CN101198564A - 改性硫和包括作为粘合剂的改性硫的产品 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了由熔融的元素硫与一种或多种烯属的硫改性剂混合而制备的改性硫,其中至少50wt%的所述烯属硫改性剂是5-亚乙基-2-降冰片烯和/或5-乙烯基-2-降冰片烯,且其中烯属硫改性剂的总量占硫的重量的0.1-20wt%。本发明还提供了包括作为粘合剂的这类改性硫的产品,其制备如下:在温度高于硫的熔融温度下混合这类改性硫、填料和/或聚集物、和任选的元素硫,和通过将该混合物冷却到低于硫的熔融温度的温度来凝固该混合物。
Description
发明领域
本发明提供了改性硫和包括作为粘合剂的改性硫的产品,其制备如下:在温度高于硫的熔融温度下混合这类改性硫、填料和/或聚集物、和任选的元素硫,和通过将该混合物冷却到低于硫的熔融温度的温度来凝固该混合物。
发明背景
常规的建筑材料例如基于波特兰水泥的灰浆或混凝土在碱性条件下具有良好的耐久性。然而,它们的耐酸性差。在酸性条件下,可使用带硫作为粘合剂的建筑材料,因为这些材料在酸性条件下显示出非常好的稳定性。然而,硫粘结的产品的耐碱性差,特别是如果与波特兰水泥产品相比时。
在硫粘结的材料例如硫水泥或硫水泥-聚集物复合物中,使用元素硫作为粘合剂。在这类产品中使用的硫通常被改性或塑化,以防止固体硫的同素异形转变。通常使一部分硫与硫改性剂(也称作硫塑化剂)反应来制备改性硫。硫改性剂的公知的种类是与硫共聚的烯属化合物。这类烯属硫改性剂的已知实例是双环戊二烯、柠檬烯、苯乙烯或萘。例如参见B.R.Currell等人″Plasticization of Sulfur″In:J.R.West(ed.),Proceedings of symposium″New Uses of Sulfur″,LosAngeles,April 1974,Advances in Chemistry Series No.140,Am.Chem.Soc,Washington,1975,页1-17。
塑化的或改性的硫可以所谓的浓缩物的形式使用,即与相对大量的改性剂反应的硫。为了制备硫粘结的产品例如混凝土,然后该浓缩物在高于硫的熔融温度的温度下与其它硫、填料和聚集物混合并凝固。
发明概述
现已发现,如果使用以特定量的5-亚乙基-2-降冰片烯或5-乙烯基-2-降冰片烯改性的硫作为粘合剂,可得到在酸性和碱性条件下都显示良好耐久性的水泥或水泥基的建筑材料。
使用亚乙基降冰片烯或5-乙烯基降冰片烯作为硫改性剂是已知的。在Research Disclosureno.22924,1983中提到了亚乙基降冰片烯或5-乙烯基降冰片烯作为硫塑化剂。在该实例中,使元素硫与占硫的重量40-43wt%的烯属塑化剂(作为包括亚乙基降冰片烯和5-乙烯基降冰片烯的共混物)反应而制备塑化的硫。所得到的塑化的硫是黑色玻璃态固体,且因此不适于进一步加工成硫粘结的产品例如水泥、灰浆或混凝土。
现已发现,如果所使用的烯属改性剂包括至少50wt%的5-亚乙基-2-降冰片烯或5-乙烯基-2-降冰片烯,且在改性硫制备方法的任何阶段烯属改性剂的总浓度不超过硫的重量的20wt%,得到的改性硫如果用于硫粘结的产品,导致硫粘结的产品既耐酸又耐碱。
因此,本发明涉及由熔融的元素硫与一种或多种烯属硫改性剂混合而制备的改性硫,其中至少50wt%的所述烯属硫改性剂是5-亚乙基-2-降冰片烯和/或5-乙烯基-2-降冰片烯,且其中烯属硫改性剂的总量占硫的重量的0.1-20wt%。
本发明的改性硫的优点是其高耐碱性。改性硫本身和由其制备的硫粘结的产品都具有惊人的高耐碱性。
与用最普通的硫改性剂(即双环戊二烯)制备的改性硫相比,本发明的改性硫的其它优点是5-亚乙基-2-降冰片烯和5-乙烯基-2-降冰片烯的毒性更低且稳定性更高。因此,5-亚乙基-2-降冰片烯和/或5-乙烯基-2-降冰片烯加工到改性硫中比双环戊二烯的加工简单。
本发明的改性硫的其它优点是它的颜色浅。因此,使用本发明的改性硫的硫粘结的产品的颜色浅并可用颜料着色成所希望的颜色。
其它方面,本发明涉及包括作为粘合剂的改性硫的产品,其制备如下:在温度高于硫的熔融温度下混合以上定义的改性硫、填料和/或聚集物、和任选的硫,和通过将该混合物冷却到低于硫的熔融温度的温度来凝固所得到的该混合物。
发明详述
由熔融的元素硫与一种或多种烯属的硫改性剂混合而制备本发明的改性硫。至少50wt%的与所述元素硫混合的所述烯属硫改性剂是5-亚乙基-2-降冰片烯和/或5-乙烯基-2-降冰片烯。
改性硫的制备在本领域中是已知的。熔融的元素硫与一种或多种改性剂在高于硫的熔融温度(即高于120℃)且低于改性剂的沸腾温度的温度下混合以使部分硫与改性剂反应。通常,所述温度为120-150℃。本发明的改性硫可通过在任何适宜的温度下混合所述硫和所述改性剂来制备,优选在120-150℃下,更优选在130-140℃下。
在本发明的改性硫的制备中,与所述改性剂混合的元素硫可从任何来源得到。通常,所述元素硫将是作为原油、天然气或矿石脱硫的副产物而得到的元素硫。所述元素硫可包括少量的杂质,通常杂质浓度为每千克几毫克至几克,例如硫醇。
在所述改性硫的制备方法中,与硫混合的烯属硫改性剂的总量占硫的重量的0.1-20wt%。更小的量,即小于0.1wt%,将不会提供所希望的改性效果,即防止固体硫的同素异形转变。更高量的烯属硫改性剂,即高于20wt%,将使得改性硫具有不希望的机械性质和具有不希望的深色。而且,如此得到的改性硫再也不溶于熔融的元素硫并因此不能用作改性硫浓缩物。
使用5-亚乙基-2-降冰片烯和/或5-乙烯基-2-降冰片烯代替最普通的烯属改性剂即双环戊二烯作为改性剂的优点是它更易于加工。在加工过程中,双环戊二烯二聚体恢复成其挥发性单体,并因此不得不在回流条件下与硫反应。5-亚乙基-2-降冰片烯或5-乙烯基-2-降冰片烯与硫的反应可在低于其沸腾温度的温度下发生,和因此改性硫的制备可在无改性剂的回流下进行。另一个优点是5-亚乙基-2-降冰片烯和5-乙烯基-2-降冰片烯的毒性比双环戊二烯的毒性要低得多。
优选至少80wt%的与熔融硫混合的烯属硫改性剂是5-亚乙基-2-降冰片烯和/或5-乙烯基-2-降冰片烯,更优选在本发明的改性硫的制备中,不使用除了5-亚乙基-2-降冰片烯和/或5-乙烯基-2-降冰片烯以外的其它烯属改性剂。甚至更优选地,仅使用5-亚乙基-2-降冰片烯改性剂。
本发明的改性硫特别适合在包括作为粘合剂的改性硫的产品中使用。这类硫粘结的产品的实例是硫水泥和硫水泥-聚集物复合物例如硫灰浆、硫混凝土或硫填充的沥青。
本领域中硫水泥是已知的且通常包括改性硫(其量通常为至少50wt%)和填料。通常的硫水泥填料是平均颗粒尺寸为0.1微米至0.1毫米的粒状无机材料。这类硫水泥填料的实例是飞灰、石灰石、石英、铁氧化物、氧化铝、二氧化钛、石墨、石膏、滑石、云母或它们的组合。硫水泥的填料含量可宽泛变化,但通常占该水泥的总重量的5-50wt%。
本文所称的硫水泥-聚集物复合物是指既包括硫水泥又包括聚集物的复合物。硫水泥-聚集物复合物的实例是硫灰浆、硫混凝土和硫填充的沥青。灰浆包括细的聚集物,通常为平均直径0.1-5毫米的颗粒,例如沙子。混凝土包括粗大的聚集物,通常为平均直径5-40毫米的颗粒,例如砂砾或岩石。硫填充的沥青是沥青,即通常具有粘合剂的聚集物,其含有填料和残留的烃组分,其中部分粘合剂已经被硫、通常为改性硫所代替。
通过混合本发明的改性硫和填料和/或聚集物和任选的另外的元素硫来制备本发明的硫粘结的产品。应该理解,它取决于所希望的产品和取决于将要以什么组分以什么量混合的改性硫中改性剂-硫反应产物的量。
优选地,在改性硫的制备中使用的烯属改性剂的量不超过最终产品(即硫粘结的产品)中的硫的重量的5wt%。本文所称的硫粘结的产品中的硫的重量是指所使用的硫的总量,即在改性硫制备中与改性剂混合的硫的量和在产品制备中任选地与改性硫和填料/聚集物混合的硫的量。
已经发现,烯属改性剂的使用量低于最终产品中的硫的量的5wt%,导致具有良好机械性质的稳定产品,所述良好机械性质是如果暴露于碱性或酸性条件下它是耐用的。使用相对低量的烯属改性剂的优点是使得凝固所需时间最小化。优选地,烯属改性剂的使用量占产品中硫的总重量的0.1-4.0wt%,更优选为0.1-3.0wt%。
优选地,在本发明的硫粘结的产品的制备中使用所谓的改性硫浓缩物,即已经用改性剂所制备的改性硫,其中改性剂的量高于在硫粘结的产品中所希望的量。在这种情况下,在硫粘结的产品的制备中,改性硫和元素硫与填料和/或聚集物混合。以改性硫浓缩物作为开始的优点是如果改性硫在不同于硫粘结的产品的地点制造,可限制运输成本。
优选地,使用由硫与占硫的重量的5-15wt%、更优选7-12wt%的烯属改性剂混合而制备的改性硫浓缩物。
备选地,可使用已经将得到的硫粘结的产品中存在的所有的硫包括在内的改性硫。在这种情况下,优选使用由硫与0.1-5.0wt%的烯属改性剂、更优选0.1-4.0wt%的烯属改性剂,甚至优选0.1-3.0wt%的烯属改性剂混合而制备的改性硫。
优选地,为制备硫粘结的产品而使用的改性硫没有用除5-亚乙基-2-降冰片烯和/或5-乙烯基-2-降冰片烯以外的其它烯属改性剂所改性。然而,如果改性硫已经用5-亚乙基-2-降冰片烯或5-乙烯基-2-降冰片烯和其它烯属改性剂的混合物所改性,优选其它改性剂的量至多占硫粘结的产品中的硫的总重量的1wt%。
如果在本发明的改性硫的制备中使用除5-亚乙基-2-降冰片烯或5-乙烯基-2-降冰片烯以外的一种或多种烯属改性剂,它可以是本领域中已知的任何烯属硫改性剂,例如双环戊二烯、环戊二烯、苯乙烯、双戊烯、双环戊二烯的低聚物或它们的两种或多种的组合。
实施例
通过如下非限制性实施例进一步举例说明本发明。
实施例1
确定未改性的硫和改性硫的耐碱性。
改性硫的制备
第一种改性硫(样品1,根据本发明)制备如下。在玻璃试管中称重元素硫的量。将该试管放置在135℃的油浴中来熔融硫。加入一定量(占硫的重量的5wt%)的5-亚乙基-2-降冰片烯并搅拌该流体3小时。然后从油浴中取出该试管并将流体倒入圆柱形模具中并使其在室温下凝固。
第二种改性硫(样品2,根据本发明)制备如下。在玻璃试管中称重元素硫的量。将该管放置在150℃的油浴中来熔融硫。加入一定量(占硫的重量的10wt%)的5-亚乙基-2-降冰片烯并搅拌该流体1小时。然后从油浴中取出该试管并将流体倒入圆柱形模具中并使其在室温下凝固。
通过在130℃下混合样品2和另外的元素硫来制备分别包括1.0、2.5、5.0和7.5wt%的5-亚乙基-2-降冰片烯的其它改性硫(样品3-6,全部根据本发明)。每种混合物在这个温度下搅拌5分钟并然后倒入圆柱形模具中并使其在室温下凝固。
其它改性硫(样品7,不根据本发明)制备如下。在放置在加热到150℃的油浴中的试管中称重元素硫和(占硫的重量)10wt%的可商购得到的硫改性剂STXTM(来自于STARcrete Technologies Inc.)。搅拌该混合物10分钟。然后从油浴中取出该试管并将流体倒入圆柱形模具中并使其在室温下凝固。
未改性的硫的样品(样品8,不根据本发明)的制备如下。将具有元素硫的试管放置在加热到150℃的油浴中10分钟,在搅拌下熔融元素硫。然后将熔融的硫倒入圆柱形模具中并使该硫在室温下凝固。
耐碱性
通过将圆柱体放在5M NaOH水溶液中来确定如上述制备的改性硫的耐碱性。在5M NaOH溶液中放置15和20天后测量该圆柱体的重量损失(wt%基于样品的起始重量)。结果示于表1。
表1.在5M NaOH中浸泡后的改性硫的重量损失
样品 | 改性剂 | 15天后的重量损失(wt%) | 20天后的重量损失(wt%) | 30天后的重量损失(wt%) |
1 | 5.0wt%的ENBa | 2.2 | 2.7 | |
2 | 10.0wt%的ENBa | <1 | ||
3 | 1.0wt%b的ENBa | <1 | ||
4 | 2.5wt%b的ENBa | <1 | ||
5 | 5.0wt%b的ENBa | <1 | ||
6 | 7.0wt%b的ENBa | <1 | ||
7 | 10.0wt%的STXTM | 34 | 57 | |
8 | 无 | 20 | 80 | 100 |
aENB:5-亚乙基-2-降冰片烯
b由10wt%的ENB样品(样品2)制备
实施例2
确定由未改性的硫和改性硫制备的灰浆的耐碱性
制备硫灰浆
硫灰浆包括50wt%的干燥的沙子(Normsand)、30wt%的干燥填料(石英)和20wt%的改性的或未改性的硫,其通过在150℃下混合这些成份直至得到均匀的混合物而制备。然后将该混合物倒入预热到150℃的钢模具中。施加压力(0.25-0.5吨)直至在模具的底部可见到硫的液滴。然后对如此形成的灰浆圆柱体进行脱模。
分别用不同的硫制备三种不同的灰浆:
灰浆1-未改性的元素硫(不根据本发明)。混合干燥的沙子(50wt%)、干燥的石英(30wt%)和元素硫(20wt%)。
灰浆2-用11wt%的STXTM改性的硫(不根据本发明)。混合干燥的沙子(50wt%)、干燥的石英(30wt%)、元素硫(18wt%)和STXTM改性剂(2wt%)。
灰浆3-用2.5wt%的5-亚乙基-2-降冰片烯改性的硫(根据本发明)。混合干燥的沙子(50wt%)、干燥的石英(30wt%)、元素硫(15wt%)和5wt%的改性硫,其中所述改性硫由10wt%的5-亚乙基-2-降冰片烯制备。所述由10wt%的5-亚乙基-2-降冰片烯制备的改性硫按照实施例1中的样品2来制备。
耐碱性
将这些灰浆浸入5M NaOH溶液中30天。30天后,灰浆1比灰浆2降解更显著且灰浆2比灰浆3降解更显著。
使用具有100kN负荷单元的张力控制的Zwick Z100拉伸机来确定灰浆圆柱体的压缩强度。三种不同的灰浆在5M NaOH中浸泡之前和之后的压缩强度都在表2中给出。
表2.硫灰浆在5M NaOH中浸泡之后的压缩强度
灰浆 | 硫 | 压缩强度(MPa) | |
起始 | 在5M NaOH中30天后 | ||
1 | 未改性的 | 60 | 7 |
2 | 用11wt%的STXTM改性 | 58 | 34 |
3 | 用2.5wt%的ENB改性 | 69 | 51 |
实施例3
通过广角X-射线波谱(WAXS)来比较三种不同的改性硫对同素异形转变的稳定性。在140℃下加热元素硫和其量占硫重量的5wt%的改性剂1小时来制备改性硫。然后将该混合物倒入铝模具中并使其在室温下凝固。从混合物倒入模具30分钟后,在650小时期间用WAXS分析所得到的样品(1.5×1×1厘米)的晶体结构。将如下量的改性剂加入到硫中:
硫样品10:5.0wt%的5-亚乙基-2-降冰片烯(根据本发明)。
硫样品11:5.0wt%的STXTM(不根据本发明)。
硫样品12:5.0wt%的Chempruf改性剂(不根据本发明)。样品12通过加热硫和商购得到的改性剂浓缩物(Chempruf CONCENTRATE;来自于GRC Inc.,Clarksville,TN)而制备,其中该改性剂浓缩物的量占总硫重量的5wt%。Chempruf CONCENTRATE包括25wt%的改性剂和75wt%的硫。
X-射线衍射测量显示样品10中的硫具有稳定的单斜晶体。甚至650小时之后,该单斜晶体(beta结晶度)没有转变为正交晶型(alpha结晶度)。在实施例11和12中,观测到从单斜晶体向正交晶体的晶体转变。
实施例4
通过环境扫描电子显微镜(ESEM)来确定灰浆1、2和3(见实施例2)的粘合剂-聚集物粘结,所述ESEM使用高真空模式下的PhilipsXL30 FEG-ESEM。对于该ESEM分析,通常手工破碎该灰浆直至得到约1×1×1厘米的碎片。待检验的部分表面用碳层覆盖。
ESEM分析显示,在灰浆1(未改性的硫作为粘合剂)中,沙子和硫之间的粘结比使用改性硫作为粘合剂的两种灰浆要差。该ESEM分析还显示,灰浆1中的未改性的硫比灰浆2和3中的改性硫更易碎。在灰浆1中,在硫相本身中有明显的开裂。用2.5wt%的5-亚乙基-2-降冰片烯改性的硫(灰浆3中)比灰浆2中的STXTM改性的硫(在该硫相本身中有一些开裂)不易破碎(事实上在该硫相本身中几乎没有开裂)。
Claims (13)
1.由熔融的元素硫与一种或多种烯属硫改性剂混合而制备的改性硫,其中至少50wt%的所述烯属硫改性剂是5-亚乙基-2-降冰片烯和/或5-乙烯基-2-降冰片烯,且其中烯属硫改性剂的总量为0.1-20wt%,基于硫的重量计。
2.权利要求1的改性硫,其中至少80wt%的所述烯属硫改性剂是5-亚乙基-2-降冰片烯和/或5-乙烯基-2-降冰片烯。
3.权利要求1或2的改性硫,其中没有除了5-亚乙基-2-降冰片烯或5-乙烯基-2-降冰片烯以外的烯属硫改性剂与所述元素硫混合。
4.权利要求3的改性硫,其中没有除了5-亚乙基-2-降冰片烯以外的烯属硫改性剂与所述元素硫混合。
5.前述权利要求的任一项的改性硫,其中烯属硫改性剂的总量为5-15wt%,优选为7-12wt%,基于硫的重量计。
6.权利要求1-4的任一项的改性硫,其中烯属硫改性剂的总量为0.1-5wt%,基于硫的重量计。
7.包括作为粘合剂的改性硫的产品,其制备如下:在高于硫的熔融温度的温度下混合前述权利要求的任一项的改性硫、填料和/或聚集物、和任选的元素硫,和通过将该混合物冷却到低于硫的熔融温度的温度来凝固所得到的混合物。
8.权利要求7的产品,其中在所述改性硫的制备中所混合的烯属硫改性剂的量至多占所述产品中硫的总重量的5wt%。
9.权利要求7或8的产品,其中该产品是硫水泥或硫水泥-聚集物复合物。
10.权利要求7-9的任一项的产品,所述产品由混合权利要求5的改性硫、元素硫和填料和/或聚集物而制备。
11.权利要求7-9的任一项的产品,所述产品由混合权利要求6的改性硫和填料和/或聚集物而制备。
12.权利要求8-11的任一项的产品,其中在所述改性硫的制备中所混合的烯属硫改性剂的量占所述产品中硫的总重量的0.1-4.0wt%,优选0.1-3.0wt%。
13.权利要求7-12的任一项的产品,其中除了5-亚乙基-2-降冰片烯或5-乙烯基-2-降冰片烯以外的烯属硫改性剂的量至多占所述产品中硫的总重量的1wt%。
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