一种具有阻尼性能的醋酸乙烯酯固沙乳液制备方法与流程

本发明具体涉及一种具有阻尼性能的醋酸乙烯酯固沙乳液制备方法，属于化学固沙领域。

背景技术：

沙漠化作为极其重要的环境和社会问题正困扰着当今世界，威胁着人类的生存和发展，世界各国都把遏制沙漠化作为生态环境建设和可持续发展的重要课题。

我国是世界上最大的发展中国家，长期遭受着大规模荒漠化的困扰，造成了严重的环境问题。根据《第5次中国荒漠化和沙化状况公报》数据，截至2014年年底，全国荒漠化土地总面积262.16万平方公里，占国土总面积的27.2％，分布于内蒙古、西藏、甘肃、青海、宁夏、新疆等18个省(自治区、直辖市)的508个县(旗、区)，其中风蚀荒漠化土地面积182.63万平方公里，占荒漠化土地总面积的69.93％。

因此，要遏制沙漠化的发展趋势，必须进行固沙，经过几十年的固沙研究与实践，总体上形成了三种固沙方式：植物固沙、工程固沙和化学固沙，其中植物固沙环境相容性好，工程固沙具有一定的有效性，但两者均存在成本高、施工难度大、受环境因素制约等缺点；而化学固沙具有可机械化施工，人工成本低，见效快等优点，目前已经被广泛采用。现有的化学固沙材料主要分为四大类：水泥浆类、水玻璃类、石油产品类以及高分子类，其中，前三者在使用过程中都存在着固沙强度低且易造成环境二次污染；相对而言，高分子材料具有固结强度高、污染少、环境相容性较好等优点。因此，高分子固沙材料将成为生态固沙材料的研究热点。

但是，在实际野外固沙的过程中，大多数高分子固沙材料往往会出现不同程度的风蚀现象。例如，固沙当年，植物生长状况良好；而固沙次年，植物生长状况不佳。其主要原因在于：1)试验中所使用的沙生植物多为一年生物种；2)材料的抗风性性能较弱，难以抵抗风的持续性作用。因此，固定沙丘会出现不同程度的风蚀现象。尤其是在风力强、风期长、温差大的沙漠地区，风蚀现象表现得尤为严重，从而大大缩短了固沙材料的使用寿命，不利于沙生植物的生长，减缓了沙土向土壤转变的历程。材料抗风蚀性能较弱的原因可被认为是：在风的不断作用下，固沙材料因抗风蚀性能差而导致材料破损，实际上就是高分子链发生了相对滑移和断裂。哪么，风究竟是如何破坏材料的呢？

在风动力学中，风可视为一种具有不同作用周期的交变力。作用周期为10min或以上的风称为长周期风，作用周期为几秒或十几秒的风称为短周期风。长周期风一般视为静力作用，短周期风一般视为交变力作用。因此，风对材料存在着两种作用方式，具体方式如下：

(1)风对材料的静力作用。当静力较小时，高分子材料发生蠕变；当静力较大时，高分子材料发生屈服断裂。

(2)风对材料的交变力作用。当材料受到交变力作用时，高分子材料产生疲劳和滞后现象。

材料的屈服断裂与其自身的tg密切相关。当材料的tg与环境温度相近时，其断裂能达到最大，此时材料不易屈服断裂。在交变力作用下，若材料的tg与环境温度相近时，此时，材料的滞后现象最为明显，高分子材料可以将交变力通过自身的内耗更多地转化为热能而耗散。因此，tg决定着材料破损的难易程度。

但在沙漠地区，全年温差大，一般温度范围为-30℃～60℃。因而，要想获得好的抗风蚀性，其必须制备出tg范围宽、且符合环境实际温度变化范围的固沙材料。

基于这个思路，本发明拟设计出具有阻尼性能的固沙材料来满足实际野外使用要求。阻尼材料在tg附近时，其阻尼性能最佳，它可以通过自身的内摩擦，将外界交变力的作用转化为热能加以耗散，目前主要用于减震抗噪领域。基于风的持续作用与阻尼材料所受到的周期性交变力在本质上的相似性，本研究首次将阻尼材料的概念引入到高分子固沙材料的设计中，达到利用其阻尼特性来抵抗风对材料的持续性风蚀作用，以显著降低风对材料的风蚀作用，延长材料的固沙周期。

技术实现要素：

针对目前固沙材料存在的主要问题，本发明的目的是提供一种具有阻尼性能的醋酸乙烯酯固沙乳液制备方法，解决现有固沙材料在风力强、风期长、温差大的沙漠地区，抗风蚀性能差以及使用周期短等问题。采用本方法制备的乳液固沙材料，具有很好的阻尼性能、粘结性能以及稳定性等特点，且生产成本低，制备工艺简单。

为了实现上述目的，本发明采用的技术路线如下：一种具有阻尼性能的醋酸乙烯酯固沙乳液制备方法，包括有以下三个步骤。

1)混合溶解

将10～40份醋酸乙烯酯、1～10份甲基丙烯酸甲酯和1～10份含悬挂链长链丙烯酸酯类单体进行搅拌得到混合单体；将0.05～1份引发剂溶解在10～30份去离子水中；将0.4～2份复合乳化剂溶解在30～60份去离子水中；将0.1～1份复合乳化剂溶解在10份去离子水中并装入烧瓶中备用。

2)预乳化

将混合单体倒入溶有0.4～2份复合乳化剂的去离子水中，在超声设备中超声1～10min得到带有明显蓝光的预乳化液。

3)聚合

将0.1～1份复合乳化剂溶解在10份去离子水中并装入烧瓶中搅拌并升温至70～85℃，取1/5引发剂水溶液，约5min滴加完毕，引发反应10～15min后，用恒压滴液漏斗缓慢滴加剩余的引发剂与预乳化液，保持引发剂与混合单体同步滴完，乳液聚合反应3.0～7.0h，反应后升温至85～95℃，保温1.0～3.0h，降温至室温，出料，即得具有阻尼性能的固沙乳液。

按上述方案，所述的混合乳化剂为阴离子型与非离子型乳化剂的复合体系。其中，复合乳化剂体系中阴离子型乳化剂与非离子型乳化剂质量比为1∶3～3∶1；阴离子型乳化剂为十二烷基醚硫酸铵、十二烷基硫酸钠、单十二烷基磷酸酯钾、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸铵等中的任一种或一种以上；非离子型乳化剂为聚乙二醇200单月桂酸酯、聚乙二醇200双月桂酸酯、聚乙二醇400单月桂酸酯、聚乙二醇400双月桂酸酯、聚乙二醇400单油酸酯、聚乙二醇400双油酸酯、、司班65、司班80、司班85中的任一种或一种以上。

按上述方案，所述的含悬挂链长链丙烯酸酯类单体为甲基丙烯酸己酯、甲基丙烯酸辛酯、甲基丙烯酸月桂酯、甲基丙烯酸十八酯中的一种或几种。

按上述方案，所述的引发剂为水溶性的过硫酸钾、过硫酸铵中的任一种或一种以上。

本发明用于风力强、风期长、温差大的沙漠地区治理的作用原理如下：

风可以视为一种周期性作用的机械力，材料受到外界交变力作用时，如果自身具有良好的阻尼效果时，那么，材料可以将更多的交变力转化为自身的热能而耗散，大大降低了外界作用力对自身的机械破坏作用。

醋酸乙烯酯乳液具有优良的粘接性能，沙粒之间存在着微小的通道，当乳液喷至沙地表面，小液滴便渗入到沙体内，与沙粒胶结在一起，大液滴则在沙地表面形成结皮，待其固化后，沙地得以固定。

在醋酸乙烯酯中引入含悬挂链长链丙烯酸酯类功能单体，可以使所得共聚物具有优良的阻尼性能。当长链引入到分子链中时，长侧链会由于热运动缠绕到分子主链上，使得分子内摩擦增加，受到外力作用时，这种内摩擦会将更多的机械力转化为热能而耗散，从而使得材料使用耐久性大大提高。

本发明具有如下优点：

(1)醋酸乙烯酯为主单体，其来源广泛、价格低廉，大大降低了固沙成本。

(2)含悬挂链长链丙烯酸酯类功能单体的加入，使其具有更加优良的阻尼性能，这样增加了分子内摩擦，使得受到的外界机械作用力更多地转化为热能而耗散，从而使得材料使用耐久性大大提高。

(3)材料的使用耐久性大大提高后，其在沙土表层形成的固结层能长期有效抑制下部水分的蒸发，增强保水性，这为沙生植被的生长提供了长期稳定的生长环境，加快了在风力强、风期长、温差大的沙漠地区的生态恢复。

附图说明

图1为本发明实施例中醋酸乙烯酯乳液的对比红外分析谱图。

图2为本发明实施例中不同用量的悬挂链长链丙烯酸酯类功能单体对醋酸乙烯酯乳液的抗压强度影响。

图3为本发明实施例中醋酸乙烯酯乳液的阻尼性能对比分析图。

具体实施方式

为了更好的理解本发明，下面的实施例是对本发明的进一步说明，有必要在此指出的是，以下实施例只用于对本发明作进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术熟练人员根据上述本发明内容对本发明做出一些非本质的改进和调整，仍属于本发明保护范围。

实施例1

将0.3份十二烷基醚硫酸铵、0.3份聚乙二醇400单月桂酸酯、0.3份司班85与40份去离子水混合分散，再加入30份醋酸乙烯酯、5份甲基丙烯酸甲酯、5份甲基丙烯酸月桂酯单体进行超声分散3min，得到预乳化液。将0.15份过硫酸钾溶解在14份去离子水中，备用。向反应釜中加入16份去离子水、0.1份十二烷基醚硫酸铵、0.1份聚乙二醇400单月桂酸酯、0.1份司班85，加热搅拌升温至80℃，反应15min后，加入1/5(所占过硫酸钾总重的质量分数)过硫酸钾溶液，保温10min，然后，用恒压滴液漏斗缓慢滴加3/5(所占过硫酸钾总重的质量分数)引发剂和超声预乳化液，保持引发剂与所有单体同步滴完，滴加时间为5.0h，滴加完成后升温至85℃，保温0.5h，然后用恒压滴液漏斗滴加1/5(所占过硫酸钾总重的质量分数)引发剂，5min内滴加完，继续保温0.5h，反应无明显回流时，降至室温，出料，即得具有阻尼性能的固沙乳液。

乳液化学结构的表征：将乳液涂于聚四氟乙烯模具上，于真空干燥箱中烘干，取其膜，用nicolet-170sx型傅里叶变换红外光谱仪测试其化学结构。测定波数范围500-4000cm-1。

沙模的制备：将制备具有阻尼性能的固沙乳液配成固含量为4％的稀释液；称取10g沙土与1.0g上述稀释液混合均匀制备沙模(直径为2.0cm，高度为2.2cm)，80℃干燥2h，即得沙模。将干燥后的沙模用电子拉力试验机测定其固沙强度。

乳胶膜动态力学分析测试：在动态热机械仪dma(netzschdma242c/1/g)上进行测试，采用拉伸模式，扫描温度范围为-50-100℃，升温速率10℃/min，频率1hz。样品尺寸12mm×6mm×0.8mm。

图1为醋酸乙烯酯乳液的对比红外分析谱图，从图中可以看出，实验样品的红外谱图在750cm-1左右出现一个吸收峰，这是长链单体的饱和长碳链吸收峰，这表明悬挂链长链单体成功地与醋酸乙烯酯和甲基丙烯酸甲酯共聚。由于实验样与空白样区别在于引入悬挂链长链单体，其红外谱图区别不大。

图2为不同甲基丙烯酸月桂酯含量聚醋酸乙烯酯乳液的抗压强度，从图中可以看出，功能性单体的加入可以提高沙模的抗压强度，虽然相对于对照样而言，其抗压强度会减小，但其阻尼温域变宽，图中的试验样品的抗压强度基本都大于0.3mpa，表明该乳液具有较好的抗压强度，能经受住沙漠环境外力的变化。

图3醋酸乙烯酯乳液的阻尼性能对比分析图，由图可知，tanδ≥0.3时，对照组的阻尼温域约为50℃左右，而实验组的阻尼温域大于70℃，这表明悬挂链长链单体的引入，有效地提高了阻尼性能，其阻尼温域内的损耗因子明显大于对照组，这使得材料受到外界机械力作用时，在其阻尼温域范围内，可以将更多的外力转化为自身的热损耗，从而提高材料的使用周期。

实施例2

将0.4份十二烷基醚硫酸铵、0.4份聚乙二醇400单月桂酸酯、0.4份司班85与40份去离子水混合分散，再加入24份醋酸乙烯酯、3份甲基丙烯酸甲酯、5份甲基丙烯酸月桂酯单体进行超声分散3min，得到预乳化液。将0.2份过硫酸钾溶解在14份去离子水中，备用。向反应釜中加入16份去离子水、0.1份十二烷基醚硫酸铵、0.1份聚乙二醇400单月桂酸酯、0.1份司班85，加热搅拌升温至80℃，反应15min后，加入1/5(所占过硫酸钾总重的质量分数)过硫酸钾溶液，保温10min，然后，用恒压滴液漏斗缓慢滴加3/5(所占过硫酸钾总重的质量分数)引发剂和超声预乳化液，保持引发剂与所有单体同步滴完，滴加时间为4.0h，滴加完成后升温至85℃，保温0.5h，然后用恒压滴液漏斗滴加1/5(所占过硫酸钾总重的质量分数)引发剂，5min内滴加完，继续保温0.5h，反应无明显回流时，降至室温，出料，即得具有阻尼性能的固沙乳液。

实施例3

将0.2份十二烷基醚硫酸铵、0.4份聚乙二醇400单月桂酸酯、0.3份司班85与40份去离子水混合分散，再加入30份醋酸乙烯酯、3份甲基丙烯酸甲酯、7份甲基丙烯酸月桂酯单体进行超声分散5min，得到预乳化液。将0.2份过硫酸钾溶解在14份去离子水中，备用。向反应釜中加入16份去离子水、0.1份十二烷基醚硫酸铵、0.1份聚乙二醇400单月桂酸酯、0.1份司班85，加热搅拌升温至80℃，反应15min后，加入1/5(所占过硫酸钾总重的质量分数)过硫酸钾溶液，保温10min，然后，用恒压滴液漏斗缓慢滴加3/5(所占过硫酸钾总重的质量分数)引发剂和超声预乳化液，保持引发剂与所有单体同步滴完，滴加时间为6.0h，滴加完成后升温至85℃，保温0.5h，然后用恒压滴液漏斗滴加1/5(所占过硫酸钾总重的质量分数)引发剂，5min内滴加完，继续保温0.5h，反应无明显回流时，降至室温，出料，即得具有阻尼性能的固沙乳液。

实施例4

将0.3份十二烷基醚硫酸铵、0.3份聚乙二醇400单月桂酸酯、0.3份司班85与40份去离子水混合分散，再加入24份醋酸乙烯酯、3份甲基丙烯酸甲酯、3份甲基丙烯酸月桂酯单体进行超声分散3min，得到预乳化液。将0.15份过硫酸钾溶解在14份去离子水中，备用。向反应釜中加入16份去离子水、0.1份十二烷基醚硫酸铵、0.1份聚乙二醇400单月桂酸酯、0.1份司班85，加热搅拌升温至80℃，反应15min后，加入1/5(所占过硫酸钾总重的质量分数)过硫酸钾溶液，保温10min，然后，用恒压滴液漏斗缓慢滴加3/5(所占过硫酸钾总重的质量分数)引发剂和超声预乳化液，保持引发剂与所有单体同步滴完，滴加时间为5.0h，滴加完成后升温至85℃，保温0.5h，然后用恒压滴液漏斗滴加1/5(所占过硫酸钾总重的质量分数)引发剂，5min内滴加完，继续保温0.5h，反应无明显回流时，降至室温，出料，即得具有阻尼性能的固沙乳液。