疏水缔合聚丙烯酰胺固沙剂的制备及性能研究

牛育华，杨通，王晨，宋洁

(1.陕西科技大学 教育部轻化工助剂化学与技术重点实验室，陕西 西安 710021；2.陕西农产品加工技术研究院,陕西 西安 710021)

由于全球气候变化和人类活动的影响，土壤退化造成沙尘暴、农作物受损、污染物扩散等已成为制约社会经济发展最严重的问题之一[1-5]。目前使用的覆盖卵石、插入秸秆等措施成本高[6-7]并且使用环境有限[8-13]。采用天然产物合成的化学固沙剂存在毒性大、抵抗紫外线能力弱等缺点[14-16]。本文以阳离子聚丙烯酰胺经疏水缔合作用制备一种新型固沙粘液，再加入土壤改良剂腐植酸溶液进行混合制得液体固沙剂[17-18]，然后通过与沙粒之间的静电作用进行固沙[19-21]，该技术是将化学固沙与生物改良相结合，是防治荒漠化、实现生态系统逐步恢复的潜在有效方法。

1 实验部分

1.1 原料与仪器

丙烯酰胺、丙烯酸丁酯、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、腐植酸、过硫酸钾、N,N-亚甲基双丙烯酰胺均为分析纯。

PL-60-11应变计；CDP-50位移传感器。

1.2 固沙剂的制备

取去离子水80 g，10 g丙烯酰胺，2 g丙烯酸丁酯，8 g甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵，加入三口烧瓶中，水浴加热，通氮气，进行搅拌，升温至50 ℃，然后用20 g去离子水溶解N，N-亚甲基双丙烯酰胺0.06 g，并搅拌使其充分混合。搅拌15 min后，缓慢滴加用30 g去离子水溶解的过硫酸钾0.3 g，升高温度至65 ℃，反应8 h，待上述过程完成后，对其滴加用9 g去离子水溶解的腐植酸钾1 g，充分反应2 h后取出，即得腐植酸固沙剂。将固沙剂与水按照一定的比例进行混合来进行固沙。固沙剂的反应机理见图1。

图1 固沙剂反应机理

1.3 测试固沙样品的抗压性能

将150 g沙粒与30 g浓度为25%的固沙剂水溶液混合均匀放入模具(直径2.5 cm，高10 cm)中，在35 ℃下进行固化，固化时间为24 h，将样品从模具中取出。通过电液伺服通用试验机以5 mm/min的速率进行位移控制，使用应变计测量水平变形和位移传感器用于测量轴向位移。通过压缩沙棒来测试其抗压性能。

1.4 研究固沙剂的渗透性

为了确定固沙剂水溶液的渗透性，将200 g沙粒放入模具(直径2.5 cm，高10 cm)中，并将30 g 25%固沙剂水溶液进行喷洒。其立即渗透到内层，沙粒的粒度分布见表1。

由表1可知，沙粒的粒径主要在0.2～0.25 mm和0.15～0.2 mm之间，密度为1.52 g/cm3,孔隙率为42.6%。

表1 沙子的颗粒分析Table 1 Particle analysis of sand

1.5 测试固沙样品的抗风蚀性能

将1 000 g沙粒试样放入直径14 cm，高4.5 cm的圆柱形沙表中，使沙面平坦化。通过将固沙剂溶解在水中制备浓度为25%的固沙剂水溶液，并将溶液以6 L/m2的速率喷洒在制备的沙粒表面上。溶液立即渗透到沙子内部，随着固沙剂固化，迅速形成固结层。将固沙样品在室温(20 ℃)和30%的空气湿度下风干7 d。将制备好的固沙试样进行模拟风机实验，在风力的作用下，以一定的速度和角度进行实验。实验参数设置风速为10 m/s,30 min;20 m/s,30 min。风流角度0，45°。风沙量定义为风沙减沙量，风蚀系数为单位面积、单位时间的风蚀量。它们是评估抗风蚀损害的重要物理量。根据式(1)计算风蚀模量：

建筑行业以项目作为独立的管理单元，项目周期短，无固定生产场地和生产部门，企业及其员工须根据项目规模及需要，不断调整管理模式及工作地点，业人员流动性大、分布广泛的特点由此产生。传统面对面的人力资源管理模式已无法满足实际管理的需要，如何打破时间和空间的限制进行信息传递是建筑企业人力资源管理者急需解决的问题。

(1)

式中Re——风蚀模数，g/(m2·min)；

m0——实验前沙粒的总质量，g；

m1——实验后沙粒的总质量，g；

S——试样的表面积，m2；

T——测试时间，min。

1.6 表面形貌

将固化后的沙粒采用扫描电子显微镜测定其表面形貌。

2 结果与讨论

2.1 固沙剂与沙粒的粘结机理分析

3个因素影响固沙剂水溶液和沙粒之间的固化作用。首先是疏水缔合阳离子聚丙烯酰胺-腐植酸存在阳离子，其可与沙粒表面的阴离子形成静电作用，进而与沙粒之间进行固化作用。第2个因素涉及到固沙剂水溶液中存在酰胺基和酯基，其可通过氢键作用粘附到沙粒表面以形成强的粘合力。第3个因素是固沙剂水溶液在沙粒表面的润湿性，只要固沙剂水溶液具有适宜的润湿性，它就能均匀的分散在沙粒表面。

图2显示了固沙剂水溶液浸泡在沙粒表面以及固沙剂与沙粒之间力的示意图。由于疏水缔合阳离子聚丙烯酰胺-腐植酸溶液是一种高粘度流体，需加一定量的水让其稀释。水的表面张力非常高，因此固沙剂的粘附能力非常强，结合以形成高表面张力的粘合剂层。由于沙面张力也很高，属于高能面。固沙剂水溶液与沙粒的润湿角度小，固沙剂水溶液的表面张力与沙粒的表面张力相似。因此，固沙剂水溶液可以均匀地浸泡在沙粒表面并且均匀分散。图2a～2d显示了固沙剂水溶液在沙面上的分散程序。

图2 基于固沙剂与粘结剂机理

a.向沙粒表面喷洒固沙剂液滴；b.沙粒表面液滴；c.液滴在沙粒表面分散；d.液滴在沙粒表面均匀分散；e.沙粒与固沙剂之间的静电作用；f.固沙剂与沙粒表面存在氢键作用

丙烯酰胺通过胶束聚合反应与丙烯酸丁酯和甲基酰氧乙基三甲基氯化铵进行接枝，形成疏水缔合阳离子聚丙烯酰胺，该疏水基团可以有效地增强聚合物的粘度。聚合物中的氨基与酯基可以有效地与沙粒表面的羟基发生氢键作用，腐植酸分子存在大量的羧基和羟基，都能与沙粒表面的羟基发生氢键作用。图2f是疏水缔合阳离子聚丙烯酰胺-腐植酸分子与沙粒之间氢键作用力的示意图。

丙烯酰胺通过阳离子化使其正电荷性，沙粒表面存在大量的负电荷，腐植酸分子本身具有负电荷并且具有良好的改良土壤的特点，三者之间通过静电作用进行结合，使沙粒进行团聚来进行固沙。图2e是疏水缔合阳离子聚丙烯酰胺-腐植酸分子与沙粒之间静电作用力的示意图。

疏水缔合阳离子聚丙烯酰胺-腐植酸固沙机理示意图见图3。

图3 基于固沙剂的化学固沙工艺Fig.3 Chemical sand fixation process based on sand-fixing agenta.移动沙子；b.喷洒固沙剂水溶液；c.受固沙剂影响的固沙层；d.沙粒之间的连接

当固沙剂水溶液喷洒在沙粒表面上时(图3a)，可以穿过沙孔并均匀分散在沙粒表面，在一段时间内，固沙剂水溶液固化，固沙剂与沙粒形成强大的作用力，形成已知应力的固定层(图3b)。随着水分蒸发，固沙剂体积减少，沙粒收缩(图3c)。固沙剂与沙粒之间架起了一座桥梁，将沙粒连接在一起形成了一个固沙层，具有良好的抗压应力和风蚀能力，可以提供一个适宜的、稳定的环境。

2.2 讨论DMC与KHA含量对抗压性能的影响

实验条件同1.2节，在仅改变DMC用量和仅改变KHA用量时，制备固沙剂，考察固沙剂对抗压性能的影响，结果见图4。

图4 DMC变化量(a)和KHA用量(b)对固沙剂固沙的影响

固沙剂中阳离子的含量是决定固沙剂抗压性能的指标之一。由图4a可知，随着DMC含量的增加，其压缩强度也随之增加，当DMC的含量为8 g时，其压缩强度达到1.13 MPa。KHA存在大量的羟基与羧基，其具有阴离子属性，与沙粒之间存在大量的氢键作用，可以牢固地与沙粒结合，由图4b可知，当腐殖酸含量为3 g时，其压缩强度达到最大值，为1.50 MPa，当其含量继续增加时，其阻碍着固沙剂与沙粒的结合，使其压缩强度下降，当其含量减小时，固沙剂与沙粒的结合度不够，导致其压缩强度下降。

2.3 固化时间与固沙剂质量浓度对抗压性能的影响

实验条件同1.3节，在仅改变固化时间和仅改变固沙剂浓度时，考察对抗压性能的影响，结果见图5。

图5 固化时间(a)和固沙剂浓度(b)对固沙剂固沙的影响

由图5a可知，固化时间对抗压性能的影响较大。当固化时间为6 h时，其压缩强度为0.69 MPa，这是由于固沙剂没有完全固化，沙粒不能完全固结导致的。而当24 h之后，固沙剂完全固化，沙粒完全固结，这时其压缩强度达到1.5 MPa左右。由此可知该固沙剂最低固化时间为24 h左右。由图5(b)可知，当固沙剂质量浓度为10%时，其压缩强度为0.98 MPa，随着固沙剂浓度的增加，其压缩强度也随之增加，当固沙剂质量浓度为25%时，其压缩强度为1.53 MPa。考虑成本与环境要求，固沙剂质量浓度达到25%时，其性能最佳。

2.4 固沙剂渗透性能

固沙剂的渗透性能见图6。

由图6可知，随着时间的延长，其固沙剂的渗透厚度也随之增大。在0～2 min之间，由于沙粒之间对固沙剂的阻力小，固沙剂的渗透速率大，而当渗透厚度达到一定值时，沙粒表面的润湿性大，沙粒对固沙剂的阻力增加，其渗透速率减小，在10 min以后，曲线趋于平缓，固沙剂不再渗透。

图6 固沙剂对沙粒渗透性能变化情况

2.5 固沙剂的抗风蚀性能

实验条件同1.5节，考察抗风蚀性能，结果见表2。

表2 由不同浓度和风速所测试的固沙层的抗风蚀实验Table 2 Wind erosion resistance tests of sand-fixing layers tested by different concentrations and wind speeds

由表2可知，该固沙剂的风蚀模数最小为0.75 g/(m2·min)，最大为1.17 g/(m2·min)。当风速一定时，随着角度的增加，其所得风蚀模数也随之增大，0°为0.75 g/(m2·min)，45°为0.98 g/(m2·min)。当角度为一定时，随着风速的增加，其所得风蚀模数也随之增大，0°时，10 m/s为0.75 g/(m2·min),20 m/s为0.94 g/(m2·min)。与传统固沙剂相比，该固沙剂有效地抑制了风的吹蚀效果，成功地对沙粒起到了固结作用。

2.6 固结沙粒形貌图

固沙剂对沙粒的固结情况见图7。

图7 固沙剂固结沙粒

Fig.7 Sand-fixing agent consolidated sand
a.1 mm；b.500 μm；c.200 μm

由图7可知，沙粒经过固沙剂的粘结作用，使沙粒黏连在一起，达到沙粒固结的作用。图7a显示出了沙粒经过固沙剂的聚集作用使沙粒团结在一起。图7c可以明显的看出沙粒的连接情况，沙粒与沙粒之间通过一定厚度的固沙剂连接，图中两线之间区域的距离表示固沙剂的固结厚度。由此可知,该固沙剂可以有效地对沙粒进行固结作用。

3 结论

通过实验，对该合成工艺的DMC含量与KHA含量的工艺进行了优化，得到最终相对较优的合成条件：DMC含量为8 g，KHA含量为3 g。对固沙剂的浓度、固化时间、固沙剂渗透性、抗风蚀性、微观形貌等进行分析。结果表明，当固沙剂质量浓度为25%，固化时间为24 h时，其抗压强度与抗风蚀性能达到最佳。固沙剂水溶液在沙粒表面存在良好的润湿性，疏水缔合阳离子聚丙烯酰胺-腐植酸与沙粒之间的粘附力主要是通过氢键和静电作用。疏水缔合阳离子聚丙烯酰胺-腐植酸具有酯键、酰胺基可与沙粒表面的羟基形成氢键，其接枝的阳离子可与沙粒表面的阴离子形成静电作用。