一種化學固化劑及其製備方法和應用與流程
2024-04-04 16:27:05
本發明涉及固化劑領域，具體而言，涉及一種化學固化劑及其製備方法和應用。
背景技術：
沙質荒漠化(簡稱沙漠化)，是一種在不合理的人類活動和自然條件變化的綜合作用下導致的土地退化過程。在此過程中土地生產力大幅度降低，甚至成為不可利用的土地，並引發沙塵暴、風沙活動等災害，嚴重地危害工農業生產，降低人民的生活質量。
沙漠化是荒漠化的主要類型之一，它作為極其重要的環境和社會經濟問題困擾著當今世界，威脅著人類的生存和發展。全球荒漠化面積已達3600萬平方公裡，佔全球陸地面積的1/4，且以每年5－7萬平方公裡的速度在擴大，每年造成的直接經濟損失高達423億美元，影響全球1/6的人口。
目前，已有的固沙技術分為物理固沙、生物固沙和化學固沙。其中，化學固沙因施工方便快捷，近年來得到快速發展。目前市售化學固化劑大概有一百多個品種，這些化學固化劑是將固化劑噴灑至沙面之後，通過固化劑與沙粒之間的相互作用，在沙面覆蓋一層保護殼來達到治沙目的。然而，使用這類化學固化劑，就類似於在沙面上覆蓋了一層用沙子做填料的薄皮，在使用過程中，經常會出現因施工或風蝕的作用導致該薄皮的破損，甚至全部剝離的問題，導致沙漠化治理收效甚微。
技術實現要素：
本發明的第一目的在於提供一種化學固化劑，該化學固化劑具有仿生性能，能夠長效的對沙粒進行固定化治理，提高沙漠的抗風蝕和抗水蝕的能力。
本發明的第二目的在於提供一種化學固化劑的製備方法，該方法步驟簡單，反應條件溫和，易於實施，適合大工業生產。
本發明的第三目的在於提供一種化學固化劑在沙漠治理中的應用，通過將該化學固化劑噴灑在沙面上，能夠使沙面形成穩定的化學結皮。
為了實現本發明的上述目的，特採用以下技術方案：
一種化學固化劑，包括第一組分和第二組分，第一組分主要由水與20～50重量份的聚乙烯醇、10～30重量份的聚丙烯醯胺和10～30重量份的丙烯酸鹽製得；第二組分為含有百分比濃度為2～5％矽酸鈉的溶液。一種化學固化劑的製備方法，其包括：
將按重量份數計的聚乙烯醇20～50份、聚丙烯醯胺10～30份和丙烯酸鹽10～30份與水混合，並於60～80℃下加熱反應30～120min，得到第一組分；
配製質量百分比濃度為2～5％的矽酸鈉溶液，得到第二組分。一種上述化學固化劑在沙漠治理中的應用，先將第一組分噴灑至待治理的沙面後，再將第二組分噴灑至沙面上，其中第一組分與第二組分的體積比為1～4：1。
與現有技術相比，本發明的有益效果為：
本發明提供的這種化學固化劑，第一組分中的聚乙烯醇和聚丙烯醯胺均為水溶性高分子聚合物，其中，聚乙烯醇作為成膜劑，能夠在沙面成膜，聚丙烯醯胺作為粘合劑，能夠通過物理黏結的方式將沙粒粘連固定起來。丙烯酸鹽作為保水劑，有助於較長時間保持沙粒中的水分，同時，也能夠協同性的促進聚乙烯醇和聚丙烯醯胺的成膜或粘合作用。此外，矽酸鈉具有很好的耐水和抗水性，能夠防止該化學固化劑在使用過程中遭受水蝕。
將這種化學固化劑噴灑至沙面上以後，由於第一組分和第二組分在沙地的滲透程度不同，使該化學固化劑能夠在沙地的表層形成功能性的化學結皮，在沙地的表層以下，能夠形成交聯的網狀纖維，從而將化學結皮穩定的錨固在沙地中。這種固化劑形成的化學結皮，具有仿生性能，即該化學結皮類似於生物結皮那樣，能夠長效的對沙粒進行固定化治理，提高沙漠的抗風蝕和抗水蝕的能力。這種化學固化劑的製備方法簡單，反應條件溫和，易於實施，適合大工業生產。
附圖說明
為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，以下將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹。
圖1為實施例1中提供的化學固化劑的電鏡圖。
具體實施方式
下面將結合實施例對本發明的實施方案進行詳細描述，但是本領域技術人員將會理解，下列實施例僅用於說明本發明，而不應視為限制本發明的範圍。實施例中未註明具體條件者，按照常規條件或製造商建議的條件進行。所用試劑或儀器未註明生產廠商者，均為可以通過市售購買獲得的常規產品。
本實施方式提供一種化學固化劑，包括第一組分和第二組分，第一組分主要由水與20～50重量份的聚乙烯醇、10～30重量份的聚丙烯醯胺和10～30重量份的丙烯酸鹽製得；第二組分為含有百分比濃度為2～5％矽酸鈉的溶液。
本發明提供的這種化學固化劑，第一組分中的聚乙烯醇和聚丙烯醯胺均為水溶性高分子聚合物，其中，聚乙烯醇作為成膜劑，能夠在沙面成膜，聚丙烯醯胺作為粘合劑，能夠通過物理黏結的方式將沙粒粘連固定起來。丙烯酸鹽作為保水劑，有助於較長時間保持沙粒中的水分，同時，也能夠協同性的促進聚乙烯醇和聚丙烯醯胺的成膜或粘合作用。此外，矽酸鈉具有很好的耐水和抗水性，能夠防止該化學固化劑在使用過程中遭受水蝕。
在這種化學固化劑中，第一組分和矽酸鈉，兩者均不但能在沙地的表面成膜，也能通過滲透作用滲入沙地的底層，不同之處在於，第一組分的滲透強度大於矽酸鈉，滲入的深度更深，因此這種化學固化劑除了在沙粒表層形成化學結皮外，還能通過第一組分中交聯的網狀纖維形成穩定的錨固結構。此外，第一組分和矽酸鈉之間具有協同增效的作用，矽酸鈉能夠改善第一組分中的聚乙烯醇的耐水性和抗壓強度，而第一組分也能改善矽酸鈉的柔性和抗撕裂強度。
將這種化學固化劑噴灑至沙面上以後，由於第一組分和第二組分在沙地的滲透程度不同，使該化學固化劑能夠在沙地的表層形成功能性的化學結皮，在沙地的表層以下，能夠形成交聯的網狀纖維，從而將化學結皮穩定的錨固在沙地中。這種固化劑形成的化學結皮，具有仿生性能，即該化學結皮類似於生物結皮那樣，能夠長效的對沙粒進行固定化治理，提高沙漠的抗風蝕和抗水蝕的能力。
為了更進一步的提高該化學固化劑的固沙效果，在本發明較佳的實施例中，按重量份數計，聚乙烯醇為30～40份、聚丙烯醯胺為15～25份、丙烯酸鹽為15～25份。其中，丙烯酸鹽包括丙烯酸鉀和/或丙烯酸鈉。
進一步的，在本發明較佳的實施例中，第一組分的原料按重量份數計還包括：交聯劑0.001～0.006份。交聯劑能夠將聚乙烯醇和聚丙烯醯胺交聯起來，提高化學結皮結構的穩定性。
進一步的，在本發明較佳的實施例中，交聯劑包括N-N亞甲基雙丙烯醯胺和/或甲基矽酸鈉。甲基矽酸鈉具有很好的防水性能，N-N亞甲基雙丙烯醯胺用作交聯劑，具有很好的交聯作用，遇高溫或者強光會發生自交聯。N-N亞甲基雙丙烯醯胺和甲基矽酸鈉這兩種物質作為交聯劑，能夠顯著提高化學結皮的抗風蝕和抗水蝕的能力。
進一步的，在本發明較佳的實施例中，交聯劑為甲基矽酸鈉和N-N亞甲基雙丙烯醯胺。其中，甲基矽酸鈉與N-N亞甲基雙丙烯醯胺的體積比為1：5～7，通過這一配比得到的交聯劑，使得該化學固化劑的固沙效果更好。
進一步的，在本發明較佳的實施例中，矽酸鈉的模數為1.5～3。矽酸鈉，又名水玻璃，是一種礦黏合劑，其化學式為Na2O·nSiO2，模數n為SiO2和Na2O的摩爾數的比值，模數顯示矽酸鈉的組成。矽酸鈉的模數越大，氧化矽含量越多，矽酸鈉粘度增大，易於分解硬化，粘結力增大。在本發明中，選優模數為1.5～3的矽酸鈉，以利用矽酸鈉較大的粘結力，來進一步的改善第一組分中聚乙烯醇的耐水性和抗壓強度。
本實施方式還提供一種上述化學固化劑的製備方法，其包括：
將按重量份數計的聚乙烯醇20～50份、聚丙烯醯胺10～30份和丙烯酸鹽10～30份與水混合，並於60～80℃下加熱反應30～120min，得到第一組分；優選地，該加熱反應為水浴加熱反應，即按重量份數將原料中的各組分與水混合，並於水浴溫度為60～80℃下加熱反應30～120min，得到第一組分。通過水浴加熱，有效控制反應溫度，有利於該反應的穩定進行。
配製質量百分比濃度為2～5％的矽酸鈉溶液，得到第二組分；優選地，矽酸鈉溶液的百分比濃度為3％。
進一步的，在本發明較佳的實施例中，水與丙烯醯胺的體積比為2～6：1，優選地，水與丙烯醯胺的體積比為4：1。
這種化學固化劑的製備方法簡單，反應條件溫和，易於實施，適合大工業生產。
本實施方式還提供上述化學固化劑在沙漠治理中的應用，使用方法為：先將第一組分噴灑至待治理的沙面後，再將第二組分噴灑至沙面上，其中第一組分與第二組分的體積比為1～4：1。優選地，第一組分與第二組分的體積比為2：1；有利於提高第一組分與第二組分的配合程度，提高二者的協同增效作用。
將這種化學固化劑噴灑至沙面上以後，由於第一組分和第二組分在沙地的滲透程度不同，使該化學固化劑能夠在沙地的表層形成功能性的化學結皮，在沙地的表層以下，能夠形成交聯的網狀纖維，從而將化學結皮穩定的錨固在沙地中。這種固化劑形成的化學結皮，具有仿生性能，即該化學結皮類似於生物結皮那樣，能夠長效的對沙粒進行固定化治理，提高沙漠的抗風蝕和抗水蝕的能力。
以下結合實施例對本發明的特徵和性能作進一步的詳細描述：
實施例1
本實施例提供一種化學固化劑，該化學固化劑包括第一組分和第二組分。其中，第一組分主要由以下按重量份數計的原料與水混合製得：聚乙烯醇50份、聚丙烯醯胺10和丙烯酸鹽30份；第二組分按重量份數計包括矽酸鈉5份。
這種化學固化劑的製備方法為：
將第一組分的原料組分與水混合，並於60℃下加熱反應120min，得到第一組分；
配製質量百分比濃度為5％的矽酸鈉溶液，得到第二組分。
這種化學固化劑的使用方法：先將第一組分噴灑在沙地的表面，再將第二組分噴灑至沙地表面，即可得到固沙目的，其中第一組分與第二組分的體積比為1：1。
實施例2
本實施例提供一種化學固化劑，該化學固化劑包括第一組分和第二組分。其中，第一組分主要由以下按重量份數計的原料與水混合製得：聚乙烯醇40份、聚丙烯醯胺15和丙烯酸鹽25份；第二組分按重量份數計包括矽酸鈉3份。
這種化學固化劑的製備方法為：
將第一組分中的原料與水混合，並於80℃的水浴下加熱反應30min，得到第一組分；
配製質量百分比濃度為2％的矽酸鈉溶液，得到第二組分。
這種化學固化劑的使用方法：先將第一組分噴灑在沙地的表面，再將第二組分噴灑至沙地表面，即可得到固沙目的，其中第一組分與第二組分的體積比為4：1。
實施例3
本實施例提供一種化學固化劑，該化學固化劑包括第一組分和第二組分。其中，第一組分主要由以下按重量份數計的原料與水混合製得：聚乙烯醇30份、聚丙烯醯胺10份、丙烯酸鹽10份；第二組分按重量份數計包括矽酸鈉3份。
這種化學固化劑的製備方法為：
將第一組分中的原料與水混合，並於70℃的水浴下加熱反應80min，得到第一組分；
配製質量百分比濃度為3％的矽酸鈉溶液，得到第二組分。
這種化學固化劑的使用方法：先將第一組分噴灑在沙地的表面，再將第二組分噴灑至沙地表面，即可得到固沙目的，其中第一組分與第二組分的體積比為2：1。
實施例4
本實施例提供一種化學固化劑，該化學固化劑包括第一組分和第二組分。其中，第一組分主要由以下按重量份數計的原料與水混合製得：聚乙烯醇30份、聚丙烯醯胺25份、丙烯酸鹽15份、N-N亞甲基雙丙烯醯胺0.001份；第二組分按重量份數計包括矽酸鈉4份。
這種化學固化劑的製備方法及使用方法與實施例3基本一致。
實施例5
本實施例提供一種化學固化劑，該化學固化劑包括第一組分和第二組分。其中，第一組分主要由以下按重量份數計的原料與水混合製得：聚乙烯醇20份、聚丙烯醯胺30份、丙烯酸鹽10份、甲基矽酸鈉0.006份；第二組分按重量份數計包括矽酸鈉2份。
這種化學固化劑的製備方法及使用方法與實施例3基本一致。
實施例6
本實施例提供一種化學固化劑，該化學固化劑包括第一組分和第二組分。其中，第一組分主要由以下按重量份數計的原料與水混合製得：聚乙烯醇30份、聚丙烯醯胺10份、丙烯酸鹽10份、N-N亞甲基雙丙烯醯胺0.001份、甲基矽酸鈉0.005份；第二組分按重量份數計包括矽酸鈉3份。
這種化學固化劑的製備方法為：
將第一組分中的原料與水混合，其中按重量份計水為40份，並於65℃的水浴下加熱反應80min，得到第一組分；
配製模數為2，質量百分濃度為3％的矽酸鈉溶液，得到第二組分。
這種化學固化劑的使用方法與實施例3基本一致。
實施例7
本實施例提供一種化學固化劑，該化學固化劑的組分與實施例6一致，不同之處在於：
這種化學固化劑的製備方法為：
將第一組分中的原料與水混合，其中按重量份計水為20份，並於70℃下加熱反應80min，得到第一組分；
配製模數為1.5，質量百分濃度為3％的矽酸鈉溶液，得到第二組分。
這種化學固化劑的使用方法與實施例3基本一致。
實施例8
本實施例提供一種化學固化劑，該化學固化劑的組分與實施例6一致，不同之處在於：
這種化學固化劑的製備方法為：
將第一組分中的原料與水混合，其中按重量份計水為60份，並於75℃的水浴下加熱反應80min，得到第一組分；
配製模數為3，質量百分濃度為3％的矽酸鈉溶液，得到第二組分。
這種化學固化劑的使用方法與實施例3基本一致。
對比例1
本對比例提供一種化學固化劑，該化學固化劑的原料按重量份數計包括：聚乙烯醇20～50份、聚丙烯醯胺10～30份和丙烯酸鹽10～30份。
這種化學固化劑的製備方法為：將第一組分中的原料與水混合，並於70℃的水浴下加熱反應80min，即得。
這種化學固化劑的使用方法為將化學固化劑噴灑至沙面，即可。
對比例2
本對比例提供一種化學固化劑，該化學固化劑由第一組分和第二組分混合製得，第一組分的原料按重量份數計包括：聚乙烯醇60份、聚丙烯醯胺8份和丙烯酸鹽8份；第二組分按重量份數計包括矽酸鈉3份。
這種化學固化劑的製備方法及使用方法與實施例3基本一致。
對比例3
本對比例提供一種化學固化劑，該化學固化劑由第一組分和第二組分混合製得，第一組分的原料按重量份數計包括：聚乙烯醇15份、聚丙烯醯胺32份和丙烯酸鹽34份；第二組分按重量份數計包括矽酸鈉3份。
這種化學固化劑的製備方法及使用方法與實施例3基本一致。
實驗例1
將本發明實施例1所製得的化學固化劑做電鏡分析，如圖1所示。實施例2-8所提供的化學固化劑的電鏡圖與實施例1相似，故沒逐一示出。
由圖1可見，這種化學固化劑能夠形成交聯的網狀纖維，從而能夠將化學結皮穩定的錨固在沙地中。圖1示出的電鏡圖與生物結皮的微觀結構非常相似，說明本發明提供的這種化學固化劑具有仿生性能。
實驗例2
抗風蝕性能測試：
實驗分為12個組，每組實驗在直徑為90cm，深度為20cm的沙盤中進行。實驗組有8組，分別施用實施例1～8提供的化學固化劑，對照組有4組，其中有3組分別施用對比例1～3提供的化學固化劑，剩餘一組為空白對照組。
試驗方法：
先將各化學固化劑的混合液噴灑在沙盤表面，隨後將矽酸鈉再噴灑至沙盤表面，每個沙盤中噴灑的化學固化劑的總體積為100ml。把噴好化學固化劑的沙盤放置在室溫下知道溶液完全被吸收後，再放入烘箱中，於80℃下烘烤8h。然後，對各沙盤中的固沙樣品進行抗風蝕性能測試：在垂直方向上對沙盤吹夾沙風，風速為10m/s，統計各沙盤的耐磨蝕時間、並觀察風蝕的程度。其中，風蝕的程度以分值計，沙盤中沒有出現風蝕現象計為0分，風蝕現象越嚴重，分值越高，滿分為10分。統計結果如表1所示：
表1化學固化劑的抗風蝕性能測試
由表1可知，本發明實施例1～8中提供的化學固化劑的耐磨蝕時間為3.2～7.2h，遠大於對比例1～3中提供的化學固化劑的1.2～1.6h,以實施例6為最佳(耐磨蝕時間為7.2h)。同時，本發明實施例1～8中提供的化學固化劑的風蝕程度(0～1分)也遠小於對比例1～3中提供的化學固化劑的風蝕程度(6～7分)。由此說明，本發明提供的化學固化劑的固沙能力強，具有很好的抗風蝕能力。
綜上所述，本發明提供的化學固化劑，在將其噴灑至沙面上以後，由於第一組分和第二組分在沙地的滲透程度不同，使該化學固化劑能夠在沙地的表層形成功能性的化學結皮，在沙地的表層以下，能夠形成交聯的網狀纖維，從而將化學結皮穩定的錨固在沙地中。這種固化劑形成的化學結皮，具有仿生性能，即該化學結皮類似於生物結皮那樣，能夠長效的對沙粒進行固定化治理，提高沙漠的抗風蝕和抗水蝕的能力。
儘管已用具體實施例來說明和描述了本發明，然而應意識到，在不背離本發明的精神和範圍的情況下可以作出許多其它的更改和修改。因此，這意味著在所附權利要求中包括屬於本發明範圍內的所有這些變化和修改。