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新型高分子沙土稳定材料的研制与应用

李建法  
【摘要】: 针对现有沙土稳定材料成本较高的缺点,本文从脲醛树脂和制浆工业副产品等两类低成本的原材料出发,通过适当的化学改性,研究制备具有较高沙土稳定效能的新型高分子沙土稳定材料。 从脲醛树脂出发,创新性地通过低度磺化及加入少量三聚氰胺改性、以提高其水分散性和沙土稳定效能,研究制备了磺化脲醛(SUF)和磺化三聚氰胺脲醛(SMUF)等两种磺化氨基甲醛树脂。研究了它们的改性反应机理,对其13C-NMR谱图中各峰的结构单元归属进行了分析;并对树脂制备过程中羟甲基化、磺化、缩聚、中和等各步反应的主要影响因素进行了讨论,提出了合适的原料配比和优化反应条件。研究了树脂性质对其沙土结构改良效果的影响,综合干、湿筛分法得到的结果,认为树脂的磺化度在14.0%~18.0%之间为宜。在SUF的制备过程中加入20%三聚氰胺(占尿素重量比),其沙土结构改良效能提高50%以上;由此得到的SMUF168在其施用量为0.3%时,沙土中0.25 mm的干态和水稳定性团聚体含量分别为48.3%和42.0%, 达到一般耕层土壤的中上水平。 首次针对沙土稳定方面的应用,研究了木质素磺酸盐与丙烯酸类单体的接枝共聚改性;并创新性地对亚硫酸盐法制浆废液直接进行接枝共聚改性研究。提出影响改性工艺的主要因素为引发剂的选择和用量。当丙烯酸类单体用量为原料干重的80%时,接枝共聚改性可以使木质素磺酸盐的沙土结构改良能力提高大约3倍,使制浆废液的沙土结构改良能力提高4倍。对木质素磺酸盐和制浆废液的二元接枝共聚改性以及改性产物的沙土结构改良作用进行了讨论;综合干、湿筛分法的分析结果,认为丙烯酰胺AM、丙烯酸AA单体用量比在60/20~80/20(占原料干重的百分比)之间为好,当木质素磺酸盐改性产物SLS-AM60AA20、制浆废液改性产物BSL-AM80AA20的施用量均为0.2%时,沙土中干态和水稳定性团聚体含量分别为47.1%和40.0%、49.8%和 43.1%, 达到一般耕层土壤的中上水平。 首次对聚合物稳定沙土的作用机理从分子间作用力、聚合物性质及界面作用等三个方面进行了比较深入的探讨,认为干燥状态下阴离子基团与沙土颗粒的结合强于非离子基团,但是阴离子基团含量过多会降低聚合物处理后沙土的 WP=3 水稳定性;同时,创新性地提出以粘接理论来解释聚合物在干燥状态下对沙土的稳定作用。 本文研制的SMUF168样品的沙土结构改良效能/成本比(干态130.4%、湿态104.6%)明显高于市售材料和其它自制样品;BSL-AM80AA20样品的干态效能/成本比(102.0%)略高于市售材料中最佳的阴离子型聚丙烯酰胺(APAM, 100.0%),且在废液无害化利用方面具有突出的预期环境和社会效益。模拟抗风蚀试验表明,当SMUF168施用量为25 g.m-2、BSL-AM80AA20施用量为20 g.m-2时,沙土可以抵御风速为22.0 m.s-1的强风侵蚀;现场应用试验表明,在此施用量下,它们的沙土稳定效果优于APAM施用量为10 g.m-2时的效果,此时施用SMUF168的材料成本仅占APAM的65.5%。。


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