新型氨基酚助磨劑的合成及性能研究

葉祖昕 王文革 尹 敏 陳小宇 趙 穩(wěn) 袁龍華

（湖南工學院材料與化學工程學院， 湖南 衡陽 421002）

鑒于目前我國水泥需求量巨大，而在能耗巨大的水泥生產(chǎn)工藝中，水泥粉磨的電耗又占水泥生產(chǎn)電耗的60-70%，水泥助磨劑在水泥行業(yè)提產(chǎn)降耗等方面起著重要作用[1]。水泥助磨劑品種繁多，主要是一些含有羥基、氨基、羧基、酰胺基等極性基團的表面活性劑[2-5]。為了進一步提高醇胺類助磨劑的助磨效果以及對混凝土性能的改善，本文使用苯三酚、甲醛、氨水作原料，通過Mannich 反應(yīng)，簡便有效地制備一種新型氨基酚助磨劑，并用紅外光譜進行了結(jié)構(gòu)表征。采用常見的三乙醇胺進行對照試驗，研究了AP 助磨劑對水泥顆粒的分布、比表面積、凝結(jié)時間以及膠砂強度等的影響。

1 實驗

1.1 原材料

水泥熟料：湖南金山水泥有限公司，其化學成分見表1 實驗所用的石膏為天然石膏，試驗用的標準砂為廈門艾思歐標準砂有限公司生產(chǎn)的袋裝標準砂。

表1 熟料的化學成分（%）

間苯三酚、多聚甲醛、分析純，麥克林化學有限公司；氨水，化學純，麥克林有限公司。三乙醇胺，化學純，麥克林化學有限公司。

1.2 助磨劑的制備

在50ml 圓底燒瓶中，加入1.05g 氨水及2.37g 的甲醛，加入攪拌子，攪拌五分鐘后，加入1.26g 的間苯三酚，加熱攪拌。在氨水與甲醛混合時，有熱量放出，加入間苯三酚后反應(yīng)體系變?yōu)榈包S色且熱量釋放加劇。在反應(yīng)30min 后，TCL 檢測到反應(yīng)結(jié)束。得到氨基酚助磨劑（AP）。

1.3 結(jié)構(gòu)表征的儀器與方法

采用Nicolet6700 型傅里葉紅外光譜儀進行了FT-IR 測定。

1.4 水泥粉磨試驗方法

本次實驗用的小磨一次粉磨重量為4kg，將制備好的AP 助磨劑分別按摻量0.3‰、0.5‰、1.0‰稱量好，備用。稱取水泥熟料3800g，天然石膏200g，混合均勻。檢查磨機狀況是否良好，然后將稱量好的熟料與助磨劑倒入小磨中，蓋好磨門，擰緊螺絲。設(shè)定粉磨時間為23 分35 秒，開啟電源開關(guān)。粉磨結(jié)束后，將磨門換成卸料門，倒出物料，卸料時間為5min。

將空白樣、AP 助磨劑摻量為0.3‰、0.5‰、1.0‰的水泥粉體分別標記為S0、S1、S2、S3。

在同樣的條件下，摻入1.0‰的三乙醇胺進行對照試驗。

1.5 水泥性能試驗方法

采用 FYS-150C 型水泥細度負壓篩析儀測定水泥粉體的篩余（GB/T1345-2005）；采用FBT-5 自動比表面積測定儀測定水泥粉體的比表面積（GB/T8074-2008）；采用激光粒度分析儀LS-C(IIA)測定水泥粉體粒度分布；水泥標準稠度用水量、凝結(jié)時間的測定依據(jù)GB/T1346-2011；采用壓力試驗機TYE-300測定水泥講題的抗壓抗壓強度（GB/T17671-1999）.

2 結(jié)果與討論

2.1 助磨劑的紅外光譜分析

對制備的AP 助磨劑進行紅外光譜分析，3600-3100cm-1寬峰為-OH、-NH2的伸縮振動；2950cm-1為-CH2的C-H 的伸縮振動；1621cm-1、1515cm-1、1446cm-1為苯環(huán)骨架的伸縮振動。

2.2 助磨劑對水泥顆粒分布的影響

水泥顆粒分布是評價水泥質(zhì)量的重要指標。其中，3-32μm 水泥顆粒數(shù)量對水泥強度的增長貢獻最大，尤其是28d 強度。

表2 AP 助磨劑對水泥粒度分布的影響

空白組 0 31.89 68.08 0.00 0.03 0.03 0.3 42.67 57.30 0.01 0.02 0.01 0.5 22.80 74.82 0.60 0.06 0.06 助磨劑AP 1.0 20.59 76.54 4.56 0.04 0.04

實驗結(jié)果表明：（1）3-32μm的顆粒組成由68.1%增至76.5%；（3）小于3μ m以下的顆粒由31.9%降至了20.6。由此說明加入AP 助磨劑可以提高磨機的產(chǎn)量，而且還可以優(yōu)化水泥的粒徑分布。增加3-32μm的含量，減少其他粒徑的顆粒數(shù).雖然減少了對早期強度起作用的3μm 以下的含量，但是對于3-32μm的占比提高了，對于后期強度有著明顯提升。

2.3 比表面積的測定

為了保證檢測的準確性，要保證測試時溫度的穩(wěn)定性，使溫度穩(wěn)定在20°左右。檢測結(jié)果見表3。

表3 AP 助磨劑對水泥比表面積的影響

由上表可看出，隨著助磨劑摻量的增加，比表面積一直隨著增長，但加入0.3‰時，比表面積的并無變化。

2.4 篩余量的測定

篩析法作為最傳統(tǒng)的細度檢測方法，現(xiàn)在依然有很多的廠家在使用，根據(jù)GB/T1345-2005 規(guī)定應(yīng)使用80 μm的篩進行篩余量的測定，但因為在水泥顆粒中起主要作用的是0-30 μm的顆粒，使用80 μm篩只能表示粗顆粒的含量，所以我們采用了45 μm篩進行試驗。試驗結(jié)果見表4。

表4 AP 助磨劑對水泥篩余量的影響

通過上表可看出，加入助磨劑后，45μm篩余量有著明顯的降低，但在摻入1‰時，有著一定的回升，粗顆粒相對增長。

2.5 標準稠度用水量及凝結(jié)時間的測定

根據(jù)GB/TI1346-2001 進行標準稠度用水量以及凝結(jié)時間的測定，試驗結(jié)果見表5。相對空白，標準稠度用水量有一定增加，隨著助磨劑AP 的加入以及摻量的增加，粉磨得到改善。根據(jù)數(shù)據(jù)可知，摻入0.3‰，1‰的助磨劑時，對于凝結(jié)時間無明顯變化，加入0.5‰有著一定的緩凝作用。

表5 AP 助磨劑對水泥的標準稠度用水量及凝結(jié)時間的影響

2.6 膠砂強度

膠砂強度作為水泥最重要的指標之一，我們對其進行了多次的測試，所得的值取平均值。試驗結(jié)果見表6。

表6 AP 助磨劑膠砂抗壓強度

從上表可以看出，加入助磨劑后，從早期強度來說，S1 與S3 的強度有些許下降，單影響不大；從后期強度來看，S2、S3 對于后期有著明顯的提升，分別增加了1.8MPa 和3.3MPa，而S1 對于后期強度有所削弱。根據(jù)上述的數(shù)據(jù)，最佳的摻量為1‰

2.7 AP 助磨劑與三乙醇胺的對比

為了進一步的確定本文研究的AP 助磨劑的效果，我們選用了市面上最常見的醇胺類助磨劑三乙醇胺進行對比實驗，同樣選擇1.0‰的摻量，進行篩余、比表面積、粒度分布、膠砂強度等實驗。實驗結(jié)果見下表7。

表7 AP 助磨劑與三乙醇胺的性能對比

通過上表可知，AP 助磨劑與三乙醇胺比較，AP 助磨劑對凝結(jié)時間影響不大。比表面積提高4.0%，優(yōu)化了水泥顆粒級配，同時提高了水泥砂漿28d 的抗壓強度。

3 結(jié)論

通過Mannich 反應(yīng)，利使用間苯三酚、甲醛、氨水作原料，加熱反應(yīng)得到一種新型氨基酚助磨劑（AP），其結(jié)構(gòu)由紅外光譜得到表征。

對比三乙醇胺，在水泥顆粒分布、細度、比表面積、抗壓強度等方面對合成的氨基酚助磨劑的性能進行研究。結(jié)果表明，合成的AP 助磨劑具有良好的助磨效果，性能優(yōu)于三乙醇胺；摻量為1.0‰ 時，可增大比表面積，優(yōu)化了水泥顆粒級配，水泥28d 抗壓強度與空白組和三乙醇胺比較提高了3.3MPa、2.7MPa。