一种新型高分子环保固沙剂的制备与性能研究

康慧芬，徐 建，李晓静，杨惠琳，张立忠

（1.宁夏宝塔化工中心实验室（有限公司），宁夏银川 750002；2.宁夏宝塔石化科技实业发展有限公司，宁夏银川 750002）

由于气候的变化、人口的增长、植被的破坏等外界因素的影响，使得土地承受的压力过于沉重，土地荒漠化日益严重[1]。因此有效的预防和治理沙漠化是当今世界急需解决的问题，而廉价、高效且环保的防沙治沙材料则成为人们关注的热点[2]。用高分子聚合物来治理流沙和沙质地表，可以使分散的、不定形的沙粒粘黏成为体积大的具有一定韧性且不容易被破坏的稳定体[3]。本文采用溶液聚合法，以硼砂、尿素和聚乙烯醇接枝水溶性淀粉，制备出水溶性好、黏度大的一种生物质接枝类固沙剂。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

试剂：聚乙烯醇、尿素、硼砂、可溶性淀粉、碳酸钠等，均为分析纯。

1.2 主要仪器

恒温水浴锅（天津市泰斯特仪器有限公司）；电子天平（北京恒顺仪器仪表厂）；万能材料试验机（协强仪器制造（上海）有限公司）；差热热重分析仪（北京精仪高科仪器有限公司）；红外光谱仪（上海航程光电科技有限公司）等。

1.3 试验方法

称取4.0 g聚乙烯醇于圆底烧瓶中，加入100 mL蒸馏水，在80℃水浴中加热搅拌溶解，待聚乙烯醇完全溶解呈透明状后，将温度降低到50℃，依次加入硼砂0.1 g、尿素1.0 g和可溶性淀粉2.0 g，使其与聚乙烯醇在50℃恒温水浴中聚合反应1 h，然后配制质量分数为1%的碳酸钠溶液，调节溶液的pH值至8，降温出料得到乳白色固沙剂乳液。

为使合成的固沙剂固沙效果显著，本文研究了聚合温度、反应时间和pH对固沙剂性质及应用性能的影响。

1.4 工艺优化

1.4.1 聚合温度考察试验 设计试验的聚合温度分别为40℃、50℃、60℃、70℃，综合固沙剂产品的黏度、乳液的外观以及抗压强度等分析考虑，选出最佳的聚合温度。

1.4.2 聚合时间考察试验 一般而言，反应时间越久，聚合效果越好。因此保持其他条件不变，设计聚合时间分别为 0.5 h、1.0 h、1.5 h、2.0 h，结合固沙剂产品黏度、乳液的外观以及抗压强度等因素综合考虑，选出较佳的反应时间。

1.4.3 pH的选择 保持其他条件不变，设计pH分别为 6.0、7.0、8.0、9.0，结合固沙剂产品的黏度、乳液的外观、放置稳定性等因素综合考虑，选出最合适的pH。

1.5 性质表征

对制备的固沙剂的黏度、吸水性、红外光谱、热重等性质进行测定。

1.5.1 红外光谱分析 对合成固沙剂的反应物和生成物进行红外光谱分析，扫描范围4000 cm-1～500 cm-1。

1.5.2 黏度分析 黏度的测量使用乌氏黏度计法[4]。通过测量样品流经毛细管的时间，计算出固沙剂的相对黏度。

1.5.3 吸水性测试 在玻璃片上滴取少量固沙剂乳液，70℃干燥后得到较平整的、厚度相同的薄膜，量取3片边长为3 cm的正方形薄膜，称其质量记为m0。称重后，在100 mL蒸馏水中浸泡1 h，待薄膜充分吸水后，再次称重记为m1，计算吸水率Q[5]。

计算公式如下：

1.5.4 固沙剂的热重分析 将已经合成好的产品的乳浊液，平铺在玻璃片上，使其具有均匀的厚度。将玻璃片放入70℃烘箱中烘干。然后称取均匀厚度的膜片5 mg，使用热重分析仪进行表征[6]。测量条件：升温速率为10℃/min，测量范围为室温至800℃。

1.6 固沙剂的应用性能研究

1.6.1 保水性测试 以1 L/m2的用量向1号沙样喷洒自来水，向2至6号同质量的沙样以同样量喷洒固含量分别为1%、2%、3%、4%、5%的固沙剂，70℃干燥至恒重，称量记录1～6号沙样质量；然后以1 L/m2的用量再向6个试样喷洒同样量的自来水后称重，计算最初含水量。将1～6号试样置于相同环境下日晒，每隔1 h对各个沙堆进行称重，计算试样的含水量，与未喷洒固沙剂的1号沙堆空白样进行对照，根据各个样品不同时间下含水量的变化，考察不同固含量的固沙剂的保水率情况。

1.6.2 抗风蚀性测试 将不同固含量的固沙剂固化后的沙样在自然条件风干至恒重，称重。模拟自然条件下刮风的情况，将沙样放置在吹风机下方10 cm处，对沙样进行1 h的吹风，然后对该沙样进行称重。计算沙样的质量损失率作为抗风蚀性参数。

1.6.3 耐水性测试 制备喷洒有不同固含量固沙剂的沙锥，自然干燥。然后按照10 L/m2的用量，喷洒自来水于沙锥表面，并观察水分渗透情况和固结层的外观，之后置于70℃烘箱中烘干至恒重，观察固结层的恢复情况。如此重复进行干湿循环，测试3次喷淋循环后沙锥的质量损失率。

1.6.4 抗压性测试 称量80 g粒径在0.3 mm～0.8 mm范围内的沙粒，加入固沙剂乳液20 mL，搅拌均匀后加入圆柱形模具中压实制成沙柱。在烘箱中70℃干燥24 h后取出，用万能材料试验机测量沙柱破碎时的最大抗压强度。

2 结果与分析

2.1 合成工艺参数的确定

2.1.1 聚合温度考察结果 在只改变聚合温度这一控制变量的条件下，研究温度对固沙剂产品的影响。结果（见表1）。

表1 聚合温度对产品的影响

由表1可知:产品的黏度随着聚合温度的升高先增大后减小，抗压强度也是先增大后减小，因此综合考虑选择聚合温度为60℃。

2.1.2 聚合时间考察结果 聚合反应需要一定的时间，并且时间的增加会使反应进行的更加充分，聚合效果会更好。反应时间考察结果（见表2）。

由表2可知，产品的黏度随着时间的增加先增大后减小，抗压强度也随之先增大后减小，1.5 h和1.0 h性质和性能差别不大，结合能源消耗综合考虑，最终选择聚合时间为1.0 h。

表2 聚合时间对产品的影响

2.1.3 pH考察结果 保持聚合温度为60℃，聚合时间为 1.0 h，调节 pH 分别为 6.0、7.0、8.0、9.0，研究不同pH对固沙剂产品的影响。结果（见表3）。

表3 pH对产品的影响

由表3可知，当pH大于8.0后，产品的黏度降低，乳液略泛黄色，并且有水乳分离现象出现。因此综合考虑，最终确定pH为8.0。

2.2 固沙剂性质研究

2.2.1 固沙剂红外光谱表征 本试验对相关物质的红外分析进行了测试，通过相关物质特征峰来判断接枝是否成功。

由图1可见，固沙剂的红外光谱曲线在3440 cm-1处有-OH 伸缩振动吸收峰，859 cm-1、763 cm-1、571 cm-1处有-CH2-摇摆振动吸收峰；1460 cm-1处有-NH-的变形振动峰。可见，固沙剂的谱图中不仅保留了淀粉特征峰，还出现了其他反应物特征峰，说明反应物接枝成功。

图1 红外光谱图

2.2.2 固沙剂黏度测试 用蒸馏水将所制成的固沙剂产品稀释为不同固含量浓度的溶液，采用乌氏黏度计测量不同固含量的固沙剂乳液的黏度以及不同环境温度下固沙剂黏度的变化情况。

图2 不同固含量固沙剂乳液在25℃时的黏度

由图2可知，当固含量由1%增加到5%的过程中，黏度由 12.28 mPa·s增大到 79.96 mPa·s，样品的黏度随着固含量的增加而增大，这是由于溶液的黏度与相对分子质量和乳液浓度相关，浓度增加，则相同体积内的相对分子质量增多，这将增强溶液内部的网状结构，阻碍水分子的流动，从而增大表观黏度。

图3 5%固含量固沙剂乳液在不同温度下的黏度

由图3可知，样品的黏度随着温度的增加而降低。温度的升高会加快分子间的运动，减弱分子间的作用力，减弱溶液内部的网状结构，从而降低黏度。由以上试验可知，1%固含量固沙剂乳液的黏度为12.28 mPa·s，能够满足实际应用中的黏结性需求。

2.2.3 固沙剂吸水性测试 对固沙剂进行吸水倍率测试，结果显示该固沙剂吸水倍率可达1.47倍。

2.2.4 固沙剂热重分析 从图4 TG热重曲线可以看出，在20℃～200℃曲线处于平行状态，样品基本无失重现象；在200℃～300℃，曲线明显下降，此时样品明显失重，经过一段时间后，至500℃曲线逐渐趋于平稳，样品完全分解。因此该产品在25℃～200℃热性能稳定，可以在自然环境里应用。

2.3 固沙剂应用性能

2.3.1 固沙剂保水性测试 模拟自然条件，运用称重法将喷洒固沙剂的沙样与喷洒水的空白沙样进行对照试验，根据含水量的变化，判断固沙剂的保水能力。

表4 喷洒不同固含量固沙剂的沙样含水量（%）的变化

由表4可知：随着沙样中固含量的增加，相同时间内，沙样的含水量增大。说明该固沙剂具有一定的吸湿保水性能，能够减缓水分的蒸发。同时喷洒了固沙剂的沙堆固含量越高，沙堆的失水率越慢，保水性能越明显。

图4 固沙剂共聚物TG曲线图

2.3.2 固沙剂抗风蚀性测试 由图5可知，没有喷洒固沙剂的沙样在风力吹蚀的情况下，质量损失最大，接近100%；而喷洒了固沙剂的沙样，随着固含量的增大，质量损失逐渐减小。当固含量＞4%时，沙样基本无质量损失。这是由于喷洒固沙剂后沙堆表面可以形成一层紧密的固结层，从而形成保护内部颗粒不受吹蚀的屏障。且固沙剂固含量越高，乳液黏度越大，固沙剂的黏结作用越强，沙粒黏结所形成的固结层越坚固。

图5 固沙剂抗风蚀性曲线图

表5 不同固含量固沙剂耐水性测试

2.3.3 固沙剂耐水性测试 由表5可知，随着固沙剂固含量的增大，沙堆的渗水性逐渐减慢，固结层吸水松软而不变形。这是由于随着固含量的增加，固沙剂含有的高聚物浓度升高，黏度增大，增强了沙子与沙子间的粘黏性，形成固结层，从而减缓水分下渗，提升耐水性能。

2.3.4 固沙剂抗压强度测试 将较优条件下制备的固沙剂乳液稀释成不同固含量，测试不同固含量固沙剂的黏度及沙洋的抗压强度（见表6）。

表6 不同固含量固沙剂抗压性测试

由表6可知，固沙剂的黏度和沙样的抗压强度随着固含量的增大而增加。因为固沙剂乳液固含量增大，分子浓度增多使得乳液的平均分子质量增大，乳液黏度增加，高聚物和沙粒之间及高聚物之间的粘结作用增强，表观强度也随之变大。当固含量为1%时，沙样的抗压强度即大于1 MPa，能够满足在实际应用中抗压强度的需求。

3 结论

（1）通过试验，对发生聚合反应的温度、时间以及pH的工艺条件进行了优化，得到最终相对较优的合成条件为：反应温度60℃、反应时间1 h、pH为8.0。

（2）对制备的固沙剂进行黏度、吸水率、红外、差热性能分析。结果表明:该固沙剂乳液黏度较大且水溶性好，可以和自来水以任意比例稀释后喷洒使用；固化后材料的吸水性强，具有明显的吸湿保水作用，利于植物生长；热性能稳定，能够满足沙漠等恶劣环境中的应用需求。

（3）对固沙剂的保水性、抗风蚀、耐水性、抗压性进行研究。结果表明：所制备的固沙剂有较强的保水性，抗风蚀性、耐水蚀性和抗压性都能够满足实际固沙中的应用需求。

综上所述，本文合成的固沙剂以淀粉作原料，成本低廉易得，具有生物降解性能；黏度大，水溶性好，稀释后喷洒使用方便；且吸湿保水性好，固沙和抗侵蚀性能优良，与生物固沙结合使用前景可观。