一種新型聚羧酸高效減水劑的合成研究

余 鋮

福建省建筑科學(xué)研究院建材研究所（350025）

在眾多減水劑中，聚羧酸高效減水劑因具有摻量低、減水率大、不離析、不泌水、保坍性能好等優(yōu)點(diǎn)成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)[1-4]。目前的聚羧酸高效減水劑大多是采用先酯化獲得具有活性的單體大分子,再和丙烯酸等單體通過溶液共聚的合成工藝[5-9]，工藝復(fù)雜，關(guān)鍵點(diǎn)控制多。本文采用工業(yè)級不飽和聚醚為聚合單體制備一種新型聚羧酸高效減水劑，方法簡單，通過性能試驗(yàn)證明，該減水劑具有低摻量、高分散性、高減水率等特點(diǎn)。

1 實(shí)驗(yàn)原料及測試

1.1 主要原材料

烯丙醇聚氧乙烯醚（APEG），工業(yè)級；丙烯酸（AA），分析純；甲基丙烯磺酸鈉（SMAS），工業(yè)級；過硫酸銨（APS），分析純。

1.2 制備方法

將一定量的SMAS水溶液加入到四口瓶中，加熱并不斷攪拌，待溫度升至85℃時(shí)，開始滴加APEG、AA混合溶液和APS溶液，2～3h內(nèi)滴加完成后，恒溫反應(yīng)1～2h，冷卻至室溫，用NaOH溶液將pH值調(diào)至中性，得到淡黃色聚羧酸高效減水劑。

1.3 性能測試

按照GB8077-2000《混凝土外加劑勻質(zhì)性試驗(yàn)方法》測試水泥凈漿流動(dòng)度。W/C比為0.29,摻量為水泥用量的0.3%。

2 結(jié)果與討論

2.1 APEG用量對減水劑性能的影響

烯丙醇聚氧乙烯醚(APEG)是合成減水劑的主要原料。它提供的聚氧乙烯鏈?zhǔn)蔷埕人釡p水劑的重要官能團(tuán),是空間位阻效應(yīng)的主要貢獻(xiàn)者,對減水劑的分散性和保持分散性有很大的影響。保持單體SMAS/AA摩爾比為1:12，APS用量為單體總質(zhì)量的2%，改變APEG用量，測定其凈漿流動(dòng)度，結(jié)果如圖1，可以看出，隨著APEG用量的增大，水泥凈漿流動(dòng)度出現(xiàn)先增大后減小的趨勢。當(dāng)APEG/AA摩爾比為1:4時(shí)，凈漿流動(dòng)度達(dá)到最大值301mm。分析認(rèn)為，APEG主要是利用空間位阻來達(dá)到減水效果,用量增多，屏蔽作用增加，空間位阻效應(yīng)得到充分發(fā)揮，減水效果增大；但用量過大，空間阻力大，不利于高分子的聚合，減水效果下降，流動(dòng)度降低。

圖1 APEG用量對減水劑性能的影響

2.2 SMAS用量對減水劑性能的影響

保持單體用量摩爾比APEG:AA為1:4，APS用量為單體總質(zhì)量的2%，改變SMAS用量，測定其凈漿流動(dòng)度，結(jié)果如圖2。隨著SMAS的比例逐漸增大，減水劑的分散性和分散保持性能都提高，但達(dá)到一定水平后，分散保持性能迅速下降。當(dāng)SMAS/AA摩爾比為1:4時(shí)，減水劑的分散性能最好。分析認(rèn)為，SMAS除了提供極性很強(qiáng)的陰離子磺酸基以外，還因?yàn)槠渲挥泄簿刍钚裕鹬溵D(zhuǎn)移劑的作用，影響減水劑的粘度與平均分子量，進(jìn)而影響減水劑的性能。

圖2 SMAS用量對減水劑性能的影響

2.3 APS用量對減水劑性能的影響

保持單體用量摩爾比APEG:AA:SMAS為1:4:1,改變APS用量百分比，測定其凈漿流動(dòng)度，結(jié)果如圖3。當(dāng)引發(fā)劑用量為2%時(shí)共聚物分子量比較合適，水泥凈漿流動(dòng)度達(dá)到最大，分散效果最好。分析認(rèn)為，聚羧酸高分子共聚物的分子量可直接由引發(fā)劑的用量來控制。引發(fā)劑用量越大分子量相對越小；反之越大。通過改變引發(fā)劑過硫酸銨APS的用量可以控制其分子量在合理范圍之內(nèi),使高分子共聚物的水泥凈漿流動(dòng)度達(dá)到最大。

2.4 反應(yīng)溫度對減水劑性能的影響

保持單體用量摩爾比APEG:AA:SMAS為1:4:1，APS用量為單體總質(zhì)量的2%，測定其凈漿流動(dòng)度，結(jié)果如圖4，可以看出，當(dāng)反應(yīng)溫度為90℃時(shí)分散效果最好。分析認(rèn)為，自由基聚合對溫度很敏感，溫度過低，引發(fā)劑引發(fā)效率低，溶劑中自由基濃度越低，反應(yīng)速度慢，轉(zhuǎn)化率低；溫度過高，反應(yīng)速度快，極易暴聚。因此選擇反應(yīng)溫度為90℃有利于控制反應(yīng)速度，提高減水劑性能。

圖3 APS用量對減水劑性能的影響

圖4 反應(yīng)溫度對減水劑性能的影響

2.5 反應(yīng)時(shí)間對減水劑性能的影響

保持單體用量摩爾比APEG:AA:SMAS為1:4:1，APS用量為單體總質(zhì)量的2%，反應(yīng)溫度為90℃，測定其凈漿流動(dòng)度，結(jié)果如圖5，可以看出，反應(yīng)時(shí)間短，高活性單體AA進(jìn)行了共聚，但低活性、大位阻單體，如-S03-、APEG，在短時(shí)間內(nèi)不能完全反應(yīng),初始流動(dòng)度和流動(dòng)度的保持性能不是很理想；當(dāng)反應(yīng)時(shí)間在4h及以上時(shí)，單體幾乎完全反應(yīng)，減水劑的分散效果較好且相差不大，因此，反應(yīng)時(shí)間取4h比較合適。

圖5 反應(yīng)時(shí)間對減水劑性能的影響

2.6 反應(yīng)時(shí)間對減水劑性能的影響

改變減水劑的摻量，測定水泥凈漿初始流動(dòng)度和60 min流動(dòng)度，比較不同摻量下減水劑的性能，結(jié)果見圖6，可以看出，在減水劑摻量較低時(shí),水泥凈漿的初始流動(dòng)度較小，凈漿流動(dòng)度的保持性較差，隨著摻量增加，水泥凈漿的初始流動(dòng)度也隨之增大，凈漿流動(dòng)度的保持性也有所增強(qiáng)。當(dāng)摻量達(dá)到0.3%時(shí)，水泥凈漿的初始流動(dòng)度達(dá)到最大，60min內(nèi)幾乎沒有損失。

圖6 減水劑摻量對水泥凈漿流動(dòng)度的影響

3 結(jié)論

1）采用以烯丙醇聚醚、丙烯酸、甲基丙烯酸磺酸鈉為原料，合成聚羧酸高效減水劑的最佳工藝條件為烯丙醇聚醚:丙烯酸:甲基丙烯磺酸鈉最佳摩爾配比為1:4:1；反應(yīng)溫度90℃；反應(yīng)時(shí)間約為4h；引發(fā)劑用量為單體總質(zhì)量的2%。

2）當(dāng)摻量為0.3%時(shí)，水泥凈漿初始流動(dòng)度為320mm，60min基本不損失，表明減水劑具有摻量低、減水率高、分散性以及分散保持性好等優(yōu)點(diǎn)。

[1]GYE-GYU LIM，YOUN D，HASSANALI M.S1ump 1oss,contro1 of cement paste by adding po1ycarboxy1ic -types1ump-re1easing dispersant[J].Cement and Concrete Research，1999，29(2):223-229.

[2]K.C.Hover.Concrete mixture proportioning with water-reducing admixtures to enhance durabi1ity:A QuantitativeMode1[J].Cement and Concrete Composites,1998(20):113-119.

[3]廖國勝,馬保國.丙烯酸系減水劑在水工混凝土中的應(yīng)用[J].混凝土,2004(9):75-77.

[4]李崇智,李永德,馮乃謙.聚羧酸系減水劑結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系的試驗(yàn)研究[J].混凝土,2002(4):3-5.

[5]Kazuo Yamada. Effects of the chemica1 structure on theproperties of po1y carboxy1ate-type super p1asticizer . Cementand Concrete Research ,2000 ,30 (2) :1972208.

[6]李崇智,李永德,馮乃謙.聚羧酸系減水劑的合成工藝研究[J].建筑材料學(xué)報(bào),2002(4):326-330.

[7]包志軍,饒炬,陳建寶.聚羧酸系高效減水劑的研制[J].化學(xué)建材,2004(2):49-52.

[8]廖國勝,馬保國,孫恩杰.新型聚羧酸類混凝土減水劑中間大分子單體合成研究[J].化學(xué)建材,2003(7):23-26.

[9]鄭國峰.一種聚羧酸型高效減水劑的實(shí)驗(yàn)研究[J].混凝土與水泥制品,2001(2):7-8.