氨基磺酸系高效减水剂AH的分散机理研究

刘 娟

（江苏城市职业学院，江苏 南京 210019）

氨基磺酸系高效减水剂AH的分散机理研究

刘 娟

（江苏城市职业学院，江苏 南京 210019）

实验测试了氨基磺酸系高效减水剂AH溶液的表面张力、AH在水泥颗粒表面的吸附量及ξ电位，结果表明：AH能够减小溶液表面张力，使分散体系的自由能降低；它在水泥颗粒表面呈环圈及尾状吸附，产生较大的立体空间位阻；掺AH的水泥粒子表面ξ电位绝对值较大，水泥颗粒间存在着较强静电斥力。这些均使得AH具有良好分散作用。此外，AH分子结构中存在的极性基团与水分子间的氢键缔合，在水泥粒子表面形成的溶剂化水膜的润滑，也对AH分散起到一定的加强作用。

氨基磺酸系高效减水剂；分散机理

当今的混凝土工程离不开外加剂。外加剂的出现，正推动着混凝土向高强、高流态化和高性能方向发展，并且为各种特殊用途混凝土和特种施工混凝土的使用提供了可靠的保证。目前，它已逐渐成为混凝土中，继水泥、砂、石和水之外不可缺少的第五组分[1]。在混凝土工程中使用量最大、用途最广当属减水剂，它约占外加剂使用总量的70%～80%。氨基磺酸系高效减水剂（简称AH）由于其减水率高、混凝土坍落度大、坍落度的经时损失小、生产工艺简单等优点，成为近年来开发的热点。本文作者先在实验室合成氨基磺酸系高效减水剂AH，然后就氨基磺酸系高效减水剂的减水分散机理展开研究。

1.实验部分

1.1 主要原材料

对氨基苯磺酸：分析纯，无水，粉剂，含量 99.8%；苯酚：分析纯，无色结晶体；甲醛：溶液，含量37.0%～40.0%；40%NaOH溶液：本实验室自己配制；水泥：双猴P.O32.5普通硅酸盐水泥。

1.2 合成方法

称取一定量的对氨基苯磺酸，置于装有温度计、搅拌器、回流冷凝管的四口烧瓶中，加入苯酚和蒸馏水，升温到一定值使其全部溶解，边搅拌边加入氢氧化钠溶液调节pH值，缓慢滴加甲醛，在恒定温度下保温一段时间，然后冷却，加入氢氧化钠溶液调节产物pH值10～11，即可得到液体氨基磺酸系高效减水剂AH。

1.3 测试方法

1.3.1 表面张力的测定

仪器：JYW—200A 自动界面张力仪

实验方法：按规定操作准确配制不同浓度AH试样溶液，采用拉膜法测其表面张力。

1.3.2 吸附量的测定

配制一定浓度的减水剂溶液，与水泥搅拌3min后，静置一定时间，使其达到吸附平衡，倒出上层清液，用离心机（转速为4000rpm）分离10min以上，稀释分离出的液相使之符合比尔定律的浓度范围。采用UV紫外分光光度计测定浓度。根据吸附前后浓度变化由下式计算吸附量。

1.3.3 ξ电位的测定

固体颗粒表面ξ电位的测定采用JS94F型电泳仪测定。将0.1g水泥样品放入一定浓度的AH溶液中，搅拌3min后，静止10min，然后注入电泳池中，测定其ξ电位，测定3次，取平均值。

1.3.4 水泥净浆流动度测定

测试按照GB/T8077－2000标准方法进行。水灰比为0.29，水泥用量300g，其中外加剂掺量以固含量占水泥用量的百分数计。

2. 结果与讨论

2.1 依据热力学原理的分散作用研究

根据热力学原理，水泥粒子要在水中稳定分散，获得相对稳定性，必须降低分散体系的自由能。而分散过程体系自由能的变化ΔG为：

式中：ΔA——水泥粒子表面积的增量

σ——固—液界面张力

T——温度

ΔS——体系的熵变

水泥粒子的分散恰恰使比表面积增加，造成体系的自由能增加。由此可知，在体系的固相和液相相对数量一定情况下，降低体系的自由能就必须降低水泥—水表面张力[2]。为此试验测试了AH溶液表面张力。实验结果如图1所示。

图1 表面张力与AH质量浓度的关系

由实验结果可见，AH加入能够降低溶液的表面张力，且随着溶液浓度的增大，表面张力下降地越多。这也就从一方面解释了AH掺入水泥浆中，水泥颗粒具有良好分散作用的原因。

2.2 依据吸附形态的分散作用研究

一般认为高效减水剂在水泥颗粒表面的吸附是其产生减水分散作用主要原因之一，为此，实验测试了AH和目前广泛使用的萘系高效减水剂（FDN）在水泥颗粒表面的的吸附量，依据吸附量来研究其在水泥颗粒表面的吸附形态对水泥分散性能的影响。实验测试结果如图2所示：

图2 减水剂在水泥颗粒表面的吸附曲线图

图3 FDN和AH在不同掺量下对水泥 净浆的流动度影响

从图2中不难看出，AH的吸附量明显低于FDN，然而从图3中还可以看出，在相同的掺量下，AH的分散性却要好于FDN。形成这样的原因，可能与二者分子结构及的吸附形态有关。AH的分子结构（见图4）具有较多极性支链，在水泥颗粒表面呈环圈及尾状吸附[3]（如图5所示），吸附量少。FDN分子结构（见图6）属于少支链的线性结构，在水泥颗粒表面，呈一种短棒状平直型横卧吸附[3]（如图7所示），吸附量大。另外，AH的分子空间结构较大，立体空间位阻大，使得水泥颗粒不易凝聚。FDN分子空间结构较小，立体空间位阻小。因而表现为掺AH的水泥浆流动性好于FDN。

图4 AH分子通式

图5 AH在水泥颗粒表面的吸附形态

图6 FDN分子通式图

图7 FDN在水泥颗粒表面的吸附形态

2.3 依据静电斥力的分散作用研究

当AH加入到水—水泥体系中时，会离解成大阴离子和金属阳离子，其中大阴离子被水泥颗粒吸附以降低其表面能，使水泥颗粒表面带上负电，在颗粒表面处形成扩散双电层，进而在颗粒之间产生静电斥力。当水泥颗粒在外电场的作用下作相对运动时，双电层的滑移面上会产生电位差即ξ电位。ξ电位的大小对水泥颗粒的分散和凝聚起着重要的作用。为此实验研究了掺AH的水泥颗粒表面ξ电位，如图8所示。

图8 水泥颗粒表面ξ电位与AH浓度的关系

依图8可知，在水—水泥体系中，未掺AH的水泥颗粒表面的ξ电位在+8mv左右，掺AH后水泥颗粒表面的ξ电位由正变负，且绝对值也随之增大，当浓度增加到一定值时，ξ电位值保持在-20mv～-25mv之间，与未掺AH的ξ电位相比，ξ电位绝对值增大较多。ξ电位是颗粒带电的标志，它的大小反映了水泥颗粒带电的程度[3]，颗粒带电量越多，ξ电位绝对值越大，水泥颗粒间的静电斥力也就越大，水泥的分散效果就越好。

2.4 依据润滑作用的分散作用研究

红外谱图是对物质定性分析最简单的方法。为此测定AH红外谱图，测得结果见下图所示。

图9 AH的红外光谱图

根据图中可以看出，在3430cm-1处出现一个较宽的强峰，它是氨基的伸缩振动与羟基伸缩振动峰的叠加，1575cm-1附近的吸收峰是苯环共轭体系碳碳双键伸缩振动特征谱带。在1120cm-1和1170cm-1附近是磺酸基的很强的伸缩振动峰，是磺酸基团的特征吸收峰[4]。由此可以确定，AH分子结构是含有极性基团—SO3H、—OH和—NH2。这些极性基团很容易以氢键形式与水分子缔合[1]，另外水分子之间也会以氢键形成缔合，由此使得水泥粒子表面形成了一层厚厚的溶剂化水膜，阻止水泥颗粒间的直接接触，在颗粒间起到润滑作用，从而增加AH的分散性。

3.结论

1）AH能够减小溶液的表面张力，降低分散体系的自由能，使得水泥粒子在水中稳定分散。AH的分子结构中多极性支链、空间结构较大的特点，通过环圈及尾状吸附在水泥颗粒表面形成较大的空间位阻，也使得AH具有很强的分散能力。

2）掺AH水泥颗粒表面ξ电位绝对值较大，使水泥颗粒之间产生很强的静电斥力，对水泥粒子的分散起着重要作用。此外，AH分子结构中含有的极性基团与水分子间氢键缔合，在水泥粒子表面形成的溶剂化水膜的润滑，也对AH分散起到一定的加强作用。

[1] 蒋新元，邱学青，欧阳新平，等. 氨基磺酸系高效减水剂表面与分散性能研究[J]. 混凝土，2004，4.

[2] 鲍立楠. 氨基磺酸系高效减水剂的合成与性能研究[D]. 哈尔滨工业大学，2002.

[3] 蒋新元，邱学青，欧阳新平，等. 氨基磺酸系高效减水剂表面性能及作用机理研究[J]. 混凝土与水泥制品，2004，2.

[4] 蒋新元. 氨基磺酸系高效减水剂ASP性能研究[D]. 华南理工大学，2001.

Study on dispersal mechanizm of aminosulfonic-based superplasticizer AH

LIU Juan

We have tested the surface tension , adsorptive capacity and ξ-potential value on the surface of cement particle about aminosulfonic-based superplasticizer AH by experiment. It shows that AH can reduce the surface tension of solution and cause the free energy of dispersion system to decrease, AH is adsorbed on the surface of cement particle through the ring or caudate, it produces the big three-dimensional spatial steric hindrance, the cement particles surface of AH-doped has a larger absolute data of ξ-potential value, there is a strong electrostatic repulsion among the cement particles. These enable AH to have a good dispersion performance. In addition, there are hydrogen bonds between polar groups and water molecules in the AH molecular structure, the water film on the surface of cement particle lubricates cement particle. All of these strengthen AH dispersion.

aminosulfonic-based superplasticizer；dispersal mechanizm

TU529

A

1008-7427（2011）11-0159-02

2011-08-28

作者系江苏城市职业学院建工系讲师。