氧化磺化堿木素用作混凝土減水劑

摘　要：利用紅外光譜分析了氧化磺化堿木素的分子結(jié)構(gòu)，顯示其具有明顯的磺酸基特征峰；將其用于混凝土，還具有良好的減水增強(qiáng)效果。

關(guān)鍵詞：麥草漿堿木素；混凝土減水劑；紅外光譜

我國(guó)造紙行業(yè)每年副產(chǎn)大量的堿木素，加強(qiáng)對(duì)堿木素的開發(fā)和利用顯得極為重要[1 ] 。對(duì)其進(jìn)行磺化改性是最有效的方法之一。本文以工業(yè)麥草漿堿木素為原料，在低溫的酸性條件下，利用Fenton 試劑為氧化劑先活化堿木素，然后進(jìn)行羥甲基化反應(yīng)及磺化反應(yīng)，制備了水溶性的堿木素氧化磺化產(chǎn)品，并研究了其作為混凝土減水劑對(duì)混凝土的減水增強(qiáng)性能。

1 　實(shí)　驗(yàn)

1.1 　實(shí)驗(yàn)原料

堿木素為麥草漿黑液酸析木素，其中木素含量68 % ，水分27 % ，半纖維素、戊糖、低分子質(zhì)量有機(jī)物和無(wú)機(jī)鹽為5 % ，山東某造紙廠；木素磺酸鈣：吉林石峴造紙廠。氫氧化鈉為分析純，天津海晶精細(xì)化工廠；甲醛為工業(yè)甲醛( > 37 %) ，廣州市溶劑廠；無(wú)水亞硫酸鈉為分析純，天津紅巖試劑廠；水泥為金羊牌標(biāo)準(zhǔn)硅酸鹽水泥，廣州水泥廠。

1.2 　實(shí)驗(yàn)步驟

稱取絕干堿木素200g 加入1000mL 三口燒瓶中，再加入蒸餾水300g ，攪拌30 min 后調(diào)整溶液的pH 值，加入定量氧化劑和催化劑反應(yīng)1 h。繼續(xù)攪拌逐漸升溫至70 ℃，然后加甲醛溶液，恒溫反應(yīng)。繼續(xù)升溫至90 ℃，緩慢加入定量無(wú)水亞硫酸鈉，然后恒溫反應(yīng)一定時(shí)間，冷卻至常溫出料，液體經(jīng)高速離心分離除去不溶于水的無(wú)機(jī)鹽，得到氧化磺化產(chǎn)品。

1.3 　測(cè)試方法

紅外吸收光譜( FT2IR) ： Auto system XL/ I2series/ Spectrum 2000 PE公司傅里葉變換全反射紅外光譜儀，采用溴化鉀壓片法測(cè)試。測(cè)定范圍： 500～4000 cm- 1 ?；腔葴y(cè)試：利用DDB2308A 型電導(dǎo)率儀(上海雷磁儀器廠) 測(cè)試溶液電導(dǎo)的變化。水泥砂漿和混凝土性能的測(cè)定均按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GBJ 204 —83 及其他有關(guān)規(guī)定進(jìn)行檢測(cè)。

2 　結(jié)果與討論

影響堿木素氧化磺化改性的主要因素有：過氧化氫、硫酸亞鐵、甲醛及亞硫酸鈉的用量。綜合各種因素確定堿木素氧化磺化的優(yōu)化工藝參數(shù)：每千克堿木素需要H2O2 用量為4.41 mol ，F(xiàn)e2SO4 用量為0.03 mol ，HCHO 用量為6.66 mol ,Na2SO3 用量為0.79 mol 。

2.1 　堿木素與氧化磺化產(chǎn)物的紅外光譜表征

木素的分子結(jié)構(gòu)單元是對(duì)羥基苯丙烷，同時(shí)在苯環(huán)上具有甲氧基存在，形成了3 種基本構(gòu)型即愈創(chuàng)木基結(jié)構(gòu)、紫丁香基結(jié)構(gòu)和對(duì)羥苯基結(jié)構(gòu)。堿木素被氧化磺化改性以后分子結(jié)構(gòu)發(fā)生了一系列變化。圖1 是氧化磺化產(chǎn)品的紅外光譜圖，其中3411 cm- 1為羥基的強(qiáng)伸縮振動(dòng)峰；2937 cm- 1處有甲基、亞甲基伸縮振動(dòng)的小峰；1597 cm- 1 、1502 cm- 1 、1460 cm- 1處有不飽和雙鍵的伸縮振動(dòng)吸收，為芳香環(huán)的特征峰；1423 cm- 1處為甲氧基特征峰；1120 cm- 1為紫丁香基的特征吸收峰；1042 cm- 1為磺酸基的伸縮振動(dòng)峰[2 ] ，堿木素氧化磺化前沒有此吸收峰。

2.2 　氧化磺化堿木素磺化度的測(cè)試

在室溫下首先將定量的液體樣品通過陰離子交換樹脂柱，然后再通過陽(yáng)離子交換樹脂柱，用NaOH 標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定后用電導(dǎo)率儀測(cè)定滴定過程中溶液電導(dǎo)率的變化，測(cè)得氧化磺化堿木素和木素磺酸鈣的磺化度分別為0.92mmol/ g 和1.80 mmol/ g。氧化磺化堿木素比木素磺酸鈣的磺化度低。這是由于不同來源的木素結(jié)構(gòu)以及磺化工藝不同等因素造成的。

2.3 　氧化磺化堿木素對(duì)混凝土減水增強(qiáng)性能的影響

混凝土減水劑的性能主要由減水率和抗壓強(qiáng)度體現(xiàn)，它們是減水劑性能優(yōu)劣的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)。本文主要考察氧化磺化堿木素對(duì)水泥凈漿流動(dòng)度、砂漿性能及混凝土性能(混凝土減水率和抗壓強(qiáng)度) 的影響(表1～表3) 。

表1 是水灰比為0.4 時(shí)，減水劑在不同摻量下的凈漿流動(dòng)度。當(dāng)減水劑摻量增加時(shí)，氧化磺化堿木素的凈漿流動(dòng)度隨之增加，與木素磺酸鈣的變化趨勢(shì)相同，但比木素磺酸鈣的值略低。

表2 是不同減水劑摻量下砂漿的抗壓強(qiáng)度。在摻量為0.1 %和0.3 %時(shí)，氧化磺化堿木素各齡期的砂漿抗壓強(qiáng)度均好于木素磺酸鈣；摻量為0.3 %時(shí)，氧化磺化產(chǎn)物28 天的抗壓強(qiáng)度比空白高出17 %～24 %。

從表3 看到，當(dāng)堿水劑摻量為0.3 %時(shí)，各齡期氧化磺化堿木素對(duì)混凝土的減水率及抗壓強(qiáng)度均好于木素磺酸鈣。

3 　結(jié)　論

3.1 　以Fenton 試劑為氧化劑、少量的甲醛和亞硫酸鈉為磺化劑，制備了氧化磺化堿木素。通過紅外光譜可以看到，氧化磺化堿木素具有磺酸基的特征吸收峰，利用電導(dǎo)滴定法測(cè)得磺化度為0.92 mmol/ g。

3.2 　通過對(duì)氧化磺化堿木素的減水性能測(cè)試可知，混凝土減水率達(dá)到13.6 % ，混凝土前期抗壓強(qiáng)度比空白高出2.8MPa ，好于木素磺酸鈣；從其對(duì)砂漿性能的影響可知，當(dāng)其摻量為0.3 %時(shí)，28 天的抗壓強(qiáng)度比空白高出17 %～24 % ，比木素磺酸鈣好；但其對(duì)水泥凈漿性能的影響與木素磺酸鈣接近。

參考文獻(xiàn)

[1 ] 　林喬元1 我國(guó)造紙工業(yè)堿法制漿水污染的防治[J ]1 中國(guó)造紙，2003 ,22 (9) ：62

[2 ] 　Mark J Lawther ，Sun R C ,Banks W B1 Rapid isolation and structural characterization of alkali - soluble lignins during alkaline treatment and at2 mospheric refining of wheat straw [ J ] 1 Industrial Crops and Products ，