氧化磺化碱木素用作混凝土减水剂

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摘　要： 利用红外光谱分析了氧化磺化碱木素的分子结构，显示其具有明显的磺酸基特征峰；将其用于混凝土，还具有良好的减水增强效果。

关键词： 麦草浆碱木素；混凝土减水剂；红外光谱

我国造纸行业每年副产大量的碱木素，加强对碱木素的开发和利用显得极为重要[1 ] 。对其进行磺化改性是最有效的方法之一。本文以工业麦草浆碱木素为原料，在低温的酸性条件下，利用Fenton 试剂为氧化剂先活化碱木素，然后进行羟甲基化反应及磺化反应，制备了水溶性的碱木素氧化磺化产品，并研究了其作为混凝土减水剂对混凝土的减水增强性能。

1 　实　验

1.1 　实验原料

碱木素为麦草浆黑液酸析木素，其中木素含量68 % ，水分27 % ，半纤维素、戊糖、低分子质量有机物和无机盐为5 % ，山东某造纸厂；木素磺酸钙： 吉林石岘造纸厂。氢氧化钠为分析纯，天津海晶精细化工厂；甲醛为工业甲醛( > 37 %) ，广州市溶剂厂；无水亚硫酸钠为分析纯，天津红岩试剂厂；水泥为金羊牌标准硅酸盐水泥，广州水泥厂。

1.2 　实验步骤

称取绝干碱木素200g 加入1000mL 三口烧瓶中，再加入蒸馏水300g ，搅拌30 min 后调整溶液的pH 值，加入定量氧化剂和催化剂反应1 h。继续搅拌逐渐升温至70 ℃，然后加甲醛溶液，恒温反应。继续升温至90 ℃，缓慢加入定量无水亚硫酸钠，然后恒温反应一定时间，冷却至常温出料，液体经高速离心分离除去不溶于水的无机盐，得到氧化磺化产品。

1.3 　测试方法

红外吸收光谱( FT2IR) ： Auto system XL/ I2series/ Spectrum 2000 PE公司傅里叶变换全反射红外光谱仪，采用溴化钾压片法测试。测定范围： 500～4000 cm- 1 。磺化度测试： 利用DDB2308A 型电导率仪(上海雷磁仪器厂) 测试溶液电导的变化。水泥砂浆和混凝土性能的测定均按国家标准GBJ 204 —83 及其他有关规定进行检测。

2 　结果与讨论

影响碱木素氧化磺化改性的主要因素有：过氧化氢、硫酸亚铁、甲醛及亚硫酸钠的用量。综合各种因素确定碱木素氧化磺化的优化工艺参数：每千克碱木素需要H2O2 用量为4.41 mol ，Fe2SO4 用量为0.03 mol ，HCHO 用量为6.66 mol ,Na2SO3 用量为0.79 mol 。

2.1 　碱木素与氧化磺化产物的红外光谱表征

木素的分子结构单元是对羟基苯丙烷，同时在苯环上具有甲氧基存在，形成了3 种基本构型即愈创木基结构、紫丁香基结构和对羟苯基结构。碱木素被氧化磺化改性以后分子结构发生了一系列变化。图1 是氧化磺化产品的红外光谱图，其中3411 cm- 1为羟基的强伸缩振动峰；2937 cm- 1处有甲基、亚甲基伸缩振动的小峰；1597 cm- 1 、1502 cm- 1 、1460 cm- 1处有不饱和双键的伸缩振动吸收，为芳香环的特征峰；1423 cm- 1处为甲氧基特征峰；1120 cm- 1为紫丁香基的特征吸收峰；1042 cm- 1为磺酸基的伸缩振动峰[2 ] ，碱木素氧化磺化前没有此吸收峰。

2.2 　氧化磺化碱木素磺化度的测试

在室温下首先将定量的液体样品通过阴离子交换树脂柱，然后再通过阳离子交换树脂柱，用NaOH 标准溶液滴定后用电导率仪测定滴定过程中溶液电导率的变化，测得氧化磺化碱木素和木素磺酸钙的磺化度分别为0.92mmol/ g 和1.80 mmol/ g。氧化磺化碱木素比木素磺酸钙的磺化度低。这是由于不同来源的木素结构以及磺化工艺不同等因素造成的。

2.3 　氧化磺化碱木素对混凝土减水增强性能的影响

混凝土减水剂的性能主要由减水率和抗压强度体现，它们是减水剂性能优劣的重要评价指标。本文主要考察氧化磺化碱木素对水泥净浆流动度、砂浆性能及混凝土性能(混凝土减水率和抗压强度) 的影响(表1～表3) 。

表1 是水灰比为0.4 时，减水剂在不同掺量下的净浆流动度。当减水剂掺量增加时，氧化磺化碱木素的净浆流动度随之增加，与木素磺酸钙的变化趋势相同，但比木素磺酸钙的值略低。

表2 是不同减水剂掺量下砂浆的抗压强度。在掺量为0.1 %和0.3 %时，氧化磺化碱木素各龄期的砂浆抗压强度均好于木素磺酸钙；掺量为0.3 %时，氧化磺化产物28 天的抗压强度比空白高出17 %～24 %。

从表3 看到，当碱水剂掺量为0.3 %时，各龄期氧化磺化碱木素对混凝土的减水率及抗压强度均好于木素磺酸钙。

3 　结　论

3.1 　以Fenton 试剂为氧化剂、少量的甲醛和亚硫酸钠为磺化剂，制备了氧化磺化碱木素。通过红外光谱可以看到，氧化磺化碱木素具有磺酸基的特征吸收峰，利用电导滴定法测得磺化度为0.92 mmol/ g。

3.2 　通过对氧化磺化碱木素的减水性能测试可知，混凝土减水率达到13.6 % ，混凝土前期抗压强度比空白高出2.8MPa ，好于木素磺酸钙；从其对砂浆性能的影响可知，当其掺量为0.3 %时，28 天的抗压强度比空白高出17 %～24 % ，比木素磺酸钙好；但其对水泥净浆性能的影响与木素磺酸钙接近。

参考文献

[1 ] 　林乔元1 我国造纸工业碱法制浆水污染的防治[J ]1 中国造纸，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 ，