许多聚合物具有改良土壤结构、提高土壤稳定性的作用(龙明杰等，2002；Barvenik，1994；Sharma，1988；Sojka et al., 1998)。由于沙土结构松散、易受风蚀侵害，造成土壤中营养成分大量流失、植被恢复困难，因此国内外对利用聚合物稳定沙土也进行了许多应用研究，李建法等(2002a)曾对其中的主要品种进行了概述。为深入了解各种聚合物的作用效果优劣, 为开发适用的高分子沙土稳定材料提供理论依据，本文拟利用在研制高分子沙土稳定材料时得到的一些结果，从中总结出一些具有普遍性的规律，从分子间作用、聚合物性质、界面作用等3个方面对聚合物稳定沙土的作用机制进行一些探讨。

1 材料与方法 1.1 聚合物的来源与制备

木质素磺酸盐(SLS)和亚硫酸盐法制浆废液(BSL)的接枝共聚改性产物(SLS-AA、SLS -AM、BSL-AA、BSL-AM等)是在上述原料中加入丙烯酸(AA)和/或丙烯酰胺(AM)单体通过接枝共聚合反应制得(李建法等，2002b；2003b)。磺化氨基甲醛树脂(SAF)[包括磺化脲醛树脂(SUF)和磺化三聚氰胺脲醛树脂(SMUF)]，是在脲醛树脂制备过程中分别添加磺化剂和三聚氰胺经羟甲基化、磺化、缩聚和中和反应制得(李建法等，2003a)。

1.2 沙土结构分析方法

沙土样品取自内蒙古乌兰布和沙漠，采用干、湿筛分法(中国科学院南京土壤研究所土壤物理研究室，1978)分析原土样及聚合物处理后土样的物理结构组成，沙土处理方法为喷施法(李建法等，2003b)。采用Philips SEM 505扫描电镜对沙土原样和处理后的沙土样进行观察。

2 结果与讨论 2.1 聚合物与沙土颗粒的分子间作用

构成各类土壤的主体是钙、钠、镁等阳离子的硅酸盐、碳酸盐、氧化物等无机矿物质，它们在土壤中的含量一般在95%以上(山西农业大学，1994)。因此，当聚合物施用到土壤中时，聚合物分子上的有效基团将主要与无机矿物质分子形成某种结合，并通过其分子长链的作用使多个土壤颗粒聚集形成土壤团聚体，从而起到改良土壤结构、稳定土壤的作用。与其他种类的土壤相比，沙土中的有机质含量较低、无机矿物质含量更高(治沙造林学编委会，1981)，因此聚合物稳定沙土的作用力主要来自聚合物分子与沙土中无机矿物质分子间的相互结合。

用于改良土壤结构的聚合物上都含有大量能与土壤颗粒结合的有效基团，如羧基、羟基、氨基、磺酸基、季胺盐基等，按照这些基团的离子类型不同，可将它们分为阳离子、非离子和阴离子基团，相应地，含部分阴离子基团的聚合物被称为阴离子型聚合物，而只含非离子基团的聚合物为非离子型聚合物。一般认为，非离子基团主要通过氢键与土壤颗粒结合，阳离子基团则是与带负电的土壤颗粒通过静电引力来结合，阴离子基团通过共用土壤颗粒上的多价金属阳离子来相互结合(Wallace et al.，1986)。El-Hady等(1989)认为，在阴离子型聚丙烯酰胺与沙土颗粒之间存在通过多价金属阳离子的桥联作用；但是, 对于不同基团与沙土颗粒的结合作用强弱方面尚未见文献报道。

对SLS和BSL(主要固体物成分之一为SLS)进行接枝共聚改性制备新型高分子沙土稳定材料的研究(李建法等，2002b)中，作者分别用阴离子型AA单体和非离子型AM单体进行接枝共聚反应，在相同的施用量(0.2%, 指改性产物中固体物干质量占沙土干质量的百分比)下，各种改性产物对沙土结构的改良效果见表 1。

土壤学中大于0.25 mm的团聚体被称为稳定性团聚体，干筛分法得到的是干燥状态下沙土中稳定性团聚体的含量，而湿筛分法得到的是沙土中水稳定性团聚体的含量。对比相同单体用量(60%、80%和100%)下接枝共聚不同单体(AA和AM)的改性产物处理沙土后得到的6组数据，可以看出，相同施用量下经AA改性产物处理后的沙土中干态稳定性团聚体含量普遍高于AM改性产物处理后的沙土，特别是其中大于2.0 mm的大块团聚体含量更高；而经AM改性产物处理后的沙土中水稳定性团聚体的含量更高一些。

采用AA单体改性得到的聚合物中所含有效基团以阴离子型的羧酸基为主，而采用A M单体改性得到的聚合物中主要含有非离子型的酰胺基。羧酸基与沙土颗粒的分子间结合为通过多价金属阳离子的化学键结合，它的结合力在干燥状态下强于酰胺基即非离子基团与沙土颗粒的氢键结合，导致干燥状态下AA改性产物处理后的沙土颗粒之间结合作用较强，在机械筛分过程中可以更多地保持大块团聚体结构，而且总的大于0.25 mm稳定性团聚体含量较高；而AM改性产物处理后的沙土颗粒之间结合作用较弱，在机械筛分过程中容易破碎为小团聚体结构，并且总的稳定性团聚体含量较低。

但是在湿筛分法处理过程中，阴离子基团亲水性较强，容易从沙土颗粒表面解脱，进而使聚合物分子扩散到水中，干燥状态下形成的团聚体结构容易被破坏，使沙土中的水稳定性团聚体含量下降，这应该是AA改性产物处理后的沙土中水稳定性团聚体含量低于AM改性产物处理后的沙土的主要原因。虽然沙漠化地区气候干旱，沙土的水稳定性还是必要的，因为沙漠化地区在夏秋两季也会出现雨量较大的情况。

2.2 影响沙土稳定效果的聚合物性质

影响沙土稳定效果的聚合物性质因素较多。首先，用于稳定沙土的聚合物最好具有一定水分散性能。从具体施用操作考虑，水分散性好的聚合物可以在水中形成均匀的溶液或乳液，便于稀释和喷洒施用，而且聚合物在沙土中的分布更加均匀，对沙土的稳定效果更好；否则，如果以粉状产品直接施用很难保证良好的分散效果。影响聚合物水分散性的因素较多，如聚合物所带的基团、平均分子质量和交联度等。为了得到水分散性较好的聚合物，其分子结构上一般含有一些亲水性的基团如羟基、羧基等，这些亲水性的基团同时也是与沙土颗粒产生结合作用的有效基团；另外，具有交联结构的聚合物水分散性较差，因此施用前的聚合物通常是交联程度较低的线形或分枝形聚合物。

其次，从聚合物稳定沙土的作用原理看，聚合物的平均分子质量越高，分子链越长，越有利于沙土颗粒的聚集，所形成的团聚体结构也更稳定。因此聚合物的平均分子质量越高，稳定土壤的效果就越好，许多研究报道也证实了这个观点(龙明杰等，2002；Barvenik，1994；Wallace et al., 1986)。但分子质量过高也有不利的一面，如水分散性降低、价格升高等，龙明杰等(2002)曾指出，从对赤红壤的改良效果看，聚丙烯酰胺的平均分子质量在300万~600万之间较适宜。

再次，不同类型的基团与沙土颗粒的结合作用形式和强度不同，如阴离子基团对沙土干燥状态下的稳定性有利。但是离子型含量过高，高分子链向水相扩散的趋势加强，反而会降低聚合物与沙土颗粒在水中的结合作用。以SAF为例，随着树脂磺化度的提高即其中阴离子型磺酸根含量的提高，沙土中的水稳定性团聚体含量明显下降(表 2)。

在新型高分子沙土稳定材料的研制中(李建法等，2002b)，作者同时采用2种单体(即A A和AM)对BSL(单体总用量为原料干质量的100%)和SLS(单体总用量为原料干质量的80%)进行二元接枝共聚改性，改变其中的单体比例，得到一系列二元单体接枝共聚改性产物。以0.2%的改性产物施用量对沙土进行处理，再分别用干、湿筛分法分析沙土，最后以湿筛分法得到的大于0.25 mm稳定性团聚体含量除以干筛分法得到的大于0.25 mm稳定性团聚体含量，得到的湿/干团聚体含量百分比反映了团聚体在水中的稳定性(图 1)。可以看出，随着单体中生成阴离子基团的AA用量的提高，经改性产物处理后沙土团聚体的水稳定性明显下降。

因此，不同类型的有效基团含量是影响聚合物沙土稳定效果的另一个重要因素。由于阳离子型聚合物价格高昂，用于稳定沙土的最好是含有部分阴离子基团的阴离子型聚合物，这类聚合物中同时还含有大量能与沙土颗粒结合的非离子基团，从而可以兼顾沙土在干燥状态和水中的稳定性；至于阴离子基团的合适含量需根据具体种类的聚合物确定。

除了平均分子质量和有效基团含量，影响聚合物沙土稳定效能的还有聚合物的分子构象。从沙土稳定的角度出发，聚合物应该有比较伸展的构象，这样可以提高它与沙土颗粒结合的效率。但是高分子沙土稳定材料中含有的有效基团之间经常会发生一些分子内或分子间的结合，从而影响聚合物的伸展程度。借助离子型基团之间的排斥作用，在非离子型聚合物中引入部分离子型基团有助于提高聚合物在水溶液中的伸展度，这也被认为是阴离子型聚丙烯酰胺的土壤稳定效果比非离子型好的原因之一(Letey，1994)。

2.3 聚合物与沙土的界面作用与粘接原理

除了聚合物本身的性质外，沙土表面状况也会影响聚合物的作用效能，通过扫描电镜，可以观察到经SMUF处理后的沙土颗粒紧密地连结在一起(图 2)，这种连结作用可以借鉴聚合物与其他固体材料的粘接作用来解释。

首先，与聚合物和其他材料的粘接原理(陈道义等，1992)相同，聚合物与沙土颗粒之间也是通过范德华力、氢键、化学键等分子间作用力连结在一起的。这种作用力的大小不仅与聚合物的性质有关，也与沙土颗粒的表面状态有关。为了在观察沙土表面状态时降低沙土中少量有机质的干扰，本文对沙土进行了绝干处理(500 ℃、1 h)，在扫描电镜下，可以观察到沙土颗粒的表面呈现明显的棱角和凹凸不平(图 3)。经聚合物处理后的沙土颗粒表面棱角和凹凸不平现象大为减少，而处理后沙土颗粒上显著增多的亮点应该是粘附的聚合物或少量有机质(图 4)。

其次，根据粘接原理，胶粘剂与固体表面的粘接与聚合物在固体表面上的润湿程度有关，润湿程度越好，聚合物与固体通过分子间力相互结合的机会越大，相互之间的连结越强。润湿程度又与固液界面张力有关，按照杨氏方程(天津大学物理化学教研室，1979)，固液界面张力(δ_ls)越小，越有利于润湿。

(1)

与非离子型的聚合物相比，阴离子型聚合物上含有的羧酸基、磺酸基等有效基团可以降低聚合物水溶液的界面张力，有利于聚合物水溶液在沙土颗粒表面的润湿，从另一个方面支持了阴离子型聚合物对沙土的稳定作用在干燥状态下较非离子型聚合物强。

最后，根据粘接原理，胶粘剂与固体材料的粘接强度还与其向固体材料中的扩散有关，如果能深入到材料内部，粘接强度当然要强得多。聚合物与沙土的作用与此类似，如果聚合物溶液能深入到沙土内部并充分润湿沙土颗粒，沙土稳定效果应该更好，如果聚合物的平均分子质量过高、分子链过长、水分散性太差，都会影响它向沙土内部的扩散能力。

综上所述，干燥状态下，沙土颗粒与聚合物之间的作用在许多方面适用粘接原理，聚合物性质对其沙土稳定效能的影响也可以用粘接方面的理论进行解释。

3 结论

首次对聚合物稳定沙土的作用机制从分子间作用、聚合物性质和界面作用等3个方面进行了比较全面的研究；首次提出了干燥状态下聚合物与沙土颗粒之间存在粘接作用。

从分子间作用考虑，认为干燥状态下阴离子基团与沙土颗粒的结合作用为化学键形式，强于非离子基团的氢键结合；但在水中，阴离子基团含量较高的聚合物容易从沙土颗粒表面扩散到水中，会降低聚合物处理后沙土的水稳定性。

研究了影响沙土稳定效能的聚合物性质，认为合适的高分子沙土稳定材料应该具有良好的水分散性、较高的平均分子质量、合适的阴离子和非离子基团含量、以及较伸展的分子构象。

扫描电镜观察证实了聚合物与沙土颗粒之间存在粘接作用，聚合物性质与其沙土稳定效能之间的关系可以用粘接原理进行解释。