基于納米纖維素的接枝共聚型高分子抑塵劑制備與性能研究

邊素素，胡相明，賀正龍，李苗苗，趙艷云

（1.山東科技大學(xué) 能源與礦業(yè)工程學(xué)院，山東 青島 266590；2.山東科技大學(xué) 安全與環(huán)境工程學(xué)院，山東 青島 266590；3.山東科技大學(xué) 礦山災(zāi)害預(yù)防控制省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，山東 青島 266590）

煤炭在運(yùn)輸和堆放過(guò)程中均會(huì)產(chǎn)生大量粉塵。尤其在我國(guó)北方地區(qū)，氣候較為干旱且多風(fēng)，飛揚(yáng)的煤塵不僅對(duì)環(huán)境造成極大威脅，同時(shí)增加人類(lèi)塵肺病的罹患率[1-2]?！笆摹の濉币?guī)劃中明確提出，推進(jìn)顆粒物的控制。因此，粉塵防治是綠色煤礦安全、健康發(fā)展的必要任務(wù)[3]。

為降低煤塵的危害程度，常采用噴灑水溶液或表面活性劑溶液的方式[4-5]濕潤(rùn)煤塵顆粒，但往往由于水分的快速蒸發(fā)，導(dǎo)致抑塵時(shí)效短。不少學(xué)者[6-8]通過(guò)添加氯化鈉等無(wú)機(jī)鹽成分減緩水分的蒸發(fā)，但是對(duì)環(huán)境及設(shè)備造成不必要的腐蝕與損壞。近年來(lái)，高分子抑塵劑進(jìn)入諸多學(xué)者研究視角，通過(guò)接枝共聚、溶液共混等手段實(shí)現(xiàn)抑塵劑復(fù)合功能，成為該領(lǐng)域研究熱點(diǎn)之一。楊樹(shù)瑩等[9]將瓜爾豆膠和曲拉通X-100 復(fù)配，制備出1 種固化層硬度高達(dá)61.43 HD、抑塵效率達(dá)94.4%以上的結(jié)殼型抑塵劑；羅瑞冬等[10]將大豆蛋白作為黏結(jié)劑，復(fù)配表面活性劑，制備了1 種抗風(fēng)效果好、滲透性?xún)?yōu)異的黏結(jié)型抑塵劑；潘紅衛(wèi)等[11]將膠原蛋白與海藻酸鈉共混，得到了1種黏結(jié)、潤(rùn)濕的抑塵劑，分析得出抑塵劑的固化厚度可達(dá)6.082 mm，適合露天環(huán)境下的長(zhǎng)期使用；WU等[12]采用微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀（MICP）技術(shù)制備脲酶型生物抑塵劑，并分析了其固結(jié)粉塵和抗風(fēng)蝕能力；LI 等[13]以羧甲基纖維素鈉為基體，將聚乙烯醇接枝共聚，合成了1 種用于露天礦的結(jié)殼型抑塵劑；DING 等[14]以羥乙基纖維素、丙烯酰胺和硬脂基丙烯酸甲酯為原料，制備了1 種可自修復(fù)的凝膠抑塵劑，在高分子抑塵領(lǐng)域中發(fā)揮了積極推動(dòng)作用。盡管各類(lèi)抑塵劑層出不窮，但抑塵劑仍存在功能單一、成本高、抑塵時(shí)效短等問(wèn)題，因此1 種兼并保濕、凝并、抗風(fēng)蝕性接枝共聚型抑塵劑可實(shí)現(xiàn)煤塵顆粒的高效治理。

納米纖維素是近年來(lái)發(fā)展的1 種新材料，它具有纖維素的基本結(jié)構(gòu)，每個(gè)葡萄糖環(huán)上都有3 個(gè)羥基親水基團(tuán)，是極具吸引力的納米材料，在眾多領(lǐng)域中有廣泛的應(yīng)用前景，是制造新型高分子復(fù)合材料的理想材料[15-16]。由于納米纖維素接枝共聚物在保持纖維素固有性質(zhì)的同時(shí)，又能夠賦予它新的特性如：高吸水性、耐酸性、黏稠性等，因此納米纖維素的接枝共聚是納米纖維素改性研究的1 個(gè)活躍領(lǐng)域[17-19]。本研究擬通過(guò)在納米纖維素（NC）表面接枝丙烯酸（AA）分子鏈，賦予納米纖維素表面更多的羧基，增強(qiáng)聚合物的親水性與吸附性，同時(shí)聚合物擁有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使其保水性能更加優(yōu)異。

基于此，將納米纖維素（NC）和丙烯酸（AA）作基體材料，十二烷基苯磺酸鈉（SDBS）作潤(rùn)濕劑，過(guò)硫酸銨（APS）作為引發(fā)劑，制備出1 種保濕、凝并、抗風(fēng)蝕性能兼并的接枝共聚型高分子抑塵劑。探究抑塵劑接枝前后主要官能團(tuán)變化；通過(guò)測(cè)定抑塵劑的酸堿度、表面張力以及熱重，討論抑塵劑的理化性質(zhì)；運(yùn)用接觸角實(shí)驗(yàn)、滲透性測(cè)試、抗蒸發(fā)以及抗風(fēng)蝕性能實(shí)驗(yàn)研究抑塵劑材料的性能特征。以開(kāi)拓煤塵抑塵材料的研發(fā)新思路。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)原料與抑塵劑的制備

1）主要實(shí)驗(yàn)原料。①納米纖維素（NC）：純度＞99%，北方世紀(jì)纖維素材料有限公司；②丙烯酸（AA）：分析純，天津市天力化學(xué)試劑有限公司；③氫氧化鈉小顆粒（NaOH）：分析純，天津市大茂化學(xué)試劑廠；④過(guò)硫酸銨（APS）：分析純，天津市天力化學(xué)試劑有限公司；⑤十二烷基苯磺酸鈉（SDBS）：分析純，天津市天力化學(xué)試劑有限公司；⑥煤粉：煙煤（粒徑范圍0.125～0.15 mm），山東省隴鄆煤礦。

2）抑塵劑的制備工藝。取NC 溶液于三孔燒瓶中，水浴加熱溫度調(diào)節(jié)至80 ℃，恒溫加熱攪拌4 h，使NC 充分溶解。利用NaOH 將AA 中和至中性。在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，取定量NC 溶液于三孔燒瓶。然后按將NC 溶液與AA 溶液按質(zhì)量比2∶1 的比例，將AA 溶液沿著三孔燒瓶的端口緩慢滴入。在70 ℃下攪拌均勻，然后加入少量APS，混合攪拌反應(yīng)。待反應(yīng)完成后，加入占總質(zhì)量0.291%的SDBS，攪拌1 h，得到1種均勻的穩(wěn)定膠狀溶液。

1.2 抑塵劑理化性質(zhì)測(cè)定

1.2.1 最佳稀釋比和酸堿度表面張力的測(cè)定

為測(cè)定抑塵劑的最佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)，將抑塵劑溶液分別稀釋為0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%、0.6%、0.7%、0.8%、0.9%和1%。利用數(shù)顯黏度計(jì)（NDJ-5S）測(cè)定黏度，選用1#轉(zhuǎn)子，校準(zhǔn)后確定轉(zhuǎn)速為30 r/min。

將所配置溶液置于40 ℃的恒溫干燥箱中，24 h后稱(chēng)量不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的抑塵劑溶液，測(cè)定各組溶液的保水率，確定抑塵劑溶液的最佳稀釋比。

將抑塵劑溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別配置為0.1%、0.3%、0.5%、0.7%、0.9%，借助數(shù)字酸度計(jì)（PHS-3 C），分別測(cè)試不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的抑塵劑溶液3 次，取平均值記錄。

使用全自動(dòng)表面張力儀（JK99 C），測(cè)量最佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)下抑塵劑溶液的表面張力值5 次，并記錄結(jié)果。

1.2.2 抑塵劑化學(xué)性質(zhì)的測(cè)定

使用Nicolet iS 50 紅外光譜儀，分別對(duì)NC、AA以及抑塵劑進(jìn)行傅里葉紅外光譜（FT-IR）測(cè)試。首先分別將NC 與抑塵劑冷凍干燥處理，然后研磨成粉末，與干燥KBr 按照樣品與載體以1∶100 的比例混合研磨；再將混合樣品放入壓片機(jī)，制得測(cè)試所需壓片。AA 作為液體，使用液膜法，即在2 個(gè)圓形的KBr 片間滴1～2 滴液體樣品，形成液膜，然后放入光路檢測(cè)。

通過(guò)熱重分析儀（法國(guó)Setaram Labsys Evo），在程序控制溫度下，測(cè)量抑塵劑的質(zhì)量隨溫度的變化曲線，判定抑塵劑的化學(xué)穩(wěn)定性。稱(chēng)取抑塵劑粉末16 mg 于Al2O3坩堝中，設(shè)空氣氣氛流量50 mL/min，升溫范圍為50～800 ℃，升溫速率為10 K/min，得到抑塵劑質(zhì)量隨溫度的變化曲線（TG 曲線）。將TG 曲線對(duì)溫度做一階導(dǎo)數(shù)，得到抑塵劑的質(zhì)量變化速率，即DTG 曲線。

1.3 抑塵劑性能測(cè)試

1）接觸角測(cè)試。通過(guò)接觸角測(cè)試可以判定抑塵劑與煤之間的表面作用。準(zhǔn)備最佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的抑塵劑溶液，將SDBS 溶液及水作為對(duì)照組，借助DSA30 光學(xué)接觸角測(cè)量?jī)x測(cè)定煤樣與溶液之間的接觸角。測(cè)量前，取干燥后的煤樣1 g 于臺(tái)式壓片機(jī)與圓柱形壓片間，加壓至20 MPa，卸壓后得磨光平面柱形煤餅。將煤餅置于接觸角測(cè)量?jī)x的實(shí)樣臺(tái)，調(diào)整表面至水平，通過(guò)針筒在待測(cè)表面形成溶液液滴，液滴與待測(cè)表面接觸，記錄接觸角。

2）滲透性測(cè)試。抑塵劑是否會(huì)長(zhǎng)期發(fā)揮作用，主要看其是否會(huì)滲入堆積煤塵內(nèi)部，因此需測(cè)定其滲透特性。分別配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%、0.5%、0.6%的抑塵劑溶液，同時(shí)設(shè)置SDBS 溶液及水作為對(duì)照組。取50 mL 玻璃實(shí)管作為觀察容器，分別稱(chēng)取30 g 煤粉置于玻璃實(shí)管，記錄“0”刻度。然后分別添加抑塵劑溶液、水溶液以及SDBS 溶液各3 mL。每個(gè)實(shí)驗(yàn)組間隔10 min 測(cè)量并記錄其滲透深度。

3）微觀形貌測(cè)試。為了揭示抑塵劑作用于煤塵的微觀表面形貌，進(jìn)行掃描電子顯微鏡（SEM）測(cè)試。將水、SDBS 溶液以及抑塵劑溶液處理后的煤樣放入50 ℃的真空干燥箱中干燥，直至質(zhì)量穩(wěn)定，然后放在研缽中研磨成小顆粒。利用掃描電子顯微鏡（FEI，Nova Nano，美國(guó)）分別對(duì)以上樣品進(jìn)行掃描，將樣品放大至1 000 倍和2 000 倍，對(duì)比分析以上3 種溶液在煤粉表面的微觀作用形貌。

4）抗蒸發(fā)性及抗風(fēng)蝕性測(cè)試。取一定量的煤粉于培養(yǎng)皿中。分別取水、SDBS 溶液、抑塵劑溶液均勻噴灑在煤塵樣品表面。待溶液完全潤(rùn)濕煤粉表面后，將所有樣品置于溫度為50 ℃的恒溫干燥箱內(nèi)，每隔1 h 時(shí)從恒溫干燥箱內(nèi)取出樣品并稱(chēng)重，每組實(shí)驗(yàn)測(cè)試3 次，取其平均值。為了驗(yàn)證抑塵劑實(shí)際的固塵效果，分別采用小型風(fēng)洞裝置對(duì)經(jīng)水、SDBS 溶液和抑塵劑溶液處理的煤粉堆進(jìn)行風(fēng)蝕實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中所用煤粉質(zhì)量為（45±0.1）g，SDBS 溶液和抑塵劑溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為0.5%，用量均為3 mL。將溶液噴灑到煤粉堆表面，自然風(fēng)干48 h 后進(jìn)行測(cè)試。實(shí)驗(yàn)中對(duì)每個(gè)樣品的風(fēng)速分別設(shè)定為3、6、9 m/s，吹掃30 min，每階段結(jié)束后重新測(cè)量煤堆的質(zhì)量。

2 結(jié)果與討論

2.1 抑塵劑的最佳稀釋比優(yōu)選

不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的抑塵劑溶液黏度和保水率變化曲線如圖1。

圖1 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的抑塵劑溶液黏度和保水率變化曲線Fig.1 Changes in viscosity and water retention of dust suppressants with different volume fractions

由圖1 可知，隨質(zhì)量分?jǐn)?shù)的減小，溶液的黏度及保水率均逐漸減小。當(dāng)抑塵劑溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%時(shí)，抑塵劑的黏度為28.89 mPa·s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于水（0%）的黏度，且保水率為70.59%[20]。而質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于0.5%時(shí)，雖具有良好的流動(dòng)性，但黏度明顯降低，進(jìn)而降低對(duì)煤塵顆粒間的黏結(jié)作用，不利于抑塵，同時(shí)保水效果相比較于0.5%時(shí)明顯下降。因此，抑塵劑的黏度和保水性與溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)有密切關(guān)系，最終確定抑塵劑的最佳體積分?jǐn)?shù)為0.5%。

2.2 抑塵劑的酸堿度與表面張力

不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的抑塵劑溶液pH 值測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。測(cè)得的pH 值均在TB/T 3210.1-2009《鐵路煤炭運(yùn)輸抑塵技術(shù)條件 第1 部分：抑塵劑》規(guī)定指標(biāo)6～8 之內(nèi)。因此，該抑塵劑溶液的酸堿度與質(zhì)量分?jǐn)?shù)關(guān)聯(lián)性不大，該抑塵劑的使用不會(huì)對(duì)煤與土壤提供過(guò)酸或過(guò)堿環(huán)境，故該抑塵劑是環(huán)保型抑塵劑。

表1 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的抑塵劑溶液pH 值測(cè)試結(jié)果Table 1 The pH of dust suppressant solutions with different volume fractions

最佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)下，測(cè)量抑塵劑溶液表面張力5次 的 結(jié) 果 分 別 為30.25、29.26、29.56、28.66、28.04 mN/m，計(jì)算平均值為29.15 mN/m，明顯低于水的表面張力（71.96 mN/m）。因此該抑塵劑有著良好的潤(rùn)濕性能，在液體狀態(tài)下的抑塵效果比水更好。

2.3 抑塵劑的化學(xué)性質(zhì)

NC、AA、抑塵劑的FT-IR 曲線如圖2。抑塵劑的TG-DTG 曲線如圖3。

由圖2 可知，在3 350 cm-1左右是羥基伸縮振動(dòng)吸收峰[21]，NC、AA 和抑塵劑分別對(duì)應(yīng)在3 419、3 420、3 418 cm-1處的峰均是羥基伸縮振動(dòng)吸收峰。2 900 cm-1左右是-CH 吸收峰[22]，CN 和抑塵劑分別對(duì)應(yīng)于3 251、3 240 cm-1處。1 430 cm-1左右是NC葡萄糖上-CH2吸收峰[23]，NC 紅外譜圖在1 432 cm-1、抑塵劑紅外譜圖在1 380 cm-1處均存在對(duì)應(yīng)吸收峰。此外，抑塵劑在1 730 cm-1處存在明顯吸收峰，這是C=O 吸收峰[23]，這表明AA 已經(jīng)成功接枝到NC表面。

圖2 NC、AA、抑塵劑的FT-IR 曲線Fig.2 FT-IR curves of NC, AA and dust suppressant

由圖3 可知，在50～155.5 ℃之間為失水峰，質(zhì)量損失為8.18%，其中T1為最大失水速率溫度點(diǎn)，由于接枝共聚型抑塵劑中眾多的親水官能團(tuán)的鎖水作用，因此水分的蒸發(fā)并不明顯[20]。在T1之后，抑塵劑的質(zhì)量損失為4.16%，直至氧化溫度點(diǎn)T2。抑塵劑開(kāi)始與通入氣氛中的O2復(fù)合，生成H2O 以及CO2等物質(zhì)，抑塵劑質(zhì)量有提高趨勢(shì)。T2之后，抑塵劑進(jìn)入熱解階段，最大失重速率溫度點(diǎn)T3，這是抑塵劑的潤(rùn)濕劑（SDBS）分解溫度點(diǎn)，直至溫度升至SDBS 分解完畢溫度點(diǎn)T4，TG 曲線又進(jìn)入平緩階段，該階段質(zhì)量損失為27.93%。接枝聚合物分解溫度點(diǎn)T5至接枝聚合物分解完成溫度點(diǎn)T6區(qū)間同樣出現(xiàn)失重峰，質(zhì)量損失為0.56%，此時(shí)為NC 與AA 的接枝聚合物熱解階段。繼續(xù)升溫后，質(zhì)量仍有下降趨勢(shì)，說(shuō)明抑塵劑持續(xù)分解。直至NC 骨架完全破壞，該抑塵劑殘留量為57.47%。

圖3 抑塵劑的TG-DTG 曲線Fig.3 TG-DTG curves of dust suppressant

總體而言，該抑塵劑的失水速率較慢，這表明該抑塵劑具有很強(qiáng)的保水能力。隨著溫度不斷增加到800 ℃，樣品仍有殘留物，因此，該抑塵劑具有良好的熱穩(wěn)定性。考慮到實(shí)際抑塵應(yīng)用，該抑塵劑可以滿足在室溫及100 ℃以下環(huán)境中使用的需要。

2.4 抑塵劑的性能

2.4.1 接觸角實(shí)驗(yàn)

不同溶液與煤之間的接觸角測(cè)試圖如圖4。由圖4（a）可知，水和煤樣之間的接觸角為75.23°，接近不潤(rùn)濕臨界值90°。說(shuō)明該煤粉的親水性很差，很難被水潤(rùn)濕，只靠噴灑水來(lái)抑制煤塵效率極低。由圖4（b）可知，SDBS 溶液與煤樣之間的接觸角為29.59°，與水相比，接觸角降低了45°，表現(xiàn)出明顯的潤(rùn)濕性。此外，抑塵劑和煤樣之間的接觸角為28.32°（圖4（c）），與SDBS 溶液效果一致。

圖4 不同溶液與煤之間的接觸角測(cè)試圖Fig.4 Contact angle test chart between different solutions and coals

這說(shuō)明抑塵劑制備過(guò)程并沒(méi)有破壞SDBS 的潤(rùn)濕特性，再加上抑塵劑中也含有大量極性親水基團(tuán)，在SDBS 的協(xié)同作用下共同降低水的表面張力。所以該抑塵劑具有良好的潤(rùn)濕性，能夠迅速潤(rùn)濕煤體表面，便于及時(shí)有效地抑制煤塵飛揚(yáng)。

2.4.2 滲透性實(shí)驗(yàn)

滲透深度變化曲線如圖5。其中，SDBS 溶液的滲透深度達(dá)7.88 cm，而清水溶液的滲透深度只有0.45 cm。不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的抑塵劑溶液滲透深度有明顯差距，當(dāng)抑塵劑溶液體積分?jǐn)?shù)為0.5%時(shí)，其滲透深度為5.25 cm。而抑塵劑溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%、0.4%時(shí)，其滲透深度分別為3.15、2.45 cm。因此抑塵劑溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)過(guò)高或者過(guò)低都不利于其滲透作用。

圖5 滲透深度變化曲線Fig.5 Penetration depth change curves

溶液的滲透速率曲線如圖6。由圖6 可以得出，SDBS 溶液的滲透速率最大，同時(shí)其速率隨時(shí)間不斷加大；而水在任何時(shí)間內(nèi)的滲透速率幾乎為0。這主要是由于SDBS 的表面活性作用，降低了水的表面張力，致使?jié)B透速率過(guò)大。

圖6 溶液的滲透速率曲線Fig.6 Permeation rate curves of each solution

對(duì)于不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的抑塵劑溶液，其滲透速率在前30 min 內(nèi)，均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。待穩(wěn)定之后，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的抑塵劑溶液的滲透速率扔不斷增加，而質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%和0.6%的抑塵劑的滲透速率均不斷減小。這主要是由于抑塵劑溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)過(guò)高時(shí)，溶液中大分子聚合物占比多，與更多的水分子結(jié)合，導(dǎo)致密度變大，表現(xiàn)出較差的滲透效果；抑塵劑溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)過(guò)低致使溶液中潤(rùn)濕劑含量過(guò)少，不利于降低溶液的表面張力，進(jìn)而降低了滲透速率。

2.4.3 微觀形貌特征

煤塵微觀形貌如圖7。圖7（a）為煤粉經(jīng)過(guò)水處理后，放大1 000 倍之后觀察到的表面形貌，煤粉顆粒間空隙很大，毫無(wú)積聚效果；經(jīng)掃描電子顯微鏡放大2 000 倍后（圖7（b）），顆粒間的松散度更加明顯。煤粉經(jīng)過(guò)SDBS 溶液處理后，表面固結(jié)層在掃描電子顯微鏡下放大1 000 倍的微觀形貌（見(jiàn)圖7（c）），可以發(fā)現(xiàn)煤粉顆粒十分松散，顆粒之間存在很大間隙；放大2 000 倍后（圖7（d））扔表現(xiàn)出分散的形貌。而經(jīng)過(guò)抑塵劑溶液處理后的煤粉，由于抑塵劑的交聯(lián)黏結(jié)作用，使表面形成固化層，樣品表面形貌非常密實(shí)（圖7（e）），放大2 000 倍后（圖7（f）），發(fā)現(xiàn)煤粉顆粒之間相互黏結(jié)，形成不規(guī)則的塊狀結(jié)構(gòu)。因此，改抑塵劑可有效將煤塵顆粒黏結(jié)，保證煤粉不會(huì)輕易遭受風(fēng)流卷吸、夾帶，進(jìn)而起到良好的固塵作用。

圖7 煤塵微觀形貌Fig.7 Microscopic topography of coal dust

2.4.4 抗蒸發(fā)性能與抗風(fēng)蝕性能

1）抗蒸發(fā)性能?？拐舭l(fā)曲線如圖8。在50 ℃環(huán)境中，噴灑水和SDBS 溶液的煤樣蒸發(fā)率明顯比噴灑抑塵劑溶液的煤樣大。經(jīng)過(guò)6 h 后，煤樣上的水已完全蒸發(fā)，而煤樣上的SDBS 溶液在8 h 后才全部蒸發(fā)。這是由于SDBS 具有少量的親水基團(tuán)，具有一定的保水性，使得水分蒸發(fā)比水緩慢。而噴灑抑塵劑溶液的煤樣可維持12 h 且沒(méi)有完全蒸發(fā)。這是由于抑塵劑接枝了羥基、羧基、羰基等大量的親水基團(tuán)，這些親水性基團(tuán)與水分子形成氫鍵，有效實(shí)現(xiàn)了水分的束縛，減少了水分的蒸發(fā)。因此該抑塵劑具有良好的保水性能。

圖8 抗蒸發(fā)曲線Fig.8 Anti-evaporation curves

2）抗風(fēng)蝕性能。抗風(fēng)蝕裝置及測(cè)試圖如圖9。圖9（a）為抗風(fēng)固塵實(shí)驗(yàn)設(shè)備圖，利用風(fēng)速流量計(jì)調(diào)節(jié)風(fēng)速。圖9（b）～圖9（d）為分別經(jīng)水、SDBS 溶液和抑塵劑溶液處理的煤粉堆在最大風(fēng)速作用下的末狀態(tài)圖?？梢钥闯鼋?jīng)抑塵劑處理的煤粉堆形貌比較完整，幾乎不受風(fēng)力的影響；而經(jīng)SDBS 溶液處理的煤粉堆在風(fēng)蝕后，形態(tài)上出現(xiàn)了很大的破壞和損失；經(jīng)水表面活性劑溶液處理的煤粉堆在風(fēng)蝕實(shí)驗(yàn)后幾乎全部損失。

圖9 抗風(fēng)蝕裝置及測(cè)試圖Fig.9 Anti-wind erosion devices and test charts

風(fēng)蝕作用下煤粉堆的余量如圖10?？梢钥闯?，經(jīng)抑塵劑溶液處理過(guò)的煤粉即使在強(qiáng)風(fēng)（9 m/s）侵蝕下，余量仍有98.02 g，剩余量達(dá)到了初始狀態(tài)的98%以上。這是因?yàn)橐謮m劑中的NC 以及AA 分子間通過(guò)氫鍵作用構(gòu)成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，有效地提高粉塵層的固結(jié)強(qiáng)度。經(jīng)SDBS 溶液處理的煤粉堆在弱風(fēng)作用下（3、6 m/s），余量分別為85.75、49.34 g，分別占初始量85.75%、49.34%。但在9 m/s 的風(fēng)速作用下，余量?jī)H有0.23 g，這是因?yàn)镾DBS 溶液與煤塵間缺乏黏附機(jī)制。經(jīng)水溶液處理的煤粉堆在6 m/s 的風(fēng)速下侵蝕30 min，余量?jī)H剩23.56 g，而在9 m/s 的風(fēng)速下已經(jīng)損失了100%的質(zhì)量。進(jìn)一步表明，該抑塵劑的固塵效果顯著。

圖10 風(fēng)蝕作用下煤粉堆的余量Fig.10 Residual amount of pulverized coal pile under wind erosion

3 結(jié) 論

1）通過(guò)NC 與AA 的接枝共聚，并添加適量的潤(rùn)濕劑（SDBS），研發(fā)出了1 種滲透性好、黏稠度高、保水效果佳、耐風(fēng)蝕性強(qiáng)的接枝共聚型高分子抑塵劑材料。

2）所制備的接枝共聚型高分子抑塵劑溶液在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%時(shí)，黏度為28.89 mPa·s，保水率為70.59%；該抑塵劑表面張力比水低、滲透能力強(qiáng)、滲透速率快，具有良好的潤(rùn)濕性。同時(shí)，抑塵劑的pH維持在7.1 左右，不會(huì)對(duì)設(shè)備及環(huán)境造成損害。

3）通過(guò)SEM，觀察到抑塵劑作用下的煤粉顆粒之間相互黏結(jié)，呈不規(guī)則的塊狀結(jié)構(gòu)；抗風(fēng)蝕實(shí)驗(yàn)表明，抑塵劑的抑塵效率可達(dá)98%。因此，該抑塵劑具備良好的黏結(jié)與抗風(fēng)蝕作用，保證煤粉不會(huì)輕易遭受風(fēng)流卷吸、夾帶。

4）熱重測(cè)試表明抑塵劑的熱穩(wěn)定性高；抗蒸發(fā)性實(shí)驗(yàn)表明，50 ℃下具有有效的使用時(shí)間，所以，抑塵劑的保濕效果較強(qiáng)，確保了抑塵劑的長(zhǎng)期有效性。