Влияние лигносульфоната на основные физико-механические свойства пигментированного гипса

Влияние лигносульфоната на основные физико-механические свойства

пигментированного гипса

А.К. Сысоев, В.А. Чарухина

Академия строительства и архитектуры ДГТУ

Аннотация: Рассмотрены области применения лигносульфоната как химической добавки для применения в гипсовых композициях. Исследовано влияние лигносульфоната на физико-механические свойства пигментированного гипса. В работе изучено влияния лигносульфоната на такие свойства гипса, как прочностные свойства, водопоглощение, коэффициент размягчения и изменение цветовой гаммы материала. Установлено что применение лигносульфоната в значительной степени не только повышает физико-механические свойства материала, но и эксплуатационную долговечность пигментированного гипса, что расширяет области применения этих материалов.

Ключевые слова: лигносульфонат, пигментированный гипс, физико-механические свойства, прочностные свойства, водопоглощение, коэффициент размягчения, изменение цветовой гаммы, эксплуатационная долговечность.

Состояние вопроса

Применение технических лигнинов-одно из направлений комплексного использования растительного сырья и химической переработки древесины в народном хозяйстве РФ. В РФ имеются большое количество ЦБК, где образуются и производятся лигносульфонаты различного состава. В Архангельской области - Соломбальский, Архангельский, Котласский ЦБК. В Иркутской области - АО «Усть-илимский концерн», АО «Братскомплексхолдинг», Байкальский ЦБК, Ждановский ЦБК, Азамайский ЦБК, Карапчанский ЛПХ. В Ленинградской области - Выборский ЦБК, Сяський комбинат. В Карелии - ОАО «Кодопога», ОАО «Сегежабумпром». Пермская область - Пермский ЦБК, Камский ЦБК, ОАО «Соликамсбумпром», АО «Вишерабумпром». Это лишь небольшой перечень ЦБК РФ где имеются лигносульфонаты.

Лигносулфонаты характеризуются наличием и многообразием ценных свойств, доступностью и относительно низкой стоимостью.

Область применения и назначение лигносульфонатов приведены в табл.1

Таблица 1

Область и назначение лигносульфонатов

Область применения Назначение лигносульфонатов

Производство строительных материалов Лигносульфонаты натрия - гидрофилизующие пластификаторы для бетона и сухих смесей. При производстве теплоизоляционных и отделочных плит в качестве упрочняющей добавки. При производстве кирпича в качестве пластификатора глин. Диспергаторы для сухой штукатурки. Модификаторы гипса. При производстве керамзита как корректирующая добавка. В качестве пластификатора при изготовлении гипсокартонных листов. Для пластификатора цемента. При производстве огнеупоров как связующее [1-5].

Нефтедобыча Реагент для регулирования параметров буровых растворов. Компонент гелеообразующих систем. Для укрепления буровых шахт, скважин [6-7].

Горнодобывающая промышленность В качестве флотореагента. Для укрепления буровых шахт. Для укрепления покрытий и оснований из грунтов [8].

Металлургия Связующее для формовочных и стержневых смесей для различного литья. В качестве флотореагента. В качестве связующего и пластификатора. В качестве смазочных и смазочно-охлаждающих жидкостей при горячей штамповке и ковке.

Химическая промышленность В производстве пестицидов и протравителей семян. В пищевой и парфюмерной промышленности.

Электролиз Электролиз цинка и ускорение процессов [9].

Очистка сточных вод Очистка вод, содержащих компоненты карбамидоформальдегидных смол.

Агропромышленный комплекс Корма для животных. Питательные микроэлементы и удобрения. Пестициды.

Производство пигментов и красителей В качестве диспергаторов красок, чернил в водной среде

Стабилизаторы эмульсий Компонент для устойчивости и сохранности системы. Стабилизация водно-масляных, водно-битумных эмульсий.

Лигносульфонаты широко применяются за рубежом.

Основные производители и мощности производимого материала представлены на рис.1

мощность выпуска, 1175тыс.т/г

США

Норвегия, Швеция, Финляндия, Швеция

Германия, Испания, Франция Италия

Япония

ЮАР Прочие

Рис.1 Основные производители лигносульфонатов за рубежом. Лигносульфонаты технические представляют собой натриевые соли лигносульфоновых кислот с примесью редуцирующих и минеральных веществ, а также обладают высокой поверхностной активностью[10-14]. Элементарный состав лигносульфонатов следующий (%): С-33,9; О-46,8; Б-9,5; №-5,7; К-0,18; Mg -0,80; прочие- 3,12.

Основная цель проводимой работы - исследование возможности повышения водостойкости пигментированных гипсов путем модификации их структуры с помощью лигносульфонатов.

Материалы, оборудование и методика испытаний В качестве вяжущего применяли гипс среднего помола марки Г-5 ГОСТ 125-79. В качестве пигментов применялись пигменты IRON OXIDE PRINTONIK (RED 110 -красный, GREEN5605-зеленый, YELLOW313 -желтый). Основные характеристики пигментов представлены в работе[19-20]. Характеристики пластификаторов-лигносульфоната, суперпластификаторов С-3 и Мурапласта ФК-48 представлены в табл.2-4.

Таблица 2

Физико-технические показатели лигносульфоната

Наименование показателя Значение показателя по ТУ 2455-028-002795802004 Фактическое значение

Внешний вид Вязкая жидкость темно-коричневого цвета соответствует

Массовая доля сухих 50 53

веществ, % не менее

Массовая доля основного - -

вещества, % не менее

Массовая доля золы к массе 25 18-25

сухих веществ, % не более

рН, не менее 4,5 4,5

Предел прочности при 0,60 0,60

растяжении высушенных образцов, МПа, не менее

Вязкость условная, с, не 80 80-120

менее

Плотность, г/см3 1,28 1,28-1,29

Массовая доля 15 14

редуцирующих веществ к

массе сухих веществ, % не более

Таблица 3

Физико-технические свойства суперпластификатора С-3

Наименование показателя Значение показателя по ТУ5870-002-58042865-05 Фактическое значение

Внешний вид Порошок светло-коричневого цвета Соответствует

Массовая доля воды,%, не более 10 8,5

Массовая доля активного вещества в пересчете на сухой продукт,%, не менее 69 73

Массовая доля золы в пересчете на сухой продукт, не более 38 29

рН 2,5% водного раствора 7-9 8

Таблица 4

Физико-технические свойства Мурапласт ФК 48

Наименование показателя Значение показателя по ТУ 5745-006-51552155-2009 Фактическое значение

Внешний вид Жидкость коричневого цвета со специфическим запахом соответствует

Растворимость в воде Полностью растворяется в воде соответствует

Величина рН, ед. рН 7,0-9,0 8

Плотность, кг/дм3 1,180-1,210 1,20

При проведении испытаний пластификаторы смешивали с водой, а затем в этот раствор вводили гипсовое вяжущее. Перед тем как испытывать и проводить исследования по методике ГОСТ 23789-79 и методам, изложенным в следующих работах[19-20], была принята следующая последовательность предварительных испытаний:

- определялась нормальная густота гипсового теста, и изучалось влияние пластификаторов на изменение нормальной густоты и снижение количество воды затворения при их применении;

- изучалось изменение сроков схватывания при применении пластификаторов.

В дальнейшем оценивалось влияние пластификатора ЛСТ на прочностные свойства пигментированного гипсового материала, и изучались такие важные свойства как водопоглощение, коэффициент размягчения и изменение цвета. Испытания проводились в сравнении с другими известными пластификаторами.

Основные результаты испытаний представлены в табл. 5-6.

Таблица 5

Физико-механические свойства гипсового камня при различном содержании добавки ЛСТ

Вид добавки К-во добавки,% Предел прочности при сжатии , 1^сж, МПа Водопогло-щение Шм,% через 1 сут. Коэффициент размягчения Кр через 1 сут Плотность р, г/см3 Влияние пигмента на цвет

Без добавки - 4,8 24 0,45 1.29 -

ЛСТ 0,25 6,9 9 0,55 1.31 нет

ЛСТ 0,5 8,4 8 0,66 1.32 нет

ЛСТ 0,75 9,3 7,5 0,7 1.345 нет

ЛСТ 1,0 8,3 8,0 0,7 1.357 нет

ЛСТ 1,5 6,5 10,0 0,5 1.35 нет

ЛСТ 2,0 4,0 15 0,40 1.30 нет

Таблица 6

Влияние пластификаторов на основные свойства пигментированного гипса *

№п/п Кол-во и Кол-во и Изменение параметра, через время, сутки

вид вид 1 3 7 21

добавки пигмента

Предел прочности при сжатии Ясж, МПа

1 Без добавки Без пигмента 4,8 5,2 5,0 5,4

1% ЛСТ 0,5% RED 110 8,46 8,0 8,2 8,5

1% С-3 0,5% RED 110 8,57 9,0 8,5 9,2

1% ФК-48 0,5% RED 110 14,9 14 14,2 13,3

Водопоглощение по массе Wm, %

2 Без добавки Без пигмента 24 29 36 42

1% ЛСТ 0,5% RED 110 8 10 14 16

1% С-3 0,5% RED 110 4 12 26 34

1% ФК-48 0,5% RED 110 5 15 30 47

Коэффициент размягчения Кр

3 Без добавки Без пигмента 0,45 0,33 0,27 0,25

1% ЛСТ 0,5% RED 110 0,95 - 0,72 0,67

1% С-3 0,5% RED 110 0,61 - 0,54 0,41

1% ФК-48 % RED 110 0,54 - 0,51 0,21

Изменение цвета пигмента

4 Без добавки Без пигмента - - - -

1% ЛСТ 0,5% RED 110 Нет измен. Нет измен. Нет измен. Нет измен.

1% С-3 0,5% RED Нет Не Резкое Резкое

110 измен. большое изменение изменение изменение

1% ФК-48 0,5% RED Нет Не Резкое Почернение

110 измен. большое изменение изменение окраса

Растворимость пигмента в воде

5 Без добавки Без пигмента

1% ЛСТ 0,5% RED 110 Не раств. Не раств. Не раств. Не раств.

1% С-3 0,5% RED 110 Не раств. Не раств. растворимость растворимость

1% ФК-48 0,5% RED 110 Не раств. Не раств. растворимость Значительная растворимость

• -Примечание в табл. 6 представлены лишь некоторые из результатов влияния

пластификаторов на свойства пигментированных гипсов. Проведенные исследования показывают, что при различных вариантов

соотношения содержания добавок от 0,25 до 1% и расходов пигментов IRON

OXIDE PRINTONIK, в том числе RED 110 -красный, GREEN5605-зеленый,

YELLOW313 -желтый при расходах 0,25 до 2% имеется следующий порядок

эффективности применения пластификаторов.

Добавки С-3, Мурапласт ФК-48 эффективно использовать для повышения

прочностных свойств пигментированных гипсов, эксплуатирующийся только

в сухих условиях, т. без воздействия на материал воды. Добавку ЛСТ

возможно применять при воздействии на материал воды в течение 21 суток и

при этом цветность материала не изменяется.

Следует особенно подчеркнуть, что лигносульфонаты отличаются

следующими особенностями[15-18,21]:

- по химической природе - анионные водорастворимые полимеры с большим диапазоном значений молекулярной массы - 1500 - 200000 единиц. [15];

- при их введение происходит снижение водогипсового отношения за счет водоредуцирующего действия;

- лигносульфонаты имеют тенденцию образовывать с соединениями железа в результате модификации полимерной матрицы комплексные соединения в зависимости от степени окисления. [21]. В результате такой ассоциации происходит связывание Са2+ и Fe2+ с увеличением молекулярной массы лигносульфонатов;

- при введение в гипсовое тесто такого рода ПАВ происходит адсорбция на гидрофильных поверхностях при сопровождении гидрофобизации последних.

Выводы и предложения

1. Проведенными исследованиями установлено, что получение эффективных гипсовых композитов с повышенными эксплуатационными качествами возможно за счет применения лигносульфонатов.

2. Дальнейшие исследования необходимо продолжить в части дальнейшей модификации самих лигносульфонатов, что позволит при сохранении цвета пигментированного гипса значительно повысить его водостойкость.

Литература

1. Ферронская А.В. Долговечность гипсовых материалов, изделий и конструкций М.: Стройиздат, 1984.156 с.

2. Ферронская А.В. Гипсовые материалы и изделия (производство и применение): Справочник. М.: Изд-во АСВ, 2004. 488 с.

3. Федорова В.В., Сычева Л.И. Влияние пластифицирующих добавок на свойства гипсовых вяжущих// Успехи в химии и химической технологии. Т.ХХ1Х.2015.№7. С.78- 80.

4. Патент ЯИ 2384538. С04В22/14, С04В 24/24 Коваленко С.В., Щербина С.П. и др. комплексная добавка в бетонные смеси и строительные растворы. Заявл.04.04.2008. 0публ.20.03.2010.

5. Патент Яи 2377208. С04В24/16. Добавка для бетонных смесей. Заявл.09.07.2008.0публ.27.12.2009. Бюл. №36.

6. Русаков Д.С. Модификация фенолформальдегидной смолы продуктами сульфитно-целлюлозного производства//Системы. Методы. Технологии. 2016.№1(29) С. 113-119.

7. Аширбекова Р.О. Исследование и разработка рецептур гелеообразующих составов на основе лигносульфанатов//Вестник КазНТУ.2015.№4. С. 169-177.

8. Дубинина А.В., Марцуль В.Н. Использование лигносульфонатов для очистки сточных вод, содержащих компоненты карбомидноформальдегидных смол//Вестник Витебского ГТУ. 2014. №27. С.141-145.

9. Колесников А.В., Семенов К.В. Электролиз цинка из сульфатных кислых и нейтральных растворов в присутствии лигносульфоната. //Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук. 2016. №1. №4-1.2016. С.57-60.

10. Евстифеев Е.Н., Нестеров А. А. Разработка модифицированных лигносульфонатов//Изв. Вузов. Сев. - Кавк.регион. Естеств. науки. 2006. №4. С. 48-53.

11. И.П. Дейнеко Утилизация лигнинов: достижения, проблемы и перспективы// Химия растительного производства. 2012. №1. С.5-20

12. Непенин В.Н. современное состояние и перспективы использования технических лигносульфонатов в народном хозяйстве//Химия и использование лигнина: Тезисы докладов 7-й Всесоюзной конференции-Рига.1987.С. 169-170.

13. Lewis N. G., Yean W. Q. High performance size-exclusion chromatography of lignosulfonates//J.Chromotogr.-1985.Vol.331,№4. pp. 409-424.

14. Lewis N.G., Coring D.A., Wong A. Fractioantion of lignosulfonates released during the early stages of delignifications//Canad. J. Chem. pp. 344-414.

15. Болатбаев К.Н., Луговицкая Т.Н., Колосов А.В. Идентификация и физико-механические свойства лигносульфонатов в растворах// Ползунковский вестник 2009. №3 С.308-312.

16. Бровко О.С., Паламарчук И. А., Макаревич Н.А., Бойцова Т. А. Полимолекулярные характеристики лигносульфонатов натрия, хитозана и полиэтиленполиамина//Химия растительного сырья. 2009. №1. С.29-36.

17. Петров Н.А., Давыдов И.Н. Акодис М.М., Комкова Л.П., Мамаева О.Г. Исследование зарубежных лигносульфатных реагентов - разжижителей буровых растворов// Нефтегазовое дело. 2006. С 1-12.

18. Жолобов А. Л., Жолобова Е.А. Комплексная оценка конкурентоспособности строительных технологий //Инженерный вестник Дона, 2017, №2 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2013/1705/.

19. Сысоев А.К., Чарухина В. А. Влияние импрегнирования путем поверхностной гидрофобизации на водостойкость гипсовых композитов //Инженерный вестник Дона, 2017, №2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2017/4083/.

20. Сысоев А.К., Чарухина В.А. Влияние пигментов на основные свойства физико - механические свойства гипса // Инженерный вестник Дона. 2017. №2 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2017/4146/.

21. Ксенофонтова М.М., Митрофанова А.Н., Пряхин А.Н., Лунин В.В. Реакция озона с лигносульфонатом натрия в присутствии ионов железа// Журнал Физической химии. 2005.т.79.№7. С.1185-1188.

Reference

1. Ferronskaja A.V. Dolgovechnost' gipsovyh materialov, izdelij i konstrukcij [Gypsum cement gypsum-pozzolanic binders, concretes and products]. M.: Strojizdat, 1984.156p.

2. Ferronskaja A.V. Gipsovye materialy i izdelija (proizvodstvo i primenenie): [Gypsum materials and products (production and use): Reference guide]. Spravochnik. M.: Izd-vo ASV, 2004. 488p.

3. Fedorova V.V., Sycheva L.I. Uspehi v himii i himicheskoj tehnologii. T.HHIH.2015.№7. pp.78- 80.

4. Ра1еШ Яи 2384538. Б04У22/14, Б04У 24/24 Коуа1епко Б.У., Б^шЬта Б.Р. 1 ёг. кошр1екБпа]а ёоЬаука у Ье1оииуе вшев1 1 БйюкеГпуе гаБ1уогу. Zajav1.04.04.2008. ОриЬ1. 20.03.2010.

5. Ра1еШ Яи 2377208. Б04У24/16. БоЬаука d1ja Ье1оппуИ sшesej. Zajaу1.09.07.2008. 0риЬ1.27.12.2009. Bju1. №36.

6. Rusakoу Б.Б. Sisteшy. Ые1оёу. Tehno1ogii. 2016.№1 (29) рр. 113-119.

7. Ashiгbekova Я.О. Уestnik ^ОТи.2015.№4. рр. 169-177.

8. БиЫшпа А.У., Магси1' У.К Уestnik УiteЬskogo ОТи. 2014. №27. рр.141-145.

9. Ko1esnikoу А.У., Бешепоу К.У. Aktua1,nye ргоЬ1ешу guшanitaгnyh ! estestуennyh nauk. 2016. №1. №4-1. 2016. рр.57-60.

10. Eуstifeeу Е.К, Nesteгoу А. А. Ьу. Уuzoу. Бек.Каук.^юп. Estestу.nauki. 2006.№4. рр. 48-53.

11. Dejneko 1.Р. Hiшija гastite1,nogo pгoizvodstva. 2012. №1. рр.5-20.

12. №решп У.N. soугeшennoe sostojanie i регерекйуу ispo1,zoуanija tehnicheskih 1ignosu1,fonatoу у пагоёпош hozjajstуe.Hiшija i ispo1,zoуanie 1ignina: Tezisy ёок1аёоу 7— Уsesojuznoj konfeгencii-Riga.1987.pp. 169-170.

13. Ье1^ N. О., Уеап W. 0. J.Chгoшotogг.1985.Уo1.331, №4. рр.409-424.

14. Lewis N.0., Coгing D.A., Wong А. Fгactioantion of 1ignosu1fonates гe1eased duгing the еаг1у stages of de1ignifications. Canad.J.Cheш. рр. 344-414.

15. ВоМЬаеу K.N., Lugoуickaja Т.К, Ko1osoу А.У. Po1zunkoуskij уestnik 2009. №3 рр.308-312.

16. Вгоуко О.Б., Pa1aшaгchuk 1.А., Makaгeуich N.A., Во!шуа Т.А. Hiшija гastite1,nogo syг,ja. 2009.№1. рр.29-36.

17. Petгoу N.A., Davydov I.N. Akodis М.М., Кошкоуа Ь.Р., Машаеуа ОО Neftegazoуoe de1o. 2006. рр. 1-12.

18. Zho1obov А.Ь., Zho1oЬoуa Е.А. 1пйепегпу) уestnik Dona (Rus), 2017, №2. URL:iуdon.гu/гu/шagazine/aгchiуe/n2y2013/1705/.

19. Sysoev A.K., Charuhina V.A. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2017, №2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2017/4083/.

20. Sysoev A.K., Charuhina V.A. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2017. №2. URL: URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2017/4146/.

21. Ksenofontova M.M., Mitrofanova A.N., Prjahin A.N., Lunin V.V. Zhurnal Fizicheskoj himii. 2005. t.79.№7.pp.1185-1188.