聚苯乙烯磺酸钠的制备及在水泥混凝土中的应用.pdf
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1、2 0 1 2年 第 1 2期 (总 第 2 7 8 期 ) N u mb e r 1 2 i n 2 0 1 2 ( T o t a l No 2 7 8 ) 混 凝 土 Co nc r e t e 原材料及辅助物料 MATERI AL AND ADM I NI CLE d o i : 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 2 1 2 0 1 2 聚苯乙烯磺酸钠的制备及在水泥混凝土中的应用 石磊 ,马素花 a - ,李伟峰 a 。沈晓冬 a , b ( 南京工业大学 a 材料科学与工程学 院 ;b 材料化学工程重点实验室 ,江苏 南京 2 1
2、 0 0 0 9 ) 摘要: 以废旧泡沫塑料( P S , 发泡聚苯乙烯塑料) 为原料, 经水化 、 磺化等工艺处理, 得到了具有分散和减水功能的聚苯乙烯磺酸钠 ( S P S ) ; 研究了磺化温度、 磺化剂用量 、 反应时间等对磺化度的影响, 探讨了不同磺化工艺对水泥净浆流动度和水泥抗压强度的影响; 并尝 试以S P S 作为水泥助磨剂, 研究了对水泥颗粒分布及水泥物化性能的影响。 研究表明: S P S 作为水泥的添加剂, 具有一定的助磨及缓凝作 用, 同时可以提高水泥各龄期的抗压强度。 S P S以废旧泡沫塑料为原料, 可以有效降低成本并且保护环境, 具有良 好的经济效益。 关键词:
3、聚苯乙烯磺酸钠; 水泥混凝土;助磨剂;废旧泡沫塑料 中图分 类号 : T U5 2 8 0 4 2 2 文献标志码 : A 文章编号 : 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 2 ) 1 2 0 0 3 4 0 3 Pr e pa r a t i on o f p ol y a nd i t s e ffec t on c on c r e t e pr ope r t y S HI Le i a , M A Su - h u a , LI W e i - f e n g 。 S HEN Xi a o d o n g ( a C o l l e g e o f Ma t e ri a
4、 l S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g ; b S t a t e Ke y L a b o r a t o r y o f Ma t e r i a l s O r i e n t e d C h e mi c a l E n g i n e e ri n g Na n j i n g U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y , Na n j i n g 2 1 0 0 0 9 , C h i n a ) Ab s t r a c t : P o l y s o d i u m s t y r
5、e n e s u l f o n a t e ( S P S )wa s s y n t h e s i z e d wi t h wa s t e p o l y s t y r e n e b y h y d r a t i o n a n d s u l f o n a t i o n p r o c e s s T h e e ff e c t o f s ul f o n a t i o n t e mp e r a tur e , t h e a m o u n t o f s ul f o n a t i n g a g e n t a nd r e a c t i o n t
6、 i me wa s s t u d i e d T he i nfl u e n c e o f s u l f o n a t i o n p r o c e s s o n flu i d i t y o f c e m e n t p a s t e a n d c e me n t c o mp r e s s i v e s t r e n g t h wa s a l s o i n v e s t i g a t e d As g r i n d i n g a i d s o f c e m e n t , an d t h e fi n e n e s s o f c e
7、me nt wa s r e d u c e d s i g ni fic an t l y an d t h e d i s t r i b u t i o ns o f pa r t i c l e s i z e we r e o p t i mi z e dTh e p e r f o r ma n c e o f S PS o n the q u a l i ty o f c e me n t s wa s a l s o s h o we d As c e me n t a d i t t i v e s the S P S h a d t h e e f f e c t o f
8、r e t a r d i n g and i t c o u l d i n c r e a s e the c o mp r e s s i v e s t r e n gth o f d i ff e r e nt a g e s C o n s i d e r i n g the r a w ma t e ri a l o f S P S wa s s c r a p f o a m, i t n o t o n l y s o l v e d t h e p r o b l e m o f e n v i r o n me n t po l l u t i o n, b u t a
9、l s o h a d g r e a t e c o n o mi c a l v a l u e s Ke ywor ds : s o d i u m p o l y s t y r e n e s ul fon a t e; c e me n t c o n c r e t e; g r i n d i n g a i d; s c r a pfoa m 0 引 言 能的影响。 聚苯乙烯泡沫塑料( P S ) 又称为发泡聚苯乙烯, 因其具有易 成型、 价格低、 使用性能佳等优点而被广泛用于新型包装材料 、 建筑保湿材料 、 隔音绝热材料等, 但使用后的聚苯乙烯泡沫塑 料( P s ) 大
10、量被废弃 , 加上其难以 自行降解而造成了众所周知的 “ 白色污染” 【 lJ 。 如何对其进行有效回收处理并利用 , 已成为行业 共 同关注 的焦点问题之一【2 。 聚苯乙烯分子中苯环具有较高活性 , 可通过化学改性向苯 环中引人其他官能团, 如磺酸基、 羧酸基、 羟基等, 使其转变成具 有 目的功能性的高分子材料, 如用作水处理助剂 3 、 胶黏剂1 4 , 或催化裂解制备苯乙烯单体嘲 、 燃料同 等。 水性高分子材料由于 应用性能优异, 近年来在水泥混凝土行业中广泛应用。 废聚苯乙 烯泡沫塑料经改性后, 可制备混凝土减水剂闻 和油井水泥外加 剂 等。 本试验利用废旧泡沫塑料 , 进行水性
11、化、 磺化等工艺过 程, 制备具有分散和减水功能的聚苯乙烯磺酸钠( S P S ) ; 研究了 磺化温度、 磺化剂用量 、 反应时间等对磺化度的影响, 探讨了不 同磺化工艺对水泥净浆流动度和水泥抗压强度的影响; 并尝试 以 S P S 作为水泥助磨剂 , 研究了对水泥颗粒分布及水泥物化性 1 试 验 1 1 试验原料及仪器 废弃聚苯乙烯泡沫塑料 , 浓硫酸( 质量分数 9 5 ) , 五氧化 二磷( P 2 0 ) 、 环己烷 、 氢氧化钠均为分析纯, 沪试。 三乙醇胺、 三 异丙醇胺( 工业级 , 8 5 , 取 自某水泥助磨剂厂) 。 水泥熟料及粉 煤灰 、 矿渣 、 石灰石 、 石膏均取
12、 自南京 中联水泥有 限公司。 H H s 2数显恒温水浴锅( 金坛市医疗设备厂 ) ; p H计( 上 海雷磁, p Hs 3 c ) ; J J 一 1增力电动搅拌器( 金坛市医疗设备厂 ) ; DZ F 6 0 5 0真空干燥箱( 上海博讯医疗设备厂) 。 1 2 聚苯 乙烯磺酸钠的制备I 1( =l】 取废 旧聚苯 乙烯泡沫塑料( P S ) 颗粒 , 预先用 1 的 Na O H溶 液洗涤, 并用蒸馏水洗涤后烘干。 在带搅拌桨的三口烧瓶中加入 5 0 g 浓硫酸( 9 5 ) , 称取适量 P : 0 作为催化剂并缓慢加入烧瓶 中, 4 0保温; 称量 1 0 g P S颗粒 , 预
13、先搅拌溶解于 7 5 g环己烷 中, 随搅拌缓慢滴人烧瓶中。 滴加完成后, 继续搅拌反应 3 0rai n ; 然后将烧瓶保温 4 0静置 1 h 。 将三口烧瓶放人冰浴中, 以实现浓硫酸与环己烷 S P S的 收稿 日期 :2 0 1 2 ) 6 1 0 基 金项 目:国家“ 9 7 3 ” 计划重点基础研究 ( 2 0 0 9 C B6 2 3 1 0 1 ) ; 江苏 省新型环保重点实验室开放( A E 2 0 1 0 0 8 ) ; 高等学校博 士学科 点专 项科研基金 ( 2 0 0 9 3 2 2 1 1 2 0 0 1 0 ) ; 江苏省高校 自然科学基金( 0 8 K J B
14、4 3 0 0 0 6 ) 34 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 分层 , 并用 分液漏斗将浓硫酸与环 乙烷 S P S分离 。 加人定 量蒸 馏水搅拌 , 分离 环 己烷 。 余 下的聚苯 乙烯 磺化产物及 少量残 留 浓硫酸用氢氧化钠水溶液中和得聚苯乙烯磺酸钠( S P S ) 水溶 液, 加蒸馏水调整为 2 0 含量溶液备用。 合成聚苯乙烯磺酸钠 所需设备如图 1 。 图 1 合成聚苯 乙烯磺酸钠的设备 1 3试 验 方 法 采用氢氧化钠水溶液滴定法测定聚苯乙烯磺化产物的磺 化度 ( ( S P S ) ) 。 观察不同磺化度的S P S减水剂对水泥净浆性
15、能影响。 参照 GB T 8 0 7 7 -2 0 0 0 ( 混凝土外加剂匀质性试验方法 , 检测磺化 度对 S P S减水剂对水泥净浆流动性的影响; 参照 G B T 8 0 7 6 2 0 0 8 混凝土外加剂 , 检测磺化度对抗压强度的影响。 水泥胶沙强度检验是按 照 G B T 1 7 6 7 l 一 1 9 9 9 水泥胶沙强 度检验方法 , 测量 1 、 3 、 2 8 d强度。 按照 G B T 1 3 4 6 -2 0 0 1 水泥凝结时间及安定性检验方法 测量凝结时间和安定性 。 2 试验 结果与分析 2 1 磺化工艺参数的研究 2 1 1 磺化温度对 S P S产率的影响
16、 分别选择不 同的磺 化温度来制备 S P S 。 可观察 到随着温度 增加, 反应液体的颜色逐渐加深, 黏度增大, 甚至产生结底现象。 这主要是由于反应温度过高使得副反应增加, 如生成砜、 磺酸 酐、 多酸酐等, 或发生氧化反应 , 生成不饱和环酮或醌使色度增 加。 也可能是支链氧化引起的 l 3 。 在不同温度下 S P S的产量见 图2 。 随着温度的升高, 反应速率加快, 反应时间缩短, S P S的产 量也明显增加 。 反应温度较低时 , 反应温度较难满足反应所需要 的反应活化能 , 反应速度慢 , S P S的产量低; 随着反应温度升高, 反应速度加快, 时间缩短。 因此 , 选择
17、磺化温度为 8 0 9 0。 酬 温 度 图 2 磺化 温度 与 SP S产量的关系 2 1 2 磺化剂用量对反应时间的影响 在反应温度为 9 0的条件下, 测定不同磺化剂用量对反应 时间 T的影响。 由图3可以看出, 磺化剂浓硫酸用量对反应速 度影响较大 , 并随用量的增加而逐渐缩短反应时间。 动力学分 析表明, P s的磺化反应过程是一个可逆反应 , 反应速率与反应 过程中生成的水的浓度的平方成反比。 如磺化剂少, 反应后期 生成的水就会发生水解反应。 因此增加磺化剂用量有利于反应 向正反应方向进行 , 反应时间缩短, 减水剂产量也增加。 磺化剂 用量过大, 易导致副反应增强 , 产物的水
18、溶性变差, 黏度增加, 颜色变深l 1 。 同时 , 反应后剩余的大量废酸 , 给后处理带来 困难 。 因此 , 选择 浓硫 酸用量为 1 8 mL 。 浓硫 酸用量 mL 图 3 磺化剂用量对反应时间的影响 2 1 3 反应时间对磺化度的影响 固定反应温度为 9 O, 磺化剂用量为 1 8 mL, 分别考察不 同反应时问对磺化度 的影 响。 由图 4可见 , 随反应 时间的延 长 , 磺化度不断增加, 7 h左右基本达到稳定 , 磺化度不再增加。 磺 化度 影 响减水剂 的性 能 , 但是 并不 是 随着磺化 度 的增 加 而提 高 , 因此还必须综合 S P S的减水性能的测定来确定最佳的
19、反 应时 间l l6 】 。 登 挺 磺 化时 间 h 图 4 反应时 间对磺化度的影响 2 1 4 磺 化度 对 S P S 减水剂性能 的影响 参照 G B T 8 0 7 7 -2 0 0 0 ( 混凝土外加剂匀质性试验方法 , 检测不同磺化度的 S P S对水泥净浆流动性的影响 , 见图 5 。 G B T 8 0 7 6 -2 0 0 8 参照 混凝土外加剂 , 检测不同磺化度在相 同水灰比( 水灰 比为 0 4 6 ) , 相同 S P S减水剂掺量( 占水泥总质 量 0 7 5 ) 时对改善抗折及抗压强度的影响, 见图 6 。 芒 需 兜 赋 磺化 度 , 图 5 不同磺化度 的
20、 SP S对水泥净浆流动性的影 响 3 5 O 5 O 5 O 5 O 5 O 5 6 5 5 4 4 3 3 2 2 1 厦曹 撂 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 誊 鼎 磺化 度 , 图 6磺化度对改善抗 压强度的影响 由图可见 , 随磺化度增加 , 水泥净浆流动度相应增加 , 直到 7 8 8 , 之后若继续增加 , 流动度则开始减小 。 同时 , 结合磺化度 对改善抗压强度的影响可以看出, 在该磺化度下, 抗压强度处 于较 高水平 。 因此 , S P S减水剂的最佳磺化度应控制在 7 8 8 左 右 , 并且反应时间应该控制在 7 h 。 2 2 S
21、P S对 水泥性 能 的影响 分别以S P S 、 T E A、 T I P A为助磨组分, 研究了其助磨效果。 从 表 1 可以看出, 各助磨组分加入后均显著降低 4 5 Ix m及 8 0 m 筛余量。 其中 T I P A对 8 0 m筛余量的影响最为显著 , 且其 8 0 、 4 5 m的筛余量降低均优于 T E A; 而 S P S随其掺量的增加 , 其筛 余量逐渐降低 , 当S P S掺量为 O 0 4 时 , 4 5 m筛余量为 7 2 , 较空白样及 T I P A分别降低 了 1 3 4 8 、 5 9 6 。 观察平均筛余 量, 从表 1 前四行可以看出, 加入助磨剂后 ,
22、 筛余量明显减小, 说明加入助磨剂可以使原料的粉磨更充分。 并且相同掺量的 T E A、 T I P A和 S P S 得到的助磨效果类似。 另外同样是加入 S P S , 不同掺量的组分助磨效果也是不一样的, 即在 0 0 2 0 0 4 的 掺量范围内, 助磨效果随着掺量的增加而更为明显。 通过表 2 的 粒度分布数据可以更 加直 观地对 比助磨效果 。 表 1 SP S对水泥各 项性能的影响 表 2 助磨 组分对粒度分布的影响 胶砂强度对比: 由图中抗折抗压数据可见, 加入 T E A、 T I P A 和 S P S这 3 种外加剂后, 胶砂强度均略有增加。 当加入的是 T E A 时
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- 聚苯乙烯 磺酸钠 制备 水泥 混凝土 中的 应用
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