材料制备与合成课程设计.doc

材料制备与合成年级：09级 姓名：喻永强 班级：材料1班 学号：091401122013-1-7 新型萘系高效减水剂的合成摘要：本文用廉价的草浆碱木素和萘等为原料合成新型萘系减水剂。在合成实验中，确定了合成新型萘系减水剂的适宜工艺条件，缩合时间和温度，以及最佳掺量。该新型萘系高效减水剂的合成解决了萘系减水剂坍落度损失过快的缺点，以及木素磺酸盐系减水剂缓凝现象明显，减水效果不足的缺点，使其具备两者的各自的优点，即减水率高、坍落度损失少、合成成本低。关键词 ： 萘；草浆碱木素；减水剂；合成；性能测试 1.前言随着我国基本建设的迅猛发展，对建筑混凝土外加剂质量及施工工艺提出了更高的要求。高效减水剂主要有萘系、木素磺酸盐、三聚氰胺系和聚羧酸系等。至今为止，萘系减水剂依然占据主要地位。自从发明了萘系高效减水剂以来，该类高效减水剂已成为混凝土高效减水剂的主导产品。随着混凝土技术的不断发展，尤其是高性能混凝土的出现，要求所加入的高效减水剂应具有减水率高，流动性大，能有效的控制坍落度损失等功能，但是萘系高效减水剂虽然减水率高，流动性大，但是坍落度损失过快，不利于商品混凝土集中搅拌，直接影响到减水剂的使用效果；因此如何解决萘系减水剂坍落度损失过快的缺点已成为进一步推广应用该类高效减水剂必须解决的首要问题。而相反的木素磺酸盐坍落度损失少但减水效果低等不足，所以当前国内外十分重视提高萘系和木素磺酸盐系减水剂性能的研究。本文试图用廉价的草浆碱木素和萘为主要原料合成新型萘系高效减水剂，使其在生产过程中表现出性能互补而弥补其不足。萘系减水剂是阴离子型高分子表面活性剂，具有较强的固液界面活性作用，其吸附在水泥颗粒表面后，能使水泥颗粒的（-负电位大幅度降低（绝对值增大）。因此萘系高效减水剂分散减水作用机理是以静电斥力作用为主，兼有其他作用力；萘系减水剂的气-液界面活性小，几乎不降低水的表面张力，因而起泡作用小，对混凝土几乎无引气作用；萘系减水剂由于不含有羟基（-OH），醚基（-O-）等亲水性强的极性基团，故对水泥无缓凝作用。萘系高效减水剂掺量为水泥的0.3%-1.5%，最佳掺量为0.5%-1.0%，减水率在15%-30%之间。由于萘系高效减水剂提高了拌和物的稳定性和均匀性，因此能减小混凝土的泌水。在混凝土中加入萘系高效减水剂，在水泥用量和水灰比相同的情况下，混凝土坍落度随该类减水剂的掺量增加而明显增大，而混凝土的抗压强度并不降低。在保持水泥用量及坍落度相同的条件下，减水率及混凝土抗压强度将随减水剂掺量的增大而增大，开始时增大速度较快，但当掺量达到一定值后，增大速度则迅速降低。萘系减水剂对不同品种的水泥的适应性强，可配制早强、高强和蒸养混凝土，也可配制免振捣自密实混凝土。保持混凝土的坍落度与强度不变，掺入水泥质量的0.75%的该类减水剂，可节约水泥约20%。采用萘系减水剂配制的混凝土，不但抗压强度有明显的提高，而且抗拉强度、抗折强度、棱柱强度和弹性模量均有相应的提高，并且对钢筋无锈蚀作用，同时具有早强作用。萘系高效减水剂用于减少混凝土用水量而提高强度或节约水泥时，混凝土收缩值不小于不掺的空白混凝土；用于增大坍落度而改善和易性时，收缩值略高于或等于不掺的空白混凝土，但也不会超过技术指标规定的限制110-4。萘系高效减水剂对混凝土徐变得影响与对收缩影响的规律相同，指示当掺高效减水剂而不节约水泥时，抗压强度明显提高，而徐变明显减小。萘系高效减水剂能显著提高混凝土的抗渗性能，对抗冻性能、抗碳化性能均有所提高。2.实验部分2.1 主要试剂：草浆碱木素：pH=11.13，硫含量1.14%；萘：分析纯；水泥：普通硅酸盐类；浓硫酸：98；甲醛溶液：37.0%40%；NaOH溶液：30%45%。2.2 主要仪器：三口烧瓶，回流冷凝管，电动搅拌器，电热恒温水浴锅，电子天平，水泥净浆搅拌仪，温度计，滴液漏斗，FT-IR Avatar 360，DMPY-2C型表面张力仪，JS94H型微电泳仪，DELTA320 pH计等。2.3 合成原理：（1）磺化反应一般采用浓硫酸作为磺化剂，磺化反应如下为提高B一萘磺酸的产率，要控制好反应条件，实验证明，温度在1601 65 ，磺化时间2小时，萘与H2SO的摩尔比在1：1314时为宜。（2）水解反应在磺化时不可避免的生成一部分a-萘磺酸，a-萘磺酸不利于缩聚反应，需将a-萘磺酸转化为-萘磺酸以利于缩聚反应，在120左右水解，酸度控制在30 左右，水解时间 05h为宜。（3）合成反应-萘磺酸与碱木素在甲醛条件下缩聚反应（4）碱液中和反应 在磺化和缩聚过程中均有过量硫酸未反应，这些残余硫酸以及反应生成的烃基磺酸盐在合成的最后阶段用碱类将他们中和成盐。2.4 实验方法2.4.1 新型萘系减水剂的合成(1) 磺化反应：将计量的固体萘加热至熔化并不停搅拌，加入计量的浓硫酸，控制温度。(2) 水解反应：降温，加计量的水，反应30 min。(3) 将计量的-萘磺酸加热熔化，加入计量的草浆碱木素，补加浓硫酸，并加入甲醛，控温。(4) 中和反应：用氢氧化钠溶液中和pH至79。合成流程：2.4.2 结构表征用FT-IR Avatar 360表征合成的新型减水剂的结构。2.4.3 减水剂性能研究（1）测定表面张力采用毛细管法测量减水剂溶液的表面张力。（2） 电位的测定本实验测 电位的方法为显微电泳法， 使用WD-9408D 显微电泳仪测定。通过测定一定电场强度下固体颗粒在液相中的迁移方向和速度来判断电位的极性和计算 的大小。（3）表面吸附量配制一定浓度的减水剂溶液，与水泥拌和3 min(WC=4O)，静置一段时间，去上层清液，用800型离心沉淀器(转速4000 rrain)分离10 min，稀释分离出来的液相，用752型紫外一可见光分光光度计测定其浓度，根据吸附前后的浓度差计算吸附量。（4）水泥净浆流动度根据GB 8076一2010混凝土外加剂匀质性试验方法测试，W/C=O35。测定水泥净浆流动度。（5）混凝土性能混凝土抗压强度按GB50081-2002普通混凝土力学性能试验方法进行测试；坍落度按GB50080-2002普通混凝土拌和物性能试验方法进行测试。2.4.4 掺量的确定在水灰比一定的条件下，比较不同掺量的水泥净浆流动度。3.结果与讨论3.1 正交实验结果和分析3.1.1 正交实验结果通过正交实验研究-萘磺酸与碱木素的质量比、浓硫酸用量、缩合温度以及缩合时间对水泥净浆流动度的影响，一般用水泥净浆流动度来表征减水剂对水泥净浆的分散效果，水泥净浆流动度越大，减水剂与水泥的相容性就越好，减水分散效果越好，减水率越高。因素水平表和正交实验表见表1和表2。表1 因素水平表水平b-萘磺酸与碱木素的质量比A浓硫酸用量B缩合温度C缩合时间D11：11:095-1002.5h22:11:0.05101-1053.0h33:11:0.1106-1103.5h 表2 正交实验表序号ABCD水泥净浆流动度/mm111112122231333421235223162312731328321393321K1K2K3极差通过对极差的大小比较可以得出-萘磺酸与碱木素的质量比、缩合时间、缩合温度、碱木素与浓硫酸的质量比对水泥净浆流动度的影响大小。 （1） 原料影响以水泥净浆流动度为纵坐标，以-萘磺酸与碱木素的质量比为横坐标作曲线图，根据水泥净浆流动度随着原料比的变化趋势，确定水泥净浆增加速率变快的区域确定原料的最佳质量比。同时由方差分析来看该因素对水泥净浆流动度的影响性。（2）浓硫酸的影响作以水泥净浆流动度为纵坐标，浓硫酸用量为横坐标的曲线图，由图得出水泥净浆流动度变化趋势。由方差分析来看该因素对水泥净浆流动度的影响。考虑到浓硫酸的强腐蚀性以及成本等问题看是否必须加入浓硫酸。（3）缩合温度影响以水泥净浆流动度为纵坐标，以缩合温度为横坐标作曲线图3。由曲线变化趋势得出最佳缩合温度。（4）缩合时间影响以水泥净浆流动度为纵坐标，以缩合时间为横坐标做图。随着缩合时间的延长，产品的水泥净浆流动度先快速增加再缓慢增加的区域即为最佳缩合时间。根据资料表明：通过正交实验，影响水泥净浆流动度大小的因素顺序为：ADCB，即-萘磺酸与碱木素的质量比 缩合时间 缩合温度 碱木素与浓硫酸的质量比。水泥静浆流动度最大时的工艺条件为适宜条件，即-萘磺酸与碱木素的质量比为2131；缩合温度为101105；缩合时间为3.03.5 h。值得提出的是该工艺可以不使用浓硫酸，条件更为温和。3.2 结构表征比较碱木素、普通萘系减水剂以及新型萘系减水剂的傅立叶红外谱图。从谱图中看新型萘系减水剂与普通萘系减水剂和碱木素在结构上是否有很大差别，如果图谱明显的不同则说明新型萘系减水剂是一种新的物质。3.3 性能研究记录掺入不同量减水剂溶液的表面张力、水泥颗粒表面吸附量的大小于表3，评价新型萘系改性剂的效果 表3 减水剂含量（wt%）表面张力（N/m）吸附量（mg/g）萘系减水剂新型萘系减水剂萘系减水剂新型萘系减水剂00.020.040.060.080.10（1）表面张力萘系减水剂是一种表面活性物质，它降低了水泥水界面的界面张力，有利于水泥颗粒的分散；以减水剂浓度为横坐标，以表面张力为纵坐标作曲线图。比较图中普通萘系减水剂与新型高效减水剂溶液的表面张力，可以得出新型萘系减水剂的减水效果，若新型萘系减水剂的表面张力小于普通萘系减水剂则表明新型萘系减水剂的效果优于普通萘系减水剂。（2）吸附量以吸附量为纵坐标，减水剂含量为横坐标作图，比较新型减水剂与普通萘系减水剂曲线中水泥颗粒吸附量的极限值，若新型萘系减水剂对水泥颗粒的吸附量极限值较小，则表示吸附后溶液中减水剂的浓度较高，对体系分散作用较强，使得体系流动性更大，效果更好。资料表明普通萘系减水剂的吸附量极限值为0.06%。（3）电位的经时变化以电位为纵坐标，时间为横坐标作曲线图，比较新型减水剂与普通萘系减水剂中电位的变化，水泥颗粒电位的绝对值下降较慢的则表示保坍作用较强。 （4）水泥净浆流动度的经时变化比较掺入两种不同减水剂的水泥净浆的经时变化，水泥净浆流动度变化较小的减水剂效果较好。（5）混凝土性能在相同水灰比下，测得混凝土坍落度经时损失以及抗压强度变化，比较普通萘系减水剂和新型减水剂的坍落度损失以及抗压强度于表4。 表4 相同水灰比下混凝土性能减水剂种类水灰比坍落度经时损失（cm）/损失率（%）抗压强度（MPa）/抗压强度比（%）0h0.5h1.0h1.5h2.0h3d7d基准0.61FDN0.61新型FDN0.61 3.4 最佳掺量的确定绘制新型萘系减水剂掺量与水泥净浆流动度的曲线图，水泥净浆流动度最大值对应的减水剂含量即为最佳掺量，并计算该掺量下的减水率。4.可行性分析 该合成实验在理论上可行，且根据查阅资料表明，该新型萘系减水剂在各方面均优于普通萘系减水剂，保坍效果明显。且由已知合成该新型萘系减水剂的红外光谱图可以看出两者与甲醛之间确实发生了不同于它们单独与甲醛的反应。该新型萘系高效减水剂在的最佳掺量为0.9%左右，减水率大约为44,74%。产品的颜色为黄褐色，固含量为96.18%，pH值为7.55；表面张力为74.97103 N.m-1；氯离子含量为0.179%；硫酸钠含量为13.16%；当水灰比为0.35，产品的掺量为0.9%时，水净浆流动度为214mm。参考文献：1 蔡希高.高性能外加剂主导官能团理论J.化学建材,1999 (1):24- 27.2 雷燕军.B- 萘磺酸钠缩甲醛与木钙复合高效减水剂及其复合效应试验研究J.混凝土,2002 (4):12- 14.3 齐亚非. 高俊刚.改性萘系减水剂的合成与性能表征J.化学建材,2003 (3):28- 30.4 徐寿昌.有机化学M.北京:高等教育出版社,1993.5 胡建华,杨武利,汪长春,等1 萘系高效减水剂合成和性能研究J1 复旦学报(自然科学版),2000,(1):11511816 焦学瞬1C2F 萘系高效减水剂的研究J1日用化学品科学,2000,(增1):13914117 蔡希高1 高性能混凝土外加剂主导官能团的合成