Sintesis dan sifat superplasticizer selulosa eter yang larut dalam air

Selain itu, selulosa kapas dibuat untuk menyamakan derajat polimerisasi Ling-off dan direaksikan dengan natrium hidroksida, 1,4 monobutilsulfonolat (1,4, butanesulfon). selulosa eter tersulfobutilasi (SBC) dengan kelarutan air yang baik diperoleh. Pengaruh suhu reaksi, waktu reaksi dan rasio bahan baku pada butil sulfonat selulosa eter dipelajari. Kondisi reaksi optimal diperoleh, dan struktur produk dikarakterisasi dengan FTIR. Dengan mempelajari pengaruh SBC terhadap sifat pasta dan mortar semen, ditemukan bahwa produk tersebut memiliki efek pereduksi air yang serupa dengan zat pereduksi air seri naftalena, dan retensi fluiditas lebih baik daripada seri naftalena.zat pereduksi air. SBC dengan karakteristik viskositas dan kandungan sulfur yang berbeda memiliki tingkat perlambatan yang berbeda untuk pasta semen. Oleh karena itu, SBC diharapkan dapat menjadi zat pereduksi air perlambatan, zat pereduksi air perlambatan yang berefisiensi tinggi, bahkan zat pereduksi air yang berefisiensi tinggi. Sifat-sifatnya terutama ditentukan oleh struktur molekulnya.

Kata kunci:selulosa; Tingkat polimerisasi kesetimbangan; Butil sulfonat selulosa eter; Agen pereduksi air

Pengembangan dan penerapan beton mutu tinggi erat kaitannya dengan penelitian dan pengembangan bahan pereduksi air beton. Karena munculnya zat pereduksi air maka beton dapat menjamin kemampuan kerja yang tinggi, daya tahan yang baik dan bahkan kekuatan yang tinggi. Saat ini, terutama ada jenis zat pereduksi air yang sangat efektif berikut ini yang banyak digunakan: zat pereduksi air seri naftalena (SNF), zat pereduksi air seri resin amina tersulfonasi (SMF), zat pereduksi air seri amino sulfonat (ASP), lignosulfonat termodifikasi zat pereduksi air seri (ML), dan zat pereduksi air seri asam polikarboksilat (PC), yang lebih aktif dalam penelitian saat ini. Superplasticizer asam polikarboksilat memiliki keunggulan kehilangan waktu yang kecil, dosis rendah dan fluiditas beton yang tinggi. Namun karena harganya yang mahal, sulit untuk mempopulerkannya di China. Oleh karena itu, superplasticizer naftalena masih menjadi aplikasi utama di Tiongkok. Sebagian besar zat pereduksi air kondensasi menggunakan formaldehida dan zat mudah menguap lainnya dengan berat molekul relatif rendah, yang dapat membahayakan lingkungan dalam proses sintesis dan penggunaan.

Perkembangan bahan tambah beton di dalam dan luar negeri dihadapkan pada kekurangan bahan baku kimia, kenaikan harga dan permasalahan lainnya. Bagaimana menggunakan sumber daya alam terbarukan yang murah dan melimpah sebagai bahan baku untuk mengembangkan bahan tambahan beton kinerja tinggi yang baru akan menjadi subjek penting penelitian bahan tambahan beton. Pati dan selulosa merupakan perwakilan utama dari sumber daya semacam ini. Karena sumber bahan bakunya yang luas, terbarukan, mudah bereaksi dengan beberapa reagen, turunannya banyak digunakan di berbagai bidang. Saat ini, penelitian tentang pati tersulfonasi sebagai zat pereduksi air telah mengalami beberapa kemajuan. Dalam beberapa tahun terakhir, penelitian tentang turunan selulosa yang larut dalam air sebagai zat pereduksi air juga menarik perhatian masyarakat. Liu Weizhe dkk. menggunakan serat kapas sebagai bahan baku untuk mensintesis selulosa sulfat dengan berat molekul relatif dan derajat substitusi yang berbeda. Bila derajat substitusinya berada pada kisaran tertentu dapat meningkatkan fluiditas bubur semen dan kekuatan badan konsolidasi semen. Paten tersebut menyatakan bahwa beberapa turunan polisakarida melalui reaksi kimia untuk menghasilkan gugus hidrofilik yang kuat, dapat diperoleh pada semen dengan dispersi yang baik dari turunan polisakarida yang larut dalam air, seperti natrium karboksimetil selulosa, karboksimetil hidroksietil selulosa, karboksimetil sulfonat selulosa dan sebagainya. Namun, Knaus dkk. menemukan bahwa CMHEC tampaknya tidak cocok untuk digunakan sebagai zat pereduksi air beton. Hanya jika gugus asam sulfonat dimasukkan ke dalam molekul CMC dan CMHEC, dan berat molekul relatifnya adalah 1,0 ×105 ~ 1,5 ×105 g/mol, ia dapat berfungsi sebagai zat pereduksi air beton. Terdapat perbedaan pendapat mengenai apakah beberapa turunan selulosa yang larut dalam air cocok untuk digunakan sebagai zat pereduksi air, dan terdapat banyak jenis turunan selulosa yang larut dalam air, sehingga perlu dilakukan penelitian yang mendalam dan sistematis mengenai sintesis dan penerapan turunan selulosa baru.

Dalam makalah ini, selulosa kapas digunakan sebagai bahan awal untuk menyiapkan selulosa tingkat polimerisasi seimbang, dan kemudian melalui alkalisasi natrium hidroksida, pilih suhu reaksi yang sesuai, waktu reaksi dan reaksi 1,4 monobutil sulfonakton, pengenalan gugus asam sulfonat pada selulosa molekul, analisis struktur dan percobaan aplikasi asam butil sulfonat selulosa eter (SBC) yang larut dalam air. Kemungkinan menggunakannya sebagai zat pereduksi air telah dibahas.

1. Eksperimen

1.1 Bahan mentah dan instrumen

kapas penyerap; Natrium hidroksida (murni analitis); Asam klorida (36% ~ 37% larutan berair, murni secara analitik); Isopropil alkohol (murni secara analitis); 1,4 monobutil sulfonolakton (kelas industri, disediakan oleh Pabrik Kimia Halus Siping); Semen Portland biasa 32,5R (Pabrik Semen Dalian Onoda); Superplasticizer seri naftalena (SNF, Dalian Sicca).

Spektrometer inframerah Spectrum One-B Fourier Transform, diproduksi oleh Perkin Elmer.

IRIS Advantage Spektrometer Emisi Plasma Gabungan Induktif (IcP-AEs), diproduksi oleh Thermo Jarrell Ash Co.

Alat analisa potensial ZETAPLUS (Brookhaven Instruments, USA) digunakan untuk mengukur potensi bubur semen yang dicampur dengan SBC.

1.2 Metode Persiapan SBC

Pertama, selulosa tingkat polimerisasi seimbang dibuat sesuai dengan metode yang dijelaskan dalam literatur. Selulosa kapas dalam jumlah tertentu ditimbang dan dimasukkan ke dalam labu tiga arah. Di bawah perlindungan nitrogen, asam klorida encer dengan konsentrasi 6% ditambahkan, dan campuran diaduk dengan kuat. Kemudian disuspensikan dengan isopropil alkohol dalam labu mulut tiga, dialkalisasi selama waktu tertentu dengan larutan berair natrium hidroksida 30%, ditimbang sejumlah 1,4 monobutil sulfonolakton, dan diteteskan ke dalam labu mulut tiga, diaduk pada suhu yang sama. pada saat yang sama, dan menjaga suhu penangas air suhu konstan tetap stabil. Setelah reaksi selama waktu tertentu, produk didinginkan hingga suhu kamar, diendapkan dengan isopropil alkohol, dipompa dan disaring, dan diperoleh produk kasar. Setelah dibilas dengan larutan metanol beberapa kali, dipompa dan disaring, produk akhirnya dikeringkan secara vakum pada suhu 60℃ untuk digunakan.

1.3 Pengukuran kinerja SBC

Produk SBC dilarutkan dalam larutan berair 0,1 mol/L NaNO3, dan viskositas setiap titik pengenceran sampel diukur dengan viskometer Ustner untuk menghitung viskositas karakteristiknya. Kandungan sulfur produk ditentukan dengan instrumen ICP – AES. Sampel SBC diekstraksi dengan aseton, dikeringkan secara vakum, kemudian sekitar 5 mg sampel digiling dan ditekan bersama dengan KBr untuk preparasi sampel. Uji spektrum inframerah dilakukan pada sampel SBC dan selulosa. Suspensi semen dibuat dengan perbandingan air-semen 400 dan kandungan zat pereduksi air 1% massa semen. Potensinya diuji dalam waktu 3 menit.

Fluiditas bubur semen dan laju reduksi air mortar semen diukur menurut GB/T 8077-2000 “Metode pengujian keseragaman campuran beton”, mw/me= 0,35. Uji setting time pasta semen dilakukan sesuai dengan GB/T 1346-2001 “Metode Uji Konsumsi Air, Setting Time dan Stabilitas Konsistensi Standar Semen”. Kuat tekan mortar semen menurut GB/T 17671-1999 “Metode uji kuat mortar semen (metode IS0)” metode penentuannya.

2. Hasil dan pembahasan

2.1 Analisis IR SBC

Spektrum inframerah selulosa mentah dan produk SBC. Karena puncak serapan S — C dan S — H sangat lemah sehingga tidak cocok untuk identifikasi, sedangkan s=o memiliki puncak serapan yang kuat. Oleh karena itu, keberadaan gugus asam sulfonat dalam struktur molekul dapat ditentukan dengan menentukan keberadaan puncak S=O. Berdasarkan spektrum infra merah bahan baku selulosa dan produk SBC, pada spektrum selulosa terdapat puncak serapan kuat di dekat bilangan gelombang 3350 cm-1, yang tergolong puncak vibrasi regangan hidroksil pada selulosa. Puncak serapan yang paling kuat di dekat bilangan gelombang 2 900 cm-1 adalah puncak vibrasi ulur metilen (CH2 1). Rangkaian pita yang terdiri dari 1060, 1170, 1120 dan 1010 cm-1 mencerminkan puncak serapan getaran regangan gugus hidroksil dan puncak serapan getaran lentur ikatan eter (C — o — C). Bilangan gelombang sekitar 1650 cm-1 mencerminkan puncak serapan ikatan hidrogen yang dibentuk oleh gugus hidroksil dan air bebas. Pita 1440~1340 cm-1 menunjukkan struktur kristal selulosa. Pada spektrum IR SBC, intensitas pita 1440~1340 cm-1 melemah. Kekuatan puncak serapan mendekati 1650 cm-1 meningkat, menunjukkan bahwa kemampuan membentuk ikatan hidrogen semakin kuat. Puncak serapan yang kuat muncul pada 1180,628 cm-1, yang tidak tercermin dalam spektroskopi inframerah selulosa. Yang pertama adalah puncak serapan karakteristik ikatan s=o, sedangkan yang kedua adalah puncak serapan karakteristik ikatan s=o. Berdasarkan analisis di atas, gugus asam sulfonat ada pada rantai molekul selulosa setelah reaksi eterifikasi.

2.2 Pengaruh kondisi reaksi terhadap kinerja SBC

Terlihat dari hubungan kondisi reaksi dengan sifat-sifat SBC bahwa suhu, waktu reaksi dan perbandingan bahan mempengaruhi sifat-sifat produk hasil sintesis. Kelarutan produk SBC ditentukan oleh lamanya waktu yang dibutuhkan 1g produk untuk larut sempurna dalam 100mL air deionisasi pada suhu kamar; Pada uji laju reduksi air mortar, kandungan SBC adalah 1,0% massa semen. Selain itu, karena selulosa sebagian besar terdiri dari unit anhidroglukosa (AGU), jumlah selulosa dihitung sebagai AGU ketika rasio reaktan dihitung. Dibandingkan dengan SBCl ~ SBC5, SBC6 memiliki viskositas intrinsik yang lebih rendah dan kandungan sulfur yang lebih tinggi, serta laju reduksi air pada mortar adalah 11,2%. Viskositas karakteristik SBC dapat mencerminkan massa molekul relatifnya. Viskositas karakteristik yang tinggi menunjukkan bahwa massa molekul relatifnya besar. Namun, pada saat ini, viskositas larutan berair dengan konsentrasi yang sama pasti akan meningkat, dan pergerakan bebas makromolekul akan terbatas, yang tidak kondusif bagi adsorpsinya pada permukaan partikel semen, sehingga mempengaruhi permainan air. mengurangi kinerja dispersi SBC. Kandungan sulfur SBC yang tinggi menunjukkan derajat substitusi butil sulfonat yang tinggi, rantai molekul SBC mempunyai jumlah muatan yang lebih banyak, dan efek permukaan partikel semen kuat, sehingga dispersi partikel semennya juga kuat.

Dalam eterifikasi selulosa, untuk meningkatkan derajat eterifikasi dan kualitas produk, umumnya digunakan metode eterifikasi alkalisasi ganda. SBC7 dan SBC8 merupakan produk yang diperoleh melalui eterifikasi alkalisasi berulang masing-masing sebanyak 1 dan 2 kali. Jelasnya, karakteristik viskositasnya rendah dan kandungan sulfurnya tinggi, kelarutan akhir dalam air baik, laju reduksi air mortar semen masing-masing dapat mencapai 14,8% dan 16,5%. Oleh karena itu, pada pengujian berikut ini, SBC6, SBC7 dan SBC8 digunakan sebagai objek penelitian untuk membahas pengaruh penerapannya pada pasta semen dan mortar.

2.3 Pengaruh SBC terhadap sifat semen

2.3.1 Pengaruh SBC terhadap fluiditas pasta semen

Kurva pengaruh kandungan zat pereduksi air terhadap fluiditas pasta semen. SNF adalah superplasticizer seri naftalena. Hal ini terlihat dari kurva pengaruh kandungan zat pereduksi air terhadap fluiditas pasta semen, bila kandungan SBC8 kurang dari 1,0% maka fluiditas pasta semen berangsur-angsur meningkat seiring dengan bertambahnya kandungan, dan pengaruhnya mirip dengan SNF. Ketika konten melebihi 1,0%, pertumbuhan fluiditas bubur secara bertahap melambat, dan kurva memasuki area platform. Dapat dianggap bahwa kandungan jenuh SBC8 adalah sekitar 1,0%. SBC6 dan SBC7 juga memiliki tren yang mirip dengan SBC8, namun kandungan saturasinya jauh lebih tinggi dibandingkan SBC8, dan tingkat peningkatan fluiditas bubur bersih tidak setinggi SBC8. Namun kandungan SNF jenuhnya sekitar 0,7% ~ 0,8%. Ketika kandungan SNF terus meningkat maka fluiditas slurry juga terus meningkat, namun menurut cincin pendarahan dapat disimpulkan bahwa peningkatan saat ini antara lain disebabkan oleh pemisahan air pendarahan oleh bubur semen. Kesimpulannya, meskipun kandungan jenuh SBC lebih tinggi dibandingkan SNF, namun masih belum ada fenomena pendarahan yang nyata jika kandungan SBC melebihi kandungan jenuhnya. Oleh karena itu, dapat dinilai terlebih dahulu bahwa SBC mempunyai efek mereduksi air dan juga memiliki retensi air tertentu, yang berbeda dengan SNF. Pekerjaan ini perlu dipelajari lebih lanjut.

Terlihat dari kurva hubungan antara fluiditas pasta semen dengan kandungan zat pereduksi air 1,0% dan waktu, kehilangan fluiditas pasta semen yang dicampur dengan SBC sangat kecil yaitu dalam waktu 120 menit, terutama SBC6 yang fluiditas awalnya hanya sekitar 200 mm. , dan hilangnya fluiditas kurang dari 20%. Kehilangan warp fluiditas slurry berada pada urutan SNF>SBC8>SBC7>SBC6. Penelitian telah menunjukkan bahwa superplasticizer naftalena terutama diserap pada permukaan partikel semen oleh gaya tolak bidang. Dengan berlangsungnya hidrasi, sisa molekul zat pereduksi air dalam bubur berkurang, sehingga molekul zat pereduksi air yang teradsorpsi pada permukaan partikel semen juga berangsur-angsur berkurang. Tolakan antar partikel melemah, dan partikel semen menghasilkan kondensasi fisik, yang menunjukkan penurunan fluiditas bubur bersih. Oleh karena itu, kehilangan aliran bubur semen yang dicampur dengan superplasticizer naftalena lebih besar. Namun, sebagian besar zat pereduksi air seri naftalena yang digunakan dalam bidang teknik telah dicampur dengan benar untuk memperbaiki cacat ini. Dengan demikian, dalam hal retensi likuiditas, SBC lebih unggul dibandingkan SNF.

2.3.2 Pengaruh potensi dan setting time pasta semen

Setelah ditambahkan zat pereduksi air ke dalam campuran semen, partikel semen mengadsorpsi molekul zat pereduksi air, sehingga sifat listrik potensial partikel semen dapat diubah dari positif ke negatif, dan nilai absolutnya jelas meningkat. Nilai absolut potensial partikel semen yang dicampur SNF lebih tinggi dibandingkan dengan SBC. Pada saat yang sama, waktu pengerasan pasta semen yang dicampur dengan SBC diperpanjang hingga derajat yang berbeda dibandingkan dengan sampel blanko, dan waktu pengerasan berada dalam urutan SBC6>SBC7>SBC8 dari panjang ke pendek. Terlihat bahwa dengan menurunnya viskositas karakteristik SBC dan meningkatnya kandungan sulfur, waktu pengerasan pasta semen secara bertahap semakin pendek. Hal ini karena SBC termasuk turunan polipolisakarida, dan terdapat lebih banyak gugus hidroksil pada rantai molekulnya, yang memiliki tingkat efek perlambatan yang berbeda-beda pada reaksi hidrasi semen Portland. Mekanisme perlambatan SBC kira-kira ada empat jenis, dan mekanisme perlambatan SBC kira-kira sebagai berikut: Dalam media basa hidrasi semen, gugus hidroksil dan Ca2+ bebas membentuk kompleks yang tidak stabil, sehingga konsentrasi Ca2 10 dalam fase cair berkurang, tetapi juga dapat teradsorpsi pada permukaan partikel semen dan produk hidrasi pada permukaan 02- untuk membentuk ikatan hidrogen, dan gugus hidroksil lainnya serta molekul air melalui asosiasi ikatan hidrogen, sehingga permukaan partikel semen membentuk lapisan film air terlarut yang stabil. Dengan demikian, proses hidrasi semen terhambat. Namun jumlah gugus hidroksil pada rantai SBC dengan kandungan sulfur yang berbeda-beda cukup berbeda, sehingga pengaruhnya terhadap proses hidrasi semen pasti berbeda.

2.3.3 Laju reduksi air mortar dan uji kekuatannya

Karena kinerja mortar dapat mencerminkan kinerja beton sampai batas tertentu, makalah ini terutama mempelajari kinerja mortar yang dicampur dengan SBC. Konsumsi air mortar disesuaikan dengan standar pengujian laju reduksi air mortar, sehingga pemuaian sampel mortar mencapai (180±5)mm, dan disiapkan benda uji gilingan 40 mm×40 mlTl×160 untuk pengujian kuat tekan. kekuatan setiap zaman. Dibandingkan dengan benda uji blanko tanpa bahan pereduksi air, kekuatan benda uji mortar dengan bahan pereduksi air pada setiap umur mengalami peningkatan dalam derajat yang berbeda-beda. Kuat tekan benda uji yang diberi SNF 1,0% meningkat masing-masing sebesar 46%, 35% dan 20% pada umur 3, 7 dan 28 hari. Pengaruh SBC6, SBC7 dan SBC8 terhadap kuat tekan mortar tidak sama. Kekuatan mortar yang dicampur dengan SBC6 meningkat sedikit pada setiap umur, dan kekuatan mortar pada 3 hari, 7 hari dan 28 hari meningkat masing-masing sebesar 15%, 3% dan 2%. Kekuatan tekan mortar yang dicampur dengan SBC8 meningkat pesat, dan kekuatannya pada hari 3, 7 dan 28 meningkat masing-masing sebesar 61%, 45% dan 18%, menunjukkan bahwa SBC8 memiliki efek pengurangan air dan penguatan yang kuat pada mortar semen.

2.3.4 Pengaruh sifat struktur molekul SBC

Dikombinasikan dengan analisis di atas mengenai pengaruh SBC pada pasta dan mortar semen, tidak sulit untuk menemukan bahwa struktur molekul SBC, seperti karakteristik viskositas (terkait dengan berat molekul relatifnya, karakteristik umum viskositas tinggi, relatif berat molekul tinggi), kandungan sulfur (terkait dengan derajat substitusi gugus hidrofilik kuat pada rantai molekul, kandungan sulfur yang tinggi berarti derajat substitusi yang tinggi, dan sebaliknya) menentukan kinerja penerapan SBC. Bila kandungan SBC8 dengan viskositas intrinsik rendah dan kandungan sulfur tinggi rendah, maka dapat memiliki kemampuan dispersi yang kuat terhadap partikel semen, dan kandungan saturasinya juga rendah, sekitar 1,0%. Perpanjangan setting time pasta semen relatif singkat. Kuat tekan mortar dengan fluiditas yang sama jelas meningkat pada setiap umurnya. Namun SBC6 dengan viskositas intrinsik tinggi dan kandungan sulfur rendah memiliki fluiditas yang lebih kecil bila kandungannya rendah. Namun, bila kandungannya ditingkatkan menjadi sekitar 1,5%, kemampuan dispersinya terhadap partikel semen juga cukup besar. Namun waktu pengerasan pada bubur murni lebih lama, yang menunjukkan karakteristik pengerasan lambat. Peningkatan kuat tekan mortar pada umur yang berbeda terbatas. Secara umum SBC lebih baik dibandingkan SNF dalam retensi fluiditas mortar.

3. Kesimpulan

1. Selulosa dengan derajat polimerisasi seimbang dibuat dari selulosa, yang dieterisasi dengan 1,4 monobutil sulfonolakton setelah alkalisasi NaOH, dan kemudian dibuat butil sulfonolakton yang larut dalam air. Kondisi reaksi optimum produk adalah sebagai berikut: baris (Na0H); Oleh (AGU); n(BS) -2.5:1.0:1.7, waktu reaksi 4,5 jam, suhu reaksi 75℃. Alkalisasi dan eterifikasi yang berulang dapat menurunkan karakteristik viskositas dan meningkatkan kandungan sulfur produk.

2. SBC dengan karakteristik viskositas dan kandungan sulfur yang sesuai dapat meningkatkan fluiditas bubur semen secara signifikan dan meningkatkan kehilangan fluiditas. Ketika laju reduksi air mortar mencapai 16,5%, maka kuat tekan benda uji mortar pada setiap umurnya jelas meningkat.

3. Penerapan SBC sebagai zat pereduksi air menunjukkan tingkat keterbelakangan tertentu. Di bawah kondisi viskositas karakteristik yang sesuai, zat pereduksi air efisiensi tinggi dapat diperoleh dengan meningkatkan kandungan sulfur dan mengurangi derajat perlambatan. Mengacu pada standar nasional bahan tambahan beton yang relevan, SBC diharapkan dapat menjadi bahan pereduksi air dengan nilai aplikasi praktis, bahan pereduksi air perlambat, bahan pereduksi air perlambatan efisiensi tinggi, dan bahkan bahan pereduksi air efisiensi tinggi.