郑旭阳　于泊蕖　杨文雅　史掌帅　王永慧

(河北大学化学与环境科学学院　河北保定 071002)



微波合成淀粉基可生物降解抑尘剂的特性研究*

郑旭阳于泊蕖杨文雅史掌帅王永慧

(河北大学化学与环境科学学院河北保定 071002)

摘要改性后的淀粉与单体A，单体B和高分子聚合物C在微波反应条件下，接枝共聚制得的抑尘剂黏度为4.766 8 mPa·s，渗透速度保持在0.03 cm/s左右。该抑尘剂具有很好的保湿性和耐高温性能，在室温(20 ℃)下喷洒100 h后土样仍含有20%的水分，60 ℃下放置2 h失水率仅为60%。喷洒抑尘剂的土样表面形成的固结层在模拟自然降雨冲刷0.5 h后，仍保持连续完整的形态。XRD,FTIR测试分析表明,单体A,单体B和高分子聚合物C都接枝到改性淀粉上，反应过程发生在淀粉的部分结晶区；喷洒抑尘剂的土壤固结层结构致密，固结层下土壤颗粒发生了凝并。

关键词抑尘剂淀粉微波反应接枝

0引言

我国以可吸入颗粒物(PM10)、细颗粒物(PM2.5)为特征的区域性大气环境问题日益突出,利用化学抑尘剂抑制颗粒物进入大气是改善我国大气污染现状的重要措施。[1-2]本文以改性淀粉为主要原料，与软膜型单体进行接枝共聚，加入强度高、成膜性好的高分子聚合物，制得一种具有较好粘结性、保湿性、抗风蚀雨淋作用的可生物降解抑尘剂。实验采用微波加热技术，解决了常规加热方式产生的局部过热、反应时间长及粘附器壁等问题，提高了聚合转化率和化学反应速度[3-6]。

1实验内容

1.1主要试剂和仪器

试剂：淀粉，单体A，单体B，高分子聚合物C，30%过氧化氢等。

仪器：COOLPEX-E灵动型微波化学反应仪，常数毛细管黏度计，Nicolet 380红外光谱仪，JSM-7500F冷场发射扫描电镜，D8 ADVANCE型X射线衍射仪。1.2保湿性测定

采用失水率来反映抑尘剂的保湿性能。量取等量的抑尘剂和自来水分别喷洒在土样表面，按照一定的时间间隔称量样品重量。

1.3耐温性能测定

测定喷洒抑尘剂土样在不同温度下的质量变化，从而考查抑尘剂对不同气温条件的耐受程度。

1.4抗雨水冲刷性能测定

通过多次模拟降水冲刷土样表面，观察土样表面结构以及固结层的变化。

1.5黏度和渗透速度测定

分别采用乌氏粘度计和带刻度的离心管测定抑尘剂的黏度和渗透速度。

1.6结构形态表征

采用红外光谱法IR分析抑尘剂的特征官能团和接枝效果；采用XRD分析抑尘剂的结晶性质；采用冷场电镜扫描SEM观察抑尘剂表面形态。

2结果与讨论

2.1黏度

黏度决定粉尘颗粒间黏结力大小，是黏结凝并效果的决定因素[7-8]。测得抑尘剂黏度值4.766 8 mPa·s。本实验制得的抑尘剂黏度能够很好地使粉尘颗粒相互粘结，形成固化层，达到抑尘效果。

2.2保湿性能

喷洒水和抑尘剂的土样失水率随时间的变化如图1所示。喷水土样在室温70 h后的失水率接近100%，失去了抑尘效果，而喷洒抑尘剂的土样虽然前70 h也会失去部分游离水，但在100 h左右失水率基本保持不变，仍含有20%的水分。当粉尘含水率大于4%时可保持粉尘润湿，起到抑尘作用[9]。

图1　失水率随时间的变化

2.3渗透性能

渗透速度随时间的变化曲线见图2。抑尘剂的渗透速度保持在0.03 cm/s左右，当抑尘剂喷洒到粉尘表面时，形成一定厚度的固结层，既能起到抵抗外力破坏的作用，又可抑制尘土飞扬。而水的渗透速度过快，表面粉尘的相对含水率越低，抑尘时间缩短，同时也会造成物料可用性降低。

图2　渗透速度随时间变化

2.4抗雨水冲刷性能

通过模拟降水，分别对表面喷洒水和抑尘剂的土样进行了实验。结果表明，喷洒水的土样表层瞬间就被破坏掉，形成明显的坑洞；喷洒抑尘剂的土样表面冲刷0.5 h后，表面膜呈凹凸状，但仍保持着连续、完整的形态，土样表面没有溅蚀现象，说明土样表面形成的膜具有一定的强度和韧性，能够有效地抵抗雨水冲刷。

2.5耐高温性能

分别将喷洒水和抑尘剂的土样放置在30，40，50，60 ℃的电热鼓风干燥箱中2 h后称重，计算失水率，得到图3。当温度达到60 ℃时，喷水土样的失水率达97.46%，土样表面干燥疏松，而喷抑尘剂的土样仍含有40%水分，原因是土样颗粒在抑尘剂的作用下粘结在一起，颗粒间空隙大大减小，抑制了内部水分挥发，且土样表面形成的固化层在高温下不被破坏，仍具有较好的保湿抑尘作用。

图3　失水率随温度的变化

2.6抑尘剂结构表征----红外光谱分析

红外光谱图显示，抑尘剂在1 677.849 cm-1处出现了-COOH的吸收峰，在1 429.064 cm-1处出现了-[-CH2-CH2-]-的吸收峰，这两个基团的吸收峰为单体A的特征吸收峰，说明A接枝到了淀粉上；高分子聚合物C在1 076.138 cm-1处的-C-O-吸收峰出现在抑尘剂红外光谱图的1 027.924 cm-1处，发生了偏移，并且有所减弱，说明高分子聚合物C与淀粉发生了接枝共聚。此外，抑尘剂的红外光谱图中，在1 149.423 cm-1处出现了C-N的吸收峰，在1 562.135 cm-1处出现了N-H的吸收峰，这两个吸收峰为单体B的特征吸收峰，说明B接枝到了淀粉上。由此可以证明所合成的抑尘剂为淀粉、单体A、单体B、高分子聚合物C的共聚物。

2.7扫描电镜分析

采用SEM分别在室温下对喷洒水和抑尘剂6个月后的土样表层进行扫描，结果见图4。喷洒水的土样表面颗粒松散、不规则排列；喷洒抑尘剂的土样在放大相同倍数的情况下，表面连续、光滑，说明抑尘剂在土样表面形成了致密的膜。此外，从图4(c)中可以看出，喷洒抑尘剂的土样固结层之下颗粒也粘结在一起，增大了粉尘颗粒的粒度，从而达到控制扬尘的目的。

(a)喷洒水的土样　　　　　(b)喷洒抑尘剂的

(c)喷洒抑尘剂土样去掉表层后的SEM照片

2.8XRD测定分析

使用XRD对淀粉和抑尘剂进行物相分析。淀粉在15.162 24 cm-1,17.410 4 cm-1,23.107 5 cm-1处存在着特征衍射结晶峰，且峰型尖锐，属于A型模式；抑尘剂只在19.586 6 cm-1处有一个特征峰，说明接枝共聚形成抑尘剂的过程破坏了原淀粉的部分结晶结构，使得结晶度下降。由于晶态聚合物生物降解性能与它的结晶度有关，降解速率随着结晶度的增大而急剧下降[10]，所以抑尘剂较淀粉更易生物降解。

3结论

(1)以淀粉为主料，通过接枝单体A,单体B和高分子聚合物C制得了环境友好型化学抑尘剂，该抑尘剂的黏度为4.766 8 mPa·s，渗透速度保持在0.03 cm/s左右。

(2)喷洒抑尘剂的土壤表面形成了具有一定强度的固结层，在雨水连续冲刷下仍能保持表面完整。该固结层保证了抑尘剂在60 ℃下仍有较好的保水效果，具有较好的温度适应性。

(3)抑尘剂的红外光谱图表明，单体A、单体B、聚合物C都接枝到淀粉主链上。电镜扫描结果表明抑尘剂喷洒土样后可以形成一层致密、连续的固化层，且固结层下的土壤颗粒发生了凝并。XRD衍射结果表明，抑尘剂合成过程发生在淀粉的无定形区和部分结晶区，抑尘剂可生物降解性增强。

参考文献

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[2]王蛟龙,胡志光,张玉玲. 化学抑尘剂的研究现状分析[J].化学工程师,2014(7):57-59,75.

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[10]秦川江. 族聚酯降解性能的研究[D].哈尔滨:黑龙江大学,2005:1-90.

Properties Analysis of Starch-Based Biodegradable Dust Suppressant under the Microwave Radiation

ZHENG XuyangYU BoquYANG WenyaSHI ZhangshuaiWANG Yonghui

(CollegeofChemistryandEnvironmentalScience,HebeiUniversityBaoding,Hebei071002)

AbstractUnder controlled microwave-reaction conditions, dust suppressant is prepared by grafting monomer A，B and polymer C onto modified starches, the viscosity and seepage velocity of the dust suppressant is 4.766 8 mPa·s and 0.03 cm/s respectively, and it has good performance in moisture retention and resistance to high temperature. 100 hours after spraying dust suppressant at room temperature (20 ℃), 20% moisture is left in soil sample and 40% is left after 2 hours at 60 ℃. What’s more, a dense solidified layer is formed on the soil surface, which remains complete after half an hour flushing by imitated rain. Further, the dust suppressant structure is characterized by Fourier Transformation Infrared Spectroscopy(FTIR) and X-Ray Diffraction (XRD), the results indicate that the monomer A，B and polymer C are all grafted onto modified starches and the reaction site is at crystalline region. The microstructure of the solidfied film is studied by SEM (scanning electron microscope) and the images show that the soil particles sticking together forming dense structure.

Key Wordsdust suppressantstarchmicrowave reactiongrafting

*基金项目：河北大学化学与环境科学学院本科生科技创新基金。

作者简介郑旭阳, 女，1991年生，环境工程专业本科生。

通讯作者于泊蕖，女1972年生，副教授，硕士研究生导师，研究方向为大气污染防治。

(收稿日期：2015-04-17)