CN104263377B - 一种高分子有机固沙剂及其制备方法 - Google Patents

一种高分子有机固沙剂及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及固沙剂领域，特别涉及一种高分子有机固沙剂及其制备方法。高分子有机固沙剂，由以下原料制备而成：按重量份计，玉米淀粉20‑30份，丙烯酰胺1‑10份，过硫酸铵0.1‑0.4份，过硫酸钾0.2‑0.6份，水60‑70份，30％的氢氧化钠溶液5‑10份。该高分子有机固沙剂，制备所需原料易得，价格低廉，制得的高分子有机固沙剂绿色环保，具有很好的固沙能力、较强的保水能力和抗压能力，适用于沙漠戈壁地区。制备方法为通过逐步添加不同含量的原料，控制反应条件，使玉米淀粉颗粒的分子上接枝丙烯酰胺，形成大分子，得到淡黄色粘稠液体，制备方法简单易行，得到的固沙剂分子支链多，分子链之间不易缠结，稳定性好。

Description

一种高分子有机固沙剂及其制备方法
技术领域
本发明涉及固沙剂领域，具体而言，涉及一种高分子有机固沙剂及其制备方法。
背景技术
荒漠化是当前人类面临的重大全球性环境问题，困扰着人类社会的生存和发展。而风沙运动所引起的土壤风蚀是沙质荒漠化主要表现形式之一。沙漠造成的危害，归根结底还在于风沙流的风蚀、搬运、堆积的作用。中国是世界上沙漠化面积较大、危害较严重的国家之一。沙漠及沙漠化土地面积达149万km2,其中沙漠化土地面积达33.4万km2。全国每年因沙漠化危害造成的直接经济损失约540亿元人民币,这给工农业生产、人民生活及人体健康带来了严重的影响。沙漠化已成为我国当前最为严重的生态环境问题之一。
固沙剂由于具有防尘、固沙的作用而被广泛应用，如申请号为201310554598.4公开了一种利用糠醛废渣制备保水固沙剂的方法，但该方法制备方法较为复杂；申请号为201410191635.4公开了一种羟丙基甲基纤维素接枝丙烯酸甲酯/醋酸乙烯酯固沙剂的合成方法，得到的固沙剂其抗压强度才为1MPa左右；等等。因此，目前存在的固沙剂制备方法较为复杂，并且其固沙能力不够，保水能力和抗压能力仍有很大的欠缺。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高分子有机固沙剂及其制备方法，以解决上述的问题。
在本发明的实施例中提供了一种高分子有机固沙剂，由以下原料制备而成：按重量份计，玉米淀粉20-30份，丙烯酰胺1-10份，过硫酸铵0.1-0.4份，过硫酸钾0.2-0.6份，水60-70份，30％的氢氧化钠溶液5-10份。
优选地，所述原料为：按重量份计，玉米淀粉22-28份，丙烯酰胺1-8份，过硫酸铵0.1-0.3份，过硫酸钾0.2-0.5份，水62-68份，30％的氢氧化钠溶液6-9份。
优选地，所述原料为：按重量份计，玉米淀粉24-27份，丙烯酰胺1.5-5份，过硫酸铵0.2-0.3份，过硫酸钾0.2-0.4份，水63-66份，30％的氢氧化钠溶液7-9份。
优选地，所述原料为：按重量份计，玉米淀粉25-26份，丙烯酰胺2-3份，过硫酸铵0.2-0.3份，过硫酸钾0.2-0.3份，水64-65份，30％的氢氧化钠溶液8-8.5份。
本发明还提供了上述高分子有机固沙剂的制备方法，包括以下步骤：
(a)、将丙烯酰胺溶解成8％-12％的水溶液，过硫酸铵和过硫酸钾分别溶解成0.5％-1.5％的水溶液，备用；
(b)、将玉米淀粉和剩余的水混合均匀，然后升温至55-65℃，恒温保持25-35min，缓慢加入30％的氢氧化钠溶液并混匀，恒温保持100-150min；
(c)、加入丙烯酰胺溶液，混匀，再加入过硫酸铵溶液和过硫酸钾溶液，混匀，同时升温至75-85℃，恒温反应100-150min，自然冷却即得。
优选地，在步骤(b)和(c)中，整个反应过程保持搅拌，自然冷却过程中停止搅拌。
优选地，所述搅拌的速度为60-120r/min。
优选地，所述搅拌的速度为80-90r/min。
优选地，在步骤(b)中，加入30％的氢氧化钠溶液后恒温保持120-130min。
优选地，步骤(b)和(c)制备所述高分子有机固沙剂的过程在四口瓶中进行。
本发明实施例提供的高分子有机固沙剂，与现有技术中的固沙剂相比，制备所需原料易得，价格低廉，制得的高分子有机固沙剂具有很好的固沙能力、较强的保水能力和抗压能力，是一种绿色环保的固沙剂，适用于沙漠戈壁地区。本发明实施例还提供了高分子有机固沙剂的制备方法，制备方法简单易行。
具体实施方式
下面通过具体的实施例子对本发明做进一步的详细描述。
在本发明的实施例中提供了一种高分子有机固沙剂，由以下原料制备而成：按重量份计，玉米淀粉20-30份，丙烯酰胺1-10份，过硫酸铵0.1-0.4份，过硫酸钾0.2-0.6份，水60-70份，30％的氢氧化钠溶液5-10份。
本发明实施例提供的高分子有机固沙剂，制备所需原料易得，价格低廉，制得的高分子有机固沙剂具有很好的固沙能力、较强的保水能力和抗压能力，是一种绿色环保的固沙剂，适用于沙漠戈壁地区。
为了进一步增加高分子有机固沙剂的性能，优选地，所述原料为：按重量份计，玉米淀粉22-28份，丙烯酰胺1-8份，过硫酸铵0.1-0.3份，过硫酸钾0.2-0.5份，水62-68份，30％的氢氧化钠溶液6-9份。
进一步地，所述原料为：按重量份计，玉米淀粉24-27份，丙烯酰胺1.5-5份，过硫酸铵0.2-0.3份，过硫酸钾0.2-0.4份，水63-66份，30％的氢氧化钠溶液7-9份。
进一步地，所述原料为：按重量份计，玉米淀粉25-26份，丙烯酰胺2-3份，过硫酸铵0.2-0.3份，过硫酸钾0.2-0.3份，水64-65份，30％的氢氧化钠溶液8-8.5份。
本发明还提供了上述高分子有机固沙剂的制备方法，包括以下步骤：
(a)、将丙烯酰胺溶解成8％-12％的水溶液，过硫酸铵和过硫酸钾分别溶解成0.5％-1.5％的水溶液，备用；
(b)、将玉米淀粉和剩余的水混合均匀，然后升温至55-65℃，恒温保持25-35min，缓慢加入30％的氢氧化钠溶液并混匀，恒温保持100-150min；
(c)、加入丙烯酰胺溶液，混匀，再加入过硫酸铵溶液和过硫酸钾溶液，混匀，同时升温至75-85℃，恒温反应100-150min，自然冷却即得。
本发明实施例提供的高分子有机固沙剂的制备方法，将丙烯酰胺、过硫酸铵和过硫酸钾制成水溶液的状态，是为了使各成分之间混合的更为均匀；先将玉米淀粉和水混匀后升温保持一段时间，是将玉米淀粉与水之间更好的融合，达到更好的糊化状态，此时，得到的是较稀的淡黄色水溶液；加入氢氧化钠溶液，较稀的淡黄色水溶液逐渐变稠，这个步骤是一个改性的过程，并使溶液的pH升高；然后加入丙烯酰胺溶液并混匀，使丙烯酰胺均匀分布在玉米淀粉颗粒之间，然后加入具有催化作用的过硫酸铵溶液和过硫酸钾溶液，使玉米淀粉颗粒的分子上接枝丙烯酰胺，形成大分子，反应一段时间后，接枝过程完成，得到的大分子稳定，此时溶液又变为一种较稀的淡黄色粘稠液体。整个制备过程只需要加热和混匀，制备方法简单易行；通过控制各成分的含量、反应条件和反应时间，得到的高分子有机固沙剂分子支链多，分子链之间不易缠结，稳定性好。
为了使各原料分散更为均匀，以充分反应，得到的高分子有机固沙剂分子支链更多，不易缠结，稳定性更好，优选地，在步骤(b)和(c)中，整个反应过程保持搅拌，自然冷却过程中停止搅拌。
经验证，搅拌的速度为60-120r/min时，即可满足各原料之间反应的需求。
为了使各原料分散更为均匀，以充分反应，得到的高分子有机固沙剂分子支链更多，不易缠结，稳定性更好，进一步地，所述搅拌的速度为80-90r/min。
氢氧化钠溶液加入玉米淀粉液体中，是一种改性的过程，使玉米淀粉颗粒处于一种能接枝的状态，为了使玉米淀粉颗粒处于更好的接枝状态，优选地，在步骤(b)中，加入30％的氢氧化钠溶液后恒温保持120-130min。
优选地，步骤(b)和(c)制备所述高分子有机固沙剂的过程在四口瓶中进行。采用四口瓶制备高分子有机固沙剂，各个瓶口具有不同的作用，如搅拌的瓶口，添加其他成分的瓶口等，使添加其他成分的过程仍能保持搅拌的状态，利于反应物之间分布的均一性，以更充分的反应，得到的反应物的结构更为均一。
其中，制备高分子有机固沙剂的整个反应过程是一个密闭的过程，不存在水分大量蒸发。如用四口瓶制备时，除搅拌的瓶口外，其他瓶口在不使用时均处于闭合状态。
高分子有机固沙剂合成所需的试剂：玉米淀粉、丙烯酰胺、过硫酸铵、过硫酸钾和氢氧化钠均为市售产品。
实施例1
取以下各原料物质：按重量份计，玉米淀粉20份，丙烯酰胺1份，过硫酸铵0.1份，过硫酸钾0.2份，水60份，30％的氢氧化钠溶液5份；
将丙烯酰胺溶解成8％的水溶液，过硫酸铵和过硫酸钾分别溶解成0.5％的水溶液，备用；
将玉米淀粉和剩余的水放入四口瓶混合均匀，然后升温至55℃，恒温保持35min，缓慢加入30％的氢氧化钠溶液并混匀，恒温保持150min；
加入丙烯酰胺溶液，混匀，再加入过硫酸铵溶液和过硫酸钾溶液，混匀，同时升温至75℃，恒温反应150min，自然冷却即得高分子有机固沙剂；
其中，整个反应过程保持搅拌，搅拌的速度为60r/min，自然冷却过程中停止搅拌。
实施例2
取以下各原料物质：按重量份计，玉米淀粉22份，丙烯酰胺1份，过硫酸铵0.1份，过硫酸钾0.2份，水62份，30％的氢氧化钠溶液6份；
将丙烯酰胺溶解成10％的水溶液，过硫酸铵和过硫酸钾分别溶解成1％的水溶液，备用；
将玉米淀粉和剩余的水放入四口瓶混合均匀，然后升温至60℃，恒温保持30min，缓慢加入30％的氢氧化钠溶液并混匀，恒温保持120min；
加入丙烯酰胺溶液，混匀，再加入过硫酸铵溶液和过硫酸钾溶液，混匀，同时升温至80℃，恒温反应120min，自然冷却即得高分子有机固沙剂；
其中，整个反应过程保持搅拌，搅拌的速度为80r/min，自然冷却过程中停止搅拌。
实施例3
取以下各原料物质：按重量份计，玉米淀粉24份，丙烯酰胺1.5份，过硫酸铵0.2份，过硫酸钾0.2份，水63份，30％的氢氧化钠溶液7份；
将丙烯酰胺溶解成12％的水溶液，过硫酸铵和过硫酸钾分别溶解成1.5％的水溶液，备用；
将玉米淀粉和剩余的水放入四口瓶混合均匀，然后升温至65℃，恒温保持25min，缓慢加入30％的氢氧化钠溶液并混匀，恒温保持100min；
加入丙烯酰胺溶液，混匀，再加入过硫酸铵溶液和过硫酸钾溶液，混匀，同时升温至85℃，恒温反应100min，自然冷却即得高分子有机固沙剂；
其中，整个反应过程保持搅拌，搅拌的速度为120r/min，自然冷却过程中停止搅拌。
实施例4
取以下各原料物质：按重量份计，玉米淀粉25份，丙烯酰胺2份，过硫酸铵0.2份，过硫酸钾0.2份，水64份，30％的氢氧化钠溶液8份；
将丙烯酰胺溶解成10％的水溶液，过硫酸铵和过硫酸钾分别溶解成1％的水溶液，备用；
将玉米淀粉和剩余的水放入四口瓶混合均匀，然后升温至60℃，恒温保持30min，缓慢加入30％的氢氧化钠溶液并混匀，恒温保持120min；
加入丙烯酰胺溶液，混匀，再加入过硫酸铵溶液和过硫酸钾溶液，混匀，同时升温至80℃，恒温反应120min，自然冷却即得高分子有机固沙剂；
其中，整个反应过程保持搅拌，搅拌的速度为60r/min，自然冷却过程中停止搅拌。
实施例5
取以下各原料物质：按重量份计，玉米淀粉26份，丙烯酰胺3份，过硫酸铵0.3份，过硫酸钾0.3份，水65份，30％的氢氧化钠溶液8.5份；
将丙烯酰胺溶解成10％的水溶液，过硫酸铵和过硫酸钾分别溶解成1％的水溶液，备用；
将玉米淀粉和剩余的水放入四口瓶混合均匀，然后升温至60℃，恒温保持30min，缓慢加入30％的氢氧化钠溶液并混匀，恒温保持120min；
加入丙烯酰胺溶液，混匀，再加入过硫酸铵溶液和过硫酸钾溶液，混匀，同时升温至80℃，恒温反应120min，自然冷却即得高分子有机固沙剂；
其中，整个反应过程保持搅拌，搅拌的速度为60r/min，自然冷却过程中停止搅拌。
实施例6
取以下各原料物质：按重量份计，玉米淀粉27份，丙烯酰胺5份，过硫酸铵0.3份，过硫酸钾0.4份，水66份，30％的氢氧化钠溶液9份；
将丙烯酰胺溶解成10％的水溶液，过硫酸铵和过硫酸钾分别溶解成1％的水溶液，备用；
将玉米淀粉和剩余的水放入四口瓶混合均匀，然后升温至60℃，恒温保持30min，缓慢加入30％的氢氧化钠溶液并混匀，恒温保持120min；
加入丙烯酰胺溶液，混匀，再加入过硫酸铵溶液和过硫酸钾溶液，混匀，同时升温至80℃，恒温反应120min，自然冷却即得高分子有机固沙剂；
其中，整个反应过程保持搅拌，搅拌的速度为80r/min，自然冷却过程中停止搅拌。
实施例7
取以下各原料物质：按重量份计，玉米淀粉28份，丙烯酰胺8份，过硫酸铵0.3份，过硫酸钾0.5份，水68份，30％的氢氧化钠溶液9份；
将丙烯酰胺溶解成8％的水溶液，过硫酸铵和过硫酸钾分别溶解成0.5％的水溶液，备用；
将玉米淀粉和剩余的水放入四口瓶混合均匀，然后升温至55℃，恒温保持30min，缓慢加入30％的氢氧化钠溶液并混匀，恒温保持130min；
加入丙烯酰胺溶液，混匀，再加入过硫酸铵溶液和过硫酸钾溶液，混匀，同时升温至75℃，恒温反应130min，自然冷却即得高分子有机固沙剂；
其中，整个反应过程保持搅拌，搅拌的速度为90r/min，自然冷却过程中停止搅拌。
实施例8
取以下各原料物质：按重量份计，玉米淀粉30份，丙烯酰胺10份，过硫酸铵0.4份，过硫酸钾0.6份，水70份，30％的氢氧化钠溶液10份；
将丙烯酰胺溶解成8％的水溶液，过硫酸铵和过硫酸钾分别溶解成1.5％的水溶液，备用；
将玉米淀粉和剩余的水放入四口瓶混合均匀，然后升温至55℃，恒温保持30min，缓慢加入30％的氢氧化钠溶液并混匀，恒温保持120min；
加入丙烯酰胺溶液，混匀，再加入过硫酸铵溶液和过硫酸钾溶液，混匀，同时升温至75℃，恒温反应120min，自然冷却即得高分子有机固沙剂；
其中，整个反应过程保持搅拌，搅拌的速度为90r/min，自然冷却过程中停止搅拌。
实施例1-8制得的高分子有机固沙剂，其性能参数均为：外观呈淡黄色粘稠液体，pH(1:100倍稀释)6.0-8.0；固含量≥20％。
将实施例1-8制得的高分子有机固沙剂分别进行对抗风蚀性能风洞实验和抗压实验；同时选用市售的三种固沙剂作为对照。具体实验如下：
1、对抗风蚀性能风洞实验
在尺寸为31cm×21cm×4cm铁盘模型内，装满沙丘沙并将之摊平，将不同种类的固沙剂用水稀释成质量浓度为10％，用喷枪均匀喷洒在沙盘上，喷洒的量为2kg/m2，其中，喷洒的量为稀释后的质量；自然风干后，将模型固沙试样均置于实验段，并使之分别与风洞底部相平和与底部成30度角2种方式放置，在7、15、20m/s的净风和饱和风沙流状态下进行吹蚀实验。得到的数据如表1所示。
表1 对抗风蚀性能风洞实验数据
从表1可以看出，在相同情况下，本发明实施例制得的高分子有机固沙剂在坡度为0度和30度的情况下，在15m/s和20m/s的风速下，其吹蚀量远远小于市售产品，抗风蚀能力远好于市售产品，能够起到很好的固沙能力。
2、抗压实验
分别将不同种类的固沙剂用水稀释成质量浓度为10％，用稀释后的固沙剂分别将沙料浸透，固沙剂与沙料的质量比为1:1；并做成7.07cm×7.07cm×7.07cm立方体试块，放在室内一定时间自然风干，然后将试块放到压力机上测试压力。本发明实施例制得的高分子有机固沙剂与市售产品对抗压能力的对比结果见表2。
表2 抗压实验结果
样品 抗压强度/MPa
市售固沙剂-1 1.26
市售固沙剂-2 2.11
市售固沙剂-3 0.98
实施例1 4.62
实施例2 4.68
实施例3 4.99
实施例4 5.04
实施例5 5.03
实施例6 4.95
实施例7 4.78
实施例8 4.72
从表2数据可知：在相同情况下，本发明实施例制得的高分子有机固沙剂的抗压强度均高于4.6MPa以上，远远大于市售产品的抗压强度，其抗压能力远好于市售产品，能够起到良好的抗压能力。
由于实施例4制得的高分子有机固沙剂的抗风蚀能力和抗压能力较好，选用实施例4制得的高分子有机固沙剂进行生产试验地验证，具体如下：
新疆某沙漠边缘太阳能发电厂，因风沙严重影响电厂的正常工作，每年因风沙的维护费用高达700多万。
将本发明实施例4制备的新型高分子固沙剂稀释10倍后喷洒在电厂周围270万平方米的沙砾表面，厚度约5cm，进行观察；喷洒该固沙剂后，沙土表面被固定，沙砾无法被风带起，起到很好的固沙作用。太阳能电厂的正常工作不再受风沙的影响，同时每年节约因风沙影响的维护费用为600多万。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高分子有机固沙剂，其特征在于，由以下原料制备而成：按重量份计，玉米淀粉20-30份，丙烯酰胺1-10份，过硫酸铵0.1-0.4份，过硫酸钾0.2-0.6份，水60-70份，30％的氢氧化钠溶液5-10份；
所述高分子有机固沙剂通过以下方法制备：
(a)、将丙烯酰胺溶解成8％-12％的水溶液，过硫酸铵和过硫酸钾分别溶解成0.5％-1.5％的水溶液，备用；
(b)、将玉米淀粉和剩余的水混合均匀，然后升温至55-65℃，恒温保持25-35min，缓慢加入30％的氢氧化钠溶液并混匀，恒温保持100-150min；
(c)、加入丙烯酰胺溶液，混匀，再加入过硫酸铵溶液和过硫酸钾溶液，混匀，同时升温至75-85℃，恒温反应100-150min，自然冷却即得。
2.根据权利要求1所述的高分子有机固沙剂，其特征在于，所述原料为：按重量份计，玉米淀粉22-28份，丙烯酰胺1-8份，过硫酸铵0.1-0.3份，过硫酸钾0.2-0.5份，水62-68份，30％的氢氧化钠溶液6-9份。
3.根据权利要求1所述的高分子有机固沙剂，其特征在于，所述原料为：按重量份计，玉米淀粉24-27份，丙烯酰胺1.5-5份，过硫酸铵0.2-0.3份，过硫酸钾0.2-0.4份，水63-66份，30％的氢氧化钠溶液7-9份。
4.根据权利要求1所述的高分子有机固沙剂，其特征在于，所述原料为：按重量份计，玉米淀粉25-26份，丙烯酰胺2-3份，过硫酸铵0.2-0.3份，过硫酸钾0.2-0.3份，水64-65份，30％的氢氧化钠溶液8-8.5份。
5.权利要求1-4任一项所述的高分子有机固沙剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(a)、将丙烯酰胺溶解成8％-12％的水溶液，过硫酸铵和过硫酸钾分别溶解成0.5％-1.5％的水溶液，备用；
(b)、将玉米淀粉和剩余的水混合均匀，然后升温至55-65℃，恒温保持25-35min，缓慢加入30％的氢氧化钠溶液并混匀，恒温保持100-150min；
(c)、加入丙烯酰胺溶液，混匀，再加入过硫酸铵溶液和过硫酸钾溶液，混匀，同时升温至75-85℃，恒温反应100-150min，自然冷却即得。
6.根据权利要求5所述的高分子有机固沙剂的制备方法，其特征在于，在步骤(b)和(c)中，整个反应过程保持搅拌，自然冷却过程中停止搅拌。
7.根据权利要求6所述的高分子有机固沙剂的制备方法，其特征在于，所述搅拌的速度为60-120r/min。
8.根据权利要求6所述的高分子有机固沙剂的制备方法，其特征在于，所述搅拌的速度为80-90r/min。
9.根据权利要求5所述的高分子有机固沙剂的制备方法，其特征在于，在步骤(b)中，加入30％的氢氧化钠溶液后恒温保持120-130min。
10.根据权利要求5所述的高分子有机固沙剂的制备方法，其特征在于，步骤(b)和(c)制备所述高分子有机固沙剂的过程在四口瓶中进行。
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