羟基淀粉煤炭抑尘剂的制备及性能表征

朱开金，朱鹏宇，谭俊华，赵彦亮，刘 菲，高建金

(1.太原工业学院，山西 太原 030008； 2.江苏理工学院化工与环境学院，江苏 常州 213001)

羟基淀粉煤炭抑尘剂的制备及性能表征

朱开金1，朱鹏宇2，谭俊华1，赵彦亮1，刘 菲1，高建金1

(1.太原工业学院，山西 太原 030008； 2.江苏理工学院化工与环境学院，江苏 常州 213001)

采用羟丙基淀粉醚为主要原料，以N，N-亚甲基双丙烯酰胺作交联剂，过硫酸铵作引发剂，羧乙基纤维素钠作粘度调节剂和成膜剂，得到一种保湿性、抗风蚀性、水稳性、耐温性等性能优良的煤炭抑尘剂。通过实验对比，此种抑尘剂在抗风蚀性、水稳性、耐温性方面比纯淀粉基煤炭抑尘剂的各项指标均优。交联反应虽可形成网络结构，提高产物的保湿抗风蚀等性能，也会降低其粘度，不利于成膜性，因此控制交联反应程度为一关键。最佳的反应条件是温度为70℃左右，时间为1h。

羟丙基淀粉醚；N，N-亚甲基双丙烯酰胺；交联；煤炭抑尘剂；性能

目前煤炭抑尘剂的研究分湿润型、粘结型和强吸水型三类，各类抑尘剂均有其优点，但都存在保湿时间短、粘结强度不够、吸水性能不强等问题[1]。以羟丙基淀粉醚为主要原料，用N，N-亚甲基双丙烯酰胺与之作交联反应，再加少量经溶解后的羧乙基纤维素钠，即可得到一种粘结保湿能力强、抑尘效果佳、不引起二次污染的生态型改性淀粉基煤炭抑尘剂[2-3]。

1 实验部分

1.1 原料及仪器

1)原料。羟丙基淀粉醚：山东特耐斯淀粉有限公司；羧乙基纤维素钠：广东佛山市日特化工有限公司；N，N-亚甲基双丙烯酰胺：天津化学试剂厂；过硫酸铵：郑州化工厂；淀粉基煤炭抑尘剂：市售；改性淀粉基煤炭抑尘剂：自制。

2)仪器。电子天平、恒温水浴、烘箱、旋转粘度计、粉尘粒筛等。

1.2 制备

称取一定量的羟丙基淀粉醚溶解于500mL的烧杯水中，搅匀。加一定比例量的交联剂N，N-亚甲基双丙烯酰胺，然后将烧杯置于恒温水浴中，升温并控制在70℃左右，添加少量引发剂过硫酸铵，保温搅拌反应1h后，再加少量的羧乙基纤维素钠搅拌，然后经过滤、烘干，制得改性淀粉基煤炭抑尘剂样品。

实验表明，交联反应会降低体系粘度，故反应程度不可太大。羧乙基纤维素钠水溶液粘度较大，可调节其体系的粘度。经交联后产物形成的紧密网状结构，有利于煤炭抑尘剂其他性能的改善。

1.3 测试

对制备好的本煤炭抑尘剂结合煤粉进行粘度、抗风蚀性、水稳性、耐温性等各项物理性能指标测试，并与非改性淀粉煤炭抑尘剂性能指标进行实验对比，考察其实用性和相比性[4]。

2 性能表征

2.1 粘度

煤炭抑尘剂粘度是其实用性与否的重要技术指标，考虑到粘结剂受环境温度的影响而变化，用旋转粘度法测试了不同温度下改性淀粉基煤炭抑尘剂(以下简称改性煤抑剂)的粘度，并与市售的淀粉基煤炭抑尘剂(以下简称非改性煤抑剂)粘度以及铁道行业标准TB/T3210.1-2009作了对比[5]。两者均与水按实际使用配比1∶50的比例配成水溶液进行粘度测试，得结果见表1。

表1 不同温度条件下抑尘剂粘度对比

从表1可以看出，在各个所测温度点，改性抑尘剂均比非改性抑尘剂粘结性能优，通常高4～6倍，且在极端温度50℃时，粘度也远超TB/T3210.1-2009标准要求[6]，而后者在40℃以上的高温条件下却不能满足要求。

2.2 保湿性

分别称取50g过100目筛的煤粉三份摊平于一定面积的玻璃板上，称取改性抑尘剂、非改性抑尘剂各1g用50倍水稀释后，分别在两份煤样表面喷洒10ml的量，再用纯净水样使另一煤样表面喷洒相同的量，用烘箱测试0～50℃区间不同温度点和不同置放时间的保湿性，以煤样失水率作为衡量保湿性程度的基准(表2～4)。

表2 喷洒改性煤抑剂后煤样保湿性试验结果

表3 喷洒非改性煤抑剂后煤样保湿性试验结果

对比表2～4可看出，改性煤抑剂具有明显的保湿效果，比相同条件下的非改性煤抑剂提高1倍左右，比喷水样提高6～10倍，且温度达50℃时失水率不超过15%。

2.3 抗风蚀性

煤炭在运输过程中，要受到大风的侵蚀，由此造成大量煤粉的逸散和对环境的污染，故评价煤炭抑尘剂的另一指标即其抗风蚀性具有重要的意义[7]。

表4 喷洒水后煤样保湿性试验结果

本实验采用电吹风法检验抑尘剂的抗风蚀能力。将过40目(1#)、60目(2#)、80目(3#)和100目(4#)四种筛的煤粉各100g置于一定大小的瓷盘中，每种煤粉称两次重复样，然后按粒径分成两组共8个样，将改性煤抑剂和非改性煤抑剂配成水样后按0.18ml/cm2的用量分别喷洒在两组样品表面，待其自然固化。

用小型可调速电扇横向间隙吹风，风速5m/s，吹风时间为10min，电扇与样品间隔距离为2m，事先用塑料罩对吹落的煤粉进行收集，完后将收集的煤粉用电子天平进行称量。

改变风速，重复上述试验，得相应结果。

同时实验显示，若不喷洒煤炭抑尘剂，煤粉经5m/s的风侵后全部被吹尽，损失100%(表5～6)。

表5 改性煤抑剂抗风蚀性能试验结果

表5、表6结果表明，对各种粒径煤粉喷洒改性煤抑剂和非改性煤抑剂后，在风速5～20m/s情况下的吹损程度，前者比后者明显减少，平均损失率减少1倍多。

2.4 水稳性

水稳性是指煤粉经喷洒抑尘剂后所形成的固结层抗雨水侵蚀是否散落及散落的程度。用改性煤抑剂与未改性煤抑剂进行水稳性对比实验，使用前者对煤粒第一次喷洒后形成的固结层，浸水5s后表面基本不散落，自然风干后无明显裂纹，而用后者对相同煤粒喷洒形成的固结层一旦浸入很快即表面散落，表明其水稳性能不佳。表7是一组对比数据。

表6 非改性煤抑剂抗风蚀性能试验结果

表7 不同抑尘剂对煤粒的水稳试验情况

表7说明该抑尘剂具有较好的稳定性。

2.5 固化层厚度的稳定性

对静态散煤粉喷洒改性煤抑剂，形成厚度为15mm左右的固化层。为考察其对温度、时间的稳定性，将试验品置于烘箱中，测试固化层厚度的变化[8]。结果表明，对于负温情况则固化层厚度很稳定；在不超过38℃的情况下，温度对固化层厚度影响不大，略有减少；保持30℃的温度时固化时间可以达到30天以上，在极端温度50℃时固化时间仍超过10天(图1)。

图1 固化层厚度对温度、时间的稳定性变化

用非改性煤抑剂进行相同情况试验发现，固化层耐极限温度35℃，耐温时间不超过8天，说明此种抑尘剂耐温性不及改性淀粉基煤炭抑尘剂。

3 结 论

1)以羟基淀粉醚为主要原料制成的煤炭抑尘剂的粘性、保湿性、抗风蚀性、耐水耐温性等各物理性能指标均优于非改性的淀粉基煤炭抑尘剂。由于本抑尘剂是交联反应生成的产物，产物内部网状结构比较紧密，再加上乙基纤维素钠良好的成膜性，因此保内部稳定性和抗外界冲击的性能比较好[9]。

2)羟基淀粉醚进行交联反应时，一定要掌握好反应物加入量、反应温度、反应时间等条件，否则交联过度会导致粘度下降甚重，进而造成乙基纤维素钠的成膜性降低，产物性能不佳。最佳的反应条件是温度为70℃左右，时间为1h。

3)利用羟基淀粉醚易溶于水且支链多，羟基经交联后易形成复杂网络结构，进而提高产物综合性能是一创新。

4)本煤炭抑尘剂制造成本不高，不仅能很好的应用于铁路运煤，对煤矿坑口装运、露天堆煤及运输等均具有较好的推广应用价值。由于使用普通非毒的有机原料，因此本煤炭抑尘剂对人体无刺激性，对周围环境无毒无害，不会造成二次污染，且对车体金属、有机漆层无腐蚀性，生态特点明显。

[1] 魏光平，侯凤才，王乐平，等.国内外湿润型抑尘剂研究与应用[J].中国矿业，2007，16(9):90-92.

[2] 张雷波，焦娇，赵雪慧，等.生态友好型抑尘剂的制备及性能[J].农业工程学报，2013，29(18):218-223.

[3] 王薇，霍茂清，郑向军，等.复合型抑尘剂的制备与应用研究[J].2010，28(zk):176-178.

[4] 李伟，朱红，刘凤月.铁路煤炭运输抑尘剂的制备、评价与应用[J].铁道学报，2008，30(4):125-128.

[5] 李翔，李长有.淀粉接枝共聚丙烯酸-丙烯酰胺煤炭抑尘剂的合成及应用[J].化学研究，2010，21(1):56-58.

[6] 张玉磊，任福民，朱红.铁路煤扬尘抑尘试验研究[J].环境科学与管理，2007，32(12):88-90.

[7] 谭卓营，刘文静，赵星光，等.生态型抑尘剂的选择与实验模拟研究[J].环境科学学报，2005，25(5):675-680.

[8] 李满，徐海，舒新前.化学抑尘剂在抑制煤尘中的应用探讨[J].中国煤炭，2007，33(8):46-47.

[9] 许晋华，朱开金，谭俊华，等.一种高性能煤炭抑尘剂的制备方法：中国，ZL 2012 1 0329645.0 [P].2014-06-04.

The preparation and performance characterization of a coal dust suppression with hydroxy-starch

ZHU Kai-jin1，ZHU Peng-yu2，TAN Jun-hua1，ZHAO Yan-liang1，LIU Fei1，GAO Jian-jin1

(1.Taiyuan Institute of Technology，Taiyuan 030008，China； 2.School of Chemical and Environmental Engineering，Jiangsu Univeisity of Technology，Changzhou 213001，China )

Hydroxypropyl starch is used as the main raw material，N，N-methylene-bis-arcylamide as a cross-linking agent，ammonium persulphate as an intiator，sodium carboxy ethyl cellulose as a viscosity regulator and film-forming agent，a coal dust-depressor with fine moisture，anti-rheumatic，water stability and temperature resistance is gotten.By comparison，the technology indicators of this suppressant are well than pure starch-based coal dust-depressor in some aspects such as anti-rheumatic，water stability and temperature resistance.Cross-linking reaction could form a network structure，and improve product’s moisture and the resistance to wind erosion，but it could also reduce product’s viscosity，is not conductive to film-forming property，so controlling the degree of cross-linking is critical.Optimum reaction conditions are a temperature of about 70 degrees，and time of 1h.

hydroxypropyl starch；N，N-methylene-bis-arcylamide；cross-linking；coal dust-depressor；property

2014-12-26

朱开金(1962-)，男，安徽马鞍山人，教授，工学博士，从事环境工程技术研究。E-mail:zkj621104@163.com。

TD714+.4

A

1004-4051(2015)07-0145-04