聚丙烯酸鈉 PAAS 簡介

水處理劑專業生產商

聚丙烯酸鈉用作陶瓷助磨減水劑和增強劑

生產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，即質量分數約33％的水分被蒸發，其所需的能耗高達生產總能耗的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用水量、改善泥漿性能最經濟有效的方法。
目前，我國陶瓷生產中一般使用的減水劑屬傳統的解凝劑，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。國外陶瓷生產發達企業已基本不使用單一組分的減水劑，一般使用無機或有機鹽類復合減水劑，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鹽類復配作用的減水劑。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移劑合成了一系列低相對分子質量的聚丙烯酸鈉，其產物中將同時含有復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、木質素磺酸鈉均為AR；陶瓷原料、粉料取自生產廠家。
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旋轉黏度計，QM-1F球磨機，DDJ-型壓制樣機，PSK-500型坯料抗折儀。
1．2 低相對分子質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、引發劑過硫酸鈉水溶液，歷時3h，然后保溫反應2h，加入質量分數為30％的NaOH水溶液，調整pH=7～8，得淡黃色聚丙烯酸鈉黏稠液體，經烘干研磨后得白色的聚丙烯酸鈉固體粉末。根據公式[η]=k×Mav計算出產物的相對分子質量。
1．2．2 正交實驗及其結果
本研究考察了影響聚丙烯酸鈉相對分子質量的4個主要因素：反應溫度(A)、引發劑質量分數(B)、鏈轉移劑質量分數(C)和單體體積分數(D)，采用五水平四因子正交實驗法(見表1)。由實驗結果計算的級差分別為：A．3 364；B．1 998；C．147 4；D．164 4，即反應溫度(A)影響最大，鏈轉移劑質量分數(C)影響最小。合成聚丙烯酸鈉的最佳工藝條件是：A5B4C3D2。即：反應溫度55℃；w(引發劑)=5．0％；w(鏈轉移劑)=33％；φ(單體)=50％。
表1 實驗設定的因子與水平
Table 1 Factors of the orthogonal experiments

1．3 性能測定
泥漿黏度和篩余的測定：陶瓷原料泥砂質量比為1；4；投入球磨機的投料比為，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度，測試方法見前期報道。
增強率％=[(加入增強劑后陶瓷坯體強度-未加增強劑陶瓷坯體強度)／未加增強劑陶瓷坯體強度1×100
2 結果與分析
2．1 低相對分子質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果列于表2。相對分子質量為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．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均明顯優于目前工業上常用的助磨劑減水劑。不含助磨劑時，200目篩余物質量分數為9．5％，而加入很少量的自制助磨減水劑后即產生助磨作用，w(助磨減水劑)=0．6％時，200目篩余物質量分數降低到0．4％，而硅酸鈉和三聚磷酸鈉使泥漿200目篩余物質量分數最多只分別降到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。當其加入量達到質量分數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效果的探討
將自制聚丙烯酸鈉與市面陶瓷坯體增強劑木質素磺酸鈉對陶瓷坯體干燥強度的增強效果列于表3。
表3 聚丙烯酸鈉、木質素磺酸鈉加入量與陶瓷坯體干燥強度的關系
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，坯體的干燥強度也增大，當w(聚丙烯酸鈉)=0．6％時，坯體干燥強度的增力口率達到了267．6％。而木質素磺酸鈉對坯體的干燥強度的增強率最大只能達到144．7％，自制的聚丙烯酸鈉比一般坯體增強劑具有更好的增強效果。當聚丙烯酸鈉的加入量較少時，增強率隨著增強劑量的增加而迅速增加。聚丙烯酸鈉與坯體在110℃(遠低于聚丙烯酸鈉分解溫度)干燥后，分子結構仍然為長鏈狀。分子長鏈可以在陶瓷顆粒之間架橋，產生交聯作用而形成不規則網狀結構，將陶瓷顆粒緊緊包裹，起到纖維增加坯體強度的類似作用。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，而且由于其分子鏈中具有許多可以內旋轉的單鍵，使高分子鏈具有較強的柔性和彈性，因而能增加坯體強度。w(增強劑)=0．6％后，坯體干燥強度趨于平穩，當w(增強劑)=1％時，強度基本不再增加。另一方面，當增強劑加入量足夠大時，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管力。這兩者作用的結果，使過多的增強劑不能使坯體強度一直明顯提高，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合產物的紅外光譜見圖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，產物中有磷酸根和亞甲基的鍵合作用，這說明實驗已按預期的目標進行。合成的助磨劑中含有大量的有機官能團，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；由于助磨劑有機分子是一種表面活性物質，能夠鋪展、吸附于顆粒表面，顆粒在球石的撞擊下會產生裂紋，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滲透，起到“楔子”的作用，使裂紋越來越大，并逐漸擴展，直到最后顆粒裂為幾塊。由此不難理解圖1和圖2的關系曲線。當聚丙烯酸鈉復合產物加入量較少時，有機分子不能完全鋪展于顆粒表面，促使裂紋產生和擴展的能力不大，因而作用效果有限；當加入量達到一定數量后，有機分子剛好能完全鋪展于顆粒表面，發揮了其最佳的助磨效果；當加入量過多時，顆粒表面包裹了過厚的有機分子，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 結論
(1)自制低相對分子質量，尤其是相對分子質量為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作用。當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目篩余物的質量分數降低到0．4％，它用作增強劑時能使坯體干燥強度增強率達280％。
(2)合成相對分子質量1 500的聚丙烯酸鈉的最佳工藝條件是：反應溫度55℃；w(引發劑過硫酸鈉)：5．0％；w(鏈轉移劑磷酸鈉)=33％；φ(單體丙烯酸)=50％。
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