Воронежского государственного архитектурно-строительного университета студент и наука

Сорокин А.В., Стогниенко В.С. Тимошинов О.В.
Влияние модифицированной водной дисперсии ПВА на свойства цементных композиций
В работе с помощью современного оборудования FТ-NIR 06 и спектрометра динамического рассеяния света Photocor Complex исследован водорастворимый полимер, полученный щелочным гидролизом из водной дисперсии ПВА, который использовался в дальнейшем для получения модифицированных цементных композиций и древесины. Полученные данные указывают на то, что ВРП позволил повысить стойкость и эксплуатационные свойства древесных и цементных композиций.
Ключевые слова: модификатор, цементные композиции, ИКС, ПВА, пропитка, ПВС.
Sorokin A.V., Stognienko V.S., Timoshinov O.V.
INFLUENCE OF MODIFIED AQUEOS PVAC DISPERSION

ON THE PROPERTIES OF CEMENT COMPOSITIONS
The paper deals with the investigation of water-soluble polymer (WSP) produced by alkaline hydrolysis from PVAC  aqueous dispersion, which was further used for obtaining modified cement compositions and wood. This was done on the basis of up-to-date FT-NIR 06 equipment and dynamic light scattering instrument Photocor Complex. The results obtained show that WSP made it possible to increase stability and operating properties of wood and cement compositions.
Keywords: modifier, cement compositions, infrared spectroscopy (IR spectroscopy), polyvinyl acetate (PVAC), impregnation, polyvinyl alcohol (PVOH).

В последнее время в строительстве предпочитают использовать высококачественные материалы, полученные из недорогого или вторичного сырья. Однако, на пути разработки таких материалов возникает множество проблем, которые затрудняют получение различ

ных композиционных строительных материалов отвечающих основным требованиям качества.

_____________________________________________________________________________

Сорокин А.В., Стогниенко В.С. Тимошинов О.В., 2013

Для защиты бетонных, железобетонных и каменных строительных конструкций эффективны материалы на цементной основе, позволяющие влиять на структурные дефекты изолируемой поверхности (трещины, поры и.т.п.) и способные наноситься на влажную основу.

В целом повышение стойкости цементных покрытий связано с увеличением трещиностойкости, паропроницаемости и водозащитных свойств, что можно обеспечить путём модифицирования цементных систем водорастворимыми полимерами (ВРП).

В ряду ВРП поливиниловый спирт (ПВС) - является одним из самых перспективных полимеров, что объясняется его доступной сырьевой базой и широкими возможностями модификации структуры и свойств.

В отличие от большинства полимеров на основе виниловых мономеров, ПВС не может быть получен непосредственно из соответствующего мономера – винилового спирта (ВС). За многие десятки лет исследований накоплен достаточно большой экспериментальный материал по проблеме получения ПВС. Большинство научных работ относится только к одной разновидности процесса синтеза ПВС – каталитической переэтерификации ПВА в среде осушенного метилового спирта - метанолизу, в присутствии катализаторов кислот и щелочей. Характерным недостатком процесса метанолиза ПВА является резкое изменение фазового состояния системы, что приводит к образованию геля во всем объеме реактора при конверсии порядка 50%. Следствием этого нежелательного явления являются снижение скорости процесса и трудности на стадии выделения полимера [1].

Решением данной проблемы может стать разработка процесса омыления ПВА, в котором гелеобразование полностью отсутствует. В работе [2] авторами были подобраны оптимальные условия, при которых получен низкомолекулярный модификатор, обладающий хорошей устойчивостью и высокой проникающей способностью в древесных образцах различных пород.

На основании вышесказанного возникла идея получения цементных композиций на основе созданного модификатора, которая бы позволяла повысить их стойкость и эксплуатационные свойства. Проверить проникающую способность полученного модификатора в цементных образцах.

На первом этапе работы для подтверждения получения низкомолекулярного модификатора или ВРП из водной дисперсии ПВА в результате щелочного гидролиза, были получены и изучены инфракрасные спектры поглощения (ИКС). ИК-спектроскопию проводили на установке FТ-NIR 06.

Полученные результаты представлены ниже на графических зависимостях.

Рис. 1. Зависимость спектра поглощения от волнового числа для образца сравнения(ПВС)

Рис. 2. Зависимость спектра поглощения от волнового числа для модифицированного 10% ПВА 4% щелочью (t = 20⁰C, τ = 72ч.)


Рис. 3. Зависимость спектра поглощения от волнового числа для модифицированного 10% ПВА 4% щелочью (t=100⁰C, τ=1ч.)

Анализируя представленные зависимости видно, что области возникновения спектральных пиков поглощения исследуемых систем практически полностью совпадают с частотами в спектрах эталонного образца ПВС. В области волнового числа от 1300 до 1600 (см^-1) в разных исследуемых образцах обнаружены дополнительные пики в отличие от спектров поглощения промышленного ПВС, которые указывают на наличие винилацетатных групп, однако эти пики малоинтенсивны и их трудно идентифицировать на фоне интенсивного поглощения групп –CH₂- и – СН₃. Из литературы по спектральному анализу [3] известно, что положение полос поглощения валентных колебаний связи С=О для различных групп в области от 1650 до 1800 см^-1 характерны для низкомолекулярных соединений, что в свою очередь дает нам право считать, что нами получен низкомолекулярный модификатор.

Для подтверждения выше сказанного был проведен дополнительный анализ исследуемых водорастворимых полимеров. На спектрометре динамического рассеяния света Photocor Complex, который предназначен для измерения размеров наночастиц, коэффициентов диффузии и молекулярного веса полимеров, был получен ряд результатов по размеру частиц дисперсной фазы различных веществ. К исследованию были представлены следующие образцы: водная дисперсия ПВА, эталонный образец ПВС и ряд исследуемых модификаторов, полученных в различных условиях. Сравнительную характеристику по размерам частиц дисперсной фазы проведем по полученным результатам, которые представлены в таблице.

Таблица.

Характеристика по размерам частиц дисперсной фазы

ОБРАЗЕЦ	Пик	Область	Значение
ПВА	1	0,808	233
	2	0,192	21000
ВРП (10% ПВА, 4% NaOH; t = 200C, τ = 72 ч.)	1	0,095	35,11
	2	0,515	300,1
	3	0,39	5032
ВРП (10% ПВА, 4% NaOH; t = 1000C, τ = 24 ч.)	1	0,021	10,73
	2	0,297	207,7
	3	0,664	1141
ПВС (промышленный)	1	0,099	47,18
	2	0,648	355,4
	3	0,229	5894

Из представленных данных видно, что средний радиус наночастиц полученного модификатора при t = 20⁰C и τ = 72 ч. составляет 35, 300 и 5032 нм, а НЧ промышленного ПВС – 47, 355 и 5894 нм. Такие результаты позволяют судить о том, что размер частиц дисперсной фазы исследуемого образца и промышленного ПВС практически совпадают, а следовательно можно уже утверждать, что получен низкомолекулярный ВРП.

Вторым этапом данной работы являлось разработать методику получения цементных композиций на основе созданного модификатора, которая бы позволяла повысить их стойкость и эксплуатационные свойства. Опираясь на ГОСТ, были приготовлены модифицированные цементные композиции. Время выдержки было выбрано 7 суток. Затем, готовые образцы помещались под гидравлический пресс для определения предела прочности при сжатии. Полученные результаты указывают на то, что модифицированные цементные композиции низкомолекулярным ВРП оказались прочнее холостой пробы ~ в 2- 2,5 раза.

Последним этапом нашей работы была проверка модифицированных цементных композиций на водопроницае мость. Полученные результаты указывают на то, что цементные композиции, приготовленные в присутствии низкомолекулярного ВРП, обладают большим водопоглощением, чем в отсутствии его. Возможно, это происходит за счет того, что ВРП имеют склонность к набуханию, что в свою очередь требует избытка воды. Известно, что за счет набухания ВРП в цементных композициях могут протекать два эффекта: 1) снижение прочности на сжатие; 2) увеличение гибкости. Однако, несмотря на то, что прочность на сжатие уменьшается при введении ВРП – это не является препятствием для их использования в цементных растворах, т.к. прочность на сжатие не является доминирующим параметром, определяющим эксплуатационные свойства [4]. Полученный модификатор наоборот увеличил прочностные показатели, что позволяет нам судить о его возможном использовании в строительных цементных композициях.

Выводы

В ходе исследований установлена идентификация полученного модификатора с низкомолекулярным ПВС. Обнаружено, что в модифицированных цементных композициях увеличиваются прочность при сжатии и водопоглощение, что позволяет судить о высокой проникающей способности модификатора, который химически прочно фиксируется в структуре цементного раствора за счет набухания. Это приводит к

гибкости, а следовательно и уменьшению трещин модифицированных цементных композиций. Исследования позволяют рекомендовать ВРП, полученный щелочным гидролизом на основе водной дисперсии ПВА для использования в строительстве.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Бойко Виктор Викторович. Синтез поливинилового спирта в водно-спиртовых средах : Дис. канд. хим. наук : 02.00.06 : Москва, 2004 112 c. РГБ ОД, 61:04-2/321

2. Бобров Д.В., Плыгин Д.А., Иванов В.И. Изучение свойств пропиточных материалов на основе водной дисперсии ПВА./Научный вестник Воронежского ГАСУ. Серия: Студент и наука. Воронеж, 2012, выпуск №8, с. 11-15.

3. Тарутина Л.И., Позднякова Ф.О. Спектральный анализ полимеров/ Л.; Химия ленинградское отделение, 1986. — 248 с.

4. Вавренюк C.B. Отделочные композиции на основе местного сырья и отходов./ Развитие технологии и повышение качества строительных материалов. Сб. трудов всесоюз. научн.-техн. конф. Киев, 1988, с. 15-17.
BIBLIOGRAPHY

1. 
   V.V. Boyko. Synthesis of polyvinyl alcohol in an aqueous-alcoholic medium: Dis. Cand. of Chem. sci.: 02.00.06: Moscow, 2004 p.112 RSL DD , 61:04-2/321
   
2. 
   D.V. Bobrov, D.A. Plygin, V.I. Ivanov. Study of the properties of impregnating material based on an aqueous dispersion of PVAC. / Scientific Newsletter of VSUACE. Range: Student and Science. Voronezh, 2012, issue №8, p. 11-15.
   
3. 
   L.I. Tarutina, F.O. Pozdnyakova. Spectral analysis of polymers/ — L; Chemistry, Leningrad’s department, 1986. — p.248.
   
4. 
   S.V. Vavrenyuk. Finishing compositions based on local raw materials and waste. / The development of technology and the improvement of the quality of building materials. Proceedings of the All-Union Scientific-Technical Conference. Kiev, 198, p.15-17.
   

Научный руководитель: к.х.н., ст. преподаватель Вострикова Г.Ю.

Научное издание

НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК

Воронежского государственного архитектурно-строительного университета

Серия «Студент и наука»

2013г., выпуск 4
Научно-технический журнал

Статьи отпечатаны в авторской редакции

1^ Суворова А.Л. Инновационный менеджмент, 1999, с. 15.

2