微波輻射下復(fù)合型抑塵劑的制備及性能研究

王振宇，王 飛

（1.太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 030024；2.山西省煤礦安全研究生教育創(chuàng)新中心，山西 太原 030024）

揚塵污染是全球性的一大難題，在我國，燃煤排煙和建筑揚塵等揚塵污染問題依然嚴(yán)峻[1]。化學(xué)抑塵，近年來越來越受到歡迎[2]。Krzysztof等發(fā)現(xiàn)“純水”的使用會大大降低潤濕劑潤濕煤塵的時間[3]；Gilmour等開發(fā)的微生物抑塵劑，有生物修復(fù)功能[4]；杜翠鳳等研發(fā)的抑塵材料，25 d內(nèi)含水率依然在8%以上[5]；劉生玉等制得的改性淀粉固化劑，可明顯降低運煤列車的風(fēng)蝕率[6]；程淑艷等以廢紙為原料合成抑塵劑，5 d后抑塵率仍可達(dá)99%[7]；王永慧等利用微波聚合法，制備了一種植物基抑塵劑[8]。傳統(tǒng)的聚合方法聚合時間長，加熱不均，微波聚合、光聚合等新工藝不斷被開發(fā)應(yīng)用。以微波輻射輔助傳統(tǒng)的溶液聚合，合成了一種新型復(fù)合型抑塵材料，并進(jìn)行了一系列性能驗證分析，以期對抑制揚塵的研究奠定理論基礎(chǔ)。

1 實驗部分

1.1 主要試劑與儀器

二甲基二烯丙基氯化銨，AR，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；膨潤土，AR，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；羧甲基纖維素鈉，AR，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；Tween-80，AR，上海阿拉丁生化科技股份有限公司。

85-2磁力攪拌器，江蘇省金壇市大地自動化儀器廠；HCT-2綜合熱分析儀，北京恒久科學(xué)儀器廠；NDJ-5S黏度計，上海績泰電子科技有限公司。

1.2 合成工藝

低速攪拌條件下，在燒杯中依次加入一定量的二甲基二烯丙基氯化銨、成膜劑膨潤土以及引發(fā)劑過硫酸鉀，恒溫反應(yīng)30 min；轉(zhuǎn)速升至高速，緩慢加入羧甲基纖維素鈉，恒溫反應(yīng)30 min；轉(zhuǎn)速降至中速，加入交聯(lián)劑硼砂和潤濕劑Tween-80，恒溫反應(yīng)20 min；將燒杯置于微波裝置中輻射2 min后，烘干、破碎即可。

1.3 正交實驗

選定4種對樣品性能影響較大的因素：成膜劑加入量A、潤濕劑加入量B、交聯(lián)劑加入量C、反應(yīng)溫度D。選用L9（34）四因素三水平正交實驗表，因素水平見表1，正交分組見表2。

表1 因素水平表

表2 正交分組

1.4 性質(zhì)驗證

依照《鐵路煤炭運輸抑塵技術(shù)條件第1部分：抑塵劑》的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對最佳配比的樣品進(jìn)行了pH值、黏度、固化層厚度及固含量的測試。

樣品經(jīng)烘干、研磨破碎后，過30目（550 μm）標(biāo)準(zhǔn)篩，稱取5 mg，置于坩堝內(nèi)，升溫速率為10℃/min，溫度區(qū)間為20～600℃。

煤樣過30目標(biāo)準(zhǔn)篩，50℃下烘干5 h。各實驗組分別噴灑一定比例的抑塵劑，同時均設(shè)置清水對照。烘箱中50℃烘干120 min后稱重。用離心風(fēng)機(jī)模擬風(fēng)吹，角度控制為 0°、45°、90°，風(fēng)速儀測定風(fēng)速，分別為 5、10、15 m/s，10 min 后再稱重。按式（1）計算樣品風(fēng)蝕率：

式中：E為樣品風(fēng)蝕率；w1為吹蝕前的質(zhì)量；w2為吹蝕后的質(zhì)量。

煤樣過80目（180 μm）標(biāo)準(zhǔn)篩，107℃下烘干2 h，按3%的質(zhì)量分?jǐn)?shù)配制抑塵劑。設(shè)置3個實驗組，每組稱取等量煤樣，按2.4 L/m2的規(guī)格噴灑抑塵劑，每天早、午、晚稱重3次，連續(xù)稱重5 d。每組均有等量清水對照。按式（2）計算固結(jié)層失水率：

式中：η為固結(jié)層失水率，%；m0為噴灑后的初始質(zhì)量，m；mi為固定時間后測得的總質(zhì)量，m；m為噴灑溶液的質(zhì)量，m。

2 結(jié)果與討論

2.1 正交實驗結(jié)果分析

2.1.1 直觀分析

正交實驗結(jié)果見表3，各因素直觀分析結(jié)果見表 4。失水率方面，極差 RA＞RB＞RC＞RD，因素 A 影響較大，結(jié)合各因素指標(biāo)和大小判斷，最優(yōu)組合為A1B1C1D1；pH 值方面，極差 RC＞RA＞RB＞RD，因素 C 影響最大，因素A、B、D次之，最優(yōu)組合為A3B3C3D3；吸濕率方面，極差 RA＞RC＞RD＞RB，因素 A 影響較為顯著，最優(yōu)組合為A1B3C3D1。

表3 正交實驗結(jié)果

2.1.2 方差分析

實驗結(jié)果方差分析見表5。失水率方面，C項第Ⅲ類平方和最小，作為誤差項輸出，與D項合并分析，F(xiàn)0.05（2，4）=6.94，F(xiàn)A、FB＞6.94，可知因素A成膜劑加入量和因素B潤濕劑加入量對失水率影響顯著；pH值方面，D項第Ⅲ類平方和最小，作為誤差項輸出，并與A、B項合并分析，F(xiàn)0.05（2，6）=5.14，F(xiàn)C=76＞5.14，因素C對樣品pH值影響顯著；吸濕率方面，B項潤濕劑加入量第Ⅲ類平方和最小，作為誤差項輸出，與D項合并分析，F(xiàn)0.05（2，4）=6.94，F(xiàn)A、FC＜6.94，這說明因素A、C對樣品的吸濕性能影響并不顯著。

表4 各因素直觀分析

表5 各因素方差分析

綜合分析，成膜劑加入量A、潤濕劑加入量B對樣品的失水率影響權(quán)重最大，優(yōu)選A1和B3水平；交聯(lián)劑加入量C對pH值影響較為顯著，選定為C3水平；D項反應(yīng)溫度的影響因子最小，選為D1水平。

因此，可知抑塵劑的最優(yōu)組合為A1B3C3D1。

2.2 物理性能分析

樣品技術(shù)指標(biāo)對比見表6。從表6的結(jié)果可知，樣品的黏度值為8 mPa·s，相比鄭旭陽等制得的抑塵劑，黏度值為 4.77 mPa·s[9]，同等條件下，黏度值越高，抑塵效果越好。各項指標(biāo)均符合國家標(biāo)準(zhǔn)，適合進(jìn)一步推廣。

表6 樣品技術(shù)指標(biāo)對比

2.3 熱分析實驗結(jié)果分析

抑塵劑熱重分析曲線（TG）和微商熱重曲線（DTG）如圖1。熱重曲線分為3個階段：①第1階段（20～210℃）：蒸發(fā)吸附水；②第2階段（210～400℃）：氧化分解主要階段，失重百分比達(dá)41.54%，失重量dW為2.08 mg，以外推基線與TG線最大斜率切線交點為外推起始點（Te=217℃），該點最接近熱力學(xué)平衡溫度，而康杰等的耐高溫抑塵劑抑塵溫度僅為50℃[10]，相比之下，本品性能更佳；③第3階段（400～600℃）：熱解末段。而熱重微商曲線則是TG曲線對溫度的一階導(dǎo)數(shù)，從曲線可直觀看到樣品的最大失重峰，溫度Tm=313℃。

圖1 樣品TG、DTG曲線

樣品的熱流曲線（DSC）如圖2。樣品在升溫伊始，吸熱峰處于基線以下，△W＜0。基線以上部分為放熱峰，△W＞0，在達(dá)到玻璃化轉(zhuǎn)變時，Tg=274℃，凍結(jié)的分子微布朗運動加快，熱容變大；然后依次經(jīng)歷結(jié)晶、熔融、氧化及分解階段。

2.4 抗風(fēng)噬性能結(jié)果分析

風(fēng)蝕率實驗結(jié)果見表7。從表7可知，隨著風(fēng)速和吹蝕角度的加大，對照組和實驗組風(fēng)蝕率均呈現(xiàn)正相關(guān)的趨勢。當(dāng)吹蝕角度為0°時，隨著風(fēng)速從5 m/s變?yōu)?0、15 m/s時，風(fēng)蝕率顯著增大。當(dāng)吹蝕角度為45°、風(fēng)速為10 m/s時，實驗組風(fēng)蝕率僅為7.51%、對照組風(fēng)蝕率則為18.46%。當(dāng)風(fēng)速保持在10、15 m/s時，隨著吹蝕角度的加大，2個區(qū)間檔的風(fēng)蝕率基本相差不大，最低僅為4.93%，證明其抑塵性能良好。

圖2 樣品DSC曲線

表7 風(fēng)蝕率實驗結(jié)果

2.5 吸濕保濕性能分析

樣品失水率與時間關(guān)系如圖3。

圖3 樣品失水率與時間關(guān)系（注：A-上午；P-下午；E-晚間）

由圖3可知，實驗組失水速率均明顯低于對照組。第1 d內(nèi)對照組的失水速率均逐漸加快，且相差不大，在晚間失水率即臨近100%。而3個實驗組的失水速率則明顯緩慢，第2 d實驗組的失水速率減緩最為明顯，最終在第3 d才逐漸達(dá)到96%左右，始終沒有完全失水，且上下波動，說明抑塵劑有吸濕能力，有效抑塵時間為3 d，噴灑抑塵劑后，其保水能力遠(yuǎn)在清水之上，滿足抑制揚塵的要求。

3 結(jié)論

1）通過正交實驗，以失水率、pH值和吸濕率為指標(biāo)，優(yōu)選出了抑塵劑樣品的最優(yōu)配比。

2）綜合熱分析實驗結(jié)果表明，氧化分解溫度為217℃，樣品的耐熱性能穩(wěn)定，可以滿足在高溫條件下的使用。

3）進(jìn)行了室內(nèi)抗風(fēng)噬性能、保濕性能實驗，結(jié)果顯示樣品在風(fēng)速為15 m/s的條件下，煤塵表面的風(fēng)蝕率僅為4.93%，有效抑塵時間可達(dá)到3 d。

4）室外固結(jié)層穩(wěn)定性分析結(jié)果表明，固結(jié)層穩(wěn)定性良好，室外適應(yīng)性較強(qiáng)。