑的煤粉，其煤粉顆粒之間能夠相互緊密地黏結(jié)在一起，形成了具有一定厚度的固化層，起到很好的抑塵效果。

（2）噴灑制備抑塵劑的煤粉在室溫下40 h 后保水率仍可達(dá)到74.52%，使用14～15 m/s 風(fēng)連續(xù)吹掃3 h 后煤粉損失率僅為1.26%，在150 r/min 條件下震蕩40 h 后煤粉損失率僅為5.06%，說明該抑塵劑的保水性、抗風(fēng)蝕性、抗震蕩性等性能均良好。

（3）該抑塵劑不僅可以有效解決在煤炭儲運(yùn)中的煤塵污染問題，也可以應(yīng)用于建筑、礦區(qū)、道路等粉塵較多的地方，具有廣泛的應(yīng)用前景。