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聚羧酸减水剂粉体的吸湿性试验研究

来源:石家庄市海森化工有限公司  日期:2018-09-14 15:43:16  属于:行业动态
文章摘要:
前 言

2007 年 7 月,商务部、建设部联合发布了全国 127 个城市分 3 批强制实行砂浆禁止现场搅拌的通知,这对推广干混砂浆起到了积极的作用。作为干混砂浆的重要添加剂,目前聚羧酸减水剂粉体广泛应用于灌浆料、压浆剂、自流平砂浆、CA 砂浆、防水砂浆及外墙外保温等特种砂浆,起到节约水泥,提高砂浆的流动性及流动保持性,改善砂浆施工性能,提高硬化砂浆抗压、抗折强度,提高硬化砂浆耐久性能并延长使用寿命的作用。

聚羧酸减水剂粉体常见生产工艺是喷雾干燥。首先按需求在聚羧酸减水剂母液中加入各种适量的功能助剂(如消泡剂、引气剂、保水剂等),并将料液黏度用水调节至适合的范围;然后用螺杆泵将料液输送到干燥塔的雾化器内,雾化后的液滴经热空气干燥成粉体;再用旋风分离器实现气、粉分离。

聚羧酸减水剂是一种水溶性高分子,该产品的不同分子结构决定了聚羧酸减水剂粉体不同的吸湿特性,暴露在潮湿空气中的减水剂粉体容易发生不同程度的吸湿现象,以至于使粉体的流动性下降、结块,甚至液化等,这不仅给减水剂粉体的生产和包装环节带来了挑战,而且吸湿后结块的聚羧酸减水剂粉体给干混砂浆的生产混合过程也带来不利的影响。因此,研究聚羧酸减水剂粉体吸湿性的影响因素有重要的意义。

不同厂家的聚羧酸减水剂母液分子结构、工艺设备、无机隔离剂种类及用量等的差异,使得粉体的吸湿性不尽相同。为了探讨吸湿性的影响因素,本文首先合成了具有不同侧链长度的聚羧酸减水剂母液,然后进行干燥,从聚羧酸减水剂侧链分子质量、雾化方式及隔离剂种类等 3 个方面对聚羧酸减水剂粉体的吸湿性进行了比较研究。

一、实验
1.主要原材料

甲基丙烯酸(MAA)、甲氧基聚乙二醇醚甲基丙烯酸单酯(MPEGMA1000、2000、5000):工业级,市售;巯基丙酸:工业级,过硫酸铵:工业级,氢氧化钠:工业级;消泡剂:Tego  314  XP;白炭黑;高岭土:XYG-60,去离子水:自制;氯化钠:分析纯。

2.主要仪器设备

分析天平FA2104N,量程 210 g,d=0.1 mg;1351 干燥器:300 mm,离心喷雾干燥塔,蒸发量 5 kg/h;示差扫描量热仪器,Diamond  DSC。

3.减水剂母液的合成

在装有温度计、调速搅拌器、回流冷凝管及滴加装置的四口烧瓶中,加入配方量的去离子水,水浴加热至 80~83 ℃,然后搅拌并按配方量滴加单体混合溶液(由甲基丙烯酸、甲氧基聚乙二醇醚甲基丙烯酸单酯、巯基丙酸、去离子水组成的水溶液),在(180±10)min 内滴完,同时滴加引发剂过硫酸铵水溶液,在(210±10)min 内滴完。引发剂液滴完后保温 1 h,然后降温至 50 ℃以下,用 30%氢氧化钠溶液调节 pH 值至 7,即得固含量为 40%的聚羧酸减水剂母液。合成母液的单体种类、比例及聚合物的分子质量 MW 见表 1。

合成聚羧酸减水剂母液的单体种类及比例
4.喷雾干燥

首先在聚羧酸减水剂母液中加入消泡剂搅拌均匀,并将料液黏度用自来水调节到适合的范围;然后用螺杆泵将料液输送到 5 kg/h 蒸发量的干燥塔的雾化器内,同时在进风管道处均匀加入高岭土。控制一定的进风温度及出风温度,雾化后的液滴经热空气干燥成聚羧酸减水剂粉体;然后用旋风分离器实现气、粉分离,经冷却、过筛、包装得到流动性良好的聚羧酸减水剂粉体。粉体的灰分控制在 9%~11%,水分控制在 2%~3%。

喷雾干燥条件
5.聚羧酸减水剂粉体吸湿率测试方法

聚羧酸减水剂粉体吸湿率的测试方法为:秤取 3 g 粉体, 均匀地平铺在同一规格的表面皿内,将样品放置在底部盛有氯化钠过饱和溶液的玻璃干燥器内,25 ℃恒温放置若干时间,称取不同放置时间的粉体的质量,计算粉体的吸湿率。氯化钠饱和溶液在 25 ℃时的相对湿度 RH 为 75%。

二、结果与讨论
1.不同侧链分子质量对减水剂粉体吸湿性的影响(见图 1)
侧链聚乙二醇分子质量与粉体吸湿率关系
图 1 侧链聚乙二醇分子质量与粉体吸湿率的关系

从图 1 可以看出,在 25 ℃,RH=75%的环境中,4 个粉体样品的饱和吸湿率大小依次为 SD-1#>SD-2#>SD-3#>SD-4#;并且可以清楚地看出,在前20h时间段内,粉体吸收水蒸气的速度最快,到 80 h 时基本达到吸附平衡。结合表 1 可以看出,母液的平均分子质量在 28 000~30 000,这 4 种聚合物的分子质量基本一致,但是它们侧链上的聚乙二醇分子质量有明显的不同,随着聚合物侧链上的聚乙二醇分子质量增大,粉体的吸湿率也逐渐降低,其中 SD-1#、SD-2#、SD-3# 的吸湿性变化非常明显,而侧链分子质量达到一定程度时,吸湿性差别不大,例如粉体 SD-3#、SD-4#。这个测试结果和严瑞瑄[4]的研究基本一致:较低分子质量的聚乙二醇具有从大气中吸收并保水的能力,平均相对分子质量为 950~1050 的聚乙二醇,它的吸湿率为 35%(甘油为 100%);平均相对分子质量为 1300~1600 的聚乙二醇,它的吸湿性是 30%;平均相对分子质量为1900~2200 的聚乙二醇,它的吸湿性低;他指出聚乙二醇的分子质量越大,相对吸湿性越小。这是因为分子质量增大,减少了末端羟基对整体性质的影响。

2.粒径对粉体吸湿性的影响(见图 2)

SD-2# 和 SD-6# 粉体是用同一种母液(2#)经过不同的雾化方式得到的样品,其中压力喷雾干燥得到的SD-6# 粉体的粒径是离心喷雾干燥得到的SD-2# 粉体粒径的 2.58 倍。粒径大的粉体比表面积小,吸附面积也小。从图2可以看出,SD-6#粉体的吸湿率较小


粉体粒径与吸湿率的关系
 
图 2 粉体粒径与吸湿率的关系
3.隔离剂对粉体吸湿性的影响

由于聚羧酸减水剂的分子质量较小,软化点一般在 35~ 65 ℃,在喷雾干燥过程中,烘干后的粉体在干燥塔内由于高温而熔融,容易发生黏壁或颗粒间的黏连。为了保证正常生产和产品的质量经常在喷雾干燥过程中添加隔离剂。 常用隔离剂为高岭土、白炭黑等,它们吸附在聚羧酸减水剂粉体表面,防止粉体相互黏连。SD-5# 样品中不仅仅有高岭土,而且混合了 10%的白炭黑,该白炭黑 R106 疏水型气相二氧化硅,粒径非常细小,比表面积非常大,能覆盖更多的聚羧酸减水剂粉体面积。不同隔离剂对粉体吸湿性的影响见图 3。


不同隔离剂与粉体吸湿性的关系
图 3 不同隔离剂与粉体吸湿性的关系

由图 3 可知,SD-5# 样品中纳米级的疏水气相二氧化硅包覆在聚羧酸减水剂粉体表面,有效地隔离了外界水气进入颗粒内部,降低了吸湿率。

三、结论
1.减水剂侧链上聚乙二醇的长度(分子质量)是影响粉体吸湿性的重要因素;选用高分子质量的 MPEGMA 有助于提高聚羧酸减水剂粉体的抗吸湿性。
2.通过改变雾化方式得到的不同粒径的粉体,试验表明采用压力雾化方式得到的粉体粒径较大,该粉体的抗吸湿性优于离心雾化得到的粒径较小的聚羧酸减水剂粉体。
3.在喷雾干燥过程中常添加隔离剂来防止熔融的聚羧酸减水剂粉体在干燥塔内粘连或黏壁,在试验中发现,掺加部分疏水型气相白炭黑作为隔离剂,不仅能防止聚羧酸减水剂粉体间的黏连,并且能显著改进粉体的抗吸湿性。

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