一种化学固化剂及其制备方法和应用与流程

本发明涉及固化剂领域，具体而言，涉及一种化学固化剂及其制备方法和应用。

背景技术：

沙质荒漠化(简称沙漠化)，是一种在不合理的人类活动和自然条件变化的综合作用下导致的土地退化过程。在此过程中土地生产力大幅度降低，甚至成为不可利用的土地，并引发沙尘暴、风沙活动等灾害，严重地危害工农业生产，降低人民的生活质量。

沙漠化是荒漠化的主要类型之一，它作为极其重要的环境和社会经济问题困扰着当今世界，威胁着人类的生存和发展。全球荒漠化面积已达3600万平方公里，占全球陆地面积的1/4，且以每年5－7万平方公里的速度在扩大，每年造成的直接经济损失高达423亿美元，影响全球1/6的人口。

目前，已有的固沙技术分为物理固沙、生物固沙和化学固沙。其中，化学固沙因施工方便快捷，近年来得到快速发展。目前市售化学固化剂大概有一百多个品种，这些化学固化剂是将固化剂喷洒至沙面之后，通过固化剂与沙粒之间的相互作用，在沙面覆盖一层保护壳来达到治沙目的。然而，使用这类化学固化剂，就类似于在沙面上覆盖了一层用沙子做填料的薄皮，在使用过程中，经常会出现因施工或风蚀的作用导致该薄皮的破损，甚至全部剥离的问题，导致沙漠化治理收效甚微。

技术实现要素：

本发明的第一目的在于提供一种化学固化剂，该化学固化剂具有仿生性能，能够长效的对沙粒进行固定化治理，提高沙漠的抗风蚀和抗水蚀的能力。

本发明的第二目的在于提供一种化学固化剂的制备方法，该方法步骤简单，反应条件温和，易于实施，适合大工业生产。

本发明的第三目的在于提供一种化学固化剂在沙漠治理中的应用，通过将该化学固化剂喷洒在沙面上，能够使沙面形成稳定的化学结皮。

为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：

一种化学固化剂，包括第一组分和第二组分，第一组分主要由水与20～50重量份的聚乙烯醇、10～30重量份的聚丙烯酰胺和10～30重量份的丙烯酸盐制得；第二组分为含有百分比浓度为2～5％硅酸钠的溶液。一种化学固化剂的制备方法，其包括：

将按重量份数计的聚乙烯醇20～50份、聚丙烯酰胺10～30份和丙烯酸盐10～30份与水混合，并于60～80℃下加热反应30～120min，得到第一组分；

配制质量百分比浓度为2～5％的硅酸钠溶液，得到第二组分。一种上述化学固化剂在沙漠治理中的应用，先将第一组分喷洒至待治理的沙面后，再将第二组分喷洒至沙面上，其中第一组分与第二组分的体积比为1～4：1。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明提供的这种化学固化剂，第一组分中的聚乙烯醇和聚丙烯酰胺均为水溶性高分子聚合物，其中，聚乙烯醇作为成膜剂，能够在沙面成膜，聚丙烯酰胺作为粘合剂，能够通过物理黏结的方式将沙粒粘连固定起来。丙烯酸盐作为保水剂，有助于较长时间保持沙粒中的水分，同时，也能够协同性的促进聚乙烯醇和聚丙烯酰胺的成膜或粘合作用。此外，硅酸钠具有很好的耐水和抗水性，能够防止该化学固化剂在使用过程中遭受水蚀。

将这种化学固化剂喷洒至沙面上以后，由于第一组分和第二组分在沙地的渗透程度不同，使该化学固化剂能够在沙地的表层形成功能性的化学结皮，在沙地的表层以下，能够形成交联的网状纤维，从而将化学结皮稳定的锚固在沙地中。这种固化剂形成的化学结皮，具有仿生性能，即该化学结皮类似于生物结皮那样，能够长效的对沙粒进行固定化治理，提高沙漠的抗风蚀和抗水蚀的能力。这种化学固化剂的制备方法简单，反应条件温和，易于实施，适合大工业生产。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，以下将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为实施例1中提供的化学固化剂的电镜图。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

本实施方式提供一种化学固化剂，包括第一组分和第二组分，第一组分主要由水与20～50重量份的聚乙烯醇、10～30重量份的聚丙烯酰胺和10～30重量份的丙烯酸盐制得；第二组分为含有百分比浓度为2～5％硅酸钠的溶液。

本发明提供的这种化学固化剂，第一组分中的聚乙烯醇和聚丙烯酰胺均为水溶性高分子聚合物，其中，聚乙烯醇作为成膜剂，能够在沙面成膜，聚丙烯酰胺作为粘合剂，能够通过物理黏结的方式将沙粒粘连固定起来。丙烯酸盐作为保水剂，有助于较长时间保持沙粒中的水分，同时，也能够协同性的促进聚乙烯醇和聚丙烯酰胺的成膜或粘合作用。此外，硅酸钠具有很好的耐水和抗水性，能够防止该化学固化剂在使用过程中遭受水蚀。

在这种化学固化剂中，第一组分和硅酸钠，两者均不但能在沙地的表面成膜，也能通过渗透作用渗入沙地的底层，不同之处在于，第一组分的渗透强度大于硅酸钠，渗入的深度更深，因此这种化学固化剂除了在沙粒表层形成化学结皮外，还能通过第一组分中交联的网状纤维形成稳定的锚固结构。此外，第一组分和硅酸钠之间具有协同增效的作用，硅酸钠能够改善第一组分中的聚乙烯醇的耐水性和抗压强度，而第一组分也能改善硅酸钠的柔性和抗撕裂强度。

将这种化学固化剂喷洒至沙面上以后，由于第一组分和第二组分在沙地的渗透程度不同，使该化学固化剂能够在沙地的表层形成功能性的化学结皮，在沙地的表层以下，能够形成交联的网状纤维，从而将化学结皮稳定的锚固在沙地中。这种固化剂形成的化学结皮，具有仿生性能，即该化学结皮类似于生物结皮那样，能够长效的对沙粒进行固定化治理，提高沙漠的抗风蚀和抗水蚀的能力。

为了更进一步的提高该化学固化剂的固沙效果，在本发明较佳的实施例中，按重量份数计，聚乙烯醇为30～40份、聚丙烯酰胺为15～25份、丙烯酸盐为15～25份。其中，丙烯酸盐包括丙烯酸钾和/或丙烯酸钠。

进一步的，在本发明较佳的实施例中，第一组分的原料按重量份数计还包括：交联剂0.001～0.006份。交联剂能够将聚乙烯醇和聚丙烯酰胺交联起来，提高化学结皮结构的稳定性。

进一步的，在本发明较佳的实施例中，交联剂包括N-N亚甲基双丙烯酰胺和/或甲基硅酸钠。甲基硅酸钠具有很好的防水性能，N-N亚甲基双丙烯酰胺用作交联剂，具有很好的交联作用，遇高温或者强光会发生自交联。N-N亚甲基双丙烯酰胺和甲基硅酸钠这两种物质作为交联剂，能够显著提高化学结皮的抗风蚀和抗水蚀的能力。

进一步的，在本发明较佳的实施例中，交联剂为甲基硅酸钠和N-N亚甲基双丙烯酰胺。其中，甲基硅酸钠与N-N亚甲基双丙烯酰胺的体积比为1：5～7，通过这一配比得到的交联剂，使得该化学固化剂的固沙效果更好。

进一步的，在本发明较佳的实施例中，硅酸钠的模数为1.5～3。硅酸钠，又名水玻璃，是一种矿黏合剂，其化学式为Na₂O·nSiO₂，模数n为SiO₂和Na₂O的摩尔数的比值，模数显示硅酸钠的组成。硅酸钠的模数越大，氧化硅含量越多，硅酸钠粘度增大，易于分解硬化，粘结力增大。在本发明中，选优模数为1.5～3的硅酸钠，以利用硅酸钠较大的粘结力，来进一步的改善第一组分中聚乙烯醇的耐水性和抗压强度。

本实施方式还提供一种上述化学固化剂的制备方法，其包括：

将按重量份数计的聚乙烯醇20～50份、聚丙烯酰胺10～30份和丙烯酸盐10～30份与水混合，并于60～80℃下加热反应30～120min，得到第一组分；优选地，该加热反应为水浴加热反应，即按重量份数将原料中的各组分与水混合，并于水浴温度为60～80℃下加热反应30～120min，得到第一组分。通过水浴加热，有效控制反应温度，有利于该反应的稳定进行。

配制质量百分比浓度为2～5％的硅酸钠溶液，得到第二组分；优选地，硅酸钠溶液的百分比浓度为3％。

进一步的，在本发明较佳的实施例中，水与丙烯酰胺的体积比为2～6：1，优选地，水与丙烯酰胺的体积比为4：1。

这种化学固化剂的制备方法简单，反应条件温和，易于实施，适合大工业生产。

本实施方式还提供上述化学固化剂在沙漠治理中的应用，使用方法为：先将第一组分喷洒至待治理的沙面后，再将第二组分喷洒至沙面上，其中第一组分与第二组分的体积比为1～4：1。优选地，第一组分与第二组分的体积比为2：1；有利于提高第一组分与第二组分的配合程度，提高二者的协同增效作用。

将这种化学固化剂喷洒至沙面上以后，由于第一组分和第二组分在沙地的渗透程度不同，使该化学固化剂能够在沙地的表层形成功能性的化学结皮，在沙地的表层以下，能够形成交联的网状纤维，从而将化学结皮稳定的锚固在沙地中。这种固化剂形成的化学结皮，具有仿生性能，即该化学结皮类似于生物结皮那样，能够长效的对沙粒进行固定化治理，提高沙漠的抗风蚀和抗水蚀的能力。

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述：

实施例1

本实施例提供一种化学固化剂，该化学固化剂包括第一组分和第二组分。其中，第一组分主要由以下按重量份数计的原料与水混合制得：聚乙烯醇50份、聚丙烯酰胺10和丙烯酸盐30份；第二组分按重量份数计包括硅酸钠5份。

这种化学固化剂的制备方法为：

将第一组分的原料组分与水混合，并于60℃下加热反应120min，得到第一组分；

配制质量百分比浓度为5％的硅酸钠溶液，得到第二组分。

这种化学固化剂的使用方法：先将第一组分喷洒在沙地的表面，再将第二组分喷洒至沙地表面，即可得到固沙目的，其中第一组分与第二组分的体积比为1：1。

实施例2

本实施例提供一种化学固化剂，该化学固化剂包括第一组分和第二组分。其中，第一组分主要由以下按重量份数计的原料与水混合制得：聚乙烯醇40份、聚丙烯酰胺15和丙烯酸盐25份；第二组分按重量份数计包括硅酸钠3份。

这种化学固化剂的制备方法为：

将第一组分中的原料与水混合，并于80℃的水浴下加热反应30min，得到第一组分；

配制质量百分比浓度为2％的硅酸钠溶液，得到第二组分。

这种化学固化剂的使用方法：先将第一组分喷洒在沙地的表面，再将第二组分喷洒至沙地表面，即可得到固沙目的，其中第一组分与第二组分的体积比为4：1。

实施例3

本实施例提供一种化学固化剂，该化学固化剂包括第一组分和第二组分。其中，第一组分主要由以下按重量份数计的原料与水混合制得：聚乙烯醇30份、聚丙烯酰胺10份、丙烯酸盐10份；第二组分按重量份数计包括硅酸钠3份。

这种化学固化剂的制备方法为：

将第一组分中的原料与水混合，并于70℃的水浴下加热反应80min，得到第一组分；

配制质量百分比浓度为3％的硅酸钠溶液，得到第二组分。

这种化学固化剂的使用方法：先将第一组分喷洒在沙地的表面，再将第二组分喷洒至沙地表面，即可得到固沙目的，其中第一组分与第二组分的体积比为2：1。

实施例4

本实施例提供一种化学固化剂，该化学固化剂包括第一组分和第二组分。其中，第一组分主要由以下按重量份数计的原料与水混合制得：聚乙烯醇30份、聚丙烯酰胺25份、丙烯酸盐15份、N-N亚甲基双丙烯酰胺0.001份；第二组分按重量份数计包括硅酸钠4份。

这种化学固化剂的制备方法及使用方法与实施例3基本一致。

实施例5

本实施例提供一种化学固化剂，该化学固化剂包括第一组分和第二组分。其中，第一组分主要由以下按重量份数计的原料与水混合制得：聚乙烯醇20份、聚丙烯酰胺30份、丙烯酸盐10份、甲基硅酸钠0.006份；第二组分按重量份数计包括硅酸钠2份。

这种化学固化剂的制备方法及使用方法与实施例3基本一致。

实施例6

本实施例提供一种化学固化剂，该化学固化剂包括第一组分和第二组分。其中，第一组分主要由以下按重量份数计的原料与水混合制得：聚乙烯醇30份、聚丙烯酰胺10份、丙烯酸盐10份、N-N亚甲基双丙烯酰胺0.001份、甲基硅酸钠0.005份；第二组分按重量份数计包括硅酸钠3份。

这种化学固化剂的制备方法为：

将第一组分中的原料与水混合，其中按重量份计水为40份，并于65℃的水浴下加热反应80min，得到第一组分；

配制模数为2，质量百分浓度为3％的硅酸钠溶液，得到第二组分。

这种化学固化剂的使用方法与实施例3基本一致。

实施例7

本实施例提供一种化学固化剂，该化学固化剂的组分与实施例6一致，不同之处在于：

这种化学固化剂的制备方法为：

将第一组分中的原料与水混合，其中按重量份计水为20份，并于70℃下加热反应80min，得到第一组分；

配制模数为1.5，质量百分浓度为3％的硅酸钠溶液，得到第二组分。

这种化学固化剂的使用方法与实施例3基本一致。

实施例8

本实施例提供一种化学固化剂，该化学固化剂的组分与实施例6一致，不同之处在于：

这种化学固化剂的制备方法为：

将第一组分中的原料与水混合，其中按重量份计水为60份，并于75℃的水浴下加热反应80min，得到第一组分；

配制模数为3，质量百分浓度为3％的硅酸钠溶液，得到第二组分。

这种化学固化剂的使用方法与实施例3基本一致。

对比例1

本对比例提供一种化学固化剂，该化学固化剂的原料按重量份数计包括：聚乙烯醇20～50份、聚丙烯酰胺10～30份和丙烯酸盐10～30份。

这种化学固化剂的制备方法为：将第一组分中的原料与水混合，并于70℃的水浴下加热反应80min，即得。

这种化学固化剂的使用方法为将化学固化剂喷洒至沙面，即可。

对比例2

本对比例提供一种化学固化剂，该化学固化剂由第一组分和第二组分混合制得，第一组分的原料按重量份数计包括：聚乙烯醇60份、聚丙烯酰胺8份和丙烯酸盐8份；第二组分按重量份数计包括硅酸钠3份。

这种化学固化剂的制备方法及使用方法与实施例3基本一致。

对比例3

本对比例提供一种化学固化剂，该化学固化剂由第一组分和第二组分混合制得，第一组分的原料按重量份数计包括：聚乙烯醇15份、聚丙烯酰胺32份和丙烯酸盐34份；第二组分按重量份数计包括硅酸钠3份。

这种化学固化剂的制备方法及使用方法与实施例3基本一致。

实验例1

将本发明实施例1所制得的化学固化剂做电镜分析，如图1所示。实施例2-8所提供的化学固化剂的电镜图与实施例1相似，故没逐一示出。

由图1可见，这种化学固化剂能够形成交联的网状纤维，从而能够将化学结皮稳定的锚固在沙地中。图1示出的电镜图与生物结皮的微观结构非常相似，说明本发明提供的这种化学固化剂具有仿生性能。

实验例2

抗风蚀性能测试：

实验分为12个组，每组实验在直径为90cm，深度为20cm的沙盘中进行。实验组有8组，分别施用实施例1～8提供的化学固化剂，对照组有4组，其中有3组分别施用对比例1～3提供的化学固化剂，剩余一组为空白对照组。

试验方法：

先将各化学固化剂的混合液喷洒在沙盘表面，随后将硅酸钠再喷洒至沙盘表面，每个沙盘中喷洒的化学固化剂的总体积为100ml。把喷好化学固化剂的沙盘放置在室温下知道溶液完全被吸收后，再放入烘箱中，于80℃下烘烤8h。然后，对各沙盘中的固沙样品进行抗风蚀性能测试：在垂直方向上对沙盘吹夹沙风，风速为10m/s，统计各沙盘的耐磨蚀时间、并观察风蚀的程度。其中，风蚀的程度以分值计，沙盘中没有出现风蚀现象计为0分，风蚀现象越严重，分值越高，满分为10分。统计结果如表1所示：

表1化学固化剂的抗风蚀性能测试

由表1可知，本发明实施例1～8中提供的化学固化剂的耐磨蚀时间为3.2～7.2h，远大于对比例1～3中提供的化学固化剂的1.2～1.6h,以实施例6为最佳(耐磨蚀时间为7.2h)。同时，本发明实施例1～8中提供的化学固化剂的风蚀程度(0～1分)也远小于对比例1～3中提供的化学固化剂的风蚀程度(6～7分)。由此说明，本发明提供的化学固化剂的固沙能力强，具有很好的抗风蚀能力。

综上所述，本发明提供的化学固化剂，在将其喷洒至沙面上以后，由于第一组分和第二组分在沙地的渗透程度不同，使该化学固化剂能够在沙地的表层形成功能性的化学结皮，在沙地的表层以下，能够形成交联的网状纤维，从而将化学结皮稳定的锚固在沙地中。这种固化剂形成的化学结皮，具有仿生性能，即该化学结皮类似于生物结皮那样，能够长效的对沙粒进行固定化治理，提高沙漠的抗风蚀和抗水蚀的能力。

尽管已用具体实施例来说明和描述了本发明，然而应意识到，在不背离本发明的精神和范围的情况下可以作出许多其它的更改和修改。因此，这意味着在所附权利要求中包括属于本发明范围内的所有这些变化和修改。