聚丙烯酸鈉 PAAS 簡介

水處理劑專業(yè)生產(chǎn)商

聚丙烯酸鈉用作陶瓷助磨減水劑和增強(qiáng)劑

生產(chǎn)墻地磚目前一般采用噴霧干燥法制備粉料，能耗很大。入塔泥漿一般W(H2O)≈40％，離塔的粉料剩下約7％的水分，即質(zhì)量分?jǐn)?shù)約33％的水分被蒸發(fā)，其所需的能耗高達(dá)生產(chǎn)總能耗的1／3。所以，在保證泥漿一定流動性的前提下，降低噴霧干燥塔中泥漿含水率，是降低陶瓷生產(chǎn)成本的重要途徑之一，選擇合適的減水劑和助磨劑將是減少生產(chǎn)用水量、改善泥漿性能最經(jīng)濟(jì)有效的方法。
目前，我國陶瓷生產(chǎn)中一般使用的減水劑屬傳統(tǒng)的解凝劑，如水玻璃、碳酸鈉、三聚磷酸鈉、腐植酸鈉等，其減水效果不明顯。國外陶瓷生產(chǎn)發(fā)達(dá)企業(yè)已基本不使用單一組分的減水劑，一般使用無機(jī)或有機(jī)鹽類復(fù)合減水劑，如檸檬酸鈉-三聚磷酸鈉，腐植酸鈉-三聚磷酸鈉，聚丙烯酸鈉-三聚磷酸鈉，腐植酸鈉-水玻璃等。
本工作研制具有上述無機(jī)鹽類復(fù)配作用的減水劑。用磷酸鈉取代異丙醇，后者是聚丙烯酸鈉合成中常用的鏈轉(zhuǎn)移劑合成了一系列低相對分子質(zhì)量的聚丙烯酸鈉，其產(chǎn)物中將同時含有復(fù)合減水劑中所需要的聚丙烯酸鈉和聚磷酸鹽兩種成分；檢驗了其助磨、減水的效果，以及對陶瓷坯體的增強(qiáng)作用。
1 實驗
1．1 原料及儀器
丙烯酸、過硫酸鈉、磷酸鈉均為CP；氫氧化鈉、三聚磷酸鈉、硅酸鈉、木質(zhì)素磺酸鈉均為AR；陶瓷原料、粉料取自生產(chǎn)廠家。
250mL三口燒瓶，烏氏黏度計，PHS-3C型精密pH計，紅外光譜儀(德國BRUKER公司)，BDJ-7旋轉(zhuǎn)黏度計，QM-1F球磨機(jī)，DDJ-型壓制樣機(jī)，PSK-500型坯料抗折儀。
1．2 低相對分子質(zhì)量聚丙烯酸鈉的制備方法
1．2．1 工藝流程

采用溶液聚合方法，在裝有回流冷凝管，電動攪拌器，滴液漏斗的三口燒瓶中加入鏈轉(zhuǎn)移劑磷酸鈉和一定量的去離子水。控制溫度，在攪拌下滴加丙烯酸、引發(fā)劑過硫酸鈉水溶液，歷時3h，然后保溫反應(yīng)2h，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30％的NaOH水溶液，調(diào)整pH=7～8，得淡黃色聚丙烯酸鈉黏稠液體，經(jīng)烘干研磨后得白色的聚丙烯酸鈉固體粉末。根據(jù)公式[η]=k×Mav計算出產(chǎn)物的相對分子質(zhì)量。
1．2．2 正交實驗及其結(jié)果
本研究考察了影響聚丙烯酸鈉相對分子質(zhì)量的4個主要因素：反應(yīng)溫度(A)、引發(fā)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)(B)、鏈轉(zhuǎn)移劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)(C)和單體體積分?jǐn)?shù)(D)，采用五水平四因子正交實驗法(見表1)。由實驗結(jié)果計算的級差分別為：A．3 364；B．1 998；C．147 4；D．164 4，即反應(yīng)溫度(A)影響最大，鏈轉(zhuǎn)移劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)(C)影響最小。合成聚丙烯酸鈉的最佳工藝條件是：A5B4C3D2。即：反應(yīng)溫度55℃；w(引發(fā)劑)=5．0％；w(鏈轉(zhuǎn)移劑)=33％；φ(單體)=50％。
表1 實驗設(shè)定的因子與水平
Table 1 Factors of the orthogonal experiments

1．3 性能測定
泥漿黏度和篩余的測定：陶瓷原料泥砂質(zhì)量比為1；4；投入球磨機(jī)的投料比為，m(原料)：m(球)：m(水)為4：3：1．55，及指定量的自制聚丙烯酸鈉。球磨3h后，用旋轉(zhuǎn)黏度計測量泥漿的黏度，并把球磨泥漿過200目篩，測定篩余。
陶瓷坯體強(qiáng)度的測定：將聚丙烯酸鈉按不同的加入量和水配成溶液，然后以噴霧方式加入到坯料中，調(diào)勻，然后過20目篩。控制坯料的含水量w(H2O)=8％～10％，然后悶料24 h，再以5 MPa的壓力半干壓成型，在110℃烘干，在PSK-500型坯料抗折儀上測試強(qiáng)度，測試方法見前期報道。
增強(qiáng)率％=[(加入增強(qiáng)劑后陶瓷坯體強(qiáng)度-未加增強(qiáng)劑陶瓷坯體強(qiáng)度)／未加增強(qiáng)劑陶瓷坯體強(qiáng)度1×100
2 結(jié)果與分析
2．1 低相對分子質(zhì)量聚丙烯酸鈉的助磨效果
加入減水劑后測定泥漿的黏度和篩余結(jié)果列于表2。相對分子質(zhì)量為1 500的聚丙烯酸鈉的球磨效果最佳，可以使球磨后泥漿的黏度達(dá)到最低的180MPa．s，使泥漿的w(篩余物)降低到0．4％。
表2 不同相對分子質(zhì)量的聚丙烯酸鈉對陶瓷原料的球磨效果
Table 2 Ball milling effect of different molecular weight sodium polyacrylate on ceramic raw material

自制合成助磨減水劑與工業(yè)．上目前使用的兩種助磨劑(三聚磷酸鈉和硅酸鈉)的助磨對比效果見圖1，本研究合成的助磨減水劑效果在所研究的含量范圍內(nèi)均明顯優(yōu)于目前工業(yè)上常用的助磨劑減水劑。不含助磨劑時，200目篩余物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9．5％，而加入很少量的自制助磨減水劑后即產(chǎn)生助磨作用，w(助磨減水劑)=0．6％時，200目篩余物質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低到0．4％，而硅酸鈉和三聚磷酸鈉使泥漿200目篩余物質(zhì)量分?jǐn)?shù)最多只分別降到3．2％和1．9％。但過多的助磨劑反而使球磨效果降低。

圖1 不同助磨劑對陶瓷原料助磨效果的影響
Fig．1? Influence of different grinding aid on the ball milling effect of ceramic raw material
2．2 低相對分子質(zhì)量聚丙烯酸鈉的減水效果
圖2表明，隨著自制聚丙烯酸鈉的加入，泥漿篩余和黏度兩者均明顯降低，說明它不但具有助磨效果，而且還有減水作用。當(dāng)其加入量達(dá)到質(zhì)量分?jǐn)?shù)0．6％后，泥漿的黏度隨聚丙烯酸鈉用量的增加變化較平緩，這說明它可以在一個較寬的范圍內(nèi)具有減水作用。w(聚丙烯酸鈉)=0．6％時，200目篩余物最少，同時，把泥漿的含水量w(H2O)降低到33％以下，仍可使泥漿保持良好的流動性。傳統(tǒng)的陶瓷減水劑只能控制泥漿的含水量w(H2O)≈40％，所以w(聚丙烯酸鈉)=0．6％為最佳加入量。

圖2 聚丙烯酸鈉的加入量對泥漿黏度和篩余物的影響
Fig．2 Influence of the mass fraction of sodium polyacrylate on the viscosity of the slurry and the tailover
2．3 聚丙烯酸鈉對干燥坯體增強(qiáng)效果的探討
將自制聚丙烯酸鈉與市面陶瓷坯體增強(qiáng)劑木質(zhì)素磺酸鈉對陶瓷坯體干燥強(qiáng)度的增強(qiáng)效果列于表3。
表3 聚丙烯酸鈉、木質(zhì)素磺酸鈉加入量與陶瓷坯體干燥強(qiáng)度的關(guān)系
Table 3 Effect of sodium polyacrylate and sodium lignosulfonates fraction on the dry strength of ceramic body

隨著聚丙烯酸鈉加入量的增大，坯體的干燥強(qiáng)度也增大，當(dāng)w(聚丙烯酸鈉)=0．6％時，坯體干燥強(qiáng)度的增力口率達(dá)到了267．6％。而木質(zhì)素磺酸鈉對坯體的干燥強(qiáng)度的增強(qiáng)率最大只能達(dá)到144．7％，自制的聚丙烯酸鈉比一般坯體增強(qiáng)劑具有更好的增強(qiáng)效果。當(dāng)聚丙烯酸鈉的加入量較少時，增強(qiáng)率隨著增強(qiáng)劑量的增加而迅速增加。聚丙烯酸鈉與坯體在110℃(遠(yuǎn)低于聚丙烯酸鈉分解溫度)干燥后，分子結(jié)構(gòu)仍然為長鏈狀。分子長鏈可以在陶瓷顆粒之間架橋，產(chǎn)生交聯(lián)作用而形成不規(guī)則網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，將陶瓷顆粒緊緊包裹，起到纖維增加坯體強(qiáng)度的類似作用。坯體斷裂前，施加于坯體上的一部分載荷由聚丙烯酸鈉分子長鏈分擔(dān)，而且由于其分子鏈中具有許多可以內(nèi)旋轉(zhuǎn)的單鍵，使高分子鏈具有較強(qiáng)的柔性和彈性，因而能增加坯體強(qiáng)度。w(增強(qiáng)劑)=0．6％后，坯體干燥強(qiáng)度趨于平穩(wěn)，當(dāng)w(增強(qiáng)劑)=1％時，強(qiáng)度基本不再增加。另一方面，當(dāng)增強(qiáng)劑加入量足夠大時，陶瓷顆粒表面完全被聚丙烯酸鈉分子包裹，隨著包裹層加厚，顆粒之間的距離將會加大，反而降低了上述的顆粒之間的毛細(xì)管力。這兩者作用的結(jié)果，使過多的增強(qiáng)劑不能使坯體強(qiáng)度一直明顯提高，而是趨于平緩。
2．4 聚丙烯酸鈉的紅外表征
合成的聚丙烯酸鈉復(fù)合產(chǎn)物的紅外光譜見圖3。在3 030～3 080cm-1處沒有C＝C雙鍵特征吸收峰，說明丙烯酸單體已經(jīng)完全聚合。2 339 cm-1附近可以歸屬于磷酸與-CH2或-OH連接鍵的吸收峰，產(chǎn)物中有磷酸根和亞甲基的鍵合作用，這說明實驗已按預(yù)期的目標(biāo)進(jìn)行。合成的助磨劑中含有大量的有機(jī)官能團(tuán)，它能夠附于礦物顆粒表面，從能量的角度看，可降低礦物顆粒的表面能，因而降低了研磨能量，提高了研磨效率；由于助磨劑有機(jī)分子是一種表面活性物質(zhì)，能夠鋪展、吸附于顆粒表面，顆粒在球石的撞擊下會產(chǎn)生裂紋，這時，吸附于其表面的助磨劑將通過表面張力作用向裂紋內(nèi)滲透，起到“楔子”的作用，使裂紋越來越大，并逐漸擴(kuò)展，直到最后顆粒裂為幾塊。由此不難理解圖1和圖2的關(guān)系曲線。當(dāng)聚丙烯酸鈉復(fù)合產(chǎn)物加入量較少時，有機(jī)分子不能完全鋪展于顆粒表面，促使裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展的能力不大，因而作用效果有限；當(dāng)加入量達(dá)到一定數(shù)量后，有機(jī)分子剛好能完全鋪展于顆粒表面，發(fā)揮了其最佳的助磨效果；當(dāng)加入量過多時，顆粒表面包裹了過厚的有機(jī)分子，減緩了球石對顆粒的撞擊作用，也削弱了顆粒之間的互相研磨作用，反而降低了研磨效果。

圖3 聚丙烯酸鈉的紅外光譜圖
Fig．3  Infrared absorption pattern of sodium polyacrylate
3 結(jié)論
(1)自制低相對分子質(zhì)量，尤其是相對分子質(zhì)量為1 500的聚丙烯酸鈉既有良好助磨減水效果，又對陶瓷坯體具有增強(qiáng)作用。當(dāng)w(聚丙烯酸鈉)=0．6％時，它能使泥漿的黏度降低到180 MPa·s，使泥漿的200目篩余物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低到0．4％，它用作增強(qiáng)劑時能使坯體干燥強(qiáng)度增強(qiáng)率達(dá)280％。
(2)合成相對分子質(zhì)量1 500的聚丙烯酸鈉的最佳工藝條件是：反應(yīng)溫度55℃；w(引發(fā)劑過硫酸鈉)：5．0％；w(鏈轉(zhuǎn)移劑磷酸鈉)=33％；φ(單體丙烯酸)=50％。
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