納米纖維素增強(qiáng)結(jié)殼型紙基抑塵劑的制備及性能研究

關(guān)鍵詞：納米微纖化纖維素；廢紙纖維；抑塵劑；性能測(cè)試圖分類號(hào)：TS7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.11980/j.issn.0254-508X.2025.07.001

Abstract：Usingnanobrilltedcellose（FC）asaturalpoymerdiis，mixedwithpulp，teshellfdfulfbrpapbasddust suppressant withexcelentpeformancs waspreparedbyoptiizing thedosageofNFCandsprayingquantityofpaper-baseddustuppressantTheapplicabilityofitwasdisussedbyomprehesivemorphlogycharacterion，dgerinatioexperiment，ndutdofeld experiment.The results showed that when the dosage of NFC （relative to the mass of adiabatic pulp） was 6% ，the paper-based dust suppressant was sprayed on the sand surface （spraying quantity of 5L/m² ），which could form a dense and high-strength fiber film shell. Compared withthepaper-basedussuppressantwioutNFC，teompressvepropertyofthflmshellinreasedfrom51kPato147Pae wind resistance was significantly improved，and the sand loss rate was decreased from 32. 8% to almost O （sand loss rate of 0.41% ）. The rain erosion resistance was increased from 78.1% to 90.3% . The anti-evaporation performance was more excellent，and the water evaporation ratewassignificantlyeduced.AddingNCtothepaper-basedustsuppesantcouldpromotetheforationofadenserfilmselicro structure，therebyehancing thebondingstrengthetwenpulpfibersandimprovingtheperformancesofthepaper-baseddustsuppressant. Thefilmsellfdyepapbsedustsuppressantouldaceetheftoflongermsuppessonofustpllutondhadoeffect on plant seed germination and seedling growth.

Key words：nanofibrillated cellulose；waste paper fiber;dust suppressant；performance test

近年來(lái)，我國(guó)部分地區(qū)大氣污染問題日益嚴(yán)峻，揚(yáng)塵已經(jīng)成為大氣污染的主要成因之一。揚(yáng)塵顆粒物的粒徑較小，可達(dá)微米級(jí)，其不僅會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重的破壞，而且可通過口鼻進(jìn)入人體危害健康。揚(yáng)塵污染的主要來(lái)源包括建筑施工、礦山采礦、物料運(yùn)輸、土地裸露等，這些過程產(chǎn)生的大量微細(xì)顆粒物進(jìn)入大氣中，形成了揚(yáng)塵污染[23]。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)揚(yáng)塵污染的防治手段主要有灑水抑塵、塑料網(wǎng)抑塵、擋風(fēng)墻抑塵和化學(xué)抑塵等4。其中化學(xué)抑塵方法具有抑塵效率高、成本低，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)5，是治理?yè)P(yáng)塵污染、改善大氣污染現(xiàn)狀的一種重要措施。

目前，常見的化學(xué)抑塵劑原料組成主要包括無(wú)機(jī)鹽類保濕劑、高分子材料以及表面活性助劑等，其中高分子材料能夠通過在沙土表面形成膜殼，增強(qiáng)顆粒間的附著力，從而有效減少粉塵擴(kuò)散，達(dá)到抑制揚(yáng)塵污染的效果，是結(jié)殼型抑塵劑的主要原料[6-8]。然而，合成的高分子材料可降解性差，容易造成二次污染。如何突破傳統(tǒng)化學(xué)抑塵劑依賴化學(xué)合成原料、制備能耗高、易造成二次污染的問題，是當(dāng)前研究人員關(guān)注的話題。近年來(lái)，由淀粉、纖維素、木質(zhì)素、蛋白質(zhì)等天然生物基原料及其衍生物所制的可降解高分子型抑塵劑受到廣泛關(guān)注，具有顯著的應(yīng)用前景。由植物纖維進(jìn)一步納米化制備的納米微纖化纖維素（NFC），具有獨(dú)特納米結(jié)構(gòu)以及高強(qiáng)度、高聚合度、高親水性、可降解性等優(yōu)勢(shì)[1]。研究表明，富含羥基的NFC可以與紙漿形成氫鍵作用[13，增強(qiáng)紙漿纖維結(jié)合強(qiáng)度。利用天然生物基原料來(lái)源廣泛、可再生的特點(diǎn)來(lái)制備抑塵劑，可最大限度保留天然材料的固有特性，符合生態(tài)環(huán)保與資源循環(huán)的發(fā)展趨勢(shì)。

本研究將NFC作為天然高分子助劑，與紙漿混合，通過對(duì)NFC添加量和紙基抑塵劑噴灑定量的優(yōu)化415]，制備了具有良好抗壓性能、抗風(fēng)性能、抗雨蝕性能、抗蒸發(fā)性能的結(jié)殼型紙基抑塵劑，且其對(duì)種子萌發(fā)無(wú)明顯影響，在抑制揚(yáng)塵污染的同時(shí)，對(duì)環(huán)境不會(huì)造成二次污染。該結(jié)殼型全纖維紙基抑塵劑的開發(fā)研究，旨在為納米纖維素在紙基抑塵劑領(lǐng)域的應(yīng)用提供一定的理論及技術(shù)支持，助力推動(dòng)天然高分子結(jié)殼型抑塵劑的進(jìn)一步發(fā)展。

1實(shí)驗(yàn)

1.1實(shí)驗(yàn)原料、試劑及儀器

1.1.1 實(shí)驗(yàn)原料和試劑

廢紙（瓦楞紙），由原色快遞包裝盒回收；超變力？納米微纖化纖維素（NFC），濟(jì)南圣泉集團(tuán)股份有限公司，直徑 lt;100nm ，長(zhǎng)徑比 ?200 ，呈穩(wěn)定分散液，表面帶負(fù)電荷；沙土（粒徑 180～425μm ，購(gòu)自山東濱州某園林基地。

1.1. 2 實(shí)驗(yàn)儀器

電子分析精密天平（上海贊維儀器有限公司，EL-204）；Valley打漿機(jī)（日本KRK公司，No.2505）；快速水分測(cè)定儀（瑞士梅特勒-托利多公司，HB43）；多功能電動(dòng)攪拌器（天津科諾儀器設(shè)備有限公司，DW-2）；離心泵（臺(tái)州匯精機(jī)電有限公司，WOD4-12-0.37）；掃描電子顯微鏡（SEM，日本電子公司，JSM-IT300LV）；強(qiáng)力風(fēng)機(jī)（廣東超云環(huán)?？萍加邢薰?，SK-800B）；指針式推拉力計(jì)（樂清市伊萊科電氣有限公司，NK-200）；手持式風(fēng)速儀（艾沃斯實(shí)驗(yàn)裝備（江蘇）有限公司，AS-H3）；打漿度儀（瑞典Lamp;W公司，ZDJ-100）。

1. 2 紙基抑塵劑的制備

稱取 360g 廢紙（瓦楞紙），將其分割成 25mm× 25mm 的正方形紙片后放入盛有5L清水的容器中浸泡 ^2h ，向Valley打漿機(jī)漿槽中加入 18L 清水，啟動(dòng)打漿機(jī)，將浸泡的紙片緩慢加入漿槽內(nèi)，疏解 30min 后啟動(dòng)打漿。當(dāng)打漿度達(dá)到 時(shí)停止打漿，將漿料濃縮后放入自封袋中均衡水分，使用快速水分測(cè)定儀測(cè)干度并保存?zhèn)溆谩?/p>

稱取 1.25g 廢紙漿（絕干質(zhì)量）于燒杯中，加入蒸餾水調(diào)節(jié)漿濃至 1.25% ，使用多功能電動(dòng)攪拌器在600r/min 下攪拌 45min ，使纖維分散均勻。向漿料中加入適量的NFC，在恒定溫度 、轉(zhuǎn)速 400r/min 的條件下攪拌 30min ，使NFC和紙漿纖維混合均勻，即制得紙基抑塵劑。

1.3紙基抑塵劑的性能測(cè)試

1.3.1 抗壓性能測(cè)試

制備漿濃 1.25% 的紙漿懸浮液，分別加入0、2% 、 4% 、 6% 、 8% 、 10% （相對(duì)于絕干槳，下同）的NFC，形成紙基抑塵劑。在裝有 100g 沙土的培養(yǎng)皿（直徑 100mm ）中，按照 5L/m² 的噴灑定量均勻噴灑紙基抑塵劑和蒸餾水，完成后放入 50°C 烘箱中干燥 8h 。在室溫下平衡 20min 后，采用推拉力計(jì)垂直按壓纖維膜殼表面，測(cè)定其破碎時(shí)所承受的最大壓力。推拉力計(jì)與沙土表面的接觸直徑為 10mm 以壓力/面積算出壓強(qiáng)，得到不同NFC添加量紙基抑塵劑的抗壓能力[18-19]。取最佳NFC添加量所制紙基抑塵劑，按照2、3、4、5、 6L/m² 的噴灑定量，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，得到不同噴灑定量下紙基抑塵劑的抗壓性能。

1.3.2 抗風(fēng)性能測(cè)試

制備漿濃 0.20% 的紙漿懸浮液，分別加入0、2% 、 4% 、 6% ， 8% NFC，形成紙基抑塵劑。在裝有150g 沙土的培養(yǎng)皿（直徑 90mm ）中，按照 5L/m² 的噴灑定量均勻噴灑紙基抑塵劑和蒸餾水，完成后放入50°C 烘箱中干燥 8h 。在室溫下平衡 20min 后，模擬自然環(huán)境中的狂風(fēng)（風(fēng)速 24.5～28.4m/s ）狀態(tài)，用鼓風(fēng)機(jī)以 25m/s 的風(fēng)速對(duì)其吹 10min ，根據(jù)吹風(fēng)后培養(yǎng)血中沙子減少的質(zhì)量占沙子總質(zhì)量的百分比，來(lái)計(jì)算沙土損失率，以此表示紙基抑塵劑的抗風(fēng)性能2。將最佳NFC添加量所制紙基抑塵劑，按照2、3、4、5、6L/m² 的噴灑定量，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，得到不同噴灑定量下紙基抑塵劑的抗風(fēng)性能。

1.3.3抗雨蝕性能測(cè)試

制備漿濃 1.25% 的紙漿懸浮液，分別加入0、2% 、 4% 、 6% 、 8% NFC，形成紙基抑塵劑。在裝有150g 沙土的培養(yǎng)Ⅲ（直徑 90mm ）中，按照 5L/m² 的噴灑定量均勻噴灑紙基抑塵劑，完成后放入 50°C 烘箱中干燥 8h 。在室溫下平衡 20min 后，模擬自然環(huán)境中的大暴雨（ 24h 降水量 100～249.9mm ）狀態(tài)，使用壓力水泵、軟管、噴頭等裝置自制降雨系統(tǒng)，以200mm/24h 的水量對(duì)樣品持續(xù)噴淋 30min ，根據(jù)雨蝕后樣品的剩余質(zhì)量占雨蝕前樣品總質(zhì)量的百分比，來(lái)計(jì)算抗雨蝕率，以此表示抗雨蝕性能2]。將最佳NFC添加量所制紙基抑塵劑，按照2、3、4、5、 6L/m² 的噴灑定量，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，得到不同噴灑定量下紙基抑塵劑的抗雨蝕性能。

1.3.4抗蒸發(fā)性能測(cè)試

制備漿濃 1.25% 的紙漿懸浮液，分別加人0、2% 、 4% 、 6% 、 8% NFC，形成紙基抑塵劑。在裝有100g 沙土的培養(yǎng)皿（直徑 100mm ）中，按照 5L/m² 的噴灑定量均勻噴灑紙基抑塵劑和蒸餾水。完成后在溫度 （20±2）^°C 、相對(duì)濕度 38% 下自然蒸發(fā)水分，每間隔 12h 稱量1次樣品的質(zhì)量。通過樣品的水分剩余量間接表示紙基抑塵劑的抗蒸發(fā)性能[22。將最佳NFC添加量所制紙基抑塵劑，按照2、3、4、5、 6L/m² 的噴灑定量，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，得到不同噴灑定量下紙基抑塵劑的抗蒸發(fā)性能。

1.4紙基抑塵劑的微觀形貌測(cè)定

采用SEM對(duì)紙基抑塵劑進(jìn)行測(cè)定，分析纖維堆疊狀態(tài)和形貌特征。制備漿濃 1.25% 的紙漿懸浮液，加人 6% NFC制備紙基抑塵劑，并以NFC添加量0所制紙基抑塵劑為對(duì)照組。在裝有 100g 沙土的培養(yǎng)皿（直徑 100mm ）中，按照 5L/m² 的噴灑定量均勻噴灑紙基抑塵劑，完成后放入 50°C 烘箱中干燥 。在室溫下平衡 20min 后，分離所形成的纖維膜殼樣品，用導(dǎo)電膠將樣品牢固地粘在樣品臺(tái)上，噴金處理，工作電壓為 10kV ，放大倍數(shù)為200和1000倍。

2 結(jié)果與討論

2.1NFC添加量對(duì)紙基抑塵劑性能的影響

2.1.1 NFC添加量對(duì)抗壓性能的影響

圖1為不同NFC添加量紙基抑塵劑的抗壓性能測(cè)試結(jié)果。由圖1可以看出，隨著NFC添加量的增加，膜殼的抗壓強(qiáng)度逐漸提高，且一直呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，表明NFC能夠與紙漿纖維形成氫鍵作用，增強(qiáng)纖維之間的結(jié)合強(qiáng)度。隨著NFC添加量的增加，形成的氫鍵數(shù)量也越多，這進(jìn)一步增強(qiáng)了紙基抑塵劑膜殼的抗壓性能。其中，清水的抗壓強(qiáng)度為 316kPa ，NFC添加量O所制紙基抑塵劑的抗壓強(qiáng)度為 510kPa ，相對(duì)于清水提高61.4% ，NFC添加量 6% 所制紙基抑塵劑的抗壓強(qiáng)度為1470kPa ，相對(duì)于清水增大了 365% 。進(jìn)一步增加NFC添加量后，雖然紙基抑塵劑的抗壓強(qiáng)度進(jìn)一步增加，但是抗壓強(qiáng)度的增長(zhǎng)量開始下降，這可能是由于NFC和紙漿纖維結(jié)合形成氫鍵數(shù)量接近飽和，導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)量降低。本研究以紙漿為原料，混合 6% NFC所制全纖維紙基抑塵劑，其抗壓性能較之前報(bào)道的抑塵劑優(yōu)異，張佳音等以木質(zhì)素磺酸鈉（ Ls-Na ）為接枝底物，丙烯酸鈉（SAA）為共聚單體制備抑塵劑Ls-Na-SAA，其抗壓強(qiáng)度最高達(dá) 455.6kPa ，與Ls-Na-SAA相比，本研究所制紙基抑塵劑抗壓強(qiáng)度提高了2倍左右。程忻荃等2以黃原膠為接枝底物，烯酸甲酯和乙酸乙烯酯為共聚單體制備新型環(huán)保固沙抑塵劑，其抗壓強(qiáng)度最高達(dá)1057.9kPa ，與其相比，本研究所制紙基抑塵劑抗壓強(qiáng)度提高了約 39% 。李穎泉等2以淀粉、聚乙烯醇為主要注增長(zhǎng)量為柱狀圖右側(cè)數(shù)據(jù)與相鄰的左側(cè)數(shù)據(jù)之差，下同。

圖1 不同NFC添加量紙基抑塵劑的抗壓性能Fig.1Compressive property of paper-based dust suppressantswith different NFC dosage

圖1不同NFC添加量紙基抑塵劑的抗壓性能原料制備散堆煤體復(fù)合抑塵劑，其抗壓強(qiáng)度為 249kPa 與其相比，本研究所制紙基抑塵劑抗壓強(qiáng)度提高了約5倍。

2.1.2NFC添加量對(duì)抗風(fēng)性能的影響

對(duì)不同NFC添加量的紙基抑塵劑進(jìn)行抗風(fēng)性能測(cè)定，結(jié)果見圖2。從圖2可以看出，隨著NFC添加量的逐漸遞增，紙基抑塵劑的沙土損失率逐漸降低。其中，噴灑清水樣品的沙土損失率達(dá) 87.2% ，基本沒有抗風(fēng)性能。NFC添加量0所制紙基抑塵劑的沙土損失率降低到 32.8% ，表明噴灑的紙漿纖維在沙樣表層形成具有一定強(qiáng)度的膜殼，但仍無(wú)法抵抗狂風(fēng)的吹蝕。在NFC添加量達(dá) 6% 時(shí)，紙基抑塵劑幾乎沒有沙土損失（損失率 0.41% ），與現(xiàn)有結(jié)殼型抑塵劑相比，其抗風(fēng)性能更優(yōu)。如張佳音等2研究發(fā)現(xiàn)，噴灑清水的空白組沙土損失率為 95.4% ，噴灑質(zhì)量分?jǐn)?shù) 1.5% Ls-Na-SAA的沙土損失率為 7.70% ，抗風(fēng)蝕性能提高了87.7個(gè)百分點(diǎn)。馮建平等以NFC為主要原料，以N，N'-亞甲基丙烯酰胺為交聯(lián)劑，通過接枝反應(yīng)制得新型可降解的抑塵劑，其噴灑后形成的膜殼在 20m/s 的風(fēng)蝕下，沙土損失率為 2.05% 。李碩2以殼聚糖為原料，利用化學(xué)改性手段制備羧甲基殼聚糖（CMS），并以此制得新型抑塵劑，該抑塵劑形成的膜殼在20m/s 的風(fēng)蝕下，沙土損失率為 7.90% 。這是因?yàn)镹FC與紙漿纖維的表面均富含羥基（一OH），羥基中氧原子電負(fù)性高、氫原子帶部分正電，在紙基抑塵劑水分蒸發(fā)時(shí)，二者羥基間距縮小，使得不同分子鏈間通過靜電吸引形成氫鍵 （0-H…O） 。該分子間強(qiáng)相互作用的產(chǎn)生可增強(qiáng)纖維之間的結(jié)合強(qiáng)度[2]，大幅提升紙漿纖維成膜的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，提高其在沙土表面與沙土緊密結(jié)合形成致密膜殼的抗撕裂強(qiáng)度，有效抵抗風(fēng)蝕，具有較好的抗風(fēng)性能。

圖2不同NFC添加量的紙基抑塵劑抗風(fēng)性能

Fig.2Wind resistance of paper-based dust suppressants with different NFC dosage

2.1.3NFC添加量對(duì)抗雨蝕性能的影響

圖3為紙基抑塵劑的抗雨蝕性能以及抗雨蝕實(shí)驗(yàn)效果結(jié)合圖。由圖3可知，隨著NFC添加量的逐漸遞增，紙基抑塵劑的沙土流失量明顯降低，紙基抑塵劑膜殼的抗雨蝕能力相對(duì)逐漸增強(qiáng)。其中，NFC添加量0所制紙基抑塵劑的沙土流失量最多，為 32.9g ；NFC添加量 8% 所制紙基抑塵劑的沙土流失量最少，為12.7g 。當(dāng)NFC添加量由O遞增到 6% 時(shí)，紙基抑塵劑的抗雨蝕率由 78.1% 攀升至 90.3% ，當(dāng)NFC添加量為0～2% 時(shí)，抗雨蝕率增長(zhǎng)幅度最大。這是因?yàn)?，NFC具有較大的比表面積、長(zhǎng)徑比，表面富含豐富的羥基，能促進(jìn)纖維與纖維之間的結(jié)合[28]。添加的NFC可以填充在紙漿纖維的孔隙之間，增強(qiáng)纖維之間的排列和結(jié)合力[2]，使紙基抑塵劑形成的膜殼結(jié)構(gòu)更加緊密穩(wěn)定，增強(qiáng)膜殼對(duì)水分的阻擋能力。

圖3不同NFC添加量的紙基抑塵劑抗雨蝕性能 Fig.3Rain erosion resistance of paper-based dust suppressants with different NFC dosage

2.1.4NFC添加量對(duì)抗蒸發(fā)性能的影響

圖4為紙基抑塵劑的抗蒸發(fā)性能測(cè)試結(jié)果。由圖4可知，當(dāng)蒸發(fā)時(shí)間為 0～60h 時(shí)，紙基抑塵劑的水分剩余量明顯減少，水分蒸發(fā)速率快；當(dāng)蒸發(fā)時(shí)間為60h 后，紙基抑塵劑的水分剩余量曲線趨于平緩，水分蒸發(fā)速率相對(duì)降低。其中，噴灑清水的沙土樣品，其水分蒸發(fā)速率最快，噴灑NFC添加量0所制紙基抑塵劑的沙土樣品，其水分蒸發(fā)速率稍有降低。隨著NFC添加量增大，噴灑紙基抑塵劑的各沙土樣品水分剩余量曲線的斜率逐漸減小，即沙土樣品水分蒸發(fā)速率逐漸降低。這是因?yàn)?，添加NFC可以增強(qiáng)紙漿纖維之間的結(jié)合能力，NFC的微觀尺寸和高比表面積使其能夠深人纖維間隙與纖維表面緊密結(jié)合，增強(qiáng)纖維的排列和結(jié)合力，從而使膜殼的孔隙減小，則水分蒸發(fā)需克服的表面張力以及孔隙壁的附著力增大，有效抑制沙土水分的蒸發(fā)。同時(shí)，其高長(zhǎng)徑比還充當(dāng)“骨架”作用，可以穩(wěn)定纖維網(wǎng)絡(luò)的膜殼結(jié)構(gòu)，防止纖維收縮或位移[30]

圖4不同NFC添加量的紙基抑塵劑抗蒸發(fā)性能

2.2噴灑定量對(duì)紙基抑塵劑性能的影響

2.2.1 噴灑定量對(duì)抗壓性能的影響

為進(jìn)一步探究噴灑定量與紙基抑塵劑性能的關(guān)系，用最佳NFC添加量（ 6% ）所制紙基抑塵劑進(jìn)行研究。圖5為不同噴灑定量的紙基抑塵劑抗壓性能。從圖5可以看出，隨著噴灑定量的增加，紙基抑塵劑的抗壓強(qiáng)度逐漸增大，這可能是因?yàn)樵谙嗤琋FC添加量下，隨著噴灑定量增加，紙漿纖維彼此堆疊，參與形成纖維膜殼的纖維數(shù)量增多，纖維膜殼的結(jié)合強(qiáng)度也隨之提高。當(dāng)噴灑定量為 2L/m² 時(shí)，紙基抑塵劑的抗壓強(qiáng)度為 446kPa ；當(dāng)噴灑定量為 6L/m² 時(shí)，紙基抑塵劑的抗壓強(qiáng)度為 1580kPa ，相比于 2L/m² 噴灑定量的紙基抑塵劑增長(zhǎng)了 254% 。然而，在噴灑定量為 5～6L/m² 時(shí)，紙基抑塵劑的抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)量有明顯降低，這可能是因?yàn)閲姙⒍?5L/m² 形成的膜殼接近纖維的耐破極限。因此，最佳噴灑定量為 5L/m² ，此時(shí)該紙基抑塵劑具有良好的抗壓性能。

圖5不同噴灑定量的紙基抑塵劑抗壓性能

Fig.5Compressive propertyof paper-based dust suppressants with different spraying quantities

2. 2.2 噴灑定量對(duì)抗風(fēng)性能的影響

圖6為不同噴灑定量的紙基抑塵劑抗風(fēng)性能測(cè)試結(jié)果。從圖6可以看出，隨著噴灑定量的增加，沙土損失率逐漸減小，表明紙基抑塵劑的抗風(fēng)性能逐漸增強(qiáng)。當(dāng)噴灑定量為 2L/m² 時(shí)，紙基抑塵劑的沙土損失率達(dá) 63.2% ；當(dāng)噴灑定量為 5L/m² 時(shí)，紙基抑塵劑的沙土損失率降低至 0.43% 。這是因?yàn)樵趪姙⒍枯^低時(shí)，紙基抑塵劑形成的纖維膜殼的纖維數(shù)量較少，纖維與纖維間的氫鍵數(shù)量較少，纖維膜殼的抗風(fēng)性能較差。隨著噴灑定量的增加，單位面積內(nèi)的纖維數(shù)量增多，纖維間彼此交疊程度增大，纖維之間的羥基在水分蒸發(fā)后形成氫鍵作用，該作用能夠有效地將外部施加的剪切應(yīng)力分散，使膜殼在風(fēng)力作用下保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，增強(qiáng)紙基抑塵劑膜殼的抗撕裂強(qiáng)度[31]，增強(qiáng)其抗風(fēng)性能。

圖6不同噴灑定量的紙基抑塵劑抗風(fēng)性能

Fig.6 Wind resistance of paper-based dust suppressants with different spraying quantities

2.2.3 噴灑定量對(duì)抗雨蝕性能的影響

圖7為不同噴灑定量的紙基抑塵劑的抗雨蝕性能以及抗雨蝕實(shí)驗(yàn)效果結(jié)合圖。從圖7可以看出，隨著噴灑定量的增加，紙基抑塵劑膜殼的抗雨蝕性能增大。當(dāng)噴灑定量為 2L/m² 時(shí)，紙基抑塵劑的沙土流失量達(dá) 57.9g ，這是因?yàn)榧埢謮m劑纖維膜殼雖具有一定抗雨蝕效果，但由于其纖維定量較低，纖維膜殼在模擬降雨的沖刷侵蝕下易出現(xiàn)破損，出現(xiàn)大塊纖維膜殼脫落現(xiàn)象，導(dǎo)致纖維膜殼完整性遭到嚴(yán)重破壞，沙土流失量較多。與之相比，當(dāng)噴灑定量為 4L/m² 時(shí)，紙基抑塵劑的纖維膜殼強(qiáng)度較高，抗雨蝕性能較好，但也出現(xiàn)部分纖維膜殼破損和小塊纖維膜殼脫落現(xiàn)象。當(dāng)噴灑定量增大為5和 6L/m² 時(shí)，雨蝕后紙基抑塵劑的纖維膜殼僅出現(xiàn)輕微破裂，抗雨蝕率分別達(dá)93.4% 和 94.7% 。這是因?yàn)殡S著噴灑定量的增加，纖維彼此交疊，增強(qiáng)纖維膜殼的結(jié)合強(qiáng)度，使膜殼形成穩(wěn)固致密網(wǎng)絡(luò)，有效分散雨水沖擊力，避免局部受力破損，大幅提升膜殼抗撕裂強(qiáng)度與韌性，增強(qiáng)紙基抑塵劑膜殼的抗雨蝕性能。

圖7不同噴灑定量的紙基抑塵劑抗雨蝕性能 Fig.7Rain erosion resistance of paper-based dust suppressants with different spraying quantities

2.2.4噴灑定量對(duì)抗蒸發(fā)性能的影響

圖8展示了不同噴灑定量的紙基抑塵劑在溫度（25±2 ） °C 、相對(duì)濕度 38% 條件下的水分剩余量，反映了其抗蒸發(fā)性能。從圖8可以看出，當(dāng)蒸發(fā)時(shí)間為 0～36h 時(shí)，不同噴灑定量的紙基抑塵劑，其水分剩余量均明顯減少，水分快速蒸發(fā)。當(dāng)蒸發(fā)時(shí)間為36h 后，水分剩余量曲線趨于平緩，表明紙基抑塵劑的水分蒸發(fā)速率降低。當(dāng)噴灑定量為 2L/m² 時(shí)，紙基抑塵劑的水分蒸發(fā)速率最快；當(dāng)噴灑定量為6L/m² 時(shí)，紙基抑塵劑的水分蒸發(fā)速率最慢。這是因?yàn)樵贜FC添加量相同的情況下，隨著噴灑定量增大，膜殼的纖維孔隙減小，纖維彼此堆疊形成致密的纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而有效降低水分蒸發(fā)速率，增強(qiáng)其抗蒸發(fā)性能。

圖8不同噴灑定量的紙基抑塵劑抗蒸發(fā)性能

Fig.8Anti-evaporation performance of paper-based dust suppressants with different spraying quantities

2.3NFC增強(qiáng)紙基抑塵劑的微觀形貌分析

圖9為噴灑紙基抑塵劑沙土的實(shí)物圖及其纖維膜殼的SEM圖。由圖9可知，在宏觀條件下，噴灑不同紙基抑塵劑后沙土表面無(wú)明顯差距，而從SEM圖可顯著看到，相對(duì)于NFC添加量O所制紙基抑塵劑的膜殼，NFC添加量 6% 所制紙基抑塵劑的纖維膜殼孔隙率更小，纖維間互相交織形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)更加密實(shí)。這是因?yàn)镹FC豐富的活性羥基（一OH）與紙漿纖維大分子鏈表面的羥基（一OH）可以形成較強(qiáng)的氫鍵作用（O一H…O），添加NFC可以增強(qiáng)紙漿纖維之間的氫鍵作用[32-34]，使纖維之間結(jié)合更加緊密而穩(wěn)定。此外，NFC具有高長(zhǎng)徑比，可以增大纖維之間的接觸面積，強(qiáng)化纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，有效阻止纖維的相對(duì)滑動(dòng)和位移，提高膜殼的抗張強(qiáng)度和韌性3。最后，細(xì)纖維化的紙漿纖維和NFC填充在紙基抑塵劑膜殼的孔隙之間，進(jìn)一步增強(qiáng)纖維之間的結(jié)合強(qiáng)度，從而提高紙基抑塵劑的綜合性能。

2.4紙基抑塵劑對(duì)種子萌發(fā)的影響

采用植物種子培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)測(cè)定紙基抑塵劑的植物毒害性[5]，實(shí)驗(yàn)過程如下：將種子置于沙土表面后蓋上厚度 0.2mm 細(xì)土，噴灑NFC添加量0和 6% 所制紙基抑塵劑作為實(shí)驗(yàn)組，噴灑同體積清水作為對(duì)照組，進(jìn)行植物種子培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)第16天和第32天時(shí)，觀察種子萌發(fā)生長(zhǎng)狀況3。圖10為紙基抑塵劑對(duì)種子萌發(fā)的影響。由圖10可知，培養(yǎng)16天后，對(duì)照組與實(shí)驗(yàn)組的植物種子發(fā)芽率相近，但對(duì)照組的幼苗株高明顯優(yōu)于實(shí)驗(yàn)組，實(shí)驗(yàn)組中NFC添加量0所制紙基抑塵劑培養(yǎng)的幼苗，其株高優(yōu)于NFC添加量 6% 所制紙基抑塵劑培養(yǎng)的幼苗；當(dāng)培養(yǎng)32天后，實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組幼苗整體的生長(zhǎng)趨勢(shì)相近。結(jié)果表明，在種子萌發(fā)初期，紙漿及NFC對(duì)種子的萌發(fā)有一定延緩作用，這可能是因?yàn)榧埢謮m劑噴灑后在沙土表面形成一個(gè)堅(jiān)硬的膜殼，抑制種子萌發(fā)，NFC的添加增強(qiáng)了膜殼的結(jié)合強(qiáng)度，導(dǎo)致抑制作用增強(qiáng)。而經(jīng)過32天培養(yǎng)后，實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組植物幼苗整體生長(zhǎng)趨勢(shì)相近，表明該紙基抑塵劑形成的膜殼僅延緩了種子萌發(fā)，但對(duì)種子發(fā)芽生長(zhǎng)無(wú)明顯不良影響。

圖9噴灑不同紙基抑塵劑后沙土實(shí)物圖及其纖維膜殼的SEM圖

圖10紙基抑塵劑對(duì)種子萌發(fā)的影響

Fig.10Effect of paper-based dust suppressant on seed germination

2.5戶外實(shí)驗(yàn)

為了進(jìn)一步檢測(cè)該紙基抑塵劑的實(shí)際抑塵效果，進(jìn)行了戶外噴灑實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過程如下：在戶外開辟出一片大小約 2m² 的空地（形狀不限），使用NFC添加量 6% 所制紙基抑塵劑，以 5L/m² 的噴灑定量噴灑于沙土表面，待其干燥形成膜殼后對(duì)其綜合性能進(jìn)行測(cè)試，持續(xù)觀察記錄天氣情況（溫度和相對(duì)濕度）以及紙基抑塵劑的性能變化。圖11為紙基抑塵劑戶外噴灑實(shí)驗(yàn)的實(shí)地照片，其抗壓強(qiáng)度變化如圖12所示。由圖11和圖12可知，紙基抑塵劑噴灑完成干燥結(jié)殼后，為期8周的抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果相差不大，表明紙基抑塵劑所形成的纖維膜殼一直保持著良好的抗壓性能，其抗壓強(qiáng)度一直在可接受誤差范圍內(nèi)波動(dòng)，多次測(cè)試可確定該紙基抑塵劑在結(jié)殼后具有良好的抗壓強(qiáng)度、抗風(fēng)蝕性能、持續(xù)使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。

圖11戶外實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景圖

圖12戶外實(shí)驗(yàn)紙基抑塵劑抗壓性能

Fig.12Compressive property of paper-based dust suppressant in outdoor experiment

3結(jié)論

本研究采用納米微纖化纖維素（nanofibrillatedcellulose，NFC）作天然高分子助劑，與紙漿混合，通過NFC添加量和紙基抑塵劑噴灑定量的優(yōu)化，制備了一種性能優(yōu)異的結(jié)殼型全纖維紙基抑塵劑，并利用綜合形貌表征、種子萌發(fā)實(shí)驗(yàn)和戶外實(shí)地實(shí)驗(yàn)，探討了其適用性。

3.1當(dāng)NFC添加量為 6% （相對(duì)于絕干漿）時(shí)，將紙基抑塵劑噴灑在沙土表面（噴灑定量 5L/m² ）后，其可以形成致密的高強(qiáng)度纖維膜殼，與NFC添加量0的紙基抑塵劑相比，膜殼的抗壓性能由 510kPa 提高至 1470kPa ；抗風(fēng)性能顯著提高，沙土損失率 32.8% 幾乎降至為0（沙土損失率 0.41% ）；抗雨蝕性能由78.1% 提高至 90.3% ；抗蒸發(fā)性能更優(yōu)異，水分蒸發(fā)速率明顯降低。

3.2紙基抑塵劑膜殼的微觀形貌分析表明，在紙基抑塵劑中添加NFC，能促使其形成的膜殼微觀結(jié)構(gòu)更加致密，細(xì)纖維化的紙漿纖維和NFC填充在紙基抑塵劑膜殼的孔隙之間，進(jìn)而增強(qiáng)紙漿纖維之間的結(jié)合強(qiáng)度，提高紙基抑塵劑綜合性能。

3.3戶外實(shí)地實(shí)驗(yàn)和種子萌發(fā)實(shí)驗(yàn)表明，該紙基抑塵劑形成的膜殼能達(dá)到長(zhǎng)期抑制揚(yáng)塵污染的效果，同時(shí)對(duì)植物種子萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)無(wú)影響，具有無(wú)害性、結(jié)殼性、保水性、持續(xù)性和天然可降解性等特點(diǎn)，是一種綠色環(huán)保的高分子結(jié)殼型抑塵劑。

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（責(zé)任編輯：魏琳珊）