（应用化学专业论文）氧化淀粉接枝丙烯酸丙烯酰胺抑尘剂的合成与应用研究.pdf

摘要 氧化淀粉接枝丙烯酸丙烯酰胺抑尘剂的合成 与应用研究 摘要 粉尘污染是世界公害之一，对人类和环境的影响是多方面的，如对 人造成毒害和刺激，降低能见度，引起设备磨损腐蚀，对农作物、草原、 牲畜声场造成危害，对环境卫生影响也十分突出。所以，粉尘的防治技术 的研究和开发一直得到高度重视，其水平也不断发展。化学抑尘是粉尘防 治中最有效的方法之一。而高分子类抑尘材料能对沙质地表、矿山码头的 粉尘料堆路面扬尘起到良好的粉尘抑制作用，既能防止风力吹蚀又具有保 持水分和于粉尘沙土形成坚硬的固结层，以达到控制和改善沙害环境目 的。本论文研制的抑尘剂是一种水溶性良好的氧化淀粉接枝丙烯酸一丙烯 酰胺抑尘剂。 该抑尘剂的合成主要有三步反应：氧化淀粉制备、氧化淀粉糊化、 接枝共聚。本论文研究并确定了合成抑尘剂的较优工艺条件：丙烯酸与丙 烯酰胺质量比为3 ：2 ，引发剂质量分数为o 4 ，中和度为5 0 、聚合温 度为5 0 、聚合时间为6 h 。所制备的抑尘剂粘度为2 1 2 6 m p a s ，水溶 性和稳定性良好。 本论文对所制备的抑尘剂进行了性质表征。包括：对不同组成、不 同固含量、不同温度下的抑尘剂进行了粘度测试；对抑尘剂进行了红外光 谱分析和差热分析，分别表征了产物的特征基团和热稳定性；对氧化淀粉 进行了x r d 表征，对抑尘剂进行了接枝率的测定；并采用扫描电子显微 镜对抑尘剂固化后的固结层进行了外观形态表征。结果表明，所得产物的 粘度适中，室温至1 0 0 之间热稳定性好，适合固沙应用的要求。 本论文对该抑尘剂的应用性能进行了研究，以沙子为对象，分别对 抑尘剂进行了保水性能、抗水冲蚀性能、耐温性、抗风蚀性能、抗压强度 等应用性能测试。实验结果表明：固含量在3 o 以上时，抑尘剂具有一 定的保水能力；按1 l m 2 用量喷洒固含量在3 0 6 0 之间的抑尘剂，固结 层耐水性较好；喷洒固含量在3 0 以上的抑尘剂，固结层能耐7 0 的地 表温度；喷洒固含量在6 o 以上的抑尘剂，沙模质量损失率低于o 1 ， 抗风蚀性能较好，沙模抗压强度达到1 2 4 m p a ，并且抗压强度随着固含量 的增大而增大。从实验结果可以看出该抑尘剂具有良好的固沙性能。 从抑尘剂的物理化学性质表征以及应用性能测试可以看出，论文所 研制的抑尘剂是一种多功能防风防沙抑尘材料，能够满足抑制扬尘的各种 北京化t 大学硕l j 研究生学位论文 要求，且符合环境友好的要求，具有广阔的应用前景。 关键词：抑尘剂，溶液聚合，丙烯酸，丙烯酰胺，淀粉 摘要 s y n t h e s i sa n da p p l i c a t i o no fg r a f t c o p o i y m e ro fo d i z e ds t a r c hw i t h a c r y l i ca c i da na c r y l a m i d e a b s t r a c t t h ed u s tp o l l u t i o na f f e c t sm a n ya s p e c t so fh u m a ne n v i r o n m e n t ，s u c ha s t o x i c o l o g i c a l a n ds e n s o r ye f f e c t so nh u m a n s ，a g r i c u l t u r a l c r o p s ，g r a s s ， l i v e s t o c k ，r e d u c t i o no fv i s i b i l i t y , a n da b r a s i o na n dc o r r o s i o no fm a t e r i a l s i n m o s tc a s e s ，c o n t r o l l i n gd u s tp o l l u t i o ni so f t e nv e r yd i f f i c u l ta n de x p e n s i v e t h e r e f o r e ，t h ed u s tp r e v e n t i o na n dc o n t r o lt e c h n o l o g i e sh a v eb e e ni n v e s t i g a t e d a n da p p l i e df o rm a n yc e n t u r i e s o n eo ft h ed u s tc o n t r o lm e t h o d si st h e i n v e n t i o na n da p p l i c a t i o no ft h ec h e m i c a ld u s ts u p p r e s s a n t s ，w i t ht h es p e e d y d e v e l o p m e n to fc h e m i c a li n d u s t r ya n dn e wc h e m i c a l s p o l y m e rm a t e r i a li sak i n do fn e wc h e m i c a ld u s ts u p p r e s s a n tm a t e r i a l ，i t c a nf o r ml a m e l l ao nt h es a n dd u n e so rs a n d ys u r f a c ew h i c hc a l lp r e v e n tt h e w i n de r o s i o nb u ta l s om a i n t a i na n di m p r o v et h en a t u r eo ft h es a n di no r d e rt o c o n t r o la n di m p r o v et h ee n v i r o n m e n t t h i sr e s e a r c ha r e ah a ss i g n i f i c a n tf u t u r e a n dh a sb e e nw i d e l yu s e di nm a n yf i e l d s t h en e wd u s ts u p p r e s s a n tm a t e r i a l w h i c hh a sb e e nr e s e a r c h e di nt h i st h e s i si sg r a f tc o p o l y m e ro fs t a r c hw i t h a c r y l i ca c i da n da c r y l a m i d ew h i c hh a sag o o dw a t e r - s o l u b i l i t y t h ed u s ts u p p r e s s a n ti sp r e p a r e di nt h r e es t a g ep r o c e d u r e ，i n c l u d i n gt h e p r e p a r a t i o no fo x i d i z e ds t a r c h ，t h eg e l a t i n i z a t i o no fo x i d i z e ds t a r c ha n dg r a f t c o p o l y m e r i z a t i o n t h es y n t h e t i cm e t h o da n d r e a c t i o nc o n d i t i o n sw e r e d i s c u s s e di nt h et h e s i s t h er e s u l t ss h o w e dt h a t ：w i t h6 0 q u a l i t yo fa a ，0 4 q u a l i t yo fi n i t i a t o r ，5 0 o fn e u t r a l i z a t i o na tt h et e m p e r a t u r eo f5 0 h e a t i n g f o r6 h ，t h ev i s c o s i t yo ft h ep r o d u c ti s212 6 m p a s ，t h ep r o d u c th a sg o o ds a n d f i x a t i o np e r f o r m a n c ef o rp r a c t i c a la p p l i c a t i o n t h ep h y s i c a la n dc h e m i c a lc h a r a c t e r so ft h ed u s ts u p p r e s s a n tw a sa l s o a n a l y z e d ，i n c l u d i n g ：t h ev i s c o s i t yt e s to nt h ed i f f e r e n tc o m p o n e n t ，d i f f e r e n t s o l i dc o n t e n t ，d if f e r e n tt e m p e r a t u r e so fd u s ts u p p r e s s a n t ，f t i ra n a l y s i s ，t g t e s ta n ds e ma n a l y s i s f t i ra n a l y s i sw a su s e dt ot e s tt h ec h a r a c t e r i s t i cg r o u p o f t h ep r o d u c t s ；t gt e s tw a su s e dt ot e s tt h et h e r m a ls t a b i l i t yo f t h ep r o d u c t s ； i i i 北京化丁人学颂i j 研究生学位论文 s e mw a su s e dt oo b s e r v et h es h a p ec h a r a c t e r i s t i co ft h es a n ds h e l l t h e r e s u l t ss h o w e dt h a tt h es a m p l ew a sag o o dd u s ts u p p r e s s a n ta n dh a ds u i t a b l e v i s c o s i t ya n dg o o dt h e r m a ls t a b i l i t yb e t w e e nt h er o o mt e m p e r a t u r ea n d10 0 a c c o r d i n gt ot h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o no ft h ed u s ts u p p r e s s a n t ，t a k i n gt h e s a n ds o i la sr e s e a r c ho b j e c t ，w a t e rr e t e n t i o n ，w a t e rr e s i s t a n c e ，t h et o l e r a n c eo f h i g ht e m p e r a t u r e ，w i n dc o r r o s i o nr e s i s t a n c ea n dc o m p r e s s i v es t r e n g t hw e r e s t u d i e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a t ：t h ed u s ts u p p r e s s a n th a sac e r t a i nw a t e r r e t e n t i o nw h e nt h es o l i dc o n t e n ti sm o r et h a n3 ：s p r a y i n gs a n d f i x a t i o nw i t h 2 0 - 6 o s o l i dc o n t e n ti n1l m zd o s a g e t h es a n ds h e l lh a sag o o dw a t e r r e s i s t a n c e ；s p r a y i n gd u s ts u p p r e s s a n tw i t hm o r et h a n3 o s o l i dc o n t e n t ，t h e s a n ds h e l li sa b l et ob e a rt h es u r f a c e t e m p e r a t u r eo f7 0 。c ；s p r a y i n gd u s t s u p p r e s s a n tw i t hm o r et h a n6 o s o l i dc o n t e n t t h es a n dm o d e l l o s sl e s st h a n o 1 q u a l i t y ，h a sag o o dw i n dc o r r o s i o nr e s i s t a n c e ；t h ec o m p r e s s i v es t r e n g t h o ft h es a n dm o d e li su pt o1 2 4 m p a ，a n dt h ec o m p r e s s i v es t r e n g t hw i l l i n c r e a s ea l o n gw i t ht h ea d d i n go fs o li dc o n t e n t t h er e s u l t sp r o v e dt h a tt h e p o l y m e rh a sg o o dp r o p e r t i e so fd u s ts u p p r e s s i o n f r o mt h ep h y s i c a la n dc h e m i c a lc h a r a c t e r i s t i c sa n a l y t i c a lr e s u l t sa n dt h e a p p l i e dp r o p e r t i e st e s t e dr e s u l t so f t h ed u s ts u p p r e s s a n t ，w ec a ns e et h a ti ti sa k i n do fm u l t i f u n c t i o ns a n d f i x a t i o nm a t e r i a la n db ea b l et om e e t e n v i r o n m e n t a l l yf r i e n d l yd e m a n d ，a n dh a v eaw i l da p p l i e dp r o s p e c t k e yw o r d s ：d u s ts u p p r e s s a n t s ，s o l u t i o np o l y m e r i z a t i o n ，a c r y l i ca c i d ， a c r y l a m i d e ，s t a r c h l v 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 彳-i 作者签名：垃蝎望日期：型：墨! ! 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北 京化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编 学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在土年解密后适用 本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授 权书。 作者签名：驿堕吐垫 日期：21 望：上丛 导师签名：毯面业日期：2 翌：! ：鉴 第一章绪论 1 1 粉尘的概况与分类 1 1 1 粉尘的概况 第一章绪论 按照国际标准化组织( i s o ) 的定义：“空气污染通常是指由于人类活动和自然过 程引起某些物质介入大气中，呈现出足够的浓度，达到足够的时间，并因此而危害了 人体的舒适、健康和福利或危害了环境。”而粉尘污染是空气污染的主要构成。 悬浮在气体中的固体粒子称为粉尘。粉尘是由于固体物质在破碎、研磨、凿岩之 类的机械过程中分裂而成的。单个尘粒通常具有和母料相同的化学成分。其粒度范围 相当广，小的超过光学显微镜能见度极限小于0 2l am ；大的有达到1 0 0 2 0 0 um 的。 其形状一般不规则，由母体的晶体性质决定。烟是由于物体燃烧，或物体受热挥发再 冷凝而成的。由于往往伴随着在气体中氧化等化学反应，其成分常与母料不同，大小 在1um 以下。燃烧化石燃料( 包括煤、油和天然气) 所产生的烟中，也可能含有超 过ll ar n 的飞灰。悬浮于气体中的液体粒子称为雾，是由液体机械分裂或蒸气在凝结 核上凝结而成，一般大于1l am 。不论由什么方法生成的液体粒子都呈球形。 人类很多活动都会产生细颗粒物质或粉尘，粉尘污染在大气污染中占有很大的比 重。例如，火力发电厂、供热厂、燃烧炉、采矿场、水泥厂、石料加工厂、有色金属 和黑色金属冶炼厂、食品加工厂、纺织厂、化工厂、沥青厂等都是主要的产尘源。 一般情况下，1 0 0l am 以上的粒子很容易完全沉降下来。从卫生方面来看，人的 鼻子可以从含尘空气中滤掉几乎全部大于1 0i im 的粒子( 范围密度球体) 和大约9 5 的大于5l am 的离子。被人吸进去的粒子，大的多沉积在上呼吸道中。随着粒子直径 的减小，到达肺部的渐多，并且大部分沉积在肺部。但粒子小到一定的程度又能避免 沉积，而被呼出。直至很小粒子的分子扩散作用( 布朗运动) 变得重要时，沉积粒子 再次增加。在每分钟1 5 次的呼吸系统中，大约0 4 pm 的粒子沉积最少。此外5l am 以下的粒子能够从肺部进入血液，并可到达淋巴系统。由于1 0l am 以上的粒子较易捕 集，对人体的危害也不大，所以除尘更主要的考虑对象可以说是1 0 um 以下的粒子。 特别是1um 以下的亚微米粒子，因为更难捕集，所以成为最重要的研究范围。但从 环境保护的角度，不论多大的粉尘都是有害的，都应对其进行预防和控制。 北京化t 人学颂i j 研究生学位论文 1 1 2 粉尘的分类i z l 依照粉尘的不同特征，有不同的分类方法： ( 1 ) 按粉尘的形状分类 粉尘，固体物质的微小粒子，其大小在1 0 0um 以下； 烟，由于燃烧和凝结生成的细小粒子，粒径范围在0 0 1 1um 之间； 烟雾，在高温下由金属氧化的蒸气凝结而成的微粒，它是烟的一种类型，粒子大 约在0 1 1um 之间。 ( 2 ) 按粉尘的理化性质分类 无机粉尘，包括矿物性粉尘( 0 n 石英、石棉、滑石粉等) 、金属粉尘( o n 铁、锡、铝、 锰、铍及其氧化物等) 和人工无机粉尘( o n 金钢砂、水泥、耐火材料等) 。 有机粉尘，包括植物性粉尘( o n 棉、麻、谷物、烟草等) 、动物性粉尘( o n 毛发、角 质、骨质等) 和人工有机粉尘( o n 有机染料、炸药等) 。 混合性粉尘，为各种粉尘的混合物。大气中的粉尘一般是混合性粉尘。 ( 3 ) 按粉尘颗粒大小分类 可见粉尘，用眼睛可以分辩的粉尘，粒径大于1 0 um ； 显微粉尘，在普通显微镜下可以分辩的粉尘，粒径在0 2 51 0 um 之间； 超显微粉尘，在超倍显微镜或电子显微镜下才可分辩的粉尘。粒径在o 2 5um 以 下。 此外，按粉尘在大气中滞留时间的长短，通常又把粉尘分为：悬浮飞扬在空气中 的叫“浮尘”，沉降下来的则叫“落尘 ，浮尘与落尘两种状态相对存在，随温度、湿 度和风速等条件的改变而相互转化。根据粉尘粒径的不同，对人体的危害程度也不同 这一性质，我国对粉尘颗粒大小及所占的比例划分为四个计测范围：大于1 0 pm ( ) ； 5 1 0um ( ) ；2 - - 5um ( ) ；小于2um ( ) 。对人体危害最大的是5um 以下 的粉尘。【3 】 根据场地特点，扬尘可分为封闭式扬尘和开放式扬尘。对于封闭式扬尘，由于粉 尘分布在一个相对固定的空间，可采用各种集尘设备进行防尘。而开放式扬尘，其产 尘点多，不固定而且涉及面大，因而是引起粉尘污染的主要原因，且防尘比较困难【4 】。 1 2 粉尘的危害与治理 1 2 1 粉尘的来源 造成城市扬尘污染的来源是多方面的，主要有自然尘、建筑、市政工程、城市裸 地、道路和工业生产扬尘等。这些污染源点多面广，难于统一治理，又有不利的气候 和自然条件( a n 大多数城市处于北方，空气干燥且风大) ，更加重了扬尘污染。例如， 2 第一章绪论 近几年的沙尘暴既严重影响了北方城市的空气质量，又影响许多南方城市，甚至波及 到日本等国家。由于地表裸露、气候干燥、j x l 大等因素，各种沉降在地面的颗粒物、 气溶胶离子就又会进人空气，形成土壤扬尘；许多城市正处于基础建设的高峰期，在 施工过程中管理不够完善，料堆遮挡不严整，且工程实施周期长，就不可避免会产生 建筑扬尘；现代城市机动车辆数量迅速增长，车辆洒落在道路上的颗粒物被反复碾压 与排放的尾气颗粒物混合，共同形成道路扬尘；工业生产如燃煤、冶炼等会造成工业 扬尘，对城市扬尘贡献也不可忽略。 5 1 1 2 2 粉尘的危害6 1 1 7 j 1 2 2 1 粉尘对大气的影响 对于大气的影响，粉尘固体颗粒总是以气溶胶的形式出现。通过工业、农业、运 输、建筑及生活活动都可以形成固体分散在空气中的气溶胶。如海浪喷溅蒸发形成的 盐粒；火山爆发、森林火灾、岩石风化所形成的飞尘以及风吹起耕作过的土壤尘埃等 也可以形成大气气溶胶；排放到大气中的气体经过化学反应生成的固体颗粒，如碳氢 化物、硫酸盐和硝酸盐颗粒。分散在空气中通过凝聚作用也会形成气溶胶。气溶胶对 大气活动的危害表现为可形成污染烟、雾，在高相对湿度条件下可引起酸雨，降低大 气能见度等等。 1 2 2 2 粉尘对植物的影响 当粉尘落到植物叶子上时，能使植物受到损害。如在石灰厂附近地区，含氧化钙 粉尘可在植物表面形成一个强碱性反应覆盖区，叶子因此被夺去很多水分，井使细胞 质受到伤害，多数情况下表现为表皮细胞与栅栏细胞的萎缩。对于水泥粉尘在足够 高的空气湿度时形成硅酸三钙，在植物上形成一个粘附层，从而封闭换气用的气孔， 阻碍呼吸和光台作用。甚至一般的街道粉尘落到植物叶子上也会降低它的光合作用效 率，因为当红外线吸收增多时，粉尘层增强了对光合作用很重要的光谱区段的反射。 这样蒙上粉尘的叶子比未蒙上粉尘的叶子就增加了温度，妨碍新陈代谢和水分平衡。 1 2 2 3 粉尘对人的生理影响 研究结果表明，空气动力学尺度 1 0 1 tm 的粉尘粒子，基本上被阻止于人的鼻腔： 2l am d 1 0um 的粒子，约9 0 可以进人并沉积于呼吸道的各个部位，1 0 可以到达 北京化t 人学硕f ：研究生学位论文 肺的深处，并沉积于肺中；d i 门r 。 一 酽 m 十 h h o o 。卜一，l 第三章结果j i , t 论 净一等黛h 二 祭c 曰- - o h2 h 室辟魍 ( 3 ) 抑尘剂高分子链溶于水，当它的水溶液作用于沙土颗粒表面时，链上的强 电荷及氢链极易与沙土颗粒表面发生吸附作用，使抑尘剂高分子链发生扭转，极性基 团如羧基、羟基等朝向沙土颗粒，而主链的疏水基团向外。当亲水的极性基团与沙土 颗粒表面作用完成后，整个长链变成了不溶于水的大分子，其疏水性基团能排斥外来 水的浸入，降低水对土体的浸润损害，增强土体的水稳定性。 。 ( 4 ) 抑尘剂作用于沙土后，将相邻的沙土颗粒通过高分子链相互搭接，同时， 高分子链之间又互相交叉缠绕、联结，最终整个沙土成为一牢固的整体性空间网状结 构，起到固沙的作用。 3 3 2 8 小结 对所制备的抑尘剂进行不同固含量、不同温度下以及不同放置时间的粘度分析、 红外分析、差热分析、接枝率以及其固化后的沙堆固结层的扫描电镜分析等一系列的 测试表征。结果如下： 1 、对不同合成工艺、同一产品不同固含量下、同一产品同一固含量不同温度下 以及放置不同时间的抑尘剂产品进行粘度测试，实验结果表明，将产品稀释2 倍，即 固含量在6 左右，便能较好满足抑尘剂使用要求；并且在较高( 高达7 0 c ) 地表温 度下，该抑尘剂也能使用。 2 、对氧化淀粉和淀粉进行了x r d 测试，从结果中可以看出合成了氧化淀粉。 4 1 北京化t 人学硕i j 研究生学位论文 3 、对合成的氧化淀粉接枝丙烯酸丙烯酰胺抑尘剂进行了接枝率的测定，结果表 明接枝率为11 2 4 。接枝率较高，对原料的利用率较高。 4 、对抑尘剂样品进行了红外分析测试，从谱图中可以看出，所合成的抑尘剂为 目标产物氧化淀粉接枝丙烯酸丙烯酰胺。 5 、差热分析测试结果表明在室温至1 0 0 以内，该产品基本不失重，说该产品热 稳定性良好，满足在高温下的应用需求；另外产品具有一定的保水性能。 6 、采用扫描电子显微镜对该抑尘剂固化后的沙模固结层进行了外观形念表征， 实验结果表明，喷洒水的沙模沙土颗粒的排列呈无序状态，而喷洒抑尘剂后的沙土颗 粒相互粘连在一起，阻碍了随风任意运动，起到了很好的固沙抑尘作用。 从一系列的表征结果看出，研制出的抑尘剂具有施工便利、使用寿命长、固沙粘 接能力强且环境污染小等优点，具有较大的推广应用价值。 3 3 3 抑尘剂的应用性能研究 3 3 3 1 抑尘剂的保水性研究 抑尘剂的吸水、保水性能，可使沙土表面较长时间处于润湿状态，能有效抑尘， 并能与植被固沙相结合治理沙害。在抑尘剂的实际应用性能方面具有很重要的研究意 义。 用称重法测定抑尘剂的保水性。向固沙试样面喷洒计算量水，并使各固沙试样的 含水量控制在同一水平，然后将试样置在室外相同的环境条件下日照蒸散，间隔一定 的时间称重，通过计算试样含水量，分析其保水能力，并以首次喷水沙面为对照。 喷洒不同固含量抑尘剂d 后沙堆的含水量变化曲线如图3 - 9 所示： 4 2 帮= 章酷果与讨论 w a t e r 6 3 15 图3 - 9 沙样试样含水量变化曲线 f 瞄4 w a l 日c o a t t o f t h es a n d 口m 由图3 - 9 可以看出，只喷洒水的沙样试样的失水最快，而喷洒不同浓度抑尘剂的 沙样试样的失水均较慢，但差别不是很大。尤其喷洒固含量为6 的抑尘剂试样失水 曲线从1 4 至1 8 h 变得逐渐平缓，1 8 h 时测得该试样的含水率仍有7 6 9 0 0 ，2 天后，只 喷洒水的试样表面变得松散，极容易扬尘：而喷洒3 0 d a6 的试样表面则形成了较硬 的固结层，能起到很强的固沙抑尘的作用。 3 3 3 2 沙模的耐水冲蚀性能研究 耐水性试验是模拟降雨向固沙面喷水观察固沙面的形貌变化。用小喷本器将稀 释至不同固含量抑尘剂均匀喷洒在沙堆表面( 用量1 l m 2 ) ，室温自然干燥后，向沙堆 表面均匀喷淋自来水( 用量1 l m 2 ) 。然后在烘箱中烘干沙摸，测量沙模的质量，计算 沙模的质量损失率。重复上述步骤四次，计算沙模的质量损失率，观察沙堆外壳固结 层变化，实验结果见表3 - 1 1 。 a t t ： t ： r l f r r 、 们 o 爨t一；口ulegc8芑o；4 北京化t 人学颂l j 研究生学位论文 表3 1 1 喷洒不同吲含量抑尘剂渗透性与耐水性 t a b l e3 1 1t h ep e r m e a b i l i t ya n dw a t e rr e s i s t a n c eo f d i f f e r e n ts o l i dc o n t e n td u s ts u p p r e s s a n t s 由表3 - 1 1 可看出，固含量越高，喷淋后的沙模质量损失率越低，分析可能是抑尘 剂的固含量越高，抑尘剂与沙土的粘结作用越强，喷淋后的质量损失率越低。其中固 含量为6 的沙模经过四次喷淋后质量损失率仅为5 7 7 ，说明本抑尘剂产品可以适 用于多雨的气候环境。而固含量在3 0 6 o 之间，固结层浸水干后均可恢复其峰硬的 强度，说明其耐水性较好。 3 3 3 3 沙模的耐温性研究 将抑尘剂抑尘剂稀释成不同的固含量，从低到高依次为1 0 、1 5 、2 0 、3 0 、6 o 。用小喷水器将一定用量己稀释的抑尘剂均匀喷洒在沙堆表面( 用量l m n 2 ， 置于烘箱中恒温干燥，分别在3 0 c 、4 0 c 、5 0 、6 0 c 、7 0 c 下各保温2 h ，观察固 结层变化。 实验结果表明，除固含量l 、1 5 的沙堆试样外壳在6 0 、7 0 时已变松散外， 其它沙堆外壳在各温度下变化不大，固结层依然较硬，说明该抑尘剂在高温自然环境 下依然能有固沙作用。 3 3 3 4 抑尘剂的抗风蚀研究 利用抑尘剂在流沙表面形成一层具有一定结构和强度、能够防止风力吹蚀，又可 保持下层水分的固结层，以达到控制流沙和改善沙害环境的目的。固结层一般有刚性 壳层、柔软粘结层和弹性粘结层，均为光滑表面，能使沙丘表面形成保护层，隔绝气 流对松散沙层直接作用以防止风沙流对沙粒的吹蚀。固结层的抗风蚀性能是抑尘剂性 能的关键指标，通过抗风蚀试验，确定所形成固结层抵抗风蚀的能力，对抑尘剂的实 第三章结果j 讨论 际应用性能具有很重要的意义。1 7 4 1 在玻璃板上用粒径在o 2 0 0 2 5 m m 之问的沙土堆成若干圆锥体状沙堆，计算沙堆 表面积，用喷水器，按1l m 2 用量将不同固含量抑尘剂均匀喷洒在沙堆表面上，在室 温下晾干，表面形成一层完整的固结层后，采用1 2 0 0 w 吹风机置于最大风速，模拟 自然4 级风，近距离连续吹风6 0 分钟，试验结果列于表3 1 2 。 表3 1 2 不同同含量试样的质量损火率 t a b l e3 - 1 2t h ew e i g h tl o s er a t i oo fd i f f e r e n ts o l i dc o n t e n td u s ts u p p r e s s a n t s 从表3 1 2 可以看出该类抑尘剂的抗风蚀性能优良，按1 l m 2 用量喷洒，固含量在 6 以上时抗风蚀效果较佳，可以满足抑尘剂的抗风蚀要求。 3 3 3 5 抑尘剂的抗压强度研究 抗压强度是对抑尘剂性能表征的一个重要参数，实验方法的不同得到不同的结 果。本实验采用同一实验方法，将抑尘剂加入沙土中，按2 3 1 ( 2 ) 方法制成各种沙模， 对其抗压强度进行测试，用于评价抑尘剂抗压强度性能。 同一固含量( 1 2 ) 、不同配方抑尘剂固化沙土试样抗压强度o 。结果见表3 1 3 。 表3 1 3 抑尘剂黏度及沙模抗压强度测试结果 t a b l e3 - 1 3v i s c o s i t i e sa n dc o m p r e s s i v es t r e n g t h so fd u s ts u p p r e s s a n t ss a m p l e s 以上结果表明，随着抑尘剂黏度的增大，粘接沙土能力增强，沙模的抗压强度也 逐渐增大。抗压强度大意味着固结层不容易受外力破坏，使用效果越好。采用聚合时 间为6 h 所制得的抑尘剂样品，配制成不同固含量的抑尘剂，按同样方法制成沙模， 4 5 | 匕京化t 学m 究学位论立 测其最大抗压强度，结果如表3 1 4 表3 一1 4 币同州禽茸抑尘剂的抗压强度 t a b l e 3 - 1 4 c o m p r e s s i v es t m n g t ho f d i f f e r e n ts o l i dc o n t c n td u s ts ”p p n b 加。 从表3 1 4 测试结果可以看山，随着固含量的增加，沙模的抗压强度也相应地增 3 3 36 抑尘剂的沙堆表面固化效果研究 在玻璃板上用粒径在0 2 0 02 5 r a m 之问的沙土堆成若干圆锥体状沙堆，计算沙堆 表面积，用喷水器，按l u n 2 用量将固含量为6 的抑尘剂均匀喷洒在沙堆表面上， 室温下自然干燥结壳，并按同样方法将抑尘剂喷洒在室外土堆上，用佳能5 0 0 万像素 数码相机进行拍照，如图3 1 0 所示； 圈3 1 0 喷涌抑尘剂的沙土堆表面照片 f 毡3 - 1 0 t h es a n d m o u n ds u 由c e p i c t m _ ea f t e rs p r a y i n gd u s ts u p p r e s s a n t s 从图3 1 0 可以看出，喷洒过抑尘剂的沙堆土堆表面形成一硬度较大届结层，厚度 大约1 - 2 m m ，从而起到固沙的作用。通过扫描电镜对纯沙土和喷洒不同固含量抑尘剂 的沙土表层进行观察分析，电镜照片如图3 1 1 所示。 第= 审结* _ 讨论 ( c ) ( d ) 图3 - 1 1 纯沙十和喷洒不同同含量抑尘剂沙十的扫描电镜图片 ( a ) 纯沙子( b ) 3 同含量( c ) 6 固含量( d ) 1 2 固含量 f i ；3 - 1 1s c a n n i n g e l e c t r o n m i e r o g r a p h s o f n a t u r a ls a n da n ds a n da i d e rs p r a y i n g w i t h d i f f e r e n ts o l i dc o n t e n t d u s t 硼p l n e s s a n t s ( a ) n a t u r a ls a n d ( b ) 3 s o l i dc o l l | e 。n t ( c ) 6 s o l i d c o n t e n t ( m 1 2 s o l i dc o n t e n 由同3 _ l l 可以明显看出，纯沙土表面颗粒排列松敞，在经受风蚀情况下，容易 扬尘，风蚀严重会引起沙尘暴天气；而按1 u r n 2 用量喷洒3 、6 、1 2 。0 0 固古量抑尘 剂的沙土表面颗粒呈粘连状态，可以减弱沙土的风蚀程度。当固含量较低时，沙土颗 粒粘结不强，而同含量较高时，虽然沙士表面粘结致密，不易扬尘，但不利于水分下 淳，就不能很好地与生物固沙联且j 。因此，选样合适的固含量喷洒也尤为重要。根据 北京化工人学硕j j 研究生学位论文 沙土表面扫描电镜图片可以看出，当固含量为3 和6 时，可满足两方面的需要，达 到很好的沙土固化效果。 3 3 3 7 小结 从实际应用的角度出发，通过一系列的实验对抑尘剂的保水性、沙模防水冲蚀性 能、沙模耐温性能、沙模抗风蚀性能、沙堆抗压强度和沙堆表面固化效果进行了试验 研究。结果如下： 保水性： 喷洒不同固含量抑尘剂的沙堆试样的失水均较慢，并且随着抑尘剂固含量的增 大，其含水量稍有增大。固含量在6o o 时，经过1 8 h 自然干燥后，其含水量仍在7 以 上，并且沙堆表面依旧有较硬的固结层，可起到固沙的作用。 沙模防水冲蚀性能： 固含量越高，喷淋后的沙模质量损失率越低。其中固含量为6 的抑尘剂喷淋后质 量损失率仅为5 7 7 9 6 。说明产品可以适用于多雨的气候环境。而固含量在3 0 6 0 之 间，固结层浸水干后均可恢复其坚硬的强度，说明其耐水性较好。 沙模耐温性能： 除固含量1 、1 5 的沙堆试样外壳在6 0 、7 0 。c 时已变松散外，其它沙堆外壳在 各温度下变化不大，固结层依然较硬，说明该抑尘剂在高温自然环境下依然能有固沙 作用。 沙模抗风蚀性能： 按1 l m 2 用量喷洒固含量在6 以上的抑尘剂水溶液，采用1 2 0 0 w 吹风机置于最 大风速，模拟自然4 级风，近距离连续吹风6 0 分钟后，沙模质量损失率低于0 1 ， 说明本产品的抗风蚀性能较好。 沙模抗压强度： 同一固含量( 6 ) 、不同配方抑尘剂喷洒的沙模的抗压强度较大，并且随着固含 量的增加，沙模的抗压强度也相应地增加。 沙模表面固化效果测试： 按1 l m 2 用量喷洒固含量为6 的抑尘剂，室温下自然干燥后，沙堆表面形成一 硬度较大固结层，可以达到很好的固沙抑尘效果。 从实验结果可以看出，抑尘剂固化沙土后，有较强的抗压强度，且具有一定保水 能力，利于植物生长，可与生物固沙相结合。良好的抗水蚀、抗风蚀以及耐高温性能 表明，使用此类抑尘剂后的沙土，能够经受恶劣的自然环境的考验。 4 8 第叫章结论 第四章结论 本论文所研制的抑尘剂氧化淀粉接枝丙烯酸丙烯酰胺，是一种水溶性的高分 子聚合物。我们采用溶液聚合法，对聚合反应的单体配比、引发剂用量、中和度、聚 合温度及聚合时间等实验条件进行了优化研究，得出了较优工艺合成路线，并对抑尘 剂的物理化学性质进行了表征，对抑尘剂的应用性能进行了测试。 1 、本论文对抑尘剂氧化淀粉接枝丙烯酸一丙烯酰胺的合成工艺条件作了详细 的研究。结果如下： ( 1 ) 氧化淀粉制备 在装有机械搅拌、冷凝器、温度计和滴液漏斗的四口烧瓶中加入一定浓度的淀粉 乳、0 2 5 9 七水合硫酸亚铁( f e s 0 4 7 h 2 0 ) ，慢慢滴加1 5 9 过氧化氢( h 2 0 2 ) ，同时升 温至6 0 ，保温2 5 h ，得氧化淀粉； ( 2 ) 氧化淀粉的糊化 称取定量的氧化淀粉，加入去离子水搅拌混合成悬浮液，控制水浴温度为8 0 ， 搅拌糊化约3 0 r a i n ，并搅拌冷却至室温； ( 3 ) 接枝共聚 在装有冷凝器、温度计的四口烧瓶中加入l 的过硫酸铵( a b s ) 、1 5 9 丙烯酸 ( a a ) 、1 0 9 丙烯酰胺( a m ) 、4 1 6 9 氢氧化钠( n a o h ) ，控制滴速，使单体a a 、a m 与引发剂同时滴完，于5 0 下聚合6 h ，降温出料，即得水溶性抑尘剂产品。 2 、论文对所合成的抑尘剂进行了一些主要物理化学性质的表征。 ( 1 ) 对不同合成工艺、同一产品不同固含量下、同一产品同一固含量不同温度 下以及放置不同时间的抑尘剂产品进行粘度测试，实验结果表明，将产品稀释2 倍， 即固含量在6 左右，便能较好满足抑尘剂使用要求；并且在较高( 高达7 0 ) 地表 温度下，该抑尘剂也能使用。 ( 2 ) 对氧化淀粉和淀粉进行了x r d 测试，从结果可以看出合成了氧化淀粉。 ( 3 ) 对合成的氧化淀粉接枝丙烯酸丙烯酰胺抑尘剂进行了接枝率的测定，结果 表明接枝率为1 1 2 4 。接枝率较高，对原料的利用率较高。 ( 4 ) 对抑尘剂样品进行了红外分析测试，从谱图中可以看出，所合成的抑尘剂 为氧化淀粉接枝丙烯酸丙烯酰胺。 ( 5 ) 差热分析测试结果表明在室温至1 0 0 c 以内，该产品基本不失重，说该产品 热稳定性良好，满足在高温下的应用需求；另外产品具有一定的保水性能。 ( 6 ) 采用扫描电子显微镜对该抑尘剂固化后的沙模固结层进行了外观形态表征， 4 9 北京化t 人学硕l j 研究生学位论文 实验结果表明，喷洒水的沙模沙土颗粒的排列呈无序状态，而喷洒抑尘剂后的沙土颗 粒相互粘连在一起，阻碍了随风任意运动，起到了很好的固沙抑尘作用。 3 、从实际应用的角度出发，通过一系列的实验对抑尘剂的保水性、沙模耐水冲 蚀性能、沙模耐温性能、沙模抗风蚀性能、沙堆抗压强度和沙堆表面固化效果进行了 试验研究。结果如下： ( 1 ) 保水性： 喷洒不同固含量抑尘剂的沙堆试样的失水均较慢，并且随着抑尘剂固含量的增 大，其含水量稍有增大。固含量在6 时，经过1 8 h 自然干燥后，其含水量仍在7 以 上，并且沙堆表面依旧有较硬的固结层，可起到固沙抑尘的作用。 ( 2 ) 沙模防水冲蚀性能： 固含量越高，喷淋后的沙模质量损失率越低。其中固含量为6 的抑尘剂喷淋后质 量损失率仅为5 7 7 。说明产品可以适用于多雨的气候环境。而固含量在3 0 6 o 之 间，固结层浸水干后均可恢复其坚硬的强度，说明其耐水性较好。 ( 3 ) 沙模耐温性能： 除固含量1 、1 5 的沙堆试样外壳在6 0 、7 0 时已变松散外，其它沙堆外壳在 各温度下变化不大，固结层依然较硬，说明该抑尘剂在高温自然环境下依然能有固沙 作用。 ( 4 ) 沙模抗风蚀性能： 按1 l m 2 用量喷洒固含量在6 以上的抑尘剂水溶液，采用1 2 0 0 w 吹风机置于最 大风速，模拟自然风，近距离连续吹风6 0 分钟后，沙模质量损失率低于o 1 ，说明 本产品的抗风蚀性能较好。 ( 5 ) 沙模抗压强度： 同一固含量( 6 ) 、不同配方抑尘剂喷洒的沙模的抗压强度较大，并且随着固