CN104388095B - 双组份纳米高分子固沙材料及其固沙方法 - Google Patents

双组份纳米高分子固沙材料及其固沙方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种双组份纳米高分子固沙材料，该材料由无机纳米颗粒改性的聚乙烯醇‑环氧树脂共混物构成的组份A和聚氨酯预聚体构成的组份B组成。其中组份A是指将纳米二氧化硅分散于N,N‑二甲基甲酰胺中，加热至80~100℃，在搅拌下向其中加入聚乙烯醇，待聚乙烯醇完全溶解后再向其中依次加入环氧树脂和交联剂DMP30，继续搅拌1~3小时后降至室温即得；组份B是指在N,N‑二甲基甲酰胺中加入蓖麻油，加热至40~60℃，在搅拌下加入甲苯‑2,4‑二异氰酸酯，继续搅拌反应0.5~1.5小时，降至室温即得。同时，本发明还公开了该材料的固沙方法。本发明所得的固沙材料在较低的用量下具有固沙强度大、持久性强、吸水性适中、水稳定性好、抗紫外线辐射老化性能好的特点。

Description

双组份纳米高分子固沙材料及其固沙方法
技术领域
本发明涉及沙漠及荒漠化治理领域，尤其涉及双组份纳米高分子固沙材料及其固沙方法。
背景技术
土地沙漠化是当今世界面临的最大环境和社会经济问题之一，也是我国荒漠化类型中面积最大、危害最严重的一种。土地沙漠化不仅使原本脆弱的生态环境更加恶化，而且给沙漠化地区的工农业生产和人民生活带来了严重影响。沙漠化土地面积的迅速扩张，造成环境恶化和巨大的经济损失，成为全球广泛关注的热点。要遏止日益猖獗的沙漠化势头，就必须进行固沙。现今固沙方式主要有三种：工程固沙、植物(生物) 固沙和化学固沙。
化学固沙是在流动的沙地上喷洒有机或无机化学黏结材料，在流动沙表面形成覆盖层，或渗入表层沙中，把松散的沙粒粘结起来形成具有一定抗风蚀性能的固结层（硬壳），从而防止风力对沙粒的吹扬和搬运，提高沙土的稳定性和保水性，达到固定流沙、防治沙害，进而改良和治理荒漠化土地的目的。化学固沙与生物固沙、工程固沙相比有其自身的优势，化学固沙技术施工简单、成本低、见效快，可迅速改良荒漠化土地，为植物生长创造良好的水土条件。
化学固沙按照化学材料的组成主要有以下四大类：水泥浆、水玻璃类、石油产品类和高分子聚合物高吸水树脂类。高分子聚合物高吸水树脂类固沙材料是当今化学固沙材料的研究热点之一，用它来治理流沙，能使分散的无结构沙粒聚合成大的富有一定弹性、不易破碎的稳定体，从而达到稳定沙丘的目的。其固沙效果比其他普通化学材料均较为显著和稳定。但是吸水性较好的高分子固沙材料，往往固沙强度不够，综合性能较差。
聚乙烯醇是一种重要的水溶性聚合物，其力学性能优良。环氧树脂具有良好的化学稳定性、黏接性和加工性，但其最大的弱点是固化后质脆、耐冲击性较差并容易开裂。聚氨酯是一类含极性氨基甲酸酯重复链段的高分子化合物，具有耐磨、耐高温、耐腐蚀、加工性能好等优异性能。以聚氨酯作为一种组分与环氧树脂混合，可形成性能优异的互穿聚合物网络材料。
纳米粒子由于具有量子尺寸效应、宏观量子隧道效应、表面与界面效应等特点而在聚合物改性领域得到了广泛应用。研究表明纳米二氧化硅与聚合物分子链之间会形成缠结结构，从而对聚合物的性能产生明显影响。但是目前尚未见有纳米二氧化硅改性聚乙烯醇-环氧树脂-聚氨酯三元互穿聚合物网络的报道，更没有原位聚合形成该材料用做化学固沙剂的报道。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种综合性能良好、易规模施工的双组份纳米高分子固沙材料。
本发明所要解决的另一个技术问题是提供该固沙材料的固沙方法。
为解决上述问题，本发明所述的双组份纳米高分子固沙材料，其特征在于：该材料由无机纳米颗粒改性的聚乙烯醇-环氧树脂共混物构成的组份A和聚氨酯预聚体构成的组份B组成；其中
所述组份A是指将纳米二氧化硅分散于N,N-二甲基甲酰胺中，加热至80~100℃，在搅拌下向其中加入聚乙烯醇，待聚乙烯醇完全溶解后再向其中依次加入环氧树脂和交联剂DMP30，继续搅拌1~3小时后降至室温即得；所述纳米二氧化硅与所述N,N-二甲基甲酰胺的比例为0.01~0.05kg：100~500mL，所述纳米二氧化硅与所述聚乙烯醇的比例为0.01~0.05kg：0.15~0.25kg，所述纳米二氧化硅与所述环氧树脂的比例为0.01~0.05kg：0.15~0.25kg；所述纳米二氧化硅与所述DMP30的比例为0.01~0.05kg：0.01~0.02kg；
所述组份B是指在N,N-二甲基甲酰胺中加入蓖麻油，加热至40~60℃，在搅拌下加入甲苯-2,4-二异氰酸酯，继续搅拌反应0.5~1.5小时，降至室温即得；所述蓖麻油与所述N,N-二甲基甲酰胺的比例为0.2~0.28kg：100~500mL，所述蓖麻油与所述甲苯-2,4-二异氰酸酯的比例为0.2~0.28kg：0.3~0.42kg。
所述纳米二氧化硅的粒径为20~100纳米。
所述聚乙烯醇的数均相对分子质量为140000~210000。
如上所述的双组份纳米高分子固沙材料的固沙方法，其特征在于：该方法是指以干基计，分别将组份A按0.0208~0.0371 kg/m2、组份B按0.0325~0.0455kg/m2的喷洒量喷洒于流沙表面，使沙面形成3~5毫米厚的固沙结皮即可。
如上所述的双组份纳米高分子固沙材料的固沙方法，其特征在于：该方法是指将组份A、组份B与粒度100~200目的细砂充分混合后覆盖在流沙表面，形成3~5mm厚的固沙层即可；其中所述A组份以干基计与所述细砂的比例为4.2~7.4kg：2000kg，所述B组份以干基计与所述细砂的比例为6.5~9.1kg：2000kg。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明与现有高分子化学固沙材料相比，采用纳米无机颗粒改性的双组份高分子原位聚合技术，统筹兼顾了聚乙烯醇、环氧树脂、聚氨酯各高分子组份的力学机械性能和吸水性、水渗透性等因素，得到了综合性能优异的有机高分子纳米复合物化学固沙材料。
2、经测试，本发明所得的固沙材料在较低的用量下具有固沙强度大、持久性强、吸水性适中、水稳定性好、抗紫外线辐射老化性能好的特点。
将A、B两组份按照实施例2和实施例4的混合固沙法的比例与细砂充分混合，在模具中压实成直径为4.65 cm，厚度约0.6 cm的圆柱体固沙块，如图2所示。固沙块的抗压强度的测定选用电动石灰土无限压力试验仪（YYW-II型，工作电压220 V，电机功率30 W，沧州冀路试验仪器有限公司）；耐紫外线老化性能测试在恒温25℃下连续辐射（紫外碳弧灯，15瓦/平方米，灯距25厘米）6天后测试抗压强度的降低；固沙块的耐水性和水渗透性测试是将固沙块置于自来水中，连续浸泡6天，观察固沙块的形貌变化，取出后快速擦干表面水分称重并与原重比较，计算吸水率，同时比较浸泡后的固沙块与泡水前的抗压强度。固沙块的性能测试结果见表1。
表1 本发明的高分子固沙材料固沙性能测试
3、利用本发明所得的固沙材料进行化学固沙具有简单易行、易规模施工。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1为本发明表面喷洒双组份高分子固沙材料固沙照片。
图2为本发明双组份高分子与细砂均匀混合形成固沙块的照片。
具体实施方式
实施例1 双组份纳米高分子固沙材料，该材料由无机纳米颗粒改性的聚乙烯醇-环氧树脂共混物构成的组份A和聚氨酯预聚体构成的组份B组成。其中
组份A是指将粒径为20纳米的纳米二氧化硅分散于N,N-二甲基甲酰胺中，加热至80℃，在搅拌下向其中加入数均相对分子质量为160000的聚乙烯醇，待聚乙烯醇完全溶解后再向其中依次加入环氧树脂和交联剂DMP30，继续搅拌1小时后降至室温即得。纳米二氧化硅与N,N-二甲基甲酰胺的比例为0.01kg：400mL，纳米二氧化硅与聚乙烯醇的比例为0.01kg：0.15kg，纳米二氧化硅与环氧树脂的比例为0.01kg：0.25kg；纳米二氧化硅与DMP30的比例为0.01kg：0.01kg。
组份B是指在N,N-二甲基甲酰胺中加入蓖麻油，加热至40℃，在搅拌下加入甲苯-2,4-二异氰酸酯，继续搅拌反应0.5小时，降至室温即得。蓖麻油与N,N-二甲基甲酰胺的比例为0.28kg：200mL，蓖麻油与甲苯-2,4-二异氰酸酯的比例为0.28kg：0.3kg。
该双组份纳米高分子固沙材料的固沙方法是指以干基计，分别将组份A按0.0208kg/m2、组份B按0.0455kg/m2的喷洒量喷洒于流沙表面，使沙面形成3~5毫米厚的固沙结皮即可（如图1所示）。
实施例2 双组份纳米高分子固沙材料，该材料由无机纳米颗粒改性的聚乙烯醇-环氧树脂共混物构成的组份A和聚氨酯预聚体构成的组份B组成。其中
组份A是指将粒径为30纳米的纳米二氧化硅分散于N,N-二甲基甲酰胺中，加热至100℃，在搅拌下向其中加入数均相对分子质量为140000的聚乙烯醇，待聚乙烯醇完全溶解后再向其中依次加入环氧树脂和交联剂DMP30，继续搅拌3小时后降至室温即得。纳米二氧化硅与N,N-二甲基甲酰胺的比例为0.02kg：250mL，纳米二氧化硅与聚乙烯醇的比例为0.02kg：0.2kg，纳米二氧化硅与环氧树脂的比例为0.02kg：0.22kg；纳米二氧化硅与DMP30的比例为0.02kg：0.02kg。
组份B是指在N,N-二甲基甲酰胺中加入蓖麻油，加热至60℃，在搅拌下加入甲苯-2,4-二异氰酸酯，继续搅拌反应1.5小时，降至室温即得。蓖麻油与N,N-二甲基甲酰胺的比例为0.23kg：300mL，蓖麻油与甲苯-2,4-二异氰酸酯的比例为0.23kg：0.35kg。
该双组份纳米高分子固沙材料的固沙方法是指将组份A、组份B与粒度100目的细砂充分混合后覆盖在流沙表面，形成3~5mm厚的固沙层即可。其中A组份以干基计与细砂的比例为4.2kg：2000kg，B组份以干基计与细砂的比例为9.1kg：2000kg（如图2所示）。
实施例3 双组份纳米高分子固沙材料，该材料由无机纳米颗粒改性的聚乙烯醇-环氧树脂共混物构成的组份A和聚氨酯预聚体构成的组份B组成。其中
组份A是指将粒径为50纳米的纳米二氧化硅分散于N,N-二甲基甲酰胺中，加热至90℃，在搅拌下向其中加入数均相对分子质量为170000的聚乙烯醇，待聚乙烯醇完全溶解后再向其中依次加入环氧树脂和交联剂DMP30，继续搅拌2小时后降至室温即得。纳米二氧化硅与N,N-二甲基甲酰胺的比例为0.03kg：350mL，纳米二氧化硅与聚乙烯醇的比例为0.03kg：0.25kg，纳米二氧化硅与环氧树脂的比例为0.03kg：0.15kg；纳米二氧化硅与DMP30的比例为0.03kg：0.01kg。
组份B是指在N,N-二甲基甲酰胺中加入蓖麻油，加热至50℃，在搅拌下加入甲苯-2,4-二异氰酸酯，继续搅拌反应1小时，降至室温即得。蓖麻油与N,N-二甲基甲酰胺的比例为0.25kg：100mL，蓖麻油与甲苯-2,4-二异氰酸酯的比例为0.25kg：0.35kg。
该双组份纳米高分子固沙材料的固沙方法是指以干基计，分别将组份A按0.0295kg/m2、组份B按0.0376kg/m2的喷洒量喷洒于流沙表面，使沙面形成3~5毫米厚的固沙结皮即可（如图1所示）。
实施例4 双组份纳米高分子固沙材料，该材料由无机纳米颗粒改性的聚乙烯醇-环氧树脂共混物构成的组份A和聚氨酯预聚体构成的组份B组成。其中
组份A是指将粒径为80纳米的纳米二氧化硅分散于N,N-二甲基甲酰胺中，加热至85℃，在搅拌下向其中加入数均相对分子质量为210000的聚乙烯醇，待聚乙烯醇完全溶解后再向其中依次加入环氧树脂和交联剂DMP30，继续搅拌1.5小时后降至室温即得。纳米二氧化硅与N,N-二甲基甲酰胺的比例为0.04kg：100mL，纳米二氧化硅与聚乙烯醇的比例为0.04kg：0.23kg，纳米二氧化硅与环氧树脂的比例为0.04kg：0.25kg；纳米二氧化硅与DMP30的比例为0.04kg：0.02kg。
组份B是指在N,N-二甲基甲酰胺中加入蓖麻油，加热至45℃，在搅拌下加入甲苯-2,4-二异氰酸酯，继续搅拌反应0.5小时，降至室温即得。蓖麻油与N,N-二甲基甲酰胺的比例为0.2kg：500mL，蓖麻油与甲苯-2,4-二异氰酸酯的比例为0.2kg：0.4kg。
该双组份纳米高分子固沙材料的固沙方法是指将组份A、组份B与粒度200目的细砂充分混合后覆盖在流沙表面，形成3~5mm厚的固沙层即可。其中A组份以干基计与细砂的比例为7.4kg：2000kg，B组份以干基计与细砂的比例为6.5kg：2000kg（如图2所示）。
实施例5 双组份纳米高分子固沙材料，该材料由无机纳米颗粒改性的聚乙烯醇-环氧树脂共混物构成的组份A和聚氨酯预聚体构成的组份B组成。其中
组份A是指将粒径为100纳米的纳米二氧化硅分散于N,N-二甲基甲酰胺中，加热至95℃，在搅拌下向其中加入数均相对分子质量为190000的聚乙烯醇，待聚乙烯醇完全溶解后再向其中依次加入环氧树脂和交联剂DMP30，继续搅拌2.5小时后降至室温即得。纳米二氧化硅与N,N-二甲基甲酰胺的比例为0.05kg：500mL，纳米二氧化硅与聚乙烯醇的比例为0.05kg：0.25kg，纳米二氧化硅与环氧树脂的比例为0.05kg：0.25kg；纳米二氧化硅与DMP30的比例为0.05kg：0.01kg。
组份B是指在N,N-二甲基甲酰胺中加入蓖麻油，加热至55℃，在搅拌下加入甲苯-2,4-二异氰酸酯，继续搅拌反应1.5小时，降至室温即得。蓖麻油与N,N-二甲基甲酰胺的比例为0.2kg：150mL，蓖麻油与甲苯-2,4-二异氰酸酯的比例为0.26kg：0.42kg。
该双组份纳米高分子固沙材料的固沙方法是指以干基计，分别将组份A按0.0371kg/m2、组份B按0.0325kg/m2的喷洒量喷洒于流沙表面，使沙面形成3~5毫米厚的固沙结皮即可（如图1所示）。
实施例6 双组份纳米高分子固沙材料，该材料由无机纳米颗粒改性的聚乙烯醇-环氧树脂共混物构成的组份A和聚氨酯预聚体构成的组份B组成。其中
组份A是指将粒径为80纳米的纳米二氧化硅分散于N,N-二甲基甲酰胺中，加热至85℃，在搅拌下向其中加入数均相对分子质量为210000的聚乙烯醇，待聚乙烯醇完全溶解后再向其中依次加入环氧树脂和交联剂DMP30，继续搅拌1.5小时后降至室温即得。纳米二氧化硅与N,N-二甲基甲酰胺的比例为0.04kg：100mL，纳米二氧化硅与聚乙烯醇的比例为0.04kg：0.23kg，纳米二氧化硅与环氧树脂的比例为0.04kg：0.25kg；纳米二氧化硅与DMP30的比例为0.04kg：0.015kg。
组份B是指在N,N-二甲基甲酰胺中加入蓖麻油，加热至45℃，在搅拌下加入甲苯-2,4-二异氰酸酯，继续搅拌反应0.5小时，降至室温即得。蓖麻油与N,N-二甲基甲酰胺的比例为0.2kg：500mL，蓖麻油与甲苯-2,4-二异氰酸酯的比例为0.2kg：0.4kg。
该双组份纳米高分子固沙材料的固沙方法是指将组份A、组份B与粒度150目的细砂充分混合后覆盖在流沙表面，形成3~5mm厚的固沙层即可。其中A组份以干基计与细砂的比例为5.8kg：2000kg，B组份以干基计与细砂的比例为7.8kg：2000kg。

Claims (5)

1.双组份纳米高分子固沙材料，其特征在于：该材料由无机纳米颗粒改性的聚乙烯醇-环氧树脂共混物构成的组份A和聚氨酯预聚体构成的组份B组成；其中
所述组份A是指将纳米二氧化硅分散于N,N-二甲基甲酰胺中，加热至80~100℃，在搅拌下向其中加入聚乙烯醇，待聚乙烯醇完全溶解后再向其中依次加入环氧树脂和交联剂DMP30，继续搅拌1~3小时后降至室温即得；所述纳米二氧化硅与所述N,N-二甲基甲酰胺的比例为0.01~0.05kg：100~500mL，所述纳米二氧化硅与所述聚乙烯醇的比例为0.01~0.05kg：0.15~0.25kg，所述纳米二氧化硅与所述环氧树脂的比例为0.01~0.05kg：0.15~0.25kg；所述纳米二氧化硅与所述DMP30的比例为0.01~0.05kg：0.01~0.02kg；
所述组份B是指在N,N-二甲基甲酰胺中加入蓖麻油，加热至40~60℃，在搅拌下加入甲苯-2,4-二异氰酸酯，继续搅拌反应0.5~1.5小时，降至室温即得；所述蓖麻油与所述N,N-二甲基甲酰胺的比例为0.2~0.28kg：100~500mL，所述蓖麻油与所述甲苯-2,4-二异氰酸酯的比例为0.2~0.28kg：0.3~0.42kg。
2.如权利要求1所述的双组份纳米高分子固沙材料，其特征在于：所述纳米二氧化硅的粒径为20~100纳米。
3.如权利要求1所述的双组份纳米高分子固沙材料，其特征在于：所述聚乙烯醇的数均相对分子质量为140000~210000。
4.如权利要求1所述的双组份纳米高分子固沙材料的固沙方法，其特征在于：该方法是指以干基计，分别将组份A按0.0208~0.0371 kg/m2、组份B按0.0325~0.0455kg/m2的喷洒量喷洒于流沙表面，使沙面形成3~5毫米厚的固沙结皮即可。
5.如权利要求1所述的双组份纳米高分子固沙材料的固沙方法，其特征在于：该方法是指将组份A、组份B与粒度100~200目的细砂充分混合后覆盖在流沙表面，形成3~5mm厚的固沙层即可；其中所述组份A以干基计与所述细砂的比例为4.2~7.4kg：2000kg，所述B组份以干基计与所述细砂的比例为6.5~9.1kg：2000kg。
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