Synthese und Charakterisierung des Butansulfonat-Celluloseether-Wasserreduzierers

Als Ausgangsstoff wurde mikrokristalline Cellulose (MCC) mit definiertem Polymerisationsgrad verwendet, die durch Säurehydrolyse von Zellulose-Baumwoll-Zellstoff gewonnen wurde. Unter Aktivierung durch Natriumhydroxid wurde sie mit 1,4-Butansulton (BS) umgesetzt, um einen Cellulosebutylsulfonat-Wasserreduzierer (SBC) mit guter Wasserlöslichkeit zu erhalten. Die Produktstruktur wurde mittels Infrarotspektroskopie (FT-IR), Kernspinresonanzspektroskopie (NMR), Rasterelektronenmikroskopie (SEM), Röntgenbeugung (XRD) und weiteren Analysemethoden charakterisiert. Der Polymerisationsgrad, das Ausgangsmaterialverhältnis und die Reaktion der MCC wurden untersucht. Die Auswirkungen der Syntheseprozessbedingungen wie Temperatur, Reaktionszeit und Art des Suspensionsmittels auf die Wasserreduzierungsleistung des Produkts wurden untersucht. Die Ergebnisse zeigen: Bei einem Polymerisationsgrad des Rohmaterials MCC von 45 beträgt das Massenverhältnis der Reaktanten: AGU (Cellulose-Glucosid-Einheit): n (NaOH): n (BS) = 1,0: 2,1: 2,2, das Suspensionsmittel ist Isopropanol, die Aktivierungszeit des Rohmaterials bei Raumtemperatur beträgt 2 Stunden und die Synthesezeit des Produkts beträgt 5 Stunden. Bei einer Temperatur von 80 °C weist das erhaltene Produkt den höchsten Substitutionsgrad mit Butansulfonsäuregruppen auf und hat die beste Wasserreduzierungsleistung.

Schlüsselwörter:Zellulose; Zellulosebutylsulfonat; Wasserreduzierungsmittel; Wasserreduzierende Wirkung

1、Einführung

Betonfließmittel sind unverzichtbare Bestandteile moderner Betone. Sie gewährleisten eine gute Verarbeitbarkeit, Haltbarkeit und hohe Festigkeit. Zu den derzeit weit verbreiteten hocheffizienten Fließmitteln gehören Naphthalin-basierte Fließmittel (SNF), sulfonierte Melaminharz-basierte Fließmittel (SMF), Sulfamat-basierte Fließmittel (ASP), modifizierte Lignosulfonat-Fließmittel (ML) und Polycarboxylat-Fließmittel (PC), die derzeit intensiv erforscht werden. Bei der Synthese von Fließmitteln wird meist Formaldehyd mit seinem starken, stechenden Geruch als Ausgangsstoff für die Polykondensationsreaktion verwendet. Die Sulfonierung erfolgt üblicherweise mit hochkorrosiver rauchender Schwefelsäure oder konzentrierter Schwefelsäure. Dies wirkt sich unweigerlich negativ auf Arbeiter und Umwelt aus und erzeugt große Mengen an Abfallrückständen und Abwasser, was einer nachhaltigen Entwicklung nicht förderlich ist. Polycarboxylat-Wasserreduzierer haben zwar den Vorteil, dass sie mit der Zeit nur einen geringen Betonverlust aufweisen, niedrig dosiert werden können und gut fließen. Sie sind hochdicht und enthalten keine giftigen Substanzen wie Formaldehyd, sind in China jedoch aufgrund ihres hohen Preises schwer zu vermarkten. Aus der Analyse der Rohstoffquellen lässt sich unschwer erkennen, dass die meisten der oben genannten Wasserreduzierer auf Basis petrochemischer Produkte/Nebenprodukte synthetisiert werden, während Erdöl als nicht erneuerbare Ressource immer knapper wird und sein Preis ständig steigt. Daher ist die Nutzung billiger und reichlich vorhandener natürlicher erneuerbarer Ressourcen als Rohstoffe zur Entwicklung neuer leistungsstarker Betonfließmittel zu einer wichtigen Forschungsrichtung für Betonfließmittel geworden.

Cellulose ist ein lineares Makromolekül, das durch die Verknüpfung mehrerer D-Glucopyranosen mit β-(1-4)-glykosidischen Bindungen gebildet wird. Jeder Glucopyranosylring enthält drei Hydroxygruppen. Durch geeignete Behandlung kann eine gewisse Reaktivität erreicht werden. In dieser Arbeit wurde Zellulose-Baumwollzellstoff als Ausgangsmaterial verwendet. Nach der Säurehydrolyse zur Gewinnung von mikrokristalliner Cellulose mit einem geeigneten Polymerisationsgrad wurde dieser mit Natriumhydroxid aktiviert und mit 1,4-Butansulton umgesetzt, um Butylsulfonat als Superweichmacher herzustellen. Die Einflussfaktoren der einzelnen Reaktionen wurden diskutiert.

2. Experiment

2.1 Rohstoffe

Zellulose-Baumwollzellstoff, Polymerisationsgrad 576, Xinjiang Aoyang Technology Co., Ltd.; 1,4-Butansulton (BS), Industriequalität, hergestellt von Shanghai Jiachen Chemical Co., Ltd.; 52.5R gewöhnlicher Portlandzement, bereitgestellt von der Zementfabrik Urumqi; Chinesischer ISO-Standardsand, hergestellt von Xiamen Ace Ou Standard Sand Co., Ltd.; Natriumhydroxid, Salzsäure, Isopropanol, wasserfreies Methanol, Ethylacetat, n-Butanol, Petrolether usw. sind alle analytisch rein und im Handel erhältlich.

2.2 Experimentelle Methode

Man wiegt eine bestimmte Menge Baumwollzellstoff ab und mahlt ihn gründlich. Man gibt ihn in eine Dreihalsflasche, gibt eine bestimmte Konzentration verdünnter Salzsäure hinzu, rührt und erhitzt und hydrolysiert ihn eine Zeit lang, lässt ihn auf Raumtemperatur abkühlen, filtert, wäscht mit Wasser, bis er neutral ist, und trocknet ihn im Vakuum bei 50 °C. Man erhält mikrokristalline Cellulose-Rohmaterialien mit unterschiedlichen Polymerisationsgraden. Man misst ihren Polymerisationsgrad gemäß der Literatur, gibt sie in eine Dreihalsreaktionsflasche, suspendiert sie mit dem 10-fachen ihrer Masse an Suspensionsmittel, gibt unter Rühren eine bestimmte Menge wässriger Natriumhydroxidlösung hinzu, rührt und aktiviert sie eine Zeit lang bei Raumtemperatur, gibt die berechnete Menge 1,4-Butansulton (BS) hinzu, erhitzt auf Reaktionstemperatur und lässt sie eine Zeit lang bei konstanter Temperatur reagieren, kühlt das Produkt auf Raumtemperatur ab und erhält das Rohprodukt durch Saugfiltration. Man spült dreimal mit Wasser und Methanol und filtriert durch Absaugen, um das Endprodukt, nämlich Cellulosebutylsulfonat-Wasserreduzierer (SBC), zu erhalten.

2.3 Produktanalyse und -charakterisierung

2.3.1 Bestimmung des Schwefelgehalts im Produkt und Berechnung des Substitutionsgrades

Mit dem Elementaranalysator FLASHEA-PE2400 wurde eine Elementaranalyse des getrockneten Cellulosebutylsulfonat-Wasserreduziererprodukts durchgeführt, um den Schwefelgehalt zu bestimmen.

2.3.2 Bestimmung der Fließfähigkeit von Mörtel

Gemessen gemäß 6.5 in GB8076-2008. Das heißt, zuerst wird die Mischung aus Wasser, Zement und Normsand mit dem Fließfähigkeitsprüfgerät für Zementmörtel NLD-3 gemessen, wenn der Ausdehnungsdurchmesser (180 ± 2) mm beträgt. Beim Zement beträgt der gemessene Referenzwasserverbrauch 230 g. Anschließend wird dem Wasser ein Wasserreduktionsmittel im Verhältnis 1 % der Zementmasse zugegeben. Im Verhältnis 450 g/4,5 g/230 g/Zement werden 1350 g in einen Zementmörtelmischer JJ-5 gegeben und gleichmäßig verrührt. Der Ausdehnungsdurchmesser des Mörtels wird mit dem Fließfähigkeitsprüfgerät für Mörtel gemessen, was der gemessenen Fließfähigkeit des Mörtels entspricht.

2.3.3 Produktcharakterisierung

Die Probe wurde mittels FT-IR unter Verwendung des Fourier-Transformations-Infrarotspektrometers Typ EQUINOX 55 der Firma Bruker charakterisiert; das H-NMR-Spektrum der Probe wurde mit dem supraleitenden Kernspinresonanzgerät INOVA ZAB-HS der Firma Varian charakterisiert; die Morphologie des Produkts wurde unter einem Mikroskop beobachtet; an der Probe wurde eine XRD-Analyse unter Verwendung eines Röntgendiffraktometers M18XHF22-SRA der Firma MAC durchgeführt.

3. Ergebnisse und Diskussion

3.1 Charakterisierungsergebnisse

3.1.1 Ergebnisse der FT-IR-Charakterisierung

Eine Infrarotanalyse wurde an dem Rohmaterial mikrokristalline Cellulose mit einem Polymerisationsgrad Dp=45 und dem aus diesem Rohmaterial synthetisierten Produkt SBC durchgeführt. Da die Absorptionsspitzen von SC und SH sehr schwach sind, sind sie zur Identifizierung nicht geeignet, während S=O eine starke Absorptionsspitze aufweist. Daher kann durch Bestätigung der Existenz der S=O-Spitze bestimmt werden, ob die Molekülstruktur eine Sulfonsäuregruppe enthält. Im Cellulosespektrum gibt es offensichtlich eine starke Absorptionsspitze bei einer Wellenzahl von 3344 cm⁻¹, die der Hydroxyl-Streckschwingungsspitze in Cellulose zugeschrieben wird; die stärkere Absorptionsspitze bei einer Wellenzahl von 2923 cm⁻¹ ist die Streckschwingungsspitze von Methylen (-CH2). Schwingungsspitze; die Reihe von Bändern bestehend aus 1031, 1051, 1114 und 1165 cm⁻¹ spiegelt die Absorptionsspitze der Hydroxyl-Streckschwingung und die Absorptionsspitze der Etherbindungs-(COC)-Biegeschwingung wider; Die Wellenzahl 1646 cm⁻¹ gibt den Absorptionspeak der durch Hydroxylgruppen und freies Wasser gebildeten Wasserstoffbrücken wieder; der Bereich zwischen 1432 und 1318 cm⁻¹ weist auf eine Zellulosekristallstruktur hin. Im Infrarotspektrum der SBC nimmt die Intensität des Bereichs zwischen 1432 und 1318 cm⁻¹ ab, während die Intensität des Absorptionspeaks bei 1653 cm⁻¹ zunimmt, was auf eine erhöhte Fähigkeit zur Bildung von Wasserstoffbrücken hinweist; die Absorptionspeaks bei 1040 und 605 cm⁻¹ erscheinen stärker und erscheinen im Infrarotspektrum der Zellulose nicht. Der Absorptionspeak ist charakteristisch für S=O-Bindungen, der Absorptionspeak für SO-Bindungen. Aus der obigen Analyse geht hervor, dass die Molekülkette der Zellulose nach der Veretherungsreaktion Sulfonsäuregruppen enthält.

3.1.2 H-NMR-Charakterisierungsergebnisse

Im H-NMR-Spektrum von Cellulosebutylsulfonat ist Folgendes zu sehen: Die chemische Verschiebung des Wasserstoffprotons von Cyclobutyl liegt zwischen γ = 1,74 und 2,92, und die chemische Verschiebung der Celluloseanhydroglucoseeinheit liegt zwischen γ = 3,33 und 4,52. Die chemische Verschiebung des Sauerstoffprotons bei γ = 4,52 bis 6 ist die chemische Verschiebung des Methylenprotons in der an Sauerstoff gebundenen Butylsulfonsäuregruppe. Bei γ = 6 bis 7 ist kein Peak vorhanden, was darauf hinweist, dass im Produkt keine anderen Protonen vorhanden sind.

3.1.3 SEM-Charakterisierungsergebnisse

Rasterelektronenmikroskopische Untersuchung von Zellstoff aus Baumwolle, mikrokristalliner Zellulose und dem Produkt Cellulosebutylsulfonat. Die Analyse der Rasterelektronenmikroskopie (SEM) von Zellstoff aus Baumwolle, mikrokristalliner Zellulose und dem Produkt Cellulosebutansulfonat (SBC) zeigt, dass die nach Hydrolyse mit HCL erhaltene mikrokristalline Zellulose die Struktur der Zellulosefasern deutlich verändern kann. Die Faserstruktur wurde zerstört, und es entstanden fein agglomerierte Zellulosepartikel. Das durch weitere Reaktion mit BS erhaltene SBC wies keine Faserstruktur auf und wandelte sich im Wesentlichen in eine amorphe Struktur um, was seine Wasserlöslichkeit begünstigte.

3.1.4 XRD-Charakterisierungsergebnisse

Die Kristallinität von Cellulose und ihren Derivaten gibt den prozentualen Anteil des kristallinen Bereichs an, der durch die Cellulose-Einheitsstruktur insgesamt gebildet wird. Bei chemischen Reaktionen von Cellulose und ihren Derivaten werden die Wasserstoffbrücken im Molekül und zwischen den Molekülen zerstört, wodurch der kristalline Bereich amorph wird und die Kristallinität abnimmt. Daher ist die Veränderung der Kristallinität vor und nach der Reaktion ein Maß dafür, ob Cellulose an der Reaktion teilnimmt oder nicht. Eine XRD-Analyse wurde an mikrokristalliner Cellulose und dem Produkt Cellulosebutansulfonat durchgeführt. Ein Vergleich zeigt, dass sich die Kristallinität nach der Veretherung grundlegend ändert und das Produkt vollständig amorph ist und somit wasserlöslich ist.

3.2 Der Einfluss des Polymerisationsgrades der Rohstoffe auf die Wasserreduzierungsleistung des Produkts

Die Fließfähigkeit des Mörtels spiegelt direkt dessen Wasserreduktionsleistung wider, und der Schwefelgehalt des Produkts ist einer der wichtigsten Faktoren, die die Fließfähigkeit des Mörtels beeinflussen. Die Fließfähigkeit des Mörtels ist ein Maß für die Wasserreduktionsleistung des Produkts.

Nachdem Sie die Bedingungen der Hydrolysereaktion geändert haben, um MCC mit unterschiedlichen Polymerisationsgraden herzustellen, wählen Sie gemäß der obigen Methode einen bestimmten Syntheseprozess zur Herstellung von SBC-Produkten aus, messen Sie den Schwefelgehalt, um den Produktsubstitutionsgrad zu berechnen, und geben Sie die SBC-Produkte zum Wasser/Zement/Standardsand-Mischsystem hinzu. Messen Sie die Fließfähigkeit des Mörtels.

Aus den Versuchsergebnissen geht hervor, dass innerhalb des untersuchten Bereichs bei hohem Polymerisationsgrad des mikrokristallinen Cellulose-Rohmaterials der Schwefelgehalt (Substitutionsgrad) des Produkts und die Fließfähigkeit des Mörtels niedrig sind. Dies liegt daran, dass das geringe Molekulargewicht des Rohmaterials eine gleichmäßige Vermischung des Rohmaterials und das Eindringen des Veretherungsmittels begünstigt, wodurch der Veretherungsgrad des Produkts verbessert wird. Die Wasserreduktionsrate des Produkts steigt jedoch nicht linear mit abnehmendem Polymerisationsgrad des Rohmaterials an. Die Versuchsergebnisse zeigen, dass die Mörtelfließfähigkeit der mit SBC gemischten Zementmörtelmischung, die unter Verwendung von mikrokristalliner Cellulose mit einem Polymerisationsgrad Dp < 96 (Molekulargewicht < 15552) hergestellt wurde, über 180 mm liegt (was höher ist als die Benchmark-Fließfähigkeit ohne Wasserreduktionsmittel). Dies zeigt, dass SBC unter Verwendung von Cellulose mit einem Molekulargewicht von weniger als 15552 hergestellt werden kann und eine bestimmte Wasserreduktionsrate erreicht werden kann. SBC wird aus mikrokristalliner Zellulose mit einem Polymerisationsgrad von 45 (Molekulargewicht 7290) hergestellt und der Betonmischung zugegeben. Die gemessene Fließfähigkeit des Mörtels ist am höchsten, sodass Zellulose mit einem Polymerisationsgrad von etwa 45 als am besten zur Herstellung von SBC geeignet gilt. Wenn der Polymerisationsgrad der Ausgangsmaterialien über 45 liegt, nimmt die Fließfähigkeit des Mörtels allmählich ab, was bedeutet, dass die Wasserreduktionsrate abnimmt. Denn wenn das Molekulargewicht hoch ist, steigt einerseits die Viskosität des Mischungssystems, die Dispersionsgleichmäßigkeit des Zements wird schlechter und die Dispersion im Beton erfolgt langsam, was den Dispersionseffekt beeinträchtigt. Andererseits liegen bei einem hohen Molekulargewicht die Makromoleküle des Fließmittels in einer zufälligen Knäuelanordnung vor, die relativ schwer an der Oberfläche der Zementpartikel zu adsorbieren ist. Wenn der Polymerisationsgrad des Rohmaterials jedoch unter 45 % liegt, nimmt die Fließfähigkeit der Mörtelmischung zwar ab, obwohl der Schwefelgehalt (Substitutionsgrad) des Produkts relativ hoch ist, aber nur sehr geringfügig. Der Grund dafür ist, dass bei einem geringen Molekulargewicht des Wasserreduzierers die Moleküldiffusion zwar leicht ist und eine gute Benetzbarkeit aufweist, die Adsorptionsfestigkeit des Moleküls jedoch größer ist als die des Moleküls selbst, die Wassertransportkette sehr kurz ist und die Reibung zwischen den Partikeln groß ist, was sich schädlich auf Beton auswirkt. Die Dispersionswirkung ist nicht so gut wie bei Wasserreduzierern mit höherem Molekulargewicht. Daher ist es sehr wichtig, das Molekulargewicht der Porenoberfläche (Zellulosesegment) richtig zu kontrollieren, um die Leistung des Wasserreduzierers zu verbessern.

3.3 Der Einfluss der Reaktionsbedingungen auf die Wasserreduzierungsleistung des Produkts

Durch Experimente wurde festgestellt, dass neben dem Polymerisationsgrad von MCC auch das Verhältnis der Reaktanten, die Reaktionstemperatur, die Aktivierung der Rohstoffe, die Produktsynthesezeit und die Art des Suspensionsmittels die wasserreduzierende Leistung des Produkts beeinflussen.

3.3.1 Reaktantenverhältnis

(1) Die Dosierung von BS

Unter den durch andere Prozessparameter bestimmten Bedingungen (der Polymerisationsgrad von MCC beträgt 45, n(MCC):n(NaOH)=1:2,1, das Suspensionsmittel ist Isopropanol, die Aktivierungszeit der Cellulose bei Raumtemperatur beträgt 2 Stunden, die Synthesetemperatur beträgt 80 °C und die Synthesezeit 5 Stunden), soll die Auswirkung der Menge des Veretherungsmittels 1,4-Butansulton (BS) auf den Substitutionsgrad der Butansulfonsäuregruppen des Produkts und die Fließfähigkeit des Mörtels untersucht werden.

Es ist ersichtlich, dass mit zunehmender BS-Menge der Substitutionsgrad der Butansulfonsäuregruppen und die Fließfähigkeit des Mörtels deutlich zunehmen. Bei einem Verhältnis von BS zu MCC von 2,2:1 erreichen die Fließfähigkeit von DS und des Mörtels ihren Höchstwert. Zu diesem Zeitpunkt wird die Wasserreduzierungsleistung als am besten angesehen. Der BS-Wert steigt weiter an, und sowohl der Substitutionsgrad als auch die Fließfähigkeit des Mörtels beginnen zu sinken. Dies liegt daran, dass BS bei zu viel BS mit NaOH reagiert und HO-(CH₂)₄SO₃Na bildet. Daher wird in dieser Arbeit das optimale Materialverhältnis von BS zu MCC von 2,2:1 gewählt.

(2) Die Dosierung von NaOH

Unter den durch andere Prozessparameter bestimmten Bedingungen (der Polymerisationsgrad von MCC beträgt 45, n(BS):n(MCC)=2,2:1. Das Suspensionsmittel ist Isopropanol, die Aktivierungszeit der Cellulose bei Raumtemperatur beträgt 2 Stunden, die Synthesetemperatur beträgt 80 °C und die Synthesezeit 5 Stunden), soll die Auswirkung der Natriumhydroxidmenge auf den Substitutionsgrad der Butansulfonsäuregruppen im Produkt und die Fließfähigkeit des Mörtels untersucht werden.

Man kann erkennen, dass der Substitutionsgrad von SBC mit zunehmender Reduktionsmenge schnell zunimmt und nach Erreichen des Höchstwerts zu sinken beginnt. Das liegt daran, dass bei einem hohen NaOH-Gehalt zu viele freie Basen im System vorhanden sind und die Wahrscheinlichkeit von Nebenreaktionen steigt, wodurch mehr Veretherungsmittel (BS) an Nebenreaktionen beteiligt sind und somit der Substitutionsgrad der Sulfonsäuregruppen im Produkt sinkt. Bei höheren Temperaturen zersetzt zu viel NaOH auch die Cellulose, und bei einem niedrigeren Polymerisationsgrad wird die wasserreduzierende Wirkung des Produkts beeinträchtigt. Versuchsergebnissen zufolge ist der Substitutionsgrad bei einem Molverhältnis von NaOH zu MCC von etwa 2,1 am höchsten, sodass in dieser Arbeit ein Molverhältnis von NaOH zu MCC von 2,1:1,0 ermittelt wird.

3.3.2 Einfluss der Reaktionstemperatur auf die Wasserreduzierungsleistung des Produkts

Unter den durch andere Prozessparameter bestimmten Bedingungen (der Polymerisationsgrad von MCC beträgt 45, n(MCC):n(NaOH):n(BS)=1:2,1:2,2, das Suspensionsmittel ist Isopropanol und die Aktivierungszeit der Cellulose bei Raumtemperatur beträgt 2 Stunden. Zeit 5 Stunden) wurde der Einfluss der Synthesereaktionstemperatur auf den Substitutionsgrad der Butansulfonsäuregruppen im Produkt untersucht.

Es ist ersichtlich, dass der Sulfonsäure-Substitutionsgrad DS von SBC mit steigender Reaktionstemperatur allmählich zunimmt, aber wenn die Reaktionstemperatur 80 °C übersteigt, zeigt DS eine abnehmende Tendenz. Die Veretherungsreaktion zwischen 1,4-Butansulton und Cellulose ist eine endotherme Reaktion, und eine Erhöhung der Reaktionstemperatur wirkt sich günstig auf die Reaktion zwischen dem Veretherungsmittel und der Cellulosehydroxylgruppe aus. Mit steigender Temperatur nimmt jedoch die Wirkung von NaOH und Cellulose allmählich zu. Sie wird stärker, was zum Abbau und Abfall der Cellulose führt, was eine Verringerung des Molekulargewichts der Cellulose und die Entstehung von niedermolekularen Zuckern zur Folge hat. Die Reaktion solch niedermolekularer Zucker mit Veretherungsmitteln ist relativ einfach und es wird mehr Veretherungsmittel verbraucht, was den Substitutionsgrad des Produkts beeinflusst. Daher wird in dieser Arbeit davon ausgegangen, dass 80 °C die am besten geeignete Reaktionstemperatur für die Veretherungsreaktion von BS und Cellulose sind.

3.3.3 Einfluss der Reaktionszeit auf die Wasserreduzierungsleistung des Produkts

Die Reaktionszeit wird in die Aktivierung der Rohstoffe bei Raumtemperatur und die Synthesezeit der Produkte bei konstanter Temperatur unterteilt.

(1) Aktivierungszeit der Rohstoffe bei Raumtemperatur

Untersuchen Sie unter den oben genannten optimalen Prozessbedingungen (MCC-Polymerisationsgrad ist 45, n(MCC):n(NaOH):n(BS)=1:2,1:2,2, Suspensionsmittel ist Isopropanol, Synthesereaktionstemperatur ist 80°C, Produktsynthesezeit bei konstanter Temperatur 5 h) den Einfluss der Aktivierungszeit bei Raumtemperatur auf den Substitutionsgrad der Butansulfonsäuregruppe des Produkts.

Es ist ersichtlich, dass der Substitutionsgrad der Butansulfonsäuregruppe des Produkts SBC mit zunehmender Aktivierungszeit zunächst zunimmt und dann abnimmt. Der Grund für die Analyse könnte darin liegen, dass mit zunehmender Einwirkzeit von NaOH der Zelluloseabbau stark zunimmt. Durch die Verringerung des Molekulargewichts der Zellulose entstehen niedermolekulare Zucker. Die Reaktion dieser niedermolekularen Zucker mit Veretherungsmitteln ist relativ einfach, und es werden mehr Veretherungsmittel verbraucht, was den Substitutionsgrad des Produkts beeinflusst. Daher wird in dieser Arbeit davon ausgegangen, dass die Aktivierungszeit der Rohstoffe bei Raumtemperatur 2 Stunden beträgt.

(2) Produktsynthesezeit

Unter den oben beschriebenen optimalen Prozessbedingungen wurde der Einfluss der Aktivierungszeit bei Raumtemperatur auf den Substitutionsgrad der Butansulfonsäuregruppe des Produkts untersucht. Es ist ersichtlich, dass mit zunehmender Reaktionszeit der Substitutionsgrad zunächst zunimmt, der DS jedoch nach 5 Stunden abnimmt. Dies hängt mit der freien Base zusammen, die bei der Veretherungsreaktion der Cellulose vorhanden ist. Bei höheren Temperaturen führt eine verlängerte Reaktionszeit zu einem Anstieg des alkalischen Hydrolysegrads der Cellulose, einer Verkürzung der Cellulosemolekülkette, einer Verringerung des Molekulargewichts des Produkts und einer Zunahme von Nebenreaktionen, was zu einem Rückgang des Substitutionsgrads führt. In diesem Experiment beträgt die ideale Synthesezeit 5 Stunden.

3.3.4 Der Einfluss der Art des Suspensionsmittels auf die Wasserreduzierungsleistung des Produkts

Unter optimalen Prozessbedingungen (MCC-Polymerisationsgrad ist 45, n(MCC):n(NaOH):n(BS)=1:2,1:2,2, die Aktivierungszeit der Rohstoffe bei Raumtemperatur beträgt 2 Stunden, die Synthesezeit der Produkte bei konstanter Temperatur beträgt 5 Stunden und die Synthesereaktionstemperatur 80 °C) werden jeweils Isopropanol, Ethanol, n-Butanol, Ethylacetat und Petrolether als Suspensionsmittel ausgewählt und deren Einfluss auf die Wasserreduzierungsleistung des Produkts diskutiert.

Offensichtlich können Isopropanol, n-Butanol und Ethylacetat alle als Suspensionsmittel in dieser Veretherungsreaktion verwendet werden. Die Rolle des Suspensionsmittels besteht neben der Dispergierung der Reaktanten darin, die Reaktionstemperatur zu steuern. Der Siedepunkt von Isopropanol liegt bei 82,3 °C. Daher wird Isopropanol als Suspensionsmittel verwendet, um die Temperatur des Systems nahe der optimalen Reaktionstemperatur zu steuern, und der Substitutionsgrad der Butansulfonsäuregruppen im Produkt und die Fließfähigkeit des Mörtels sind relativ hoch; während der Siedepunkt von Ethanol zu niedrig ist, erfüllt die Reaktionstemperatur nicht die Anforderungen, der Substitutionsgrad der Butansulfonsäuregruppen im Produkt und die Fließfähigkeit des Mörtels sind gering; Petrolether kann an der Reaktion teilnehmen, sodass kein dispergiertes Produkt erhalten werden kann.

4 Fazit

(1) Verwendung von Baumwollzellstoff als Ausgangsmaterial,mikrokristalline Cellulose (MCC)mit einem geeigneten Polymerisationsgrad wurde hergestellt, mit NaOH aktiviert und mit 1,4-Butansulton umgesetzt, um wasserlöslichen Butylsulfonsäure-Celluloseether, also einen Wasserreduzierer auf Cellulosebasis, herzustellen. Die Struktur des Produkts wurde charakterisiert und es wurde festgestellt, dass sich nach der Veretherungsreaktion der Cellulose Sulfonsäuregruppen an ihrer Molekülkette befanden, die sich in eine amorphe Struktur umgewandelt hatten, und dass das Wasserreduziererprodukt eine gute Wasserlöslichkeit aufwies;

(2) Experimentell wurde festgestellt, dass die Wasserreduktionsleistung des erhaltenen Produkts bei einem Polymerisationsgrad von mikrokristalliner Cellulose von 45 % am besten ist. Unter der Voraussetzung, dass der Polymerisationsgrad der Ausgangsstoffe bestimmt wird, das Verhältnis der Reaktanten n(MCC):n(NaOH):n(BS)=1:2,1:2,2 beträgt, die Aktivierungszeit der Ausgangsstoffe bei Raumtemperatur 2 Stunden beträgt, die Produktsynthesetemperatur 80 °C beträgt und die Synthesezeit 5 Stunden beträgt, ist die Wasserreduktionsleistung optimal.