文摘

聚丙烯酰胺类构成的聚合物在水中完全溶解或膨胀或水凝胶,形成一个解决方案。自由基聚合的丙烯酰胺单体,使用解决方案和反相乳液聚合技术,应用于生产与不同分子量聚丙烯酰胺。这个调查是专注于生产具有不同分子量的聚合物,这取决于单体与引发剂比。实验条件设计生产高分子量聚合物,可用于稳定沙丘的干旱地区。合成聚丙烯酰胺样品用凝胶渗透色谱法和溶液粘度特征以确定分子量和分子量分布。流变行为也研究了在不同聚合物浓度和在不同温度下使用布鲁克菲尔德流变仪。实验室规模风洞是用来确定沙治疗前后的稳定聚合物。抗压应力-应变测试也用于建立的机械行为polymer-sand复合压缩负荷控制失败。结果表明,高分子量聚合物的使用给优秀的机械和热稳定性。

1。介绍

干旱的气候。阿拉伯联合酋长国(UAE)描述为亚热带气候,温暖和干燥。空气温度范围从35°C到50°C左右中午5月至10月间,从20°C到35°C在冬天。更深层次的在沙漠中,地面温度在夏季可以达到70°C和秋天到冬天冻结在阿联酋的某些地区。平均降雨量阿联酋每年小于100毫米。水分也露水凝结雾的形式,尤其是在沿海地带。大风和沙尘暴是常见的酋长国和频繁和严重的特别是在夏天。沙丘是一个占主导地位的景观特性在阿联酋。

土壤一般粗,桑迪和未开发。大部分的国家非常干旱,没有人工灌溉和持续农业是不可能的。对于一个成功的农业,一些防止高速风和移动的沙子是必需的。沙丘覆盖的面积北、西、西南和东部省份的艾恩城市阿布扎比,阿拉伯联合酋长国。这些沙丘不同小新月形的巨星和范围从10米到70米高度离地面水平(1,2]。积累的沙子在暴风雨后必须身体被使用重型挖土机械沿着高速公路系统,特别是乡镇,种植园农场。最小化沙子入侵障碍,如水泥石棉板,镀锌铁皮、枣椰树方面竖立在盛行风的方向进一步抑制入侵和砂桩对这些障碍定期删除(3]。沙子入侵和风蚀降低土壤生产力造成损失的植物养分,土壤结构退化,水对植物存储容量损失,减少土壤均匀性。灰尘后出现沙尘暴擦伤埋植物和阳光。此外,堵塞流和排水通道损害配水系统和农用化学品污染的饮用水。

使用化学物质作为稳定剂砂的《盗梦空间》的研究可以追溯到1930年代中期。半个多世纪的研究和实践表明,化学稳定剂尤其适合的控制流沙,大大有助于减少植被破坏和公路系统在沙漠和干旱的区域,它的特点是移动或移动的沙子4,5]。化学稳定砂形式绑定地壳表面,减少土壤水分下地壳,阻止或妨碍风蚀和稳定的沙子。根据其化学性质、沙稳定剂可以形成三种类型的绑定地壳:(i)的地壳,(2)一个灵活的地壳,或(3)一个弹性地壳。所有这些外壳光滑的表面,防止砂表面直接侵蚀强风(5,6]。理想的化学稳定剂砂应提供良好的附着力和快速渗透的沙子当液体稳定剂喷洒在表面。

早在1934年,科学家开始研究使用沥青乳剂流沙的稳定。1959年,科学家进行了沙丘稳定实验使用合成聚合物溶液代替沥青。这之后,1964年,科学家们进行了一系列沙丘稳定实验在实验室以及在这个领域。他们获得了大量的数据率和渗透深度。从1969年到1972年,研究人员进行了使用化学名为Nerosine流沙稳定实验,近年来,他们已经测试了丁苯胶乳(4]。其他科学家已经开发出砂稳定剂如脲醛、urea-dicyandiamide,聚丙烯酰胺(7]。研究人员还测试了30多种有机和无机材料控制风蚀。其他国家,包括德国、伊朗、利比亚、阿尔及利亚、沙特阿拉伯、中国、埃及、阿拉伯联合酋长国和伊拉克,也进行了沙丘稳定实验使用石油产品。这些系统被用来稳定桑迪被风蚀地区或建筑活动,保护公路、建筑、和价值养殖地区免受吹砂(8- - - - - -12]。地区,大风、化学稳定剂防止土壤和沙子吹离地面和潜在的被沉积在附近的湿地,河道、道路和下水道。化学物质,用作沙稳定剂,包括有机和无机物质,必须无毒,无污染,能适应当地的气候和环境条件接受治疗,高度有效的和持久的。在阿联酋,大量的田间试验进行了以打击侵犯和沙丘停止运动。使用各种方法,如安装的栅栏和壁垒,保护造林,平整其次是覆盖和喷洒原油或其他石油稳定剂。

石油覆盖物也用于沙丘稳定,它似乎已经给出更好的结果;然而,喷洒面积产生肮脏的外表和可能污染了当地的环境。这将是值得尝试其他沙稳定剂,不产生不良影响的石油覆盖物。另一种方法,它可以被视为更环保,是种植物种(如干旱带金合欢和Calligonum,但这是非常昂贵的维护在很长一段时间。在这项工作中,合成了高分子量稳定剂砂基于聚丙烯酰胺溶液和逆乳化过程产生聚合物粉和乳液形式,分别为简单的应用程序。这些材料申请风蚀控制和沙丘稳定艾恩阿联酋。

反相乳液聚合技术。丙烯酰胺聚合物或共聚物的溶液聚合可以获得高分子量的水媒体。然而,溶液聚合是局限于相对较低的单体浓度,因为最终的高粘度聚合物或共聚物的解决方案。这些困难是克服利用多相油包水反相乳液聚合反应。这个过程涉及到水的分散单体(s)的解决方案在一个脂肪族连续油相。聚合发生在惰性气氛下一批反应堆使用自由基引发剂。气温介于25 - 55°C是连续剧烈搅动。有相当大的进步在反相乳液聚合技术领域的开创性工作以来Vanderhoff [13]。

本研究关注的是考试的水溶性聚丙烯酰胺的分子量分布,在溶液中聚合和反相乳液聚合油(水)。该分布的形状作为链转移剂的量的函数(甲酸钠)和引发剂的研究获得的信息机制涉及自由基聚合。

在油包水聚合,亲水单体在水溶液(通常)是分散在连续使用油包水乳化剂有机相。产生的自由基聚合进行了逆乳胶,也就是说,水肿胀的聚合物粒子的胶体分散在油中。这样一个过程是适合高摩尔质量的制备聚合物在快速反应率(14,15]。应该提到在这个阶段的经济优势在这项工作中使用合成聚丙烯酰胺相比,商业的也许不是那么重要。然而,它可能是非常经济的,如果一个商业工厂将建在本地生产这样的大规模的聚合物。重要的问题在于,商业聚合物,当应用在阿联酋,会显著降低聚合物由于极端的天气状况。全降解聚合物合成的研究将在未来的研究探索。

2。实验

2.1。材料

丙烯酰胺(AM)单体两次再结晶从氯仿。转移剂的纯度(甲酸钠)()测量和水溶液中(5 wt %)转移剂添加到反应的解决方案选择的实验。去离子水是用于实验。过硫酸钾(KPS)作为发起者(),净化通过与甲醇重结晶,在真空干燥,冷冻储存在5°C。反相乳液聚合技术,石油是一个狭窄的削减isoparaffinic混合物和用作提供。乳化剂是一种高分子表面活性剂,也包含一些失水山梨醇油酸酯。乙二胺四乙酸钠作为络合剂,以消除过硫酸盐的催化分解过渡金属离子的痕迹。所有化学品都从Sigma-Aldrich购买化学品公司。

2.2。聚合物的合成

溶液聚合反应进行了在5 L玻璃夹套反应器配备了一个机械搅拌器,热电偶,冷凝器。核反应堆使用循环水浴温度控制。核反应堆也连接到一个氮气入口。起始配方(没有KPS的解决方案)是第一个与净化氮去除大部分残余氧清除。反应温度保持在50°C和60°C之间。然后启动程序的解决方案是热平衡后注射。

乳液聚合反应进行反应堆使用相同的设置。水相、油相单独准备。水相然后注入反应堆,包含油相,在激烈的搅拌。乳液形成,不断净化提纯氮气。搅拌速率是固定第一次在200 - 350转,然后增加到3000 rpm时添加了所有的原料和反应温度达到所需的设置50°C。引发剂溶液与特定浓度注入反应堆。对于每一个程序(解决方案和乳液聚合),三个实验进行了如下:(一)引用实验中,(b)引发剂的浓度增加了一倍(””),和(c)转移剂的浓度除以三(“”)。

溶液聚合反应停20分钟后,聚合物进行了分析。然而,乳液聚合反应是保持连续,和两个整除撤回在20分钟的间隔进行分析。在这之后,反应被终止。

2.3。聚合物表征

聚合物进行了表征同时为了达到高分子量的聚合物。表征技术包括核磁共振和红外光谱用于常规分析。凝胶渗透色谱法(GPC)和溶液粘度也被连续测定分子量和分子量分布。,解决方案和乳液聚合反应,聚丙烯酰胺是由降水超过从反应介质中恢复包含少量的氢醌的甲醇,其次是一些洗液和干燥在烤箱在45°C。GPC分析进行一个安捷伦高效液相色谱/ GPC(1100系列)ultraviolate(紫外线)和折射率(RI)探测器。流动相由作为解决方案包含硝酸钠(0.25米)和磷酸氢二钠(0.01米)。两个混合床安捷伦水凝胶列。校准和窄分子量分布进行了水溶性聚氧化乙烯(PEO)标准(12个标准涵盖了广泛的分子量)。溶液粘度测量粘度测定的分子量也用于验证分子量的值。

2.4。聚合物流变学

聚丙烯酰胺的应用作为一个沙丘稳定剂最终取决于的喷洒在球场上或者在沙丘上。流变特性和聚合物溶液表现在不同浓度和温度检测。这些属性影响因素也决定。布氏粘度计模型LVDV - II +被用来确定聚合物样品的剪切粘度。本仪器适用于胡克定律即力()扩展或压缩弹簧需要通过一段距离(距离)成正比。也就是说,,在那里春天是一个常数因子的特征及其刚度。这个方程是用来计算产生的转矩之间的同心圆筒的液体。测量粘度和粘性流的行为在不同的浓度和温度检测。布氏粘度计模型与小样本适配器LVDV - II +有一个圆柱形轴,旋转的流体测量扭矩需要克服粘滞阻力引入运动。测试材料的轴插入到液面达到沉浸在主轴的轴在一个恒定的温度。电机转速是打开,粘度的读数厘泊(cP)和剪切应力和不同的剪切率。开始实验部分,粘度计校准和粘度测量一系列的准备与不同浓度聚合物为所有聚合物已由乳胶和溶液聚合。在一个恒定的温度,聚合物溶液注入粘度计的细胞来确定剪切应力的值,剪切率和粘度。一系列的图表得到不同浓度的不同聚合物在一个恒定的温度。

2.5。风洞实验

实验室规模风洞(Armfield技术教育有限公司,灵伍德,汉普郡,英格兰)被用来模拟风模式风蚀试验。风速是由压力计校准和监控。

实验室实验中,矩形塑料托盘固定尺寸(长12厘米×宽4厘米×高2厘米)充满了已知重量的地方砂和被放置在隧道层逆风。流的干扰的影响周围的托盘被忽视了。沙子侵蚀测试三种不同风速下进行水平(4、5、10 m·s⁻¹)来衡量一个纳米的隧道。在测试期间,三个托盘包含沙子,已处理沙子稳定器,相邻。第四盘放置10厘米远离其他三个。这个托盘是充满一个已知重量相同的沙子但没有任何稳定剂治疗。这将作为一个控制样本进行比较。所有四个托盘被放置在平面上的风洞和面临的逆风的方向。

2.6。机械性能

压缩试验是用来确定polymer-sand组合下的力学行为升级压缩负荷直到到达失败。压应力和应变进行计算,并绘制应力-应变图是用来测量压缩承载能力和刚度(弹性模量)的聚合物复合材料。其他参数如峰值负载、峰值应力、峰值伸长也决定。复合标本由混合各种重量百分比最高的聚合物分子量(2.2×10⁶克/摩尔)从逆乳化过程获得300克沙和压缩在一个圆柱形模具。模具被放置在烤箱举行50°C 48小时完全蒸发掉多余的水用来溶解聚合物。详细的成分和混合组件示例表1。至少四个样品为每个成分的抗压测试。所有六个完全干复合样品抗压强度与不同聚合物的重量百分比确定使用100 KN, MTS万能试验机在位移控制条件。

测试环境温度和十字头的恒定转速下(CS)的0.05厘米/分钟直至试样断裂。至少有三个有效的结果为每个样本已经完成为了计算力学性能。结果的平均值从三个有效样本计算和提出。圆柱形状的测试组合(直径50毫米和50毫米的厚度)是加载在其直径进行静态压缩试验和压缩负荷不断升级,直到样品失败发生。这种加载产生拉应力在缸的中心方向垂直于外加负载的方向。为每个试样抗拉强度(使用以下公式计算: 在哪里=最大应用压缩负荷记录在测试期间(牛顿),=试样的直径(毫米)=试样厚度(毫米)。

3所示。结果和讨论

至于所有聚合物的合成和表征,准备使用这两种解决方案()和乳液()聚合方法,每个方法和三个聚合物合成核磁共振和红外光谱表征。所有聚合物显示典型的乐队与拉伸和弯曲的各种团体,尤其是羰基和胺组。详细描述了在其他地方(16,17]。表2显示了每一批的具体实验条件在溶液中聚合和乳液的方法。合成聚合物的溶液聚合得到代码:PAM-Sa, PAM-Sb, PAM-Sc,指的是合成的方法和条件指的是聚丙烯酰胺(PAM);大写字母指溶液聚合和字母(a)是引用或标准实验;(b)是引发剂浓度加倍(),而这封信(c)是转移剂浓度降低了三分之一()。聚合物获得使用乳液聚合遵循相同的编码的信指乳液的方法。

分子量测量来自两个不同的技术,即凝胶渗透色谱法(GPC)和稀溶液粘度。合成聚合物的特点是其内在粘度。粘度聚合物的平均分子量估计从固有粘度数据在适当的温度下(30°C)在一个特定的溶剂(蒸馏水)。粘度的测量都是使用一种乌氏粘度计执行沉浸水浴举行30°C。

数据计算和列在表中1。合理的协议是观察两个分子量之间的值从两种不同的技术获得。这可能主要是由于使用环氧乙烷GPC系统的校准标准。分子量用乳液聚合得到的价值远远高于使用溶液聚合得到。可以提高聚合物的分子量在更高程度上如果反应溶液的粘度降低,单体、引发剂比例增加。乳液聚合有一些优势的解决方案方法得到的聚合物可以作为砂后稳定所需的浓度。此外,反应放热曲线的控制容易得多,和溶液粘度可以更好的管理,以确保反应的最大混合材料。

图1显示了从GPC系统获得分子量分布这三个聚合物样品,在溶液中聚合方法。这些聚合物的多分散性指数是优秀的在1.05和1.10之间时,通常不是通过自由基聚合。

图2显示了剪切速率与溶液的粘度在20°C对不同聚合物浓度。从图可以看到,聚合物溶液的浓度导致了粘度的增加。此外,分子量的增加增加了聚合物的粘度恒定浓度和温度。随着剪切速率的增加,粘度降低,因为它分解聚合物链导致更少的粘性解。粘度可以表示非牛顿和高浓度的剪切稀化,而在低浓度粘度行为与牛顿行为几乎是相同的。低粘度是可取的,在当前应用程序中,聚合物溶液必须分布在沙丘以形成薄膜稳定砂。

聚合物在沙滩上之前进行测试,0.1%股票的解决方案(基于总固体量)准备。在这项研究中,去离子水微孔产生的实验室使用水净化系统。聚合物溶解在温水(25°C到35°C);然后搅拌30分钟形成0.1%水的解决方案。这个浓度是采用实验为了控制溶液粘度保持到最低限度,使喷涂过程容易和制服。两种类型的砂结构,形成了在实验室外使用本地可用的沙子。的结构是一个平面,另一个是沙丘或山剖面。的形成都与聚合物溶液喷洒准备早些时候,当地的风和温度的影响。这些结构是视觉检查在一段时间内。沙丘的照片模式被定期研究风对这些地层的影响。 Figure3显示了沙丘模式在整个时期后沙稳定剂的应用。图3(一个)应用程序的第一个星期期间拍摄;图3 (b)三个星期后拍摄;和图3 (c)9周后被当地的天气。

沙丘是分成两半用警示胶带;左边的沙丘被聚合物溶液和另一半是用作控制。从数据很明显3(一个),3 (b),3 (c)准备聚合物相当有效的把沙子从漂流在当地的风的影响。应该注意的是,每年的平均风速的艾恩城市5 m / s或略高于18.5公里每小时1]。这被认为是轻度到中度的全年。风力能够移动和沉淀等大量的沙子在当地公路、植被农田和居民区。沙稳定剂的应用有可能解决这些问题通过防止积累的沙子在这些关键领域。

在平面上,聚合物的性能在沙丘模式一样好。两个木托盘的尺寸都与当地的沙子。与前面的实验中,右手托盘,这一次,是聚合物溶液处理,左手边是没有治疗。这些托盘放置在一个平面上在一个开放的空气和固定在地上。图4显示了沙子侵蚀了九个星期。9周后接触当地的天气和风力,左手托盘的沙子已经完全被分散,删除了托盘的风的影响。另一方面,沙子,准备砂处理稳定剂,在同一时间内保持不变。这种效应可以如图4(一),4 (b),4 (c)。

更准确评估的耐久性沙稳定剂及其稳定砂强度,使用实验室风洞中进行许多实验在不同的风速,即4、5、10 m·s⁻¹记住,年平均风速在艾恩城市是5 m·s⁻¹。在该测试中,从附近的沙丘砂收集网站和用于评估。沙子被用来填补四个相同的矩形托盘。三个托盘与聚合物溶液喷洒,剩下晚上在室温下干燥。只有一个托盘没有聚合物,用作控制。这四个托盘放置在风洞和风速被选中。确定正确的减肥,托盘含砂样品称重测试之前和之后使用电子天平的精度0.1 g。测试的最后减肥与沙子吹在特定的风速。减肥是监控时间和记录每5分钟。图5显示了沙子减肥和时间在5 m·s⁻¹风速。减肥的三个托盘装满沙子,喷洒聚合物,被发现为零作为最终重量与原始体重保持不变。这是明确的证据表明,聚合物稳定剂一起举行了沙粒,阻止他们吹了风。另一方面,控制样本的减肥展品随着时间的推移逐渐减肥。事实上,30分钟的曝光后,托盘几乎已经失去了其原始体重的50%。在这个阶段,风向改变了180°;和进一步减重25%。最后,只有不到25%的原砂的托盘重量45分钟后暴露在风洞内。后者发生随着沙子的积累和庇护托盘的边缘。

当风速降低到4 m·s⁻¹观察,一个类似的趋势,但从控制盘降低体重。只有11%的总沙失去了重量如图6。

再一次,治疗盘仍然降低了风速的影响。图7说明了沙子减肥和时间在10 m·s⁻¹风速。只需要4分钟沙子的重量减少近75%。风在这个速度是清风,然而它可以吹掉近75%的沙子在很短的时间内。风是一个主要的代理在风化过程中,和风力侵蚀是海湾地区土壤中常见的一般保护和盛行风运输暴露面材料。

这个运动的沙子和土,称为风成运输,在阿拉伯联合酋长国是很常见的。此外,风向在沙尘暴经常波动,让沙子的运动以前沉积被风从一个稍微不同的方向。Blow-sand损害城市和农业使用可能导致重大的经济损失。破坏农业在沙尘暴会导致邻近区域的沉积或现场土壤的侵蚀。城市相关的损伤通常是有限的设备,建筑,和高速公路。因此,有必要开展大规模或现场试验来验证这些研究成果的发现。

图8演示了一个典型的应力-应变图来自MTS万能试验机。

三个成功的测试样品的平均数据获得的MTS机表3。

polymer-sand复合材料的模量和抗拉强度有直接从MTS机获得各种聚合物的重量百分比。这些力学性能主要为所有复合材料,可以用来描述各种应用程序。图9显示的效果增加聚合物重量%的模量准备样品。

当聚合物重量百分数为0.33%,获得的模量很低不到10 MPa。聚合物的重量%复合时增加了一倍,模量增加了超过15倍达到85 MPa的价值。模量大幅增加可以归因于聚合物材料的结合强度和聚合物拥有非常高分子量由长链长度链缠结构成主流力量的地方。模量的趋势时突然聚合物的重量百分比从0.33%上升到0.66%,而抗拉强度的增加是渐进的,如图10。也观察到抗拉强度的计算值为0.6 MPa在0.33%聚合物重量和增加到0.9 MPa时,聚合物比例翻了一倍。

4所示。结论

Reverse-emulsion丙烯酰胺单体的聚合(油包水)是在三个不同的实验条件下进行生产和高分子量聚丙烯酰胺。相比之下,也用于制备聚丙烯酰胺溶液聚合,使用三种不同的实验条件。这些聚合物的性格特征进行利用NMR, ir、GPC、流变学和典型的聚丙烯酰胺。本研究的目的是使用两种不同的方法合成聚丙烯酰胺和利用他们的物理属性绑定粒子表面与土壤或沙子一起形成一个坚实的壳保护的沙子被风吹走。

表面外壳,由聚丙烯酰胺的应用解决方案,被固定在土壤之下地壳和渗透,使土壤表面耐风蚀。平面上举行了完整性比希尔模式和保护砂表面风化作用和磨损。机械性能被用来研究抗风蚀和发现聚合物重量百分数增加了机械性能高的增加导致更强的复合模量和抗拉强度。

很明显,有一个持续的和不断增长的需求为沙丘稳定在阿联酋。练习稳定农业不仅是必需的,而且对公路建设和发展的城市和工业区域。农业用地需要防止沙丘侵蚀,这只能通过化学稳定剂的应用,比如准备在这个研究并成功测试了在风洞。这些稳定剂是环保,不产生不利影响的石油覆盖物。需要更多的实验来检查这些化学物质的降解率和毒性受到阿联酋环境之前,任何试图在球场上使用它们。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

承认

作者感谢帮助和支持,收到了“机械工程和化学部门“阿联酋大学。