丙烯酰胺改性羥丙基纖維素固沙劑的研制

申閆春 楊獻(xiàn)青 王芳輝 朱紅

摘 要：制備了一種以羥丙基纖維素為骨架，聚丙烯酰胺為支鏈的高分子固沙劑，優(yōu)化了制備條件。最優(yōu)條件下制備的固沙劑使用濃度為1%時(shí)，所形成的固化層抗壓強(qiáng)度達(dá)到2.5Mpa，8次耐水性實(shí)驗(yàn)后，固化層仍能恢復(fù)較好的固沙效果，與純羥丙基纖維素固沙劑相比，該固沙劑的各項(xiàng)固沙性能更優(yōu)，保水性能和耐水性能提升顯著。

關(guān)鍵詞：聚丙烯酰胺；羥丙基纖維素；共聚；固沙

中圖分類號(hào)：S157 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）26-0045-02

Abstract： A high molecular sand fixing agent with hydroxypropyl cellulose as skeleton and poly-acrylamide as branched chain was prepared and the preparation conditions were optimized. When the concentration of sand fixing agent is 1% under the optimum conditions， the compressive strength of the solidified layer can reach 2.5 Mpa. After 8 times of water resistance test， the solidified layer can still recover better sand-fixing effect. Compared with the pure hydroxypropyl cellulose sand-fixing agent， the modified sand-fixation agent have better sand-fixation performance， water retention and water resistance.

Keywords： poly-acrylamide； hydroxypropyl cellulose； co-polymerization； sand fixation

土地的荒漠化，沙漠化，嚴(yán)重影響人們的生產(chǎn)生活，我國(guó)的土地荒漠化，沙漠化也日益嚴(yán)重，因此，繼續(xù)開發(fā)治理或者延緩?fù)恋鼗哪蜕衬姆椒?，在目前所有的技術(shù)中，化學(xué)固沙時(shí)效果最好，操作最簡(jiǎn)單的方法。源自于生物質(zhì)的高分子固沙劑固沙性能好，來(lái)源較多，污染和毒性小，但是其本身性質(zhì)決定了其保水性能和耐水性能不夠。但是高分子類吸水材料具有良好的保水、吸水和耐水性能。利用一步法，在溶液中將丙烯酰胺和羥丙基纖維素進(jìn)行共聚，合成出一種保水性能和耐水性能均較好，且固沙效果優(yōu)異的固沙劑。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 改性羥丙基纖維素的合成

稱取一定量的羥丙基纖維素，將其溶于水中。加入少量堿使整個(gè)體系pH值≈8。在上述體系中加入丙烯酰胺溶液，混合均勻。容器中通入N2，通氣30min并充分?jǐn)嚢?，升溫?0℃。之后滴入過(guò)硫酸鉀溶液，用作引發(fā)劑，在此溫度下反應(yīng)一段時(shí)間，用乙醇將體系中的產(chǎn)物沉淀，離心分離，并多次洗滌。然后用丙酮提純產(chǎn)物，烘干后即得固沙劑產(chǎn)品。

1.2 固沙劑及固化層基本性質(zhì)參數(shù)的測(cè)量方法

1.2.1 粘度的測(cè)定

采用粘度計(jì)型號(hào)為NDJ-79型。根據(jù)測(cè)量液的粘度范圍選擇合適的轉(zhuǎn)子，測(cè)量溫度為25℃。

1.2.2 pH值的測(cè)定

采用Seven Easy S20實(shí)驗(yàn)室pH計(jì)測(cè)量。

1.2.3 固化層平均厚度的測(cè)量

待沙子表層的固化層形成，穩(wěn)定和干燥后，分區(qū)域取出兩塊固化層，再每塊固化層上，均勻取5個(gè)位點(diǎn)，每個(gè)位點(diǎn)測(cè)量三次，對(duì)所有測(cè)量的數(shù)值取平均，即近似為固化劑固化層的平均厚度。

1.2.4 固化層抗壓強(qiáng)度的測(cè)量

采用769Yp-15A 型粉末壓片機(jī)測(cè)量固化層抗壓強(qiáng)度，將固化層形成后的沙洋，放入壓片機(jī)中，對(duì)沙樣表面施加壓力，測(cè)量固化層損壞時(shí)的壓強(qiáng)，即為固沙劑固化層的抗壓強(qiáng)度。

1.2.5 固沙劑固相保水率的測(cè)量公式

2 結(jié)果與討論

2.1 丙烯酰胺與羥丙基纖維素使用比例的影響

合成時(shí)，只改變丙烯酰胺和羥丙基纖維素的投料比，分別為：1：1、1：2、1：3、1：4合成四種不同投料比的固化劑，將固化劑配成1%的溶液，按2.5kg/m2的使用量噴灑在沙堆表面。投料比對(duì)固沙劑固沙性能的影響見表1。

從表1中的數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)羥丙基纖維素用量增多時(shí)，所形成的固化層厚度逐漸增加，但是增加幅度越來(lái)越慢，保水率的趨勢(shì)與其一致；固化層厚度和耐水性能是先增加后減少的趨勢(shì)，投料比為1：2 時(shí)，固化層強(qiáng)度和耐水性性能達(dá)到最佳。綜合后將丙烯酰胺和羥丙基纖維素的比例確定為1：2。

2.2 過(guò)硫酸鉀濃度的影響

固定其他反應(yīng)條件，考察引發(fā)劑過(guò)硫酸鉀的濃度對(duì)固沙劑固沙效果的影響，其結(jié)果如表2所示。

從表2的數(shù)據(jù)可以得到，當(dāng)引發(fā)劑過(guò)硫酸鉀的濃度在逐漸增大時(shí)，固化層厚度、固化層強(qiáng)度、保水率和耐水性都呈現(xiàn)先增大到一個(gè)最大值后，再減少的趨勢(shì)，在過(guò)硫酸鉀濃度為0.15g/L時(shí)各項(xiàng)性能均能夠達(dá)到最優(yōu)值，此時(shí)的固化劑所產(chǎn)生的固化效果為最佳，據(jù)此，確定過(guò)硫酸鉀的最佳使用濃度為0.15g/L。

2.3 反應(yīng)溫度的影響

反應(yīng)溫度不僅從熱力學(xué)上影響聚合反應(yīng)，也從動(dòng)力學(xué)上影響反應(yīng)速率，其動(dòng)力學(xué)關(guān)系符合Arrhenius公式：k=A·e-E/RT。其動(dòng)力學(xué)影響見表3。

從表3的數(shù)據(jù)中可以看出，當(dāng)反應(yīng)溫度升高時(shí)，固沙劑的固化層厚度、固化層強(qiáng)度、保水率和耐水性均是先逐漸增加，到達(dá)一個(gè)最優(yōu)值之后，再下降。結(jié)果顯示，當(dāng)反應(yīng)溫度為70℃時(shí)，各項(xiàng)性能均達(dá)到最佳值。最終確定反應(yīng)溫度為70℃。

2.4 反應(yīng)時(shí)間的影響

根據(jù)前面確定的各項(xiàng)反應(yīng)條件的最佳值，考察反應(yīng)時(shí)間對(duì)聚合接枝反應(yīng)生成固沙劑性能的影響，其結(jié)果如表4所示。

從表4中的數(shù)據(jù)可得出，隨著體系反應(yīng)時(shí)間逐漸增加，固沙劑的固化層厚度固和耐水性先快速增加，后緩慢降低，在4h時(shí)達(dá)到最佳值，固化層強(qiáng)度和保水率先隨著反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)而逐漸增加，到4h時(shí)到最佳，之后變化很小，因此確定最佳反應(yīng)時(shí)間為4h。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)一步法，將羥丙基纖維素和丙烯酰胺在溶液中進(jìn)行接枝聚合制備出一種結(jié)合生物高分子和聚合物高分子綜合性能的固沙劑，得到了最優(yōu)制備條件：反應(yīng)時(shí)間4h，引發(fā)劑K2S2O3濃度為0.15g/L，羥丙基纖維素與丙烯酰胺的投料比1：2，反應(yīng)溫度70℃。該產(chǎn)品具有優(yōu)良的耐水性和保水性，且固化層厚度和強(qiáng)度均滿足要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]賴俊華，張凱，王維樹.化學(xué)固沙材料研究進(jìn)展及展望[J].中國(guó)沙漠，2017，37（4）：644-658.

[2]丁偉.丙烯酰胺類聚合物合成及性能研究[D].大慶：大慶石油學(xué)院，2005.