Влияние цемента на структурирование водных растворов поливинилового спирта.

Д.х.н., профессор Жолболсынова А.С., магистрант Сергалиева Д.Е.

(СКГУ им. М. Козыбаева)

Для получения студней поливинилового спирта (ПВС) с определенными свойствами в технологических процессах важно знание их реологических характеристик в присутствии разных модифицирующих добавок. К числу последних принадлежности наполнителя, в частности цемент.

Целью нашего исследования явилось изучение влияние цемента на структурирование водных растворов поливинилового спирта в зависимости от концентрации полимера, наполнителя, и разных режимов. Согласно литературным данным, разбавленные водные растворы ПВС являются истинными термодинамическими устойчивыми растворами, а концентрированные неустойчивы. Вязкость их растет со временем и затем образуется студень. Структурообразование в водных растворах ПВС обусловлено водородными связями и структура является конденсационно-коагуляционной.

В работе использовались ПВС и цемент. ПВС имел следующие характеристики: молекулярная масса -10⁵, влажность-10%, золность-0,01%. Цемент ПЦ 400 Д0 (М400 Д0) соответствовал ГОСТ 31108-2003.

Определение прочности проводили на усовершенствованном приборе Вейлера и Ребиндера по величине напряжения сдвига методом тангенциально смещаемой пластинки. Измерение динамической вязкости осуществили на ротационном вискозиметре Реотест -1. Предварительно были определены условия формирования однородных сплошных систем и разработана методика их получения. Установлено, что студнеобразование водных растворов ПВС протекает в два этапа: на первом-в системе прочность очень мала. Второй этап характеризуется быстрым ростом прочности до максимального значения, составляющего 8-10 суток. Минимальная концентрация ПВС, необходимая для образования студня при 20⁰Свыше 16%. Влияние цемента на прочность студней ПВС изучили при 20⁰С. Измерения прочности проводили через 10 суток. Полученные результаты представлены в таблицах 1-8.

Таблица 1. Зависимость прочности 18%-ного студня ПВС от содержания цемента при Т= 20⁰С.

Концентрация цемента, % (ПВС)	0	5	7	10
Предельное напряжение сдвига, Рm, кг/м^2	225	431,6	666,2	762,6

Видно, что прочность возрастает с увеличением количества цемента.

Таблица 2. Зависимость прочности студней от концентрации ПВС приТ= 20⁰С и содержании цемента 10% (ПВС).

Концентрация ПВС, %	15	18	21
Предельное напряжение сдвига, Рm, кг/м^2	70,3	725	324,2
Предельное напряжение сдвига, Рm, кг/м^2	286,8	762,6	1098,8

Из таблицы следует, что влияние цемента более заметно в концентрированных растворах ПВС. Это связано с тем, что усиливающее действие наполнителя тем выше, чем меньше его содержание.

Следовательно, характер взаимодействия полимера с наполнителем зависит не только от его содержания в системе, но и от концентрации ВМС в растворе.

Параллельно исследовалось и влияние цемента на вязкость растворов поливинилового спирта.

Таблица 3. Зависимость вязкости водных растворов ПВС от содержания цемента при С=10%, Т=20⁰С, ступени числа оборотов 2а.

Содержание цемента, % (ПВС)	0	2	4	6	8	10
η, пз·10^2	24,5	36,9	25,3	11,3	10,4	9,6

Видно, что с увеличением количества цемента вязкость уменьшается, что свидетельствует об ослаблении структуры.

Таблица 4. Зависимость вязкости водных растворов ПВС от концентрации ПВС при постоянном содержании цемента 30% (ПВС), Т=20⁰С и ступени числа оборотов 8а.

Концентрация ПВС, %	2	4	6	8	10
Вязкость, η, спз·10^5	3,7	5,6	7,6	10,0	11,8

Из представленных данных следует, что вязкость возрастает с увеличением концентрации ПВС.

Таблица 5. Зависимость вязкости системы ПВС-цемент от скорости сдвига при С=1%,Т=20⁰С, содержании цемента 30% (ПВС).

Ступени числа оборотов	0	2	4	6	8
Вязкость, η, спз·10^4	32,7	13,0	6,6	2,8	1,4

Вязкость уменьшается с увеличением скорости сдвига.

В свою очередь ПВС вызывает структурирование водных дисперсий цемента. Формирование структурных агрегатов цемента под действием полимера происходит путем связывания агрегируемых частиц цепочками макромолекул полимера.

Таблица 6. Зависимость прочности 50%-ной пасты цемента от концентрации ПВС при Т=20⁰С.

Спвс, %	0	0,5	1,0	1,5	2,5	3,0	3,5
Рm, кг/м^2	18,1	24,1	36,2	30,5	25,1	30,0	37,8

Видно, что при добавлении ПВС, составляющего 0,5-1% от массы цемента прочность структуры увеличивается почти в 2 раза, затем в интервале 1-2,5% снижается и далее вновь возрастает.

Влияние ПВС на прочность паст зависит и от состава наполнителя. Потому нами изучена адсорбция ПВС на цементе в зависимости от массы и величины удельной поверхности его.

Температурный режим задавался постоянным и был 20⁰С. Время контакта цемента с ПВС составляло 10 часов. Количество адсорбированного ПВС определялось вискозиметрическим методом. Полученные данные представлены в таблицах.

Таблица 7. Зависимость адсорбции ПВС от массы адсорбента при С_пвс =1%, S_уд. =14 м²/г, Т=20⁰С.

mцем., г	0,5	1,0	2,0	3,0
Г, мг/г	259,2	216,0	153,9	81,0

С увеличением содержания цемента адсорбция снижается.

Таблица 8. Зависимость адсорбции ПВС от удельной поверхности цемента при С_пвс =1%, Т=20⁰С, m=0,5г.

Sуд., м^2/г	12	14	18	20	25
Г, мг/г	222,9	259,2	336,9	362,9	466,6

Адсорбция ПВС возрастает пропорционально удельной поверхности цемента.

Таким образом, большой эффект на прочность и вязкость систем ПВС -цемент достигается при относительно малом введении цемента и достаточно высокой концентрации самого полимера. В этом случае цемент более или менее равномерно распределяется по системе. И по мере нарастания количества цемента частицы его начинают взаимодействовать друг с другом, образуя агрегаты, и не участвуют в образовании связей с полимером.

Это приводит к усилению степени разрушения структуры, проявляющемуся в большем падении вязкости со скоростью сдвига. Наполнитель увеличивает общую степень структурирования системы из-за того, что частицы его становятся узлом возникающей пространственной сетки.

Наполнитель в той или иной степени взаимодействует с водой и потому связь между полимером и им осуществляется через прослойки воды и является потому слабой. Таким образом, большой эффект на прочность и вязкость систем ПВС-цемент достигается при относительно малом введении цемента и достаточно высокой концентрации самого полимера. В этом случае цемент более или менее равномерно распределятся по системе. И по мере нарастания количества цемента частицы его начинают взаимодействовать друг с другом, образуя агрегаты, и не участвуют в образовании связей с полимером.

Это приводит к усилению степени разрушения структуры, проявляющемуся в большем падении вязкости со скоростью сдвига. Наполнитель увеличивает общую степень структурирования системы из-за того, что частицы его становятся узлом возникающей пространственной сетки.

Наполнитель в той или иной степени взаимодействует с водой и потому связь между полимером и им осуществляется через прослойки воды и является потому слабой.

Литература:

1.Крыжановский В.В., Бурлов А.Д., Паниматченко Ю.В., Крыжановская Ю.В. Технический свойства полимерных материалов// Учеб.- спарв. пособие. изд. 2-е., испр. и доп. – СПб.:П Профессия, 2005.-248с.

2. Аверко - Антонович И.Ю. Методы исследования свойств полимеров// Учеб.пособие.-Казань: КГТУ, 2002.- 604с.

3. Сутягин В.М., Ляпков А.А. Общая химическая технология полимеров// Учеб.пособие. - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2007. – 195с.