可再分散乳膠粉灰分的表征方式及差異分析

賈陸軍，李英丁，宋子鍵

(1.綿陽職業技術學院材料系，綿陽 621010；2.廣東龍湖科技股份有限公司綿陽技術中心，綿陽 621000)

可再分散乳膠粉是干粉砂漿的重要原材料之一，可應用于水泥基和石膏基特種砂漿中改善砂漿的應用性能，對干粉砂漿的性能影響較大[1-3]。可再分散乳膠粉主要由聚合物乳液、保護膠體和無機助劑組成，其中無機助劑有碳酸鈣、黏土、二氧化硅、滑石粉、高嶺土等[4]。可再分散乳膠粉作為一種重要的化工產品，現行的依據標準是JC/T 2189—2013《建筑干混砂漿用可再分散乳膠粉》和GB/T 29594—2013《可再分散性乳膠粉》，兩個標準中關于灰分的測試均引用GB/T 7531—2008《有機化工產品灼燒殘渣的測定》的測試方法，但兩標準的灼燒溫度有所差異，JC/T 2189—2013規定灼燒溫度為(650±25)℃，GB/T 29594—2013規定灼燒溫度為(900±25)℃。不同灼燒溫度對無機助劑的影響存在差異，尤其是當可再分散乳膠粉的無機助劑采用碳酸鈣、白云石時，不同溫度測試的灰分差異較大。

1 試 驗

1.1 原材料

可再分散乳膠粉：市售,基本性能見表1。

表1 可再分散乳膠粉的基本性能

1.2 方法

1.2.1 灰分

用在1 000 ℃下灼燒至恒重并冷卻至室溫的瓷坩堝準確稱量2 g(精確到0.001 g)已在105 ℃干燥后的樣品，放入高溫爐中分別在實驗溫度下灼燒30 min，移入干燥器冷卻至室溫后稱重。

灰分的計算

式中，m2為灼燒后坩堝和殘渣的質量，g；m1為空坩堝的質量，g；m為試樣質量，g。

1.2.2 激光粒度分析

采用乙醇為分散介質，對可再分散乳膠粉進行激光粒度分析。

1.2.3 X射線衍射

將灰分測試的灼燒殘留物在瑪瑙研缽中磨細，用于X射線衍射分析。

2 結果與討論

2.1 可再分散乳膠粉的粒度分析

可再分散乳膠粉WX和SX的粒度分布曲線如圖1所示，結果表明，可再分散乳膠粉WX的d(0.1)為13.314 μm、d(0.5)為73.345 μm，d(0.9)為161.105 μm，顆粒粒徑較為集中。可再分散乳膠粉SX的d(0.1)為28.572 μm、d(0.5)為133.581 μm，d(0.9)為351.876 μm，顆粒粒徑分布較廣。相比而言可再分散乳膠粉WX的最小粒徑、平均粒徑和最大粒徑均明顯小于可再分散乳膠粉SX。

2.2 灼燒溫度對可再分散乳膠粉灰分的影響

將兩種可再分散乳膠粉分別在600 ℃、650 ℃、700 ℃、750 ℃、800 ℃、850 ℃、900 ℃、950 ℃溫度下測試灰分，結果如表1所示。

表1 不同灼燒溫度對可再分散乳膠粉灰分的影響 /%

可再分散乳膠粉主要成分為EVA聚合物，灼燒受熱過程中發生分解后揮發，剩余無機組分以灰分形式存在。測試結果可以看出，隨著灼燒溫度升高，可再分散乳膠粉WX和SX灰分均呈現降低趨勢。且灼燒溫度750 ℃為拐點溫度，當灼燒溫度由600 ℃升高至700 ℃時，可再分散乳膠粉SX灰分變化較小，降幅僅2.2%，可再分散乳膠粉WX灰分降低趨勢明顯，降幅達14.4%。灼燒溫度由700 ℃升至750 ℃時，可再分散乳膠粉SX灰分降幅為31.4%，可再分散乳膠粉WX灰分降幅為22.1%。灼燒溫度由750 ℃升至950 ℃時，可再分散乳膠粉SX灰分降幅為4.2%，可再分散乳膠粉WX灰分降幅為2.6%。

2.3 灼燒溫度對灰分影響原因分析

分別將可再分散乳膠粉WX和SX在600 ℃、700 ℃、800 ℃和900 ℃灼燒，并將殘留物進行XRD分析，結果如圖2、圖3所示。

可再分散乳膠粉SX在600 ℃和700 ℃灼燒的殘渣成分為CaCO3，800 ℃灼燒殘渣成分為Ca(OH)2,900 ℃灼燒殘渣成分為Ca(OH)2和CaO。

可再分散乳膠粉WX在600 ℃灼燒的殘渣成分為CaCO3，700 ℃灼燒的殘渣成分為CaCO3和Ca(OH)2,800 ℃灼燒殘渣成分為Ca(OH)2,900 ℃灼燒殘渣成分為Ca(OH)2和CaO。

從600 ℃灼燒殘渣XRD圖譜可以看出，可再分散乳膠粉無機助劑WX和SX均為碳酸鈣，灼燒溫度600 ℃碳酸鈣未發生分解，因此殘渣成分仍為CaCO3；當溫度升高至700 ℃時，可再分散乳膠粉SX殘渣成分仍為CaCO3，而可再分散乳膠粉WX還含有Ca(OH)2；這是因為在該溫度下可再分散乳膠粉WX部分碳酸鈣受熱發生如下分解反應。

CaCO3=CaO+CO2↑

初期灼燒殘渣主要成分為CaCO3和CaO，而CaO為強吸水性氧化物，在XRD分析前的制樣和測試過程中吸收空氣水分發生如下反應。

CaO+H2O=Ca(OH)2

兩種可再分散乳膠粉無機助劑均為碳酸鈣，但在700 ℃時碳酸鈣的分解情況確不一致，主要是因為可再分散乳膠粉顆粒細度存在差異導致。Lai Weipeng等[5]對CaCO3分解反應熱力學性質進行研究，認為隨著粒徑的減小，CaCO3分解反應的標準摩爾反應焓、標準摩爾反應熵和標準摩爾反應吉布斯函數均減小，標準平衡常數增大，從而使其分解溫度降低。Cui等[6]利用KAS方法研究了CaCO3顆粒粒徑對其分解活化能的影響，研究表明隨著粒徑的減小，CaCO3的平均分解活化能呈現下降的趨勢。Yue Linhai等[7,8]研究了粒徑為40～80 nm的納米級CaCO3與粒徑為5～20 μm的參比樣品的分解特性，發現納米CaCO3的起始分解溫度降低了約40 ℃，最終分解溫度降低了約60 ℃。

激光粒度分析表明，可再分散乳膠粉WX的顆粒粒徑遠小于可再分散乳膠粉SX，因此可再分散乳膠粉WX內的CaCO3分解溫度低于可再分散乳膠粉SX內CaCO3的分解溫度，從而導致在相同灼燒溫度700 ℃時灼燒殘渣成分不一致。

灼燒溫度上升至800 ℃時，可再分散乳膠粉SX和WX內的CaCO3均發生分解，因此殘渣成分均為Ca(OH)2。灼燒溫度上升至900 ℃，可再分散乳膠粉SX和WX的殘渣含有Ca(OH)2和CaO，部分CaO并未轉化成為Ca(OH)2，這是因為900 ℃灼燒溫度較高，CaO的活性降低，XRD測試制樣和操作過程時間較短，部分CaO還未吸潮轉化為Ca(OH)2，因此殘渣中既含有Ca(OH)2，也含有CaO。

通過XRD分析結果，結合灰分測試數據可以看出，可再分散乳膠粉WX在溫度由600 ℃提高至700 ℃過程中灰分降低幅度為14.4%，而可再分散乳膠粉SX灰分降低幅度為2.2%，原因主要是可再分散乳膠粉WX內的CaCO3部分發生分解，而可再分散乳膠粉SX內的碳酸鈣未發生分解。灼燒溫度提高至750 ℃時，兩種可再分散乳膠粉內的CaCO3均發生分解，因此灰分的降低明顯增大，可再分散乳膠粉SX灰分降幅為31.4%，可再分散乳膠粉WX灰分降幅為22.1%。

3 結 論

a.可再分散乳膠粉無機助劑為碳酸鈣、白云石時，灼燒溫度是影響可再分散乳膠粉灰分測試結果的重要因素。

b.750 ℃是可再分散乳膠粉灰分的轉折點，低于該溫度可再分散乳膠粉內的無機助劑碳酸鈣未完全分解。

c.灰分測試灼燒溫度700 ℃左右時，可再分散乳膠粉細度是灰分測試結果的另一影響因素。