超聲作用下羥丙基甲基纖維素抑塵劑的制備及應用

來水利 王召帥 張昭 陳功 李玉珍

（1. 陜西科技大學，陜西西安 710021；2. 咸陽職業技術學院，陜西咸陽 712000）

1 引言

煤炭在我國能源的生產與消費結構中一直占據著主要地位（60%～70%），其在開采、運輸、儲存過程中會產生大量的粉塵［1-2］，這不僅造成煤炭資源的嚴重浪費，還給周圍的環境造成較大的污染，過量的煤塵還會引起粉塵爆炸，給人們的生命安全帶來威脅［3-4］。隨著抑塵技術的不斷發展［5-8］，化學抑塵劑因其優良的抑塵性能受到越來越多的青睞［9-14］，但目前市場上的高分子抑塵劑多為“硬殼型”，產品噴灑后固結層較硬較脆，受到運輸中震蕩和風力作用后容易碎裂，從而失去抑塵效果。

針對存在的這種問題，本文以羥丙基甲基纖維素（HPMC）、丙烯酸（AA）、丙烯酰胺（AM）等為原料，以過硫酸銨（APS）為引發劑，二甲基二烯丙基氯化銨（DMDAAC）為交聯劑，制備出一種成膜柔軟、拉伸強度及熱穩定性高、應用性能良好的軟膜型環保抑塵劑，其可以有效抑制煤塵污染，具有較好的應用前景。

2 實驗部分

2.1 實驗試劑與儀器

2.1.1 試劑

HPMC：工業級，西安富士得化工有限公司；AA、AM、APS、碳酸氫鈉，分析純，天津大茂化學試劑廠；DMDAAC、十二烷基苯磺酸鈉（SDBS）、丙三醇，分析純，天津天力化學試劑有限公司。

2.1.2 儀器

MS－600N 型超聲波處理器，上海生析超聲化學儀器有限公司；VECTOR－22 型傅里葉變換紅外光譜儀（FT－IR），德國布魯克公司；S4800 型掃描電子顯微鏡（SEM），日本理學株式會社；Q500 型熱重分析儀（TGA），美國TA 公司；Q2000 型差示掃描量熱儀（DSC），美國TA 公司；XWW－20B 型萬能試驗機，承德金建檢測儀器有限公司；HY－4 調速多用振蕩器，國華電器有限公司。

2.2 HPMC 抑塵劑的制備

稱取2 g HPMC 加入燒杯中，加入80 g 去離子水，超聲溶解5 min 后留存待用。稱取6 g AA，在冰水浴下用碳酸氫鈉溶液中和至80%，再加入2 g AM，快速攪拌至其完全溶解。將配好的單體溶液、0.08 g引發劑APS 和0.04 g 交聯劑DMDAAC 加入盛有HPMC 溶液的燒杯中，再加入0.1 g SDBS 和0.5 g 增塑劑丙三醇，在200 W 超聲功率下反應70 min 后，冷卻至室溫，得到抑塵劑溶液。然后用無水乙醇洗滌處理并在0.7 MPa，70 ℃的真空條件下干燥12 h，再經研磨后過100 目篩得到粉狀抑塵劑。

2.3 結構表征與性能測試

2.3.1 紅外光譜表征（FT－IR）

通過KBr 壓片法制樣，將制備好的干燥抑塵劑粉末再次研磨，后與KBr 進行充分混合，并按照1 ∶100 的比例配制，然后將配制好的樣品與KBr 粉末倒入壓片機中制成薄片，并將其放在樣品倉內，測得紅外光譜。

2.3.2 熱重分析（TGA）

稱取10 mg 干燥提純產物，將其放入坩堝中，在20 mL/min 的氮氣氛圍中測試得到熱重曲線，測試條件為：升溫速率20 ℃/min，溫度范圍20～600 ℃。

2.3.3 差示掃描量熱法（DSC）

用差示掃描量熱儀可測量抑塵劑的玻璃化轉變溫度Tg及熔融溫度Tm，將其測試參數設置為：升溫速率20 ℃/min，溫度范圍20～280 ℃；測試得到DSC曲線。

2.3.4 掃描電子顯微鏡（SEM）

利用SEM 對噴灑抑塵劑溶液（或者水）后干燥的煤粉表層（噴金）進行掃描電鏡觀察。

2.3.5 薄膜拉伸實驗

取適量不同單體配比下制備的抑塵劑，分別制備成5%的抑塵劑溶液，將其倒入聚四氟乙烯板中，流延成膜。將抑塵劑薄膜裁剪成10 mm×50 mm 的樣條，然后在萬能試驗機上測其拉伸時的斷裂伸長率。

2.3.6 應用性能測試

所制備的抑塵劑溶液的保水性、抗風蝕性、抗震蕩性能測試按照參考文獻［15］中的方法進行測試。

3 結果與討論

3.1 紅外光譜分析

圖1 為HPMC 與HPMC－AA－AM 的紅外光譜圖，3 474 cm－1為羥丙基甲基纖維素糖環上的－OH伸縮振動吸收峰，2 931 cm－1為－CH3上的C－H 伸縮振動吸收峰。HPMC 中－OH 吸收峰強度明顯要強于其在HPMC－AA－AM 曲線中的吸收峰強度，根據此結果可判斷出HPMC 中的活潑羥基在反應中廣泛參與。1 724 cm－1為酰胺鍵上C＝O 的伸縮振動吸收峰，1 594 cm－1為C－N 鍵的伸縮振動吸收峰。結果表明，HPMC 鏈上含有AM 與AA 的鏈段，即證明已經發生了接枝聚合反應。

3.2 熱重分析

熱重分析曲線如圖2 所示。

圖2 HPMC－AA－AM 接枝共聚物熱重分析曲線

由圖2 可知，剛開始由于－OH 受熱分解，所以質量損失比較快，接枝共聚物在309.41 ℃開始分解，其后隨著溫度不斷提高，相應的分解也越快，到534.64 ℃以后基本結束，表現出良好的熱穩定性，因此溫度不會對該抑塵劑的應用產生影響。

3.3 差示掃描量熱分析

由圖3 可以看出，玻璃化轉變溫度Tg為12.56 ℃，因此可說明常溫下成膜是柔軟的；Tm為146.05 ℃，因此可說明膜的熔融溫度較高，膜的耐熱性能良好。

圖3 HPMC 與HPMC－AA－AM 的差示掃描量熱分析

3.4 掃描電鏡分析

掃描電鏡分析見圖4。

圖4 掃描電鏡圖

由圖4a 噴灑水后的煤粉表面形貌可知，煤粉在水蒸發后顆粒排列表現出松散特征，因此灑水抑塵的效果有限，只能在短時間內通過潤濕凝聚來抑塵。由圖4b 噴灑抑塵劑后的煤粉表面形貌可以看出，經過噴灑抑塵劑之后的煤粉，其表層顆粒緊密地黏結在一起，形成了有一定厚度的固化層，能夠有效防止煤塵飛揚，起到較好的抑塵作用。

3.5 性能測試結果分析

3.5.1 薄膜拉伸性能測試結果

抑塵劑在成膜后的抗拉強度越大，韌性越好，在成膜之后就不容易被破壞，能夠具有較好的抑塵效果。對制備的樣條進行拉伸斷裂伸長率測試，結果見表1。

表1 薄膜拉伸結果 %

由表1 可知，抑塵劑成膜后拉伸強度較高，能夠保證在使用時不被輕易破壞。

3.5.2 保水性測試結果

圖5 為煤粉保水率與放置時間的關系。由圖5可知，煤粉在前16 h 失水的比例很高，在此區間內噴灑水的曲線降幅明顯地高于噴灑抑塵劑的。此外還可以看出，噴灑抑塵劑40 h 后保水率高達74.52%，而噴灑水后的保水率僅為15.69%。

圖5 煤粉保水率與室溫放置時間關系

3.5.3 抗風蝕性測試結果

抗風蝕性能測試結果如圖6 所示。由圖6 可知，噴灑抑塵劑的煤樣在使用14～15 m/s 風連續吹掃3 h后的煤粉損失率僅為1.26%，且煤粉表面相對平整，而噴灑水的煤樣被風吹3 h 后煤粉表面凹凸不平，造成大量煤粉損失，損失率達7.91%。根據此結果可判斷出這種抑塵劑抗風蝕性也達到較高水平。

圖6 煤粉損失率與風力吹掃時間的關系

3.5.4 抗震蕩性測試結果

低速震蕩處理煤粉40 h 內所得結果見圖7。由圖7 可知，在震蕩一段時間后，表層噴灑抑塵劑溶液的煤粉損失率遠遠低于表層噴灑水的煤粉損失率。在150 r/min 條件下40 h 震蕩的實驗過程中，煤粉表層噴灑了水的煤樣最終煤粉損失率達到69.14%，而表層噴灑抑塵劑溶液的煤粉損失率僅為5.06%，因此抑塵劑對于煤粉的抗震蕩性能有明顯提高。

圖7 煤粉損失率與震蕩時間的關系

4 結論

（1）在超聲作用下制備出了一種軟膜型煤炭抑塵劑。對所得產品進行紅外分析，表明在超聲作用下HPMC 與AA，AM 可發生接枝共聚反應，制得的抑塵劑熱穩定性良好，噴灑了抑塵劑的煤粉，其煤粉顆粒之間能夠相互緊密地黏結在一起，形成了具有一定厚度的固化層，起到很好的抑塵效果。

（2）噴灑制備抑塵劑的煤粉在室溫下40 h 后保水率仍可達到74.52%，使用14～15 m/s 風連續吹掃3 h 后煤粉損失率僅為1.26%，在150 r/min 條件下震蕩40 h 后煤粉損失率僅為5.06%，說明該抑塵劑的保水性、抗風蝕性、抗震蕩性等性能均良好。

（3）該抑塵劑不僅可以有效解決在煤炭儲運中的煤塵污染問題，也可以應用于建筑、礦區、道路等粉塵較多的地方，具有廣泛的應用前景。