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本研究通过戊二醛诱导聚乙烯醇自交联与松香酸钠氢键网络协同作用，开发出新型泡沫除尘材料，显著提升其机械性能和防尘效率，经风蚀与雨水测试显示抑尘效率超过96%，并验证了双强化网络结构对材料性能的优化作用。
于海明|王丽|谢尧|韩琦|王嘉音
山东科技大学安全与环境工程学院，青岛，266590，中国
摘要
为了解决煤矿生产中的煤尘问题，本研究利用戊二醛（GA）诱导的聚乙烯醇（PVA）自交联作用与木质素磺酸钠（LS）形成的氢键网络之间的协同效应，开发了一种新型泡沫抑尘材料。实验结果表明，缩醛反应可以消耗PVA上的羟基，从而增强聚合物的耐水性。以GA为桥接剂的“刚性-韧性平衡”互穿网络提高了材料的机械性能，平均表面硬度高达78 HAA，10分钟风蚀和雨水抗性测试的抑尘效率超过96%。脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠（AES）的阴离子性质与LS的磺酸基团发生协同作用，显著改善了材料的润湿性和泡沫性能。本研究为PVA在泡沫抑尘中的应用提供了实用且可行的新方案。
引言
如今，煤炭在全球能源结构中仍占据重要地位（Apergis和Payne，2010；Wolde-Rufael，2010；Zhao等人，2024），而煤尘仍然是煤矿生产中需要解决的主要问题之一（Xie等人，2021；Ye等人，2024）。煤炭的开采、运输和储存会产生大量煤尘。煤尘中含有二氧化硅和重金属等多种有害物质，长期暴露可能导致职业病，如煤工尘肺病和呼吸系统疾病（Cheng等人，2016；Li等人，2020；Shekarian等人，2021）。此外，煤尘问题还会破坏地下工作环境，影响工人的生产效率。在极端情况下，煤尘还可能引发爆炸（Yu等人，2017；Zhang等人，2009），造成人员伤亡和财产损失。因此，控制煤尘仍然是煤矿开采中的一个重要问题。
过去，煤尘控制的研究主要集中在喷雾降尘、化学抑尘、除尘器除尘和煤尘注水等方面（Bao等人，2020；Dong等人，2023b；Liu等人，2021；Xu, L.M.等人，2023；Yu等人，2018）。然而，传统抑尘方法的局限性使其难以满足煤矿生产、物流和储存的需求。例如，喷雾降尘和化学抑尘方法耗水量大（Wang等人，2016；Wang, H.等人，2015），且对环境有严重的影响。相比之下，泡沫抑尘由于其良好的覆盖性、润湿性和粘附性，能够完全覆盖煤尘（Li, Z.等人，2024；Wang等人，2019；H. Wang等人，2015；Xu, R.等人，2023），并且可以显著降低抑尘过程中的用水量（Chae等人，2024；Li, H.S.等人，2024；Zhang等人，2022），改善工作环境，提高经济效益，并减少矿工患尘肺病的风险。因此，开发高效、环保、经济且干燥后能形成稳定固化层的泡沫抑尘剂至关重要。
鉴于传统抑尘剂的粘结效果不佳以及固化层干燥后的强度较低，研究人员常引入聚合物来改善溶液的粘度和成膜性能。Hui Dong等人（2024）、Jin Hu等人（2022）、Yanbin Yu等人（2024）利用蛋白质分子的成膜性能制备了具有高硬度的煤尘抑制剂，但由于蛋白质的溶解性和流动性较差，容易在静置时发生沉淀，影响后续使用。Zhiyuan Shen等人（2023）、Wen Nie等人（2022）、Xiaobin Wei等人（2020）、Taehee Lee等人（2020）通过修饰多糖分子上的羟基进一步提高了抑尘效果和保水性能，但由于大多数材料具有亲水性，不适合在雨天使用。Ru Wang等人（2024）、Xugang Dang等人（2017）、Yao Hu等人（2020）结合蛋白质和多糖的特性制备了具有机械强度、溶解性和保水性的煤尘抑制剂。Vivek Kumar Kashi等人（2024）、Qingshan Wang等人（2023）使用聚丙烯酰胺等聚合物作为支链共聚物材料合成了具有良好保水性的抑尘剂。总之，添加聚合物可以改善粘结性能和硬度的形成，但由于大多数聚合物的溶解性或流动性较差，抑尘溶液在静置时容易沉淀，从而影响使用效果。
聚乙烯醇（PVA）是一种水溶性、成膜性、可降解的聚合物（Zhang等人，2023），含有大量羟基，易于形成氢键网络，从而在成膜后提高拉伸性能，广泛应用于纺织、造纸、薄膜等领域。Wu Mingyue（Wu等人，2020）利用三偏磷酸钠交联海藻酸钠和聚乙烯醇，制备了一种高粘度的环保抑尘剂，其固化膜的强度为26.1 kPa，粘度为76 mPa·s。Wei Jianfeng（Wei等人，2021）使用聚乙烯醇、黄原胶和丙烯酸改善了聚乙烯醇的保水性，制备了水凝胶抑尘剂。尽管上述改性提高了固化膜的硬度和溶液的粘度，但聚乙烯醇本身的高水敏感性会影响固化层的耐雨性，PVA的高粘度也会影响抑尘剂的润湿性能，且添加材料的成本较高，阻碍了其在实际生产中的应用和推广。
本文针对PVA成膜后耐水性和溶液润湿效果不佳的问题，基于PVA缩醛反应形成的桥接结构分子，结合LS的磺酸基团，构建了更稳定的氢键网络，获得了具有自交联和氢键吸附协同效应的泡沫抑尘剂。通过样品硬度和溶液粘度的评估确定了最佳改性条件，并通过特定功能团的分析揭示了PVA的缩醛改性和氢键形成的机制。利用模拟风蚀和雨水环境平台结合扫描电子显微镜发现，以GA为桥接剂的“刚性-韧性平衡”互穿网络可以有效提高抑尘效果和固化层的形态特征。通过泡沫分析仪分析了双重增强网络对泡沫形态分布和半衰期的积极影响，并系统讨论了抑尘材料的宏观性能，如润湿性、耐高温性、保水性和环保性。最后，通过分子动力学模拟验证了抑尘机制。本研究为PVA在抑尘中的应用开辟了新的研究方向，对提升煤炭行业的职业健康水平具有重要意义。
材料优化与表征
聚乙烯醇（PVA）购自上海Aladdin生化技术有限公司，醇解度86.5-89.0 mol%，粘度4.6-5.4 mPa·s。木质素磺酸钠（LS）购自上海Macklin生化技术有限公司。戊二醛（GA，AR，50% H2O）购自上海Aladdin化学有限公司。脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠（AES，AR，50%）购自山东 Yusuo化学技术有限公司。
最佳配方与机制
图2显示了不同因素对煤样硬度和溶液粘度的影响。由于聚乙烯醇（PVA）的羟基，其链具有通过分子内和分子间氢键自交联的强烈倾向。加入LS后，不仅提供了自身的结合位点，还形成了更强的多维氢键网络。当氢键较强或数量较多时，聚合物之间的相互作用更为显著。
结论
本研究提出了一种高性能泡沫抑尘剂的协同设计策略，将聚乙烯醇（PVA）的缩醛交联与木质素磺酸钠（LS）引导的多维氢键网络相结合。通过多尺度实验和模拟验证了该策略的有效性，得出以下主要结论：
(1)抑尘剂中的磺酸基团与阴离子表面活性剂之间的电荷协同效应
作者贡献声明
于海明：撰写——原始稿件、方法学、资金获取、正式分析、概念构思。王丽：撰写——审稿与编辑、可视化、验证、资源协调、数据管理。谢尧：监督、资源调配、项目管理。韩琦：实验研究。王嘉音：软件支持。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了山东省自然科学基金（项目编号：ZR2021QE114）和国家自然科学基金（项目编号：52374217）的支持。
