聚丙烯酸酯乳液固土固沙材料的制備及性能研究

＊何秦川徐嘉鑫馮婕王益群裴向軍

（1.成都理工大學(xué) 地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 四川 610059 2.成都理工大學(xué) 材料與化學(xué)化工學(xué)院 四川 610059 3.成都理工大學(xué) 生態(tài)環(huán)境學(xué)院 四川 610059）

在川藏線路的季節(jié)性?xún)鐾羺^(qū)中，土體在溫度、時(shí)間和水分遷移的作用下，土體的力學(xué)狀態(tài)會(huì)發(fā)生本質(zhì)變化。凍土地基在凍結(jié)狀態(tài)下表現(xiàn)出較高的強(qiáng)度，但是在融化狀態(tài)時(shí)，土體強(qiáng)度急劇降低，引發(fā)一系列凍土工程問(wèn)題[1]。為解決上述問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者將目光聚焦于固沙固土技術(shù)。目前，固沙固土技術(shù)分為機(jī)械固沙固土法、植物固沙固土法和化學(xué)固沙固土法[2]?；瘜W(xué)固沙固土材料主要包括無(wú)機(jī)固沙固土材料、有機(jī)固沙固土材料和無(wú)機(jī)-有機(jī)復(fù)合固沙固土材料。李海龍等[3]探究了水泥和生石灰的摻入比例對(duì)吹填土固化性能的影響，但是水穩(wěn)性差且成本高。田光磊等[4]采用丙烯酸、丙烯酰胺等原料制備了高吸水性樹(shù)脂微球并探究其吸水等性能。雖具有強(qiáng)大的吸水保水性能，但是對(duì)環(huán)境污染較為嚴(yán)重。陶玲[5]以酸化凹凸棒石和丙烯酰胺為原料，采用水溶液聚合法合成了凹凸棒石基高分子固沙材料，但是其合成難度較高，不易廣泛應(yīng)用。因此，期望制備出一種水穩(wěn)定性好、低成本、環(huán)保和合成簡(jiǎn)便的化學(xué)固沙固土材料。

聚丙烯酸酯乳液是以丙烯酸酯類(lèi)等作為主要反應(yīng)原料，通過(guò)乳液聚合的方法制備具有良好水溶性的高分子聚合物材料，且具有較好的成膜性、耐腐蝕性等一系列性能[6]，但其具有耐水性差、硬度低及熱粘冷脆等缺點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外研究者們通過(guò)在熱環(huán)境下使環(huán)氧樹(shù)脂開(kāi)環(huán)與聚丙烯酸酯中的羧基發(fā)生酯化反應(yīng)，一定程度上改善了聚丙烯酸酯的耐水性、硬度等性能[7]；聚氨酯改性聚丙烯酸酯使聚丙烯酸酯乳液兼具粘結(jié)性能強(qiáng)、環(huán)保的特點(diǎn)[8]；有機(jī)氟改性可使聚丙烯酸酯兼有抗污、熱穩(wěn)定的特性[9]。

本實(shí)驗(yàn)以丙烯酸丁酯、甲酯丙烯酸甲酯為主要原料，通過(guò)半連續(xù)預(yù)乳化種子乳液聚合工藝制備出聚丙烯酸酯乳液，并將其作為固結(jié)劑用于固土固沙領(lǐng)域，以此增加土體的粘結(jié)力，提高土體的強(qiáng)度、抗崩解性能等。

1.實(shí)驗(yàn)部分

(1)實(shí)驗(yàn)材料及儀器

本實(shí)驗(yàn)主要實(shí)驗(yàn)原料如表1所示，主要實(shí)驗(yàn)儀器如表2所示。

表1 實(shí)驗(yàn)原料

表2 實(shí)驗(yàn)儀器

(2)樣品制備

本實(shí)驗(yàn)采用半連續(xù)預(yù)乳化種子乳液聚合工藝制備聚丙烯酸酯乳液，詳細(xì)制備路線如圖1所示。

圖1 聚丙烯酸酯乳液合成步驟

(3)結(jié)構(gòu)表征

采用FTIR對(duì)制備的聚丙烯酸酯乳液的結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。

(4)性能測(cè)試

①粒徑測(cè)試。采用Bettersize 2000E激光粒度分布儀對(duì)制備的聚丙烯酸酯乳液進(jìn)行測(cè)試。

②固化土/水表面接觸角測(cè)試。將自然風(fēng)干土過(guò)0.5mm標(biāo)準(zhǔn)篩，稱(chēng)適量土備用。稱(chēng)取最優(yōu)含水率所需水量與聚丙烯酸酯乳液攪拌混合，然后使用制樣壓片機(jī)壓成直徑50mm，高15mm的圓柱體土樣，養(yǎng)護(hù)7天后使用接觸角測(cè)量?jī)x進(jìn)行測(cè)試。

③無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度測(cè)試。取適量過(guò)篩風(fēng)干土，同時(shí)稱(chēng)取占風(fēng)干土樣質(zhì)量1%的聚丙烯酸酯乳液，按照擊實(shí)試驗(yàn)得出的最優(yōu)含水率計(jì)算出所需水的質(zhì)量，將三者混合均勻后壓成直徑50mm，高50mm的圓柱體土樣，養(yǎng)護(hù)7天后進(jìn)行測(cè)試。

④靜水崩解。靜水崩解實(shí)驗(yàn)制樣與固化土/水表面接觸角制樣方法相同，制備不同固化劑摻量的土樣；將其浸泡于水中，水面略高于試樣表面，觀察記錄其宏觀變化。

2.結(jié)果與討論

（1）聚丙烯酸酯乳液FTIR測(cè)試。圖2是聚丙烯酸酯固化劑的FTIR圖譜，圖中2960cm-1為-CH3的對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng)吸收峰，2875cm-1為-CH2-的反對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng)吸收峰，1731cm-1為丙烯酸丁酯分子中C=O鍵的伸縮振動(dòng)吸收峰，并且C=C鍵在1630cm-1特征吸收消失，說(shuō)明雙鍵參與了反應(yīng)，1168cm-1處為C-O-C鍵的對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng)吸收峰，因此可以說(shuō)明單體均參與反應(yīng)，表明已成功合成了聚丙烯酸酯乳液[10-11]。

圖2 聚丙烯酸酯固化劑的FTIR圖譜

（2）粒徑測(cè)試。由圖3可以看出聚丙烯酸酯乳液的乳膠粒的粒徑呈單峰正態(tài)分布，主要分布于200nm左右，可以看到聚丙烯酸酯乳液的粒徑分布均勻，分散性好。

圖3 聚丙烯酸酯乳液粒徑

（3）固化土/水表面接觸角測(cè)試。接觸角測(cè)試結(jié)果如圖4所示，素土的接觸角為0°，當(dāng)水滴與素土接觸后直接潤(rùn)濕，沒(méi)有疏水性；而摻入聚丙烯酸酯乳液后的固化土，固化土/水表面接觸角增長(zhǎng)至98°，明顯地，聚丙烯酸酯乳液能有效提高土體的疏水性。

圖4 固化土/水表面接觸角測(cè)試

（4）無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度測(cè)試。由圖5可以看出隨復(fù)合乳化劑質(zhì)量摻比增加，土體強(qiáng)度呈先增后減趨勢(shì)，復(fù)合乳化劑質(zhì)量摻比為3%時(shí)，抗壓強(qiáng)度最高（3.8MPa）；由圖6可以看出隨著丙烯酸丁酯與甲基丙烯酸甲酯比值的增加，抗壓強(qiáng)度也隨之增加，單體比為4:1時(shí)，抗壓強(qiáng)度達(dá)3.8MPa。實(shí)驗(yàn)表明，加入聚丙烯酸酯乳液可有效提升土體的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

圖5 不同復(fù)合乳化劑摻比下聚丙烯酸酯固化土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

圖6 不同軟硬單體配比下聚丙烯酸酯固化土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

（5）靜水崩解。素土放于水中產(chǎn)生大量氣泡，水變渾濁后一分鐘不到便完全崩解，加入聚丙烯酸酯乳液后，水穩(wěn)定性隨著摻量的增加逐步變好，圖7為浸泡十天后的宏觀樣貌，當(dāng)聚丙烯酸酯乳液質(zhì)量占素土質(zhì)量的9%及以上，試樣均未崩解。實(shí)驗(yàn)表明，聚丙烯酸酯乳液有效提升土體的耐水性。

圖7 不同聚丙烯酸酯乳液摻量對(duì)水穩(wěn)定性的影響

3.結(jié)論

（1）采用半連續(xù)預(yù)乳化種子乳液聚合工藝成功制備了聚丙烯酸酯乳液，探索了不同復(fù)合乳化劑摻比及不同軟硬單體配比對(duì)聚丙烯酸酯固結(jié)土的抗壓強(qiáng)度的影響。丙烯酸丁酯與甲基丙烯酸甲酯比值為4:1，復(fù)合乳化劑質(zhì)量摻比為3%時(shí)，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到3.8MPa，較素土強(qiáng)度提高了52%。

（2）探究了不同聚丙烯酸酯乳液摻量對(duì)水穩(wěn)定性的影響。固化土樣在浸泡10天過(guò)后，聚丙烯酸酯乳液質(zhì)量摻比在9%及以上的試樣均未崩解。實(shí)驗(yàn)表明，聚丙烯酸酯乳液有效提升土體的耐水性，且隨著聚丙烯酸酯乳液摻量的增加，水穩(wěn)定性越好。