兼具保水与固沙性能的PVAc乳液的制备及作用机理

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沙漠化是全世界最严峻的环境和社会经济发展问题之一,对农业、交通、水利和国防安全等造成严重威胁。因此,沙漠化治理是一项艰巨而急迫的任务。目前,以喷洒化学固沙材料进行固沙的化学固沙技术由于施工简便、见效迅速而成为沙漠化防治的重要方法,化学固沙材料也因此受到了广泛关注和研究。但目前研究与使用的化学固沙材料,其性能主要体现在对沙土颗粒的固定上,而保水性能不佳。造成这种现象的原因,主要是因为材料的保水性能与固沙性能在本质上的相互矛盾性,材料的保水性往往会导致其固沙性能的大幅度降低,而保水性又是沙漠地区植物生长、生态恢复的重要因素。因而,开发出兼具保水性与固沙性能的新型材料,是实现沙漠地区生态修复的迫切需要。  聚醋酸乙烯酯(PVAc)乳液和聚丙烯酰胺(PAM)是两种环境友好的高分子材料,PVAc乳液强的粘接性能和PAM良好的保水性能使得它们在化学固沙和土壤改良中有普遍的使用。本论文采用共混与共聚的方式对PVAc乳液与PAM进行改性,通过对乳液制备与性能有重要影响的乳化体系的筛选,制备了兼具固沙性能与保水性能的沙漠化治理材料,并对合成材料的结构与其固沙性能、保水性能、水分入渗过程和对植物生长影响的关系进行了较详细的探讨,研究内容及取得结果如下:  (1)用于乳液制备的乳化体系的确定。本研究中选择了4种生态安全性好的乳化剂,复配形成了3种复合型乳化体系,并制备了组分相同PVAc乳液,通过对不同乳化体系下制备的乳液的外观、稳定性、粒径等基本性能的考察筛选出了最佳的乳液体系及配比。研究表明,非离子型聚醚P65和两性离子型甜菜碱CAB复配型乳化体系乳化效果最佳,制备的乳液稳定性好、乳胶粒粒径分布均匀。  (2) P(VAc-EHA)/PAM共混体系的制备及性能考察。将长链单体丙烯酸异辛酯(EHA)引入VAc分子结构中,制备了P(VAc-EHA)乳液,并与中低分子量PAM共混制得P(VAc-EHA)/PAM共混乳液,考察并探讨了共混乳液固沙时PVAc的分子结构与PAM分子量对固沙性能、保水性能、水分在沙土中的入渗过程和对植物生长状况的影响。试验结果表明,EHA的引入改善了PVAc乳液的耐热老化和抗冻融性能;而PAM中酰胺基团可以与水分子和沙粒表面的羟基形成氢键,从而提高了PVAc乳液的固沙强度和保水率,但还不能完全满足固沙需求;同时,由于聚合物分子链缠结在沙粒表面,减小了沙粒之间的孔隙,使得水分在沙土中的入渗速率而降低,但是饱和含水量未降低;植物栽培试验表明,共混乳液不会对植物的生长产生负面影响。  (3) P(VAc-EHA-AM)共聚乳液的制备及性能考察。为了进一步提高乳液的固沙强度与保水性能,采取乳液共聚制备了不同AM含量的P(VAc-EHA-AM)共聚乳液,同样考察并探讨了AM含量与乳液基本性能之间的关系以及共聚乳液固沙时的固沙性能、保水性能、沙土中水分入渗过程和对植物生长状况的影响。发现由于AM具有强极性,对乳液的基本性能有很大影响;共聚乳液固沙时,由于AM可以更加均匀的分布在沙粒表面而具有优异的固沙性能和保水性能,在低的浓度下即可获得高的固沙强度和良好的保水性能。植物栽培试验同样表明,共聚乳液不会对植物的生长产生负面影响。
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