CN108383946A - 一种水溶性环保固沙剂的制备及应用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水溶性环保固沙剂乳液的制备，是以羟乙基纤维素作原料，赋予了固沙材料部分降解性能，以乙酸乙烯酯作为软单体，赋予固沙剂良好的内部粘结性；以丙烯酸作为硬单体，增强聚合物的内塑性和外部强度；而且丙烯酸含有羧基官能团，又含有碳碳双键，即能溶于有机相又能溶于水相，在一定程度上起到乳化剂的作用，以提高体系的稳定性。在向沙子中喷洒固沙剂后，沙子表层的沙粒会在固沙剂的粘结作用下紧密堆砌在一起形成固结层，防沙抑尘的同时也能起到部分隔绝空气的作用，从而保持水分，减缓蒸发，在固定沙土的同时，为植物提供更加有利的生长环境，另外，该固沙剂粘度和固化强度适中，固沙和保水性强，适用于固沙应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种固沙材料，尤其涉及一种水溶性环保固沙剂的制备方法；本发明同时还涉及该固沙剂的应用方法，属于水体保持和荒漠化防治领域。
背景技术
2015年12月中国林业局发表了第五次《中国荒漠化和沙化状况公报》，截至2014年，我国荒漠化土地面积261.16万平方公里，占国土总面积的27.20%。甘肃省荒漠化土地面积19.50万平方公里，占全省国土总面积49.61%，全省沙化土地面积12.17万平方公里，占全省总土地面积的30.85%。沙漠地区降水量少，蒸发量大，长年干旱少雨、温度高、湿度低、水资源短缺，导致植物存活率低；沙漠地区风力大、沙土疏松易于流动，种植的幼苗无法扎根存活，导致植物固沙的成本高且周期长。为了使沙漠尽量减少流动，首要任务是固定流沙，后保持沙漠含水量。从20世纪30年代开始，国外便进行了化学固沙材料的研究，国内的研究发展较慢，始于20世纪60年代。世界上已有46个国家研制出100多种化学制剂，用于改善沙地，防风固沙，主要包括以下5大类：水泥浆类、水玻璃类、石油产品类、高分子高吸水树脂类和合成高分子类。目前的研究中，研究者们使用多种原材料作为基质以合成多功能性的固沙剂，其中天然多糖类原材料最受青睐，这是因为其具有可再生、生物可降解、无毒等优点。
羟乙基纤维素（HEC）是一种白色或淡黄色，无味、无毒的纤维状或粉末状固体，属于非离子型可溶纤维素醚类，作为纤维素的代表衍生物之一，具备优良的水溶性和生物相容性。此外，HEC长链上还存在丰富的羟基（-OH）基团，相比于天然纤维素，其更容易被改性，且HEC具有良好的增稠、悬浮、分散、乳化、粘合、成膜、保护水分和提供保护胶体等特性，已被广泛应用在石油开采、涂料、建筑、医药食品、纺织、造纸以及高分子聚合反应等领域。乙酸乙烯酯（VAc）乳液是一种无毒、原料经济、成本低廉、便于使用的胶黏剂，广泛应用于工业领域中。然而，由于其耐热性差、耐水性及抗蠕变性欠佳等缺点，使其应用范围受到极大的限制，因此常采用共混、共聚、交联等改性手段来克服其缺点。丙烯酸（AA）是一种亲水性好的单体。若以丙烯酸和乙酸乙烯酯作为单体，接枝糊化纤维素，得到的固沙剂对水分具有一定的保持能力，有望在沙漠地区大面积推广使用。
发明内容
本发明的目的是提供一种水溶性环保固沙剂乳液的制备方法；
一、水溶性环保固沙剂乳液的制备
将羟乙基纤维素加入超纯水中，搅拌使其充分混合后升温至65℃~85℃，糊化0.5~2h后冷却至45℃~60℃；再在纤维素糊化液中加入用氢氧化钠中和至中和度在20% ~50%的丙烯酸，充分搅拌后将混合液升温至聚合温度75℃~85℃，缓慢滴加乙酸乙烯酯和引发剂，反应3~6h，降温出料，得到乳白色固沙剂乳液。所述各原料按以下质量份数计：羟乙基纤维素1~5份，超纯水50~80份，乙酸乙烯酯2~10份，丙烯酸2~10份，引发剂0.1~2份。
所述引发剂过硫酸钾、过氧化氢或过硫酸铵的中一种。
图1为本发明制备的固沙剂的红外光谱图，其中（1）为羟乙基纤维素的红外光谱曲线，（2）为羟乙基纤维素接枝丙烯酸、醋酸乙烯酯聚合物HEC-g-PAA/VAc的红外光谱曲线。从图1中可以看出，曲线（1）在3358cm-1处有羟乙基纤维素的-OH伸缩振动吸收峰，在1048cm-1处出现非常强的特征吸收带，其归因于HEC的C-OH官能团的伸缩振动，并且在曲线（2）的红外光谱中被强烈弱化，这可能与HEC主链上的-OH基团与中和后的AA的偶联反应有关。曲线（2）在3437 cm-1处有缔合的-OH伸缩振动吸收峰，1741 cm-1处出现羰基的强特征峰，1545cm-1处为羧酸盐的特征峰，1244 cm-1和1023 cm-1处出现C-O-C不对称和对称伸缩振动峰，798cm-1和585cm-1出现羟乙基纤维素的-CH2-摇摆振动吸收。对比曲线（1）和（2）可见，羟乙基纤维素接枝物的谱图中不仅保留了羟乙基纤维素特征峰，还出现了强羰基及羧酸盐特征峰，证明了丙烯酸和醋酸乙烯酯支链的存在，说明单体确已与羟乙基纤维素发生接枝。
二、水溶性环保固沙剂乳液的应用
应用方法1——液态固沙：在沙子中加入固沙剂的稀释溶液，制成固沙剂含量为0.1~0.5%的固沙模型。
应用方法2——粉末固沙：将固沙剂乳液干燥制成固体粉末状，然后与沙子混合，制成固沙剂含量为0.1~0.5%的固沙模型。
为了增加固沙模型的强度，在沙子中加入粘土，且沙子与粘土（红土、黄土、坡缕石）的质量比为0:5~5:0。
固沙性能测试结果：固沙剂溶液加入沙子中含量大于0.3%时，抗压强度大于1MPa；当固沙剂粉末含量大于0.4%时，抗压强度大于1MPa。当沙子中加入粘土时，同样固沙剂含量的固沙模型的抗压强度明显增强。而且，测试还表明，液态固沙剂固沙效果优于固态固沙剂粉末的效果。
图2为未喷洒固沙剂和喷洒固沙剂的沙土表层的扫描电镜图。从图2中可以看出，未喷洒固沙剂的沙样中沙粒呈松散状态分布，而喷洒固沙剂的沙粒表面被固沙剂包裹，沙粒相互粘结，形成固结层，从而起到防止风蚀水蚀的作用，同时减少水分的蒸发起到保水的效果。
综上所述，本发明以羟乙基纤维素作原料，赋予了固沙材料部分降解性能：产品水溶性好，黏度大，稳定性好，方便喷洒使用；以乙酸乙烯酯作为软单体，它的玻璃化温度是28℃，能够赋予固沙剂良好的内部粘结性；以丙烯酸作为硬单体，可以提高玻璃化转变温度，增强聚合物的内塑性和外部强度；而且丙烯酸含有羧基官能团，又含有碳碳双键，即能溶于有机相又能溶于水相，在一定程度上起到乳化剂的作用，以提高体系的稳定性。且单体的亲水基团越多，越倾向水性成核，核中的自由基也越容易聚集。在向沙子中喷洒固沙剂后，沙子表层的沙粒会在固沙剂的粘结作用下紧密堆砌在一起形成固结层，防沙抑尘的同时也能起到部分隔绝空气的作用，从而保持水分，减缓蒸发。固沙剂的吸水、保水性能关系到沙土、植物对水分的储存和吸收能力，固定沙土的同时，为植物提供更加有利的生长环境，化学固沙和生物固沙作用相结合，起到更好的固沙效果。
附图说明
图1为本发明中固沙剂的红外光谱图。
图2为和喷洒固沙剂的沙土表层的扫描电镜图。
图3为本发明实施例一、二中液态固沙剂与粉末状固沙剂固沙对比抗压强度关系曲线。
图4为本发明实施例三中沙子与粘土不同比例下抗压强度关系曲线。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明的固沙剂的制备和应用作进一步说明。
实施例一
1、固沙剂的制备
（1）纤维素糊化改性：称取1~5份的羟乙基纤维素加入四口烧瓶中，再加入超纯水50~80份，搅拌使其混合，升温至65℃~85℃，糊化0.5~2h后冷却至45℃~60℃，得纤维素糊化液；
（2）丙烯酸中和：向纤维素糊化液中加入2~10份中和度为20%~50%丙烯酸（由氢氧化钠溶液中和），充分搅拌，得混合液；
（3）接枝聚合：将上述混合液升温至聚合温度75℃~85℃，恒压滴液漏斗分别同步缓慢滴加乙酸乙烯酯2~10份和引发剂0.1~2份，保温后反应3~6h，降温出料，得到乳白色固沙剂乳液。
2、固沙剂的应用
（1）取一定量的民勤细沙，过100目筛备用；
（2）将一定量的固沙剂乳液，用水配制成稀释液，然后与一定量的细沙混合均匀，制得不同固沙剂含量（质量分数为0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%）的沙模（直径为5cm，高度为1.5cm），60℃干燥24h；
（3）固沙性能：当固沙剂乳液质量分数大于0.3%时，抗压强度大于1MPa（见图3）。
实施例二
1、固沙剂的制备：同实施例1；
2、固沙剂的应用
将固沙剂乳液在60℃干燥24h，粉碎过100目筛；然后分别以固沙剂含量0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%的质量分数与细沙混合均匀制备沙模；
3、固沙性能：当固沙剂粉末质量分数大于0.4%时，抗压强度大于1MPa（见图3）。其使用固沙剂水溶液效果优于直接使用固沙剂粉末。
实施例三
1、固沙剂的制备：同实施例一；
2、固沙剂的应用：将沙子与粘土（红土、黄土、坡缕石）按照0:5~5:0的质量比混合均匀，加入固沙剂乳液的稀释液，制备成固沙剂含量0.1%的沙模（直径为5cm，高度为1.5cm），60℃干燥24h；
3、固沙性能：当沙子与粘土混合且比例在2:2~3:2范围内时，抗压强度最高，添加红土的抗压强度高达1.3MPa；添加黄土的抗压强度高达0.6MPa；添加坡缕石的抗压强度最大，高达1.4MPa（见图4）。
Claims (9)
1.一种水溶性环保固沙剂的制备方法，是将羟乙基纤维素加入超纯水中，搅拌使其充分混合后升温至65℃~85℃，糊化0.5~2h后冷却至45℃~60℃；再在纤维素糊化液中加入用氢氧化钠中和至中和度在20%~50%的丙烯酸，充分搅拌后将混合液升温至聚合温度75℃~85℃，缓慢滴加乙酸乙烯酯和引发剂，反应3~6h，降温出料，得到乳白色固沙剂乳液。
2.如权利要求1所述水溶性环保固沙剂的制备方法，其特征在于：所述各原料按以下质量份数计：羟乙基纤维素1~5份，超纯水50~80份，乙酸乙烯酯2~10份，丙烯酸2~10份，引发剂0.1~2份。
3.如权利要求1或2所述水溶性环保固沙剂的制备方法，其特征在于：所述引发剂过硫酸钾、过氧化氢或过硫酸铵的中一种。
4.如权利要求1所述方法制备的水溶性环保固沙剂的使用方法，是在沙子中加入固沙剂的稀释溶液混合均匀，制成固沙剂含量为0.1~0.5%的固沙模型。
5.如权利要求4所述水溶性环保固沙剂的使用方法，其特征在于：在沙子中加入粘土，且沙子与粘土的质量比为1:0.6~1:5。
6.如权利要求5所述水溶性环保固沙剂的使用方法，其特征在于：粘土为红土、黄土或坡缕石。
7.如权利要求1所述方法制备的水溶性环保固沙剂的使用方法，是将固沙剂乳液干燥制成固体颗粒状，然后与沙子混合制成固沙剂含量为0.1~0.5%的固沙模型。
8.如权利要求7所述水溶性环保固沙剂的使用方法，其特征在于：在沙子中加入粘土，且沙子与粘土的质量比为1:0.6~1:5。
9.如权利要求7所述水溶性环保固沙剂的使用方法，其特征在于：粘土为红土、黄土或坡缕石。
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