高陽離子密度分散劑合成與再生纖維分散性研究

＊崔春亮

（中交路橋華南工程有限公司 廣東 528403）

引言

纖維增強復(fù)合材料具有良好的各向同性特征，摻雜纖維后的基材可以提升基材的性能、延長基材的使用壽命，因此被廣泛應(yīng)用于工程建設(shè)領(lǐng)域[1]。常見的混凝土中摻雜增強纖維，改善了混凝土制品的抗?jié)B性、耐磨性、抗壓性、耐久性等性能[2-3]。摻雜纖維在混凝土中的含量以及纖維的排列方式，是提高混凝土性能的關(guān)鍵[4]。實際應(yīng)用中，經(jīng)常面臨纖維在基材中分布不均勻的客觀問題，國內(nèi)外學(xué)者做了大量的研究[5]，使用分散劑改性纖維，提高纖維在基材中的分散均勻性，是目前最經(jīng)濟、適用的方法[6]。本文利用高陽離子密度分散劑改性纖維，提升了纖維在水泥基材中的分散性，提高混凝土制品的有效阻裂、增韌性等性能。

1.試驗部分

(1)原材料及試驗儀器

原材料：丙烯酸（分析純），天津市大茂化學(xué)試劑廠；過硫酸銨（分析純），天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司；十六烷基三甲基溴化銨（分析純），天津市大茂化學(xué)試劑廠；再生纖維，陜西龍賓立德新材料科技有限公司；水泥，P.C32.5復(fù)合硅酸鹽水泥，陜西堯柏特種水泥有限公司。

試驗儀器：電子天平，F(xiàn)A2104型，上海良平儀器有限公司；數(shù)顯恒溫水浴鍋，HH-1型，常州榮冠實驗分析儀器廠；正置顯微鏡，TY2021002577型，北京普瑞賽司儀器有限公司；掃描電鏡儀，JSM-6460LV型，日本電子株式會社；綜合熱分析儀，ZRY-2P型，上海精密科學(xué)儀器有限公司；傅里葉變換紅外光譜儀，Nexus870型，美國NICOLET公司。

(2)制備工藝

首先稱取1.2g過硫酸銨，溶解于50ml蒸餾水，再加入10ml丙烯酸溶液，攪拌均勻，數(shù)顯恒溫水浴鍋中，設(shè)置反應(yīng)溫度70℃，反應(yīng)2h，溶液中析出透明膠狀物，此階段產(chǎn)物為聚丙烯酸；添加1g十六烷基三甲基溴化銨，繼續(xù)反應(yīng)1h，得到反應(yīng)產(chǎn)物高陽離子密度分散劑。負(fù)壓抽濾，將產(chǎn)物放入烘箱中干燥，碾磨成顆粒備用。制備高陽離子密度分散劑流程如圖1所示，制備的產(chǎn)物如圖2、圖3所示。

圖1 高陽離子密度分散劑制備流程圖

圖2 聚丙烯酸

圖3 高陽離子密度分散劑

(3)沉降測試

準(zhǔn)備5個250ml同規(guī)格量筒，分別稱取5組20g水泥、200ml去離子水備用；稱取1g聚丙烯酸、分散劑（60℃、70℃、80℃、90℃四種反應(yīng)產(chǎn)物），使用去離子水溶解聚丙烯酸和分散劑，加入水泥攪拌均勻，倒入量筒中，觀察量筒中水泥樣品柱的高度，分析分散劑的效果。

2.結(jié)果與討論

(1)沉降測試

①時間變量制備分散劑對水泥沉降的影響

測試不同反應(yīng)時間，制備的四種分散劑，并以聚丙烯酸組作為對照組，分散劑與水泥混合均勻裝入量筒，經(jīng)過1h的靜置沉淀。對比分析，3h的反應(yīng)時間制得的分散劑，混合水泥后，水泥沉淀后樣品柱高度為37ml，是同組測試樣品中的最大值，因此3h的反應(yīng)時間得到分散劑分散效果最佳。

圖4 不同時間分散劑對水泥的分散效果圖

表1 分散劑對水泥分散性效果

②溫度變量制備分散劑對水泥沉降的影響

測試不同反應(yīng)溫度，制備的四種分散劑，并以聚丙烯酸組作為對照組，方法同上。對比分析，70℃的反應(yīng)溫度制得的分散劑，混合水泥后，水泥沉淀后樣品柱高度為65ml，是同組測試樣品中的最高值。因此選用3h/70℃作為分散劑最佳反應(yīng)條件。

圖5 不同溫度分散劑對水泥的分散效果圖

表2 分散劑對水泥分散性效果

(2)熱穩(wěn)定性分析

在氮氣保護氛圍下，從30～800℃逐漸升溫，對聚丙烯酸和分散劑熱穩(wěn)定性進行分析。測試結(jié)果如圖6所示，該曲線是典型的多階失重曲線[7]，可以看出聚丙烯酸和分散劑的質(zhì)量隨溫度的上升呈下降趨勢。在30～210℃范圍內(nèi)，聚丙烯酸和分散劑中的水分和小分子物質(zhì)揮發(fā)，表現(xiàn)為質(zhì)量逐漸下降，兩者的變化曲線基本一致；在210～450℃范圍內(nèi)，聚丙烯酸和分散劑的失重率加快，聚合物碳化分解，是兩者質(zhì)量明顯下降的根本原因；在450～800℃范圍內(nèi)，聚丙烯酸和分散劑的失重率放緩，兩者的失重曲線進入平臺期，兩者的分解反應(yīng)結(jié)束。聚丙烯酸起始分解溫度為210℃，分解終止溫度為450℃；分散劑的起始分解溫度為220℃，分解終止溫度為460℃。分散劑相對于聚丙烯酸具有更高的起始分解溫度，說明分散劑的熱穩(wěn)定性更好，即在實際應(yīng)用情況下，分散劑可以更好的適應(yīng)實際應(yīng)用需求。

圖6 分散劑和聚丙烯酸熱失重曲線

(3)高陽離子分散劑的微觀結(jié)構(gòu)分析

圖7是采用JSM-6460LV型掃描電子顯微鏡對纖維、分散劑改性纖維進行觀察對比分析。a1和a2分別是放大100倍和1000倍纖維的微觀形貌，纖維表現(xiàn)為光滑的圓柱狀物理外觀。b1和b2分別是放大100倍和1000倍的分散劑改性纖維的微觀形貌，由于分散劑附著于纖維表面，纖維圓柱體形貌變得粗糙，分散劑和纖維形成了穩(wěn)定體系，表現(xiàn)為纖維在基體中的分散性得到提高。

圖7 纖維（a1、a2）和分散劑改性纖維（b1、b2）SEM圖

(4)高陽離子密度分散劑改性纖維在水泥基材料中的分散效果

圖8是使用正置顯微鏡放大500倍，觀察分散劑改性纖維在水泥基材料的分散效果。a是未改性的纖維，混合入水泥基材料中的狀態(tài)，纖維形成聚集的纖維簇，并未很好的分散在水泥體系中，這降低了纖維的增強增韌效果；b是分散劑改性纖維，混合入水泥基材料中的狀態(tài)，和a對比，同一個視場范圍內(nèi)，b視野中的纖維分散均勻，纖維數(shù)量更少，纖維被包裹在水泥基材料中形成一體，說明分散劑改性后的纖維分散均勻，纖維的分散性能得到改善。

圖8 纖維和分散劑改性纖維摻雜水泥基材料的正置顯微鏡圖

離子型分散劑主要依靠其親水基團與疏水基團之間的庫侖力來實現(xiàn)吸附的作用。分散劑改性纖維加入到水泥基材料體系中，分散劑吸附包裹在纖維表面，并且不會破壞纖維結(jié)構(gòu)。在水泥基材料中，分散劑依附在纖維表面之后形成膠束，由于膠束是親水性的，并且具有表面活性，不能使表面張力降低，當(dāng)膠束達(dá)到一定數(shù)量時，反而會由于膠束之間的滲透壓作用，導(dǎo)致纖維之間的距離增加，故該體系的分散效果大幅提高[8]。因此，高陽離子密度分散劑對纖維在水泥基材料中的分散效果明顯改善。

3.結(jié)語

通過水泥沉降試驗篩選效果最佳的分散劑，并對其微觀形貌、熱穩(wěn)定性和分散效果進行了研究，分析結(jié)果表明：

（1）采用單因素變量法，研究了反應(yīng)時間、反應(yīng)溫度對高陽離子密度分散劑合成效果的影響，并根據(jù)沉降實驗，篩選出3h/70℃合成工藝條件下，制備的分散劑效果最好，沉降測試中水泥樣品柱高度達(dá)到65ml。

（2）TG曲線表明，聚丙烯酸分解溫度范圍210～450℃，分散劑分解溫度范圍220～460℃。分散劑相對于聚丙烯酸具有更高的起始分解溫度和最終分解溫度，說明分散劑的熱穩(wěn)定性更好。

（3）對分散劑改性纖維在水泥基材料中的分散效果研究，SEM測試表明，分散劑附著于纖維的圓柱體表面，分散劑和纖維形成了穩(wěn)定的體系。分散劑改性后的纖維在水泥中分布均勻，說明分散劑可以有效提高纖維的分散性。