可再分散乳膠粉灰分的表征方式及差異分析

賈陸軍，李英丁，宋子鍵

(1.綿陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院材料系，綿陽(yáng) 621010；2.廣東龍湖科技股份有限公司綿陽(yáng)技術(shù)中心，綿陽(yáng) 621000)

可再分散乳膠粉是干粉砂漿的重要原材料之一，可應(yīng)用于水泥基和石膏基特種砂漿中改善砂漿的應(yīng)用性能，對(duì)干粉砂漿的性能影響較大[1-3]?？稍俜稚⑷槟z粉主要由聚合物乳液、保護(hù)膠體和無(wú)機(jī)助劑組成，其中無(wú)機(jī)助劑有碳酸鈣、黏土、二氧化硅、滑石粉、高嶺土等[4]?？稍俜稚⑷槟z粉作為一種重要的化工產(chǎn)品，現(xiàn)行的依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)是JC/T 2189—2013《建筑干混砂漿用可再分散乳膠粉》和GB/T 29594—2013《可再分散性乳膠粉》，兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于灰分的測(cè)試均引用GB/T 7531—2008《有機(jī)化工產(chǎn)品灼燒殘?jiān)臏y(cè)定》的測(cè)試方法，但兩標(biāo)準(zhǔn)的灼燒溫度有所差異，JC/T 2189—2013規(guī)定灼燒溫度為(650±25)℃，GB/T 29594—2013規(guī)定灼燒溫度為(900±25)℃。不同灼燒溫度對(duì)無(wú)機(jī)助劑的影響存在差異，尤其是當(dāng)可再分散乳膠粉的無(wú)機(jī)助劑采用碳酸鈣、白云石時(shí)，不同溫度測(cè)試的灰分差異較大。

1 試 驗(yàn)

1.1 原材料

可再分散乳膠粉：市售,基本性能見(jiàn)表1。

表1 可再分散乳膠粉的基本性能

1.2 方法

1.2.1 灰分

用在1 000 ℃下灼燒至恒重并冷卻至室溫的瓷坩堝準(zhǔn)確稱量2 g(精確到0.001 g)已在105 ℃干燥后的樣品，放入高溫爐中分別在實(shí)驗(yàn)溫度下灼燒30 min，移入干燥器冷卻至室溫后稱重。

灰分的計(jì)算

式中，m2為灼燒后坩堝和殘?jiān)馁|(zhì)量，g；m1為空坩堝的質(zhì)量，g；m為試樣質(zhì)量，g。

1.2.2 激光粒度分析

采用乙醇為分散介質(zhì)，對(duì)可再分散乳膠粉進(jìn)行激光粒度分析。

1.2.3 X射線衍射

將灰分測(cè)試的灼燒殘留物在瑪瑙研缽中磨細(xì)，用于X射線衍射分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 可再分散乳膠粉的粒度分析

可再分散乳膠粉WX和SX的粒度分布曲線如圖1所示，結(jié)果表明，可再分散乳膠粉WX的d(0.1)為13.314 μm、d(0.5)為73.345 μm，d(0.9)為161.105 μm，顆粒粒徑較為集中?？稍俜稚⑷槟z粉SX的d(0.1)為28.572 μm、d(0.5)為133.581 μm，d(0.9)為351.876 μm，顆粒粒徑分布較廣。相比而言可再分散乳膠粉WX的最小粒徑、平均粒徑和最大粒徑均明顯小于可再分散乳膠粉SX。

2.2 灼燒溫度對(duì)可再分散乳膠粉灰分的影響

將兩種可再分散乳膠粉分別在600 ℃、650 ℃、700 ℃、750 ℃、800 ℃、850 ℃、900 ℃、950 ℃溫度下測(cè)試灰分，結(jié)果如表1所示。

表1 不同灼燒溫度對(duì)可再分散乳膠粉灰分的影響 /%

可再分散乳膠粉主要成分為EVA聚合物，灼燒受熱過(guò)程中發(fā)生分解后揮發(fā)，剩余無(wú)機(jī)組分以灰分形式存在。測(cè)試結(jié)果可以看出，隨著灼燒溫度升高，可再分散乳膠粉WX和SX灰分均呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。且灼燒溫度750 ℃為拐點(diǎn)溫度，當(dāng)灼燒溫度由600 ℃升高至700 ℃時(shí)，可再分散乳膠粉SX灰分變化較小，降幅僅2.2%，可再分散乳膠粉WX灰分降低趨勢(shì)明顯，降幅達(dá)14.4%。灼燒溫度由700 ℃升至750 ℃時(shí)，可再分散乳膠粉SX灰分降幅為31.4%，可再分散乳膠粉WX灰分降幅為22.1%。灼燒溫度由750 ℃升至950 ℃時(shí)，可再分散乳膠粉SX灰分降幅為4.2%，可再分散乳膠粉WX灰分降幅為2.6%。

2.3 灼燒溫度對(duì)灰分影響原因分析

分別將可再分散乳膠粉WX和SX在600 ℃、700 ℃、800 ℃和900 ℃灼燒，并將殘留物進(jìn)行XRD分析，結(jié)果如圖2、圖3所示。

可再分散乳膠粉SX在600 ℃和700 ℃灼燒的殘?jiān)煞譃镃aCO3，800 ℃灼燒殘?jiān)煞譃镃a(OH)2,900 ℃灼燒殘?jiān)煞譃镃a(OH)2和CaO。

可再分散乳膠粉WX在600 ℃灼燒的殘?jiān)煞譃镃aCO3，700 ℃灼燒的殘?jiān)煞譃镃aCO3和Ca(OH)2,800 ℃灼燒殘?jiān)煞譃镃a(OH)2,900 ℃灼燒殘?jiān)煞譃镃a(OH)2和CaO。

從600 ℃灼燒殘?jiān)黊RD圖譜可以看出，可再分散乳膠粉無(wú)機(jī)助劑WX和SX均為碳酸鈣，灼燒溫度600 ℃碳酸鈣未發(fā)生分解，因此殘?jiān)煞秩詾镃aCO3；當(dāng)溫度升高至700 ℃時(shí)，可再分散乳膠粉SX殘?jiān)煞秩詾镃aCO3，而可再分散乳膠粉WX還含有Ca(OH)2；這是因?yàn)樵谠摐囟认驴稍俜稚⑷槟z粉WX部分碳酸鈣受熱發(fā)生如下分解反應(yīng)。

CaCO3=CaO+CO2↑

初期灼燒殘?jiān)饕煞譃镃aCO3和CaO，而CaO為強(qiáng)吸水性氧化物，在XRD分析前的制樣和測(cè)試過(guò)程中吸收空氣水分發(fā)生如下反應(yīng)。

CaO+H2O=Ca(OH)2

兩種可再分散乳膠粉無(wú)機(jī)助劑均為碳酸鈣，但在700 ℃時(shí)碳酸鈣的分解情況確不一致，主要是因?yàn)榭稍俜稚⑷槟z粉顆粒細(xì)度存在差異導(dǎo)致。Lai Weipeng等[5]對(duì)CaCO3分解反應(yīng)熱力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行研究，認(rèn)為隨著粒徑的減小，CaCO3分解反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)摩爾反應(yīng)焓、標(biāo)準(zhǔn)摩爾反應(yīng)熵和標(biāo)準(zhǔn)摩爾反應(yīng)吉布斯函數(shù)均減小，標(biāo)準(zhǔn)平衡常數(shù)增大，從而使其分解溫度降低。Cui等[6]利用KAS方法研究了CaCO3顆粒粒徑對(duì)其分解活化能的影響，研究表明隨著粒徑的減小，CaCO3的平均分解活化能呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。Yue Linhai等[7,8]研究了粒徑為40～80 nm的納米級(jí)CaCO3與粒徑為5～20 μm的參比樣品的分解特性，發(fā)現(xiàn)納米CaCO3的起始分解溫度降低了約40 ℃，最終分解溫度降低了約60 ℃。

激光粒度分析表明，可再分散乳膠粉WX的顆粒粒徑遠(yuǎn)小于可再分散乳膠粉SX，因此可再分散乳膠粉WX內(nèi)的CaCO3分解溫度低于可再分散乳膠粉SX內(nèi)CaCO3的分解溫度，從而導(dǎo)致在相同灼燒溫度700 ℃時(shí)灼燒殘?jiān)煞植灰恢隆?/p>

灼燒溫度上升至800 ℃時(shí)，可再分散乳膠粉SX和WX內(nèi)的CaCO3均發(fā)生分解，因此殘?jiān)煞志鶠镃a(OH)2。灼燒溫度上升至900 ℃，可再分散乳膠粉SX和WX的殘?jiān)蠧a(OH)2和CaO，部分CaO并未轉(zhuǎn)化成為Ca(OH)2，這是因?yàn)?00 ℃灼燒溫度較高，CaO的活性降低，XRD測(cè)試制樣和操作過(guò)程時(shí)間較短，部分CaO還未吸潮轉(zhuǎn)化為Ca(OH)2，因此殘?jiān)屑群蠧a(OH)2，也含有CaO。

通過(guò)XRD分析結(jié)果，結(jié)合灰分測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，可再分散乳膠粉WX在溫度由600 ℃提高至700 ℃過(guò)程中灰分降低幅度為14.4%，而可再分散乳膠粉SX灰分降低幅度為2.2%，原因主要是可再分散乳膠粉WX內(nèi)的CaCO3部分發(fā)生分解，而可再分散乳膠粉SX內(nèi)的碳酸鈣未發(fā)生分解。灼燒溫度提高至750 ℃時(shí)，兩種可再分散乳膠粉內(nèi)的CaCO3均發(fā)生分解，因此灰分的降低明顯增大，可再分散乳膠粉SX灰分降幅為31.4%，可再分散乳膠粉WX灰分降幅為22.1%。

3 結(jié) 論

a.可再分散乳膠粉無(wú)機(jī)助劑為碳酸鈣、白云石時(shí)，灼燒溫度是影響可再分散乳膠粉灰分測(cè)試結(jié)果的重要因素。

b.750 ℃是可再分散乳膠粉灰分的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，低于該溫度可再分散乳膠粉內(nèi)的無(wú)機(jī)助劑碳酸鈣未完全分解。

c.灰分測(cè)試灼燒溫度700 ℃左右時(shí)，可再分散乳膠粉細(xì)度是灰分測(cè)試結(jié)果的另一影響因素。