壳聚糖基吸水树脂抑尘微胶囊制备及特性研究.pdf
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1、56移动扫码阅读sorbent resin dust-suppressing microcapsules J.Safety in Coal Mines,2023,54(10):56-62.GUOFenchao,ZHAOYiyuan,ZHAOGuohuiet al.Preparation and properties of chitosan-based water-ab-2023,54(10):56-62.郭奋超,赵义吸水树脂微胶宝及特性研究煤矿安全SafetyinCoal Mines2023年1 0 月Oct.2023No.10Vol.54煤砺发全第54 卷第1 0 期DOI:10.13347
2、/ki.mkaq.2023.10.009壳聚糖基吸水树脂抑尘微胶囊制备及特性研究郭奋超,赵义元1,赵国辉,刘刘宽,凌峰涛,孙央,邢占一2.3(1.陕煤集团神木红柳林矿业有限公司,陕西榆林7 1 9 0 0 0;2.山东科技大学安全与环境工程学院,山东青岛2 6 6 59 0;3.山东科技大学矿山灾害预防控制省部共建国家重点实验室培育基地,山东青岛2 6 6 59 0)摘要:为了减轻煤矿行业粉尘灾害,降低煤矿工人患尘肺病概率,采用接枝共聚的方法,以聚乙烯醇为抑尘剂基体材料,在引发剂与交联剂作用下,将2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸及丙烯酸与基体接枝共聚,制备出高吸水树脂作为微胶囊芯材,以壳聚糖为壁材
3、,通过壳聚糖与戊二醛的胺醛缩合作用制备出新型吸水树脂抑尘微胶囊;通过红外光谱分析、扫描电镜确定吸水树脂及其微胶囊包覆情况,研究吸水树脂及其微胶囊的溶胀性、保湿性、抗风蚀性、生物降解性等。结果表明:微胶囊可溶胀2 3倍,经1 2 h后质量损失仅有1 9.6%;在抗风蚀性能实验中,在1 3m/s的风速下,微胶囊抑尘剂的抑尘效率高达9 1.9 8%,抑制了煤尘扩散;且在自然环境下2 2 d后,微胶囊抑尘剂可降解完毕。关键词:煤尘;壳聚糖;接枝共聚;抑尘微胶囊;生物降解中图分类号:TD714文献标志码:A文章编号:1 0 0 3-4 9 6 X(2023)10-0056-07Preparation a
4、nd properties of chitosan-based water-absorbent resin dust-suppressing microcapsulesGUO Fenchao,ZHAO Yiyuan,ZHAO Guohui,LIU Kuan,LING Fengtao,SUN Yang,XING Zhanyi?;2,3(1.Shaanxi Coal Group Shenmu Hongliulin Mining Co.,Ltd.,Yulin 719000,China;2.College of Safety and EnvironmentalEngineering,Shandong
5、University of Science and Technology,Qingdao 266590,China;3.State Key Laboratory of MiningDisaster Prevention and Control Co-founded by Shandong Province and the Ministry of Science and Technology,Shandong University of Science and Technology,Qingdao 266590,China)Abstract:In order to reduce the dust
6、 disaster in the coal mine industry and reduce the probability of coal miners suffering frompneumoconiosis,the graft copolymerization method was adopted,and polyvinyl alcohol was used as the dust suppressant matrix ma-terial,under the action of an initiator and a cross-linking agent,2-acrylamide-2-m
7、ethylpropanesulfonic acid and acrylic acid are graft-copolymerized with a matrix to prepare a superabsorbent resin as a microcapsule core material.Using chitosan as the wall material,anew type of water-absorbing resin dust-suppressing microcapsules was prepared through the amine-aldehyde condensatio
8、n ofchitosan and glutaraldehyde.The encapsulation of water-absorbent resin and its microcapsules was determined by infrared spectrumanalysis and scanning electron microscope.The swelling,moisture retention,wind erosion resistance,and biodegradability of the wa-ter-absorbent resin and its microcapsul
9、es were studied.The results showed that the microcapsules could swell up to 23 times,and themass loss after 12 h was only 19.6%.In the wind erosion resistance experiment,under the wind speed of 13 m/s,the dust suppres-sion efficiency of the microcapsule dust suppressant is as high as 91.98%,which in
10、hibits the diffusion of coal dust.And after 22days in the natural environment,the microcapsule dust suppressant can be degraded completely.收稿日期:2 0 2 2-0 4-2 2责任编辑:兰莹基金项目:国家自然科学基金资助项目(51 9 0 4 1 7 1,52 0 0 4 1 50);山东省高等学校“青创科技计划”资助项目(2 0 1 9 KJH005);陕北矿区煤矿空气净化与职业健康基础研究及关键技术装备与示范资助项目(SMHLL-JS-YJ-2020
11、006)作者简介:郭奋超(1 9 8 1 一),男,陕西西安人,工程师,本科,从事矿井安全管理工作。E-mail:331 0 9 50 55 q q.c o m57SafetyinCoalMinesOct.20232023年1 0 月煤砺发全No.10Vo1.54第1 0 期第54 卷Key words:coal dust;chitosan;graft copolymerization;dust suppression microcapsules;biodegradation随着中国煤炭行业的不断发展,采煤技术的不断提升,煤炭生产逐渐朝着数字化、智能化方向发展,但粉尘危害依旧是煤矿自然灾害之一
12、,并且随着开采量的增加产尘量也在不断攀升1-2 。近年来,中国不断研发新型抑尘剂,逐渐将重心从物理抑尘向化学抑尘方向倾斜,许多化学材料应用到抑尘领域,如:无机盐溶液、表面活性剂、天然石油树脂、高吸水树脂等。但化学抑尘剂具有功能单一、具有腐蚀性、毒性等弊端3-6 ,在实际应用中作用时间也较短,所以新的环保抑尘剂研发势在必行。微胶囊技术是利用成膜材料或壳材料包覆固体、液滴甚至是气体,形成不同释放形式的核-壳材料的技术,这些释放形式包括缓释、温敏、断裂等形式,微胶囊由囊壁和囊芯组成,可以是多层囊壁也可以是多个囊芯。微胶囊能减小外界环境对芯材的影响,并且芯材根据实际应用释放,发挥作用7-9 。刘成娟等
13、1 0 对APP进行微胶囊化改性,添加改性后的聚丙烯极限氧能力指数更高,成炭量高,热稳定性好,力学性能好,阻燃效果明显提升;CHEN等I 以耐热聚酰亚胺(PI)为壳材料,聚烯烃(PAO)为芯材,采用溶剂蒸发法合成微胶囊,并将合成的微胶囊浸泡在盐酸多巴胺(PDA)溶液中,形成双壳微胶囊以改善其在基质中的分散性能;赵晓艳等1 2 将自制的酚醛-环氧树脂微胶囊与膨胀珍珠岩固载科氏芽孢杆菌颗粒复合掺人到水泥基体中,形成一种复合材料自修复体系,复合材料取得良好的水泥基修复性能;ANAHITAA等1 3 将聚二甲基硅氧包覆在三聚氰胺脲醛树脂壳中,开发一种用于有机硅基基质室温自愈剂的微胶囊;JELENABa
14、jac等1 4 运用不同壁材包覆杨梅精油(JBEO),通过对比含油率确定壁材阿拉伯胶(GA)为最优选择,该微胶囊可作为食品防腐剂添加至油性食品基质中。微胶囊技术在食品、医疗、建筑、阻燃等领域应用较多,但在抑尘领域中应用较少,若通过天然高分子材料将抑尘剂包覆起来,协同增效,应该是煤矿抑尘材料研发的一个优秀的思路。壳聚糖是甲壳素N-脱乙酰基的产物,具有良好的生物降解性、生物相容性、无毒性、抑菌等性质,并且具有较强的吸附性能,常用于制备抑尘材料,也可用于微胶囊壁材1 5;聚乙烯醇是一种极安全的高分子有机物,且具有较高的黏度和成膜性能1 6 ,可用作高吸水树脂的基体材料。基于此,通过将聚乙烯醇与丙烯酸
15、、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸接枝聚合成环保抑尘剂,在通过壳聚糖与戊二醛的胺醛缩合作用将抑尘剂包覆起来1 7 ,制备出一种具有抑尘时间长,效率高且环保的抑尘微胶囊,能很大程度上降低粉尘扩散,减小粉尘危害,改善作业环境。1材料及方法1.1实验原料及抑尘剂制备1)主要试验原料:聚乙烯醇1 7 8 8 型、过硫酸铵、丙烯酸、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、N,N-亚甲基双丙烯酰胺、壳聚糖、冰乙酸、石蜡、石油醚、司盘-8 0、50%戊二醛溶液、异丙醇(以上物质均为分析纯),实验用水均为去离子水。2)高吸水树脂抑尘剂的制备工艺。制备过程为:准确称量一定质量的聚乙烯醇溶于50 0 mL烧杯中,加入去离子水搅
16、拌至溶解,糊化30 min,随后在6 5条件下将中和度7 0%的丙烯酸溶液与一定量的丙烯酰胺加入至烧杯中,再向其中加人适量的引发剂过硫酸铵,充分搅拌混合,在6 5下引发1 h,最后缓慢将N,N-亚甲基双丙烯酰胺加入反应烧杯中,反应2 h得到透明色液体,即抑尘剂芯材。3)抑尘微胶囊的制备工艺。制备过程:首先称取1.5g壳聚糖溶于2%醋酸溶液中,水浴4 0 加热并搅拌直至完全溶解;取1.5g上述抑尘剂芯材加入水中,将壳聚糖溶液与抑尘剂溶液混合,使用超声波细胞粉碎机将溶液混合均匀,作为水相;量筒量取1 50 mL液体石蜡和50 mL石油醚置于2 50 mL的三口瓶中,取3mLSpan-80加人其中,
17、搅拌1 0 min。将配制好的壳聚糖-抑尘剂溶液转移到恒压漏斗中,使其缓慢滴加到三口瓶中,控制在30 min内滴加完,然后保持在4 0 水浴下一定转速搅拌,乳化1 h。往体系中缓慢滴加戊二醛溶液,控制在30 min内滴加完,4 0 水浴搅拌交联3h。将三口瓶中液体倒入烧杯中,并用石油醚洗涤,一并倒入烧杯中,静置1 h。倒出上层液体(若溶液较粘稠,无沉淀或沉淀较少可置于离心管中1 0 0 0 0 r/min下离心5min)。向沉淀物中加人一定量的石油醚,搅拌静置,倾倒上层清液,如此58Safety in Coal Mines2023年1 0 月Oct.2023No.10Vol.54煤矿发全第54
18、 卷第1 0 期反复3次,直至上层清液澄清为止;最后1 遍用异丙醇搅拌洗涤,采用循环水真空泵抽滤得到抑尘剂微胶囊。将抽滤所得抑尘剂微胶囊和滤纸一起置于干净的表面皿中,50 烘箱干燥2 4 h后称重,得到干燥的抑尘剂微胶囊。1.2抑尘剂表征实验1)红外光谱实验。将聚乙烯醇、丙烯酸、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸及吸水树脂产物置于真空干燥箱中7 0 干燥1 2 h,干燥后2 种物质放在研钵中研磨,分别于KBr以1:1 0 0 比例混合研磨放人压片机压片,样品在傅里叶变换红外光谱仪上进行红外光谱分析。2)SEM扫描电镜实验。将微胶囊抑尘剂和吸水树脂型抑尘剂放人NovaNanoSEM450扫描电子显微镜
19、中进行观察。研究吸水树脂抑尘剂与微胶囊抑尘剂的表面样貌和截面样貌,分析结构性能。1.3抑尘剂性能测试1)溶胀动力学分析。高吸水树脂抑尘微胶囊能够在吸水到一定程度后,涨破囊壁从而起到二次降尘的作用。将一定量干燥后的吸水树脂抑尘剂与微胶囊抑尘剂放在培养皿中,然后用大量蒸馏水浸泡,测试产物在不同时间时的质量,同时测试上述抑尘剂的吸水情况,通过比较分析得出微胶囊吸水涨破规律。2)保湿性能测试。将芯材吸水树脂与吸水树脂微胶囊置于去离子水中,充分吸水后置于培养皿中,保持在室温环境下,记录吸水树脂及其微胶囊质量变化。3)渗透性能测试。通常通过用液体介质对试管中煤尘的吸湿速度来表征。在装有相同高度煤粉的4 只
20、试管中分别添加3mL水、氯化钙溶液、吸水树脂抑尘剂、吸水树脂微胶囊抑尘剂,设置吸湿时间为30 min,测得吸湿量V3o,则吸湿速度230为:入30=V30/30。4)抑尘性能测试。使用山东科技大学国家重点实验室巷道模拟装置,风洞试验台长宽高尺寸为1.5m0.8m0.8m试验装置使用TDI8000-0750G-4T无级变频器和SZ-11.2轴流风机,将所制备高吸水树脂抑尘剂,抑尘微胶囊喷洒于装在培养血的煤尘并喷洒相同质量的水作为对照,设置风速为4、5、6、7、8、9、1 0、1 1、1 2、1 3m/s,通过抗风吹实验测试随着煤样放置时间抑尘率的变化情况1 8 。mim20=1100%mo式中:
21、为抑尘率;mi为风吹前煤尘质量;m2为风吹后煤尘质量;mo为空白扬尘质量。5)生物降解性能测试。取露天煤矿周围泥土,与煤粉及微胶囊抑尘剂置于培养皿中,按1:1:1 的比例混合,将培养皿放在自然环境下保存,每天记录培养皿质量变化,分析微胶囊抑尘剂降解情况,2实验结果2.1红外光谱分析聚乙烯醇、丙烯酸、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸、吸水树脂的红外图谱如图1。由图1(a)可知,在聚乙烯醇的红外光谱中,3470cm-处的吸收峰为OH的伸缩振动峰,1 1 30cm-为聚乙烯醇中结晶特征峰C-O。从产物的红外图谱可以看出,接枝共聚保留了聚乙烯醇的特征峰,另外出现了一些新的变化。首先,在34 7 0cm处的
22、吸收峰位置发生偏移,说明聚乙烯醇与单体发生氢键结合,并且在1 1 50 cm处出现聚乙烯醇的结晶特征峰C-O;2 9 2 0 c m-处出现的丙烯酸的-CH,特征吸收峰,说明丙烯酸与聚乙烯醇发生接枝反应;1 0 9 0 cm和1 0 4 0 cm处出现2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸中的磺酸基-S=O 的对称与非对称伸缩振动峰,说明产物中含有磺酸基。由此说明,聚乙烯醇与丙烯酸及2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸接枝共聚成功。2.2SEM分析吸水树脂、吸水树脂微胶囊的SEM结果如图2、图3。由图2 可以看出:高吸水树脂呈多孔网状结构,整体结构有序排列,呈三维空间结构,且其中存在的孔隙、褶皱能大大增加抑尘剂
23、的吸水性能,吸水后树脂膨胀,对微胶囊产物溶胀破壁起到重要作用,使吸水树脂和壁材协同抑尘作用。由图3可以看出:微胶囊呈表面粗糙的球形形貌,壁材完整的包覆在抑尘剂外部,另外这种结构与抑尘剂本身的三维空间结构,使微胶囊在吸水后,能具有一定的保水性能,通过内部与外部结构的共同作用,使微胶囊具备极好的抑尘性能。通过扫描电镜,确定吸水树脂的结构以及微胶囊包覆成功及微胶囊形貌结构。59Safetyin CoalMines2023年1 0 月Oct.2023煤防发全No.10Vo1.54第54 卷第1 0 期1001009090%/率%/率到80807070400032002.4001600800400032
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