聚羧酸減水劑合成配方的確定

     摘要：采用自由基水溶液共聚方法合成聚羧酸減水劑。通過(guò)正交試驗(yàn)考察不同配方時(shí)所合成的聚羧酸減水劑對(duì)水泥凈漿流動(dòng)度及經(jīng)時(shí)損失的影響，確定不同側(cè)鏈長(zhǎng)度聚羧酸減水劑的最佳合成配方。

     關(guān)鍵詞：聚羧酸減水劑；水泥凈漿；流動(dòng)度；配方

     聚羧酸型減水劑分子鏈上具有較多的活性基團(tuán)，主鏈上連接的側(cè)鏈較多，分子結(jié)構(gòu)自由度大，高性能化潛力大，因此聚羧酸型減水劑是近年來(lái)國(guó)內(nèi)外研究較為活躍的高性能減水劑之一，同時(shí)也是未來(lái)減水劑發(fā)展的主導(dǎo)方向。

     本文采用聚合度分別約為9、23、35的自制聚氧乙烯基烯丙酯大單體（PA）分別與丙烯酸、甲基丙烯磺酸鈉在引發(fā)劑過(guò)硫酸銨作用下進(jìn)行自由基水溶液共聚反應(yīng)，得到不同側(cè)鏈長(zhǎng)度的聚羧酸減水劑，分別記為JH9、JH23、JH35。通過(guò)正交試驗(yàn)分析考察單體及引發(fā)劑用量不同時(shí)所合成的聚羧酸減水劑對(duì)水泥凈漿初始流動(dòng)度及流動(dòng)度經(jīng)時(shí)損失的影響，確定不同側(cè)鏈長(zhǎng)度聚羧酸減水劑的最佳配方。并分析在最佳合成配方下合成的不同側(cè)鏈長(zhǎng)度的聚羧酸減水劑對(duì)水泥凈漿的初始流動(dòng)度及經(jīng)時(shí)損失的影響。

     1 實(shí)驗(yàn)

     1.1 原材料

     丙烯酸（AA）、甲基丙烯磺酸鈉（MAS）、過(guò)硫酸銨（APS）均為市售化學(xué)試劑；聚氧乙烯基烯丙酯大單體，自制，其聚合度分別約為9、23、35；水泥，P.O42.5R，重慶騰輝江津水泥廠產(chǎn)。

     1.2 聚羧酸減水劑的合成方法

     將丙烯酸、甲基丙烯磺酸鈉、過(guò)硫酸銨、聚氧乙烯基烯丙酯大單體分別用去離子水配成濃度為20%的水溶液。在裝有攪拌器、回流冷凝管及溫度計(jì)的三頸燒瓶中分批滴加單體及引發(fā)劑，滴加完畢后在75℃下保溫反應(yīng)一定時(shí)間。反應(yīng)結(jié)束后，用濃度為20%的NaOH水溶液調(diào)節(jié)PH值至7～8，得到濃度約為20%的黃色或紅棕色聚羧酸減水劑。

     1.3 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

     采用正交試驗(yàn)方法，通過(guò)改變丙烯酸（AA）、甲基丙烯磺酸鈉（MAS）、聚氧乙烯基烯丙酯大單體（PA）、過(guò)硫酸銨（APS）4個(gè)因素的用量，考察四因素在三水平下合成的聚羧酸減水劑對(duì)水泥凈漿初始流動(dòng)度及流動(dòng)度經(jīng)時(shí)損失的影響，從而確定聚羧酸減水劑的最佳合成配方。正交試驗(yàn)因素及水平見表1，表中引發(fā)劑APS用量為MAS、AA、PA等3種單體總質(zhì)量的百分比。表2為不同實(shí)驗(yàn)組數(shù)對(duì)應(yīng)的各因素水平。

     1.4 摻減水劑水泥凈漿流動(dòng)度測(cè)試方法

     水泥凈漿初始流動(dòng)度按GB8077-2000《混凝土外加劑勻質(zhì)性試驗(yàn)方法》中測(cè)定水泥凈漿初始流動(dòng)度的方法進(jìn)行測(cè)試，W/C為0.29。

     水泥凈漿流動(dòng)度經(jīng)時(shí)損失的測(cè)試方法為：保持一定水灰比，加入一定量的聚羧酸減水劑，按GB8077-2000《混凝土外加劑勻質(zhì)性試驗(yàn)方法》每隔一定時(shí)間測(cè)試水泥凈漿的流動(dòng)度。

     2 結(jié)果與分析

     2.1 減水劑摻量對(duì)水泥凈漿初始流動(dòng)度的影響

     表3為對(duì)在表2中1～9組的3種聚羧酸減水劑（JH9、JH23、JH35）在不同摻量時(shí)對(duì)水泥凈漿初始流動(dòng)度的影響。

     由表3可知，當(dāng)減水劑摻量大于0.5%以后，增加減水劑摻量，水泥凈漿初始流動(dòng)度增大變緩。表明該聚羧酸減水劑的飽和摻量為水泥質(zhì)量的0.5～0.8%。

     2.2 聚羧酸減水劑合成配方的確定

     通過(guò)對(duì)表3的實(shí)驗(yàn)結(jié)果計(jì)算分析，可看出減水劑摻量為0.5%時(shí)四因素對(duì)水泥凈漿初始流動(dòng)度影響的顯著程度。聚羧酸減水劑合成時(shí)各因素對(duì)水泥凈漿初始流動(dòng)度影響的極差分析見表)（減水劑摻量為0.5%）。

     2.2.1 聚羧酸減水劑JH9合成配方的確定

     由表4可知：（1）在設(shè)計(jì)的原料用量范圍內(nèi)，摻JH9的水泥凈漿初始流動(dòng)度隨MAS、AA用量的增加而增加，隨PA和APS用量的增加而下降；（2）由極差R可知，四因素對(duì)水泥凈漿初始流動(dòng)度影響均較顯著，影響程度從大到小依次為：PA、APS、AA、MAS；（3）JH9的較佳合成配方為：MAS：AA：PA（摩爾）=1.5：（5.0～7.0）：（1.0～1.25）,APS的用量為15%。

    

     圖1為四因素在三水平下所合成的JH9聚羧酸減水劑對(duì)水泥凈漿流動(dòng)度經(jīng)時(shí)損失的影響。圖1中的水泥凈漿流動(dòng)度為各因素分別在三水平下的算術(shù)平均值，減水劑摻量為水泥質(zhì)量的0.8%（圖2和圖3與此相同）。

     由圖1可知，MAS用量對(duì)水泥凈漿的初始流動(dòng)度影響不大，但增大MAS用量有利于水泥凈漿流動(dòng)度的保持，MAS用量為1.0～1.5mol時(shí)，水泥凈漿流動(dòng)度經(jīng)時(shí)損失曲線基本接近，因此，MAS用量取1.0～1.5mol為宜；增大AA用量對(duì)水泥凈漿初始流動(dòng)度有利，但PA用量過(guò)大對(duì)水泥凈漿的流動(dòng)度保持不利，AA用量取5.0mol為宜；PA用量對(duì)水泥凈漿流動(dòng)度的保持有一最佳值，PA用量取1.25mol為宜；APS在三水平下對(duì)水泥凈漿流動(dòng)度經(jīng)時(shí)損失影響較小，APS用量可取15%～25%。

     綜合考慮JH9摻量為0.5%時(shí)對(duì)水泥凈漿初始流動(dòng)度和摻量為0.8%時(shí)對(duì)水泥凈漿流動(dòng)度經(jīng)時(shí)損失的影響，JH9的最佳合成配方為：MAS：AA:PA（摩爾）=1.5：5.0：1.25,APS用量為15%。

 

     2.2.2 聚羧酸減水劑JH23合成配方的確定

     由表4可知，水泥凈漿初始流動(dòng)度隨MAS、PA、APS用量增加而下降，隨AA用量增加而增大。由極差R可知，四因素對(duì)水泥凈漿初始流動(dòng)度影響均較顯著，影響程度從大到小依次為AA、APS、PA、MAS。較佳合成配方為：MAS:AA:PA（摩爾）=(0.5～1.5):5.0（1.0～1.25），APS用量15%。圖2為四因素在三水平下所合成的聚羧酸減水劑JH23對(duì)水泥凈漿流動(dòng)度經(jīng)時(shí)損失的影響。

由圖2可知，MAS用量對(duì)水泥凈漿初始流動(dòng)度的影響不大，但增大MAS用量有利于水泥凈漿流動(dòng)度的保持，MAS用量取1.5mol為宜；AA用量為5.0～7.0時(shí)對(duì)水泥凈漿初始流動(dòng)度影響不大，但AA用量過(guò)大不利于水泥凈漿流動(dòng)度的保持，AA用量在3.0～5.0mol時(shí)的水泥凈漿經(jīng)時(shí)損失基本接近，AA用量取5.0mol為宜；PA用量對(duì)水泥凈漿初始流動(dòng)度的影響相差不大，PA用量為1.25mol和1.5mol時(shí)對(duì)水泥凈漿的流動(dòng)度保持較好，PA用量取1.25～1.5mol為宜；APS用量為15%時(shí)，水泥凈漿的初始流動(dòng)度大，經(jīng)時(shí)損失小。

     綜合前述，可得出聚羧酸減水劑JH23的最佳合成配方與JH9的相同。

     2.2.3 聚羧酸減水劑JH35合成配方的確定

     由表4可知，四因素在所設(shè)計(jì)的三水平下合成的聚羧酸減水劑JH35摻入水泥凈漿中，所測(cè)水泥凈漿的初始流動(dòng)度相差不大。從極差R可知，合成JH35時(shí)各因素對(duì)水泥凈漿初始流動(dòng)度的影響均不及合成JH9和JH23時(shí)顯著，影響程度稍大的為AA的用量。圖3為四因素在三水平下所合成的JH35對(duì)水泥凈漿流動(dòng)度經(jīng)時(shí)損失的影響。

     由圖3可知，MAS用量對(duì)水泥凈漿初始流動(dòng)度及流動(dòng)度經(jīng)時(shí)損失的影響均不大，MAS用量可取0.5～1.5mol；AA用量過(guò)少，初始流動(dòng)度小，AA用量過(guò)大，流動(dòng)度經(jīng)時(shí)損失大，AA用量以5.0mol為宜；PA用量對(duì)水泥凈漿的初始流動(dòng)度的影響不大，PA用量為1.00mol時(shí)，在經(jīng)時(shí)60min前的流動(dòng)度明顯高于用量為1.25和1.5mol時(shí)的流動(dòng)度，而PA用量為1.25mol時(shí)的經(jīng)時(shí)流動(dòng)度始終大于用量為1.5mol時(shí)的流動(dòng)度，因此用量PA 可取1.25～1.5mol；APS用量為15%時(shí)，初始流動(dòng)度大，且流動(dòng)度經(jīng)時(shí)損失小，APS 取15%為宜。

     綜合前述，聚羧酸減水劑JH35的最佳合成配方為：MAS：AA:PA（摩爾）=1.0：5.0：1.0,APS用量為15%。

     2.3 采用最佳配方合成的減水劑對(duì)水泥凈漿流動(dòng)度的影響

     減水劑對(duì)水泥顆粒的分散作用與其分子結(jié)構(gòu)及形態(tài)有關(guān)，水泥凈漿的流動(dòng)度經(jīng)時(shí)損失主要與水泥粒子表面減水劑分子吸附層的立體斥力有關(guān)。對(duì)于該聚羧酸減水劑，水泥凈漿分散性保持的機(jī)理還在于減水劑分子中聚醚側(cè)鏈以酯鍵的形式與主鏈連接，在堿性環(huán)境中發(fā)生分解，緩慢釋放羧基，二次補(bǔ)充作用于水泥粒子間的靜電斥力，使水泥凈漿流動(dòng)度的損失得到有效控制。

     聚羧酸減水劑JH9、JH23、JH35的側(cè)鏈長(zhǎng)度不同，空間位阻效應(yīng)不同，對(duì)水泥凈漿分散性及分散保持性也就不同。圖4為JH9、JH23、JH35在不同摻量時(shí)對(duì)水泥凈漿初始流動(dòng)度的影響。圖5為摻JH9、JH23、JH35（ 摻量均為水泥質(zhì)量的0.5%)對(duì)水泥凈漿流動(dòng)度經(jīng)時(shí)損失的影響。

由圖4可知，不同側(cè)鏈長(zhǎng)度的聚羧酸減水劑JH9、JH23、JH35在不同摻量下對(duì)水泥凈漿初始流動(dòng)度影響相差不大。

     由圖5可知，摻聚羧酸減水劑JH23、JH35的水泥凈漿的經(jīng)時(shí)損失小，尤以JH23聚羧酸減水劑為佳；而摻JH9的水泥凈漿流動(dòng)度經(jīng)時(shí)損失大。可見側(cè)鏈較長(zhǎng)的聚羧酸減水劑對(duì)水泥凈漿的流動(dòng)度保持有利。這是因?yàn)槎圄人嵯倒簿畚餅槭嵝稳嵝晕剑涫杷鶊F(tuán)吸附在水泥顆粒表面，聚醚側(cè)鏈向外伸展，側(cè)鏈較長(zhǎng)的聚羧酸減水劑的空間位阻比側(cè)鏈較短的聚羧酸減水劑的大，同時(shí)因?yàn)榫埕人釡p水劑中的側(cè)鏈以酯鍵的形式與主鏈連接，在堿性環(huán)境中發(fā)生緩慢分解而釋放羧基，側(cè)鏈較長(zhǎng)的聚羧酸減水劑羧基釋放時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，從而使流動(dòng)度經(jīng)時(shí)損失小，有利于流動(dòng)度保持。

     3 結(jié)論

     （1）盡管磺酸基具有較強(qiáng)的吸附能力和分散性，具有較強(qiáng)的表面活性，有利于減水劑分子在水泥顆粒上吸附，提高動(dòng)電位，但MAS用量越多，對(duì)水泥顆粒的分散性并非越大。

     （2）AA用量較大時(shí)對(duì)提高水泥凈漿的分散性有利，但對(duì)分散性的保持不利。

     （3）引發(fā)劑過(guò)硫酸銨用量過(guò)大，對(duì)水泥凈漿的分散性及分散性的保持不利。這是由于引發(fā)劑用量愈大，減水劑分子量愈小，分子鏈愈短。短的分子鏈對(duì)水泥凈漿分散性及分散性保持不利。

     （4）PA用量較大時(shí)，對(duì)水泥凈漿的初始流動(dòng)度不利，但有利于流動(dòng)度保持。

     （5）合成不同側(cè)鏈長(zhǎng)度的聚羧酸減水劑，其最佳配比不盡相同。對(duì)于聚羧酸減水劑JH9 和JH23其最佳配比為：MAS：AA:PA（摩爾）=1.5：5.0：1.25,APS用量為15%；JH35的最佳配比為MAS：AA:PA（摩爾）=1.0：5.0：1.0,APS用量為15%。。