可再分散乳胶粉灰分的表征方式及差异分析

2020-06-22贾陆军李英丁宋子键

建材世界 2020年3期

贾陆军，李英丁，宋子键

(1.绵阳职业技术学院材料系，绵阳 621010；2.广东龙湖科技股份有限公司绵阳技术中心，绵阳 621000)

可再分散乳胶粉是干粉砂浆的重要原材料之一，可应用于水泥基和石膏基特种砂浆中改善砂浆的应用性能，对干粉砂浆的性能影响较大[1-3]。可再分散乳胶粉主要由聚合物乳液、保护胶体和无机助剂组成，其中无机助剂有碳酸钙、黏土、二氧化硅、滑石粉、高岭土等[4]。可再分散乳胶粉作为一种重要的化工产品，现行的依据标准是JC/T 2189—2013《建筑干混砂浆用可再分散乳胶粉》和GB/T 29594—2013《可再分散性乳胶粉》，两个标准中关于灰分的测试均引用GB/T 7531—2008《有机化工产品灼烧残渣的测定》的测试方法，但两标准的灼烧温度有所差异，JC/T 2189—2013规定灼烧温度为(650±25)℃，GB/T 29594—2013规定灼烧温度为(900±25)℃。不同灼烧温度对无机助剂的影响存在差异，尤其是当可再分散乳胶粉的无机助剂采用碳酸钙、白云石时，不同温度测试的灰分差异较大。

1 试验

1.1 原材料

可再分散乳胶粉：市售,基本性能见表1。

表1 可再分散乳胶粉的基本性能

1.2 方法

1.2.1 灰分

用在1 000 ℃下灼烧至恒重并冷却至室温的瓷坩埚准确称量2 g(精确到0.001 g)已在105 ℃干燥后的样品，放入高温炉中分别在实验温度下灼烧30 min，移入干燥器冷却至室温后称重。

灰分的计算

式中，m2为灼烧后坩埚和残渣的质量，g；m1为空坩埚的质量，g；m为试样质量，g。

1.2.2 激光粒度分析

采用乙醇为分散介质，对可再分散乳胶粉进行激光粒度分析。

1.2.3 X射线衍射

将灰分测试的灼烧残留物在玛瑙研钵中磨细，用于X射线衍射分析。

2 结果与讨论

2.1 可再分散乳胶粉的粒度分析

可再分散乳胶粉WX和SX的粒度分布曲线如图1所示，结果表明，可再分散乳胶粉WX的d(0.1)为13.314 μm、d(0.5)为73.345 μm，d(0.9)为161.105 μm，颗粒粒径较为集中。可再分散乳胶粉SX的d(0.1)为28.572 μm、d(0.5)为133.581 μm，d(0.9)为351.876 μm，颗粒粒径分布较广。相比而言可再分散乳胶粉WX的最小粒径、平均粒径和最大粒径均明显小于可再分散乳胶粉SX。

2.2 灼烧温度对可再分散乳胶粉灰分的影响

将两种可再分散乳胶粉分别在600 ℃、650 ℃、700 ℃、750 ℃、800 ℃、850 ℃、900 ℃、950 ℃温度下测试灰分，结果如表1所示。

表1 不同灼烧温度对可再分散乳胶粉灰分的影响 /%

可再分散乳胶粉主要成分为EVA聚合物，灼烧受热过程中发生分解后挥发，剩余无机组分以灰分形式存在。测试结果可以看出，随着灼烧温度升高，可再分散乳胶粉WX和SX灰分均呈现降低趋势。且灼烧温度750 ℃为拐点温度，当灼烧温度由600 ℃升高至700 ℃时，可再分散乳胶粉SX灰分变化较小，降幅仅2.2%，可再分散乳胶粉WX灰分降低趋势明显，降幅达14.4%。灼烧温度由700 ℃升至750 ℃时，可再分散乳胶粉SX灰分降幅为31.4%，可再分散乳胶粉WX灰分降幅为22.1%。灼烧温度由750 ℃升至950 ℃时，可再分散乳胶粉SX灰分降幅为4.2%，可再分散乳胶粉WX灰分降幅为2.6%。

2.3 灼烧温度对灰分影响原因分析

分别将可再分散乳胶粉WX和SX在600 ℃、700 ℃、800 ℃和900 ℃灼烧，并将残留物进行XRD分析，结果如图2、图3所示。

可再分散乳胶粉SX在600 ℃和700 ℃灼烧的残渣成分为CaCO3，800 ℃灼烧残渣成分为Ca(OH)2,900 ℃灼烧残渣成分为Ca(OH)2和CaO。

可再分散乳胶粉WX在600 ℃灼烧的残渣成分为CaCO3，700 ℃灼烧的残渣成分为CaCO3和Ca(OH)2,800 ℃灼烧残渣成分为Ca(OH)2,900 ℃灼烧残渣成分为Ca(OH)2和CaO。

从600 ℃灼烧残渣XRD图谱可以看出，可再分散乳胶粉无机助剂WX和SX均为碳酸钙，灼烧温度600 ℃碳酸钙未发生分解，因此残渣成分仍为CaCO3；当温度升高至700 ℃时，可再分散乳胶粉SX残渣成分仍为CaCO3，而可再分散乳胶粉WX还含有Ca(OH)2；这是因为在该温度下可再分散乳胶粉WX部分碳酸钙受热发生如下分解反应。

CaCO3=CaO+CO2↑

初期灼烧残渣主要成分为CaCO3和CaO，而CaO为强吸水性氧化物，在XRD分析前的制样和测试过程中吸收空气水分发生如下反应。

CaO+H2O=Ca(OH)2

两种可再分散乳胶粉无机助剂均为碳酸钙，但在700 ℃时碳酸钙的分解情况确不一致，主要是因为可再分散乳胶粉颗粒细度存在差异导致。Lai Weipeng等[5]对CaCO3分解反应热力学性质进行研究，认为随着粒径的减小，CaCO3分解反应的标准摩尔反应焓、标准摩尔反应熵和标准摩尔反应吉布斯函数均减小，标准平衡常数增大，从而使其分解温度降低。Cui等[6]利用KAS方法研究了CaCO3颗粒粒径对其分解活化能的影响，研究表明随着粒径的减小，CaCO3的平均分解活化能呈现下降的趋势。Yue Linhai等[7,8]研究了粒径为40～80 nm的纳米级CaCO3与粒径为5～20 μm的参比样品的分解特性，发现纳米CaCO3的起始分解温度降低了约40 ℃，最终分解温度降低了约60 ℃。

激光粒度分析表明，可再分散乳胶粉WX的颗粒粒径远小于可再分散乳胶粉SX，因此可再分散乳胶粉WX内的CaCO3分解温度低于可再分散乳胶粉SX内CaCO3的分解温度，从而导致在相同灼烧温度700 ℃时灼烧残渣成分不一致。

灼烧温度上升至800 ℃时，可再分散乳胶粉SX和WX内的CaCO3均发生分解，因此残渣成分均为Ca(OH)2。灼烧温度上升至900 ℃，可再分散乳胶粉SX和WX的残渣含有Ca(OH)2和CaO，部分CaO并未转化成为Ca(OH)2，这是因为900 ℃灼烧温度较高，CaO的活性降低，XRD测试制样和操作过程时间较短，部分CaO还未吸潮转化为Ca(OH)2，因此残渣中既含有Ca(OH)2，也含有CaO。

通过XRD分析结果，结合灰分测试数据可以看出，可再分散乳胶粉WX在温度由600 ℃提高至700 ℃过程中灰分降低幅度为14.4%，而可再分散乳胶粉SX灰分降低幅度为2.2%，原因主要是可再分散乳胶粉WX内的CaCO3部分发生分解，而可再分散乳胶粉SX内的碳酸钙未发生分解。灼烧温度提高至750 ℃时，两种可再分散乳胶粉内的CaCO3均发生分解，因此灰分的降低明显增大，可再分散乳胶粉SX灰分降幅为31.4%，可再分散乳胶粉WX灰分降幅为22.1%。