高阳离子密度分散剂合成与再生纤维分散性研究
时间：2023-02-10 22:45:02 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
＊崔春亮
（中交路桥华南工程有限公司 广东 528403）
纤维增强复合材料具有良好的各向同性特征，掺杂纤维后的基材可以提升基材的性能、延长基材的使用寿命，因此被广泛应用于工程建设领域[1]。常见的混凝土中掺杂增强纤维，改善了混凝土制品的抗渗性、耐磨性、抗压性、耐久性等性能[2-3]。掺杂纤维在混凝土中的含量以及纤维的排列方式，是提高混凝土性能的关键[4]。实际应用中，经常面临纤维在基材中分布不均匀的客观问题，国内外学者做了大量的研究[5]，使用分散剂改性纤维，提高纤维在基材中的分散均匀性，是目前最经济、适用的方法[6]。本文利用高阳离子密度分散剂改性纤维，提升了纤维在水泥基材中的分散性，提高混凝土制品的有效阻裂、增韧性等性能。
(1)原材料及试验仪器
原材料：丙烯酸（分析纯），天津市大茂化学试剂厂；
过硫酸铵（分析纯），天津市科密欧化学试剂有限公司；
十六烷基三甲基溴化铵（分析纯），天津市大茂化学试剂厂；
再生纤维，陕西龙宾立德新材料科技有限公司；
水泥，P.C32.5复合硅酸盐水泥，陕西尧柏特种水泥有限公司。
试验仪器：电子天平，FA2104型，上海良平仪器有限公司；
数显恒温水浴锅，HH-1型，常州荣冠实验分析仪器厂；
正置显微镜，TY2021002577型，北京普瑞赛司仪器有限公司；
扫描电镜仪，JSM-6460LV型，日本电子株式会社；
综合热分析仪，ZRY-2P型，上海精密科学仪器有限公司；
傅里叶变换红外光谱仪，Nexus870型，美国NICOLET公司。
(2)制备工艺
首先称取1.2g过硫酸铵，溶解于50ml蒸馏水，再加入10ml丙烯酸溶液，搅拌均匀，数显恒温水浴锅中，设置反应温度70℃，反应2h，溶液中析出透明胶状物，此阶段产物为聚丙烯酸；
添加1g十六烷基三甲基溴化铵，继续反应1h，得到反应产物高阳离子密度分散剂。负压抽滤，将产物放入烘箱中干燥，碾磨成颗粒备用。制备高阳离子密度分散剂流程如图1所示，制备的产物如图2、图3所示。
图1 高阳离子密度分散剂制备流程图
图2 聚丙烯酸
图3 高阳离子密度分散剂
(3)沉降测试
准备5个250ml同规格量筒，分别称取5组20g水泥、200ml去离子水备用；
称取1g聚丙烯酸、分散剂（60℃、70℃、80℃、90℃四种反应产物），使用去离子水溶解聚丙烯酸和分散剂，加入水泥搅拌均匀，倒入量筒中，观察量筒中水泥样品柱的高度，分析分散剂的效果。
(1)沉降测试
①时间变量制备分散剂对水泥沉降的影响
测试不同反应时间，制备的四种分散剂，并以聚丙烯酸组作为对照组，分散剂与水泥混合均匀装入量筒，经过1h的静置沉淀。对比分析，3h的反应时间制得的分散剂，混合水泥后，水泥沉淀后样品柱高度为37ml，是同组测试样品中的最大值，因此3h的反应时间得到分散剂分散效果最佳。
图4 不同时间分散剂对水泥的分散效果图
表1 分散剂对水泥分散性效果
②温度变量制备分散剂对水泥沉降的影响
测试不同反应温度，制备的四种分散剂，并以聚丙烯酸组作为对照组，方法同上。对比分析，70℃的反应温度制得的分散剂，混合水泥后，水泥沉淀后样品柱高度为65ml，是同组测试样品中的最高值。因此选用3h/70℃作为分散剂最佳反应条件。
图5 不同温度分散剂对水泥的分散效果图
表2 分散剂对水泥分散性效果
(2)热稳定性分析
在氮气保护氛围下，从30～800℃逐渐升温，对聚丙烯酸和分散剂热稳定性进行分析。测试结果如图6所示，该曲线是典型的多阶失重曲线[7]，可以看出聚丙烯酸和分散剂的质量随温度的上升呈下降趋势。在30～210℃范围内，聚丙烯酸和分散剂中的水分和小分子物质挥发，表现为质量逐渐下降，两者的变化曲线基本一致；
在210～450℃范围内，聚丙烯酸和分散剂的失重率加快，聚合物碳化分解，是两者质量明显下降的根本原因；
在450～800℃范围内，聚丙烯酸和分散剂的失重率放缓，两者的失重曲线进入平台期，两者的分解反应结束。聚丙烯酸起始分解温度为210℃，分解终止温度为450℃；
分散剂的起始分解温度为220℃，分解终止温度为460℃。分散剂相对于聚丙烯酸具有更高的起始分解温度，说明分散剂的热稳定性更好，即在实际应用情况下，分散剂可以更好的适应实际应用需求。
图6 分散剂和聚丙烯酸热失重曲线
(3)高阳离子分散剂的微观结构分析
图7是采用JSM-6460LV型扫描电子显微镜对纤维、分散剂改性纤维进行观察对比分析。a1和a2分别是放大100倍和1000倍纤维的微观形貌，纤维表现为光滑的圆柱状物理外观。b1和b2分别是放大100倍和1000倍的分散剂改性纤维的微观形貌，由于分散剂附着于纤维表面，纤维圆柱体形貌变得粗糙，分散剂和纤维形成了稳定体系，表现为纤维在基体中的分散性得到提高。
图7 纤维（a1、a2）和分散剂改性纤维（b1、b2）SEM图
(4)高阳离子密度分散剂改性纤维在水泥基材料中的分散效果
图8是使用正置显微镜放大500倍，观察分散剂改性纤维在水泥基材料的分散效果。a是未改性的纤维，混合入水泥基材料中的状态，纤维形成聚集的纤维簇，并未很好的分散在水泥体系中，这降低了纤维的增强增韧效果；
b是分散剂改性纤维，混合入水泥基材料中的状态，和a对比，同一个视场范围内，b视野中的纤维分散均匀，纤维数量更少，纤维被包裹在水泥基材料中形成一体，说明分散剂改性后的纤维分散均匀，纤维的分散性能得到改善。
图8 纤维和分散剂改性纤维掺杂水泥基材料的正置显微镜图
离子型分散剂主要依靠其亲水基团与疏水基团之间的库仑力来实现吸附的作用。分散剂改性纤维加入到水泥基材料体系中，分散剂吸附包裹在纤维表面，并且不会破坏纤维结构。在水泥基材料中，分散剂依附在纤维表面之后形成胶束，由于胶束是亲水性的，并且具有表面活性，不能使表面张力降低，当胶束达到一定数量时，反而会由于胶束之间的渗透压作用，导致纤维之间的距离增加，故该体系的分散效果大幅提高[8]。因此，高阳离子密度分散剂对纤维在水泥基材料中的分散效果明显改善。
通过水泥沉降试验筛选效果最佳的分散剂，并对其微观形貌、热稳定性和分散效果进行了研究，分析结果表明：
（1）采用单因素变量法，研究了反应时间、反应温度对高阳离子密度分散剂合成效果的影响，并根据沉降实验，筛选出3h/70℃合成工艺条件下，制备的分散剂效果最好，沉降测试中水泥样品柱高度达到65ml。
（2）TG曲线表明，聚丙烯酸分解温度范围210～450℃，分散剂分解温度范围220～460℃。分散剂相对于聚丙烯酸具有更高的起始分解温度和最终分解温度，说明分散剂的热稳定性更好。
（3）对分散剂改性纤维在水泥基材料中的分散效果研究，SEM测试表明，分散剂附着于纤维的圆柱体表面，分散剂和纤维形成了稳定的体系。分散剂改性后的纤维在水泥中分布均匀，说明分散剂可以有效提高纤维的分散性。
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