新型聚羧酸减水剂粉末的制备与性能研究

逄鲁峰，孙华强，常青山，周在波

（1.山东建筑大学土木工程学院，山东 济南 250100；2.山东华迪建筑科技有限公司，山东 济阳 251400）

新型聚羧酸减水剂粉末的制备与性能研究

逄鲁峰1，2，孙华强1，常青山2，周在波1

（1.山东建筑大学土木工程学院，山东 济南 250100；2.山东华迪建筑科技有限公司，山东 济阳 251400）

选用丙烯酸（AA）、甲基丙烯酸（MAA）、马来酸（MA）等3种不同聚合单体与聚醚（TPEG）、巯基丙酸（MPA）等单体在引发剂的作用下进行共聚反应，合成一种具有良好分散、保持效果的聚羧酸减水剂，再采用离心喷雾干燥法，将该高性能聚羧酸减水剂制备成粉末，并对其性能进行了测试。

粉末聚羧酸减水剂；离心喷雾干燥法；粉剂

聚羧酸减水剂具有分子结构灵活、掺量低、减水率高、坍落度保持性好、对混凝土的干缩影响较小、与水泥和掺合料适应性相对较好等一系列突出的性能[1-3]，同时，生产过程环保，目前已广泛应用于各项工程领域中。

但是需要使用粉末状聚羧酸系产品的地方很多。室内环境中使用粉状聚羧酸减水剂可以明显降低材料的可挥发有机物含量，特别是减少甲醛等易挥发组分含量[4]。此外，在各类干粉砂浆材料的制备上需要使用粉状的聚羧酸减水剂产品。更多的时候，粉末状产品比液体产品在运输、储存和使用时更加方便和节约成本[5-7]，因此，研制粉末聚羧酸减水剂成为必然。

1 试验

1.1 合成原材料（见表1）

表1 合成聚羧酸减水剂的原材料

1.2 聚羧酸减水剂的合成方法

在装配有温度计、搅拌器的四口烧瓶中，加入一定量的大单体TPEG和去离子水，搅拌20 min，待大单体充分混合后，升温到一定温度时，分别以滴加的形式加入AA、MAA、MA、VC、MPA，反应、保温一段时间，然后再根据理论设计浓度加入剩余的去离子水，最后用氢氧化钠溶液中和至中性。

1.3 正交试验设计

控制酸醚比、加料顺序、反应时间、体系浓度、引发剂等因素均相同，对比3种不同单体种类、引发剂用量、不同反应温度，制备出一系列聚羧酸减水剂，通过测试对水泥的分散性和分散保持性，研究各种因素对聚羧酸减水剂性能的影响，选出最优聚合单体、反应温度及引发剂用量，从而合成出高性能聚羧酸减水剂。正交试验因素水平见表2。

表2 L9（3）3正交试验因素水平

1.4 聚羧酸减水剂粉末的制备

通过离心喷雾干燥法，把合成的高性能聚羧酸减水剂母液制备成一种流动性优异、手感佳的聚羧酸减水剂粉末，不同的喷粉工艺制备的粉末的外观、性能、含水率、粘壁情况、贮存状况都有所不同。

1.4.1 喷雾干燥使用设备及工艺参数

离心喷雾干燥机：LPG系列高速离心喷雾干燥机，常州市越泽干燥设备有限公司，入口温度100～350℃，自控；出口温度60～90℃，自控；离心喷雾头转动形式：机械传动；转速8000～15 000 r/min；喷雾盘直径150 mm；干粉回收率≥95%。

1.4.2 喷雾干燥工作原理

空气经过过滤和加热，进入干燥器顶部空气分配器，热空气呈螺旋状均匀地进入干燥室。料液经塔体顶部的高速离心雾化器，（旋转）喷雾成极细微的雾状液珠，与热空气并流接触，在极短的时间内可干燥为粉末[8-10]。

1.5 性能测试

1.5.1 试验材料及主要仪器设备

水泥：宝山P·O52.5、山水P·Ⅱ42.5；粉煤灰：Ⅱ级灰；砂：人工砂（Ⅱ区中砂）、尾矿砂（细砂）；石子：粒径5～35 mm连续级配碎石；水：自来水。普通型聚羧酸高性能减水剂（PC-C），山东华迪建筑科技有限公司生产，具有低掺量、高减水、混凝土工作性能好等特点。

水泥净浆搅拌机：NJ-160A，河北虹宇仪器有限公司；强制式单卧轴混凝土搅拌机：HJW-60型，沧州中建精密仪器有限公司；压力试验机：YES-2000，上海华龙测试仪器有限公司。

1.5.2 性能测试方法

水泥净浆流动度按GB/T 8077—2000《混凝土外加剂匀质性试验方法》进行测试，W/C=0.29，减水剂掺量为0.12%（折固计）；混凝土抗压强度按照GB 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法》进行测试；混凝土其它性能按照GB 8076—2008《混凝土外加剂》进行测试。

2 结果与讨论

2.1 聚羧酸减水剂母液合成正交试验结果与分析（见表3）

表3 减水剂母液合成正交试验结果与分析

由表3可以看出，各因素对水泥分散性的影响由大到小依次为：A＞C＞B。

选用异戊烯醇聚氧乙烯醚（TPEG）大单体、3种不同体系小单体作为主要原料，不同小单体与大单体之间的聚合决定了聚羧酸减水剂的结构组成与性能，从而影响了聚羧酸减水剂对水泥的分散性。同时引发剂用量、反应聚合温度又影响着单体之间的聚合转化率，所以，合成聚羧酸高性能减水剂选用的最佳小单体为甲基丙烯酸，引发剂APS用量为占母液设计总质量的0.8%，反应聚合温度为80℃。

2.2 母液浓度对聚羧酸减水剂粉末的影响

在进风温度为120℃的条件下，比较不同母液浓度对粉末的影响，结果见表4。

表4 母液浓度对聚羧酸减水剂粉末的影响

从表4可以看出，随着母液浓度的增加，粉体的外观良好，含水量较低，并且喷塔不粘壁。然而在实际生产过程中，高浓度的母液黏度大，离心喷雾比较困难。综合比较得出，当聚羧酸母液浓度为40%时，聚羧酸粉末生产、制备更为经济高效。

2.3 进风温度对聚羧酸减水剂粉末的影响

选择浓度为40%的母液，在雾化盘转速为14 000 r/min的条件下，探讨不同进风温度对粉末的影响，结果见表5。

表5 进风温度对聚羧酸减水剂粉末的影响

从表5可以看出，随着喷塔进风温度的升高，制备得到的聚羧酸粉末含水率降低，得到的粉体滤渣少。然而，进风温度再升高，浪费能源的同时，粉末在喷塔下端聚集，容易形成较大的聚集颗粒团，容易发生爆炸危险，因而选择120℃为喷塔进风温度。

2.4 隔离剂对聚羧酸减水剂粉末的影响

在隔离剂用量相等的情况下，探讨隔离剂的种类及粒径对制备聚羧酸减水剂粉末的影响，试验结果见表6。

表6 隔离剂对聚羧酸减水剂粉末的影响

由表6可以看出，在隔离剂用量相等的情况下，隔离剂粒径越小，制备得到的聚羧酸粉末贮存更稳定.这是因为，隔离剂粒径越小，其比表面积越大，可以有效的防止粉体聚羧酸减水剂结块，所以贮存更稳定。当二氧化硅和重钙复配使用做隔离剂时，常温广口瓶放置6个月，粉末贮存依然无结块，稳定效果更佳。因此，选择10 μm二氧化硅和10 μm重钙复配作隔离剂。

2.5 聚羧酸减水剂粉末的性能

2.5.1 水泥净浆流动度

在最优工艺下合成、制备出聚羧酸减水剂粉末，并对得到的聚羧酸减水剂粉末的水泥净浆流动度进行了试验研究，验证其对水泥的分散、保持性。当聚羧酸减水剂粉末掺量为0.17%时，其水泥净浆初始流动度295 mm，30 min流动度285 mm，测试结果表明，自制的聚羧酸减水剂粉末不仅具有良好的分散性，而且还具有良好的分散保持性。

2.5.2 混凝土应用性能

试验混凝土配合比为：m（水泥）∶m（矿粉）∶m（粉煤灰）∶m（砂）∶m（石子）∶m（水）=240∶80∶80∶830∶1000∶175，聚羧酸减水剂折固掺量为0.2%，将掺自制聚羧酸减水剂粉末与不掺减水剂、掺普通聚羧酸减水剂（液体）、掺某市售进口聚羧酸减水剂粉末的混凝土进行对比，测试混凝土的坍落度及坍落度保持性，结果见表7。

表7 混凝土应用性能测试结果

由表7可以看出，在混凝土配合比相同，减水剂折固掺量均为0.2%时的条件下，自制的聚羧酸减水剂粉末达到液体聚羧酸减水剂的技术要求，同时，减水率、28 d抗压强度比毫不逊色于某市售进口聚羧酸减水剂粉末，且和易性较好。

3 结语

（1）根据聚羧酸减水剂分子结构的灵活可设计性，分别采用3种不同小单体，经正交试验制备并研究了3种聚羧酸减水剂。通过其结构分析和性能测试选出合成聚羧酸高性能减水剂的最佳小单体为甲基丙烯酸，引发剂APS用量为母液总质量的0.8%，反应聚合温度为80℃。

（2）母液浓度为40%，干燥温度为120℃，选择10 μm二氧化硅和10 μm重钙复配作为隔离剂的条件下，通过离心喷雾干燥法制得的聚羧酸减水剂粉末性能最佳。

（3）通过水泥净浆试验表明，自制的聚羧酸减水剂粉末不仅具有良好的分散性，而且还具有良好的分散保持性。通过混凝土试验得出，自制的聚羧酸减水剂粉末达到液体聚羧酸高效减水剂的技术要求，同时，其减水率、28 d抗压强度比毫不逊色于某市售进口聚羧酸减水剂粉末，且和易性较好。

[1]梁青.聚羧酸高性能减水剂的制备及其与水泥相容性的研究[D].太原：中北大学，2014.

[2]谭洪波.功能可控型聚羧酸减水剂的研究与应用[D].武汉：武汉理工大学，2009.

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[4]黄立新，王宗濂，唐金鑫.我国喷雾干燥技术研究及进展[J].化学工程，2001（2）：51-55，73.

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[9]张智，雷宇芳，鄢佳佳，等.新型固体聚羧酸高效减水剂的研制[J].武汉工程大学学报，2013（7）：60-65.

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Study on preparation and performance of a new type of polycarboxylate superplasticizer agent

PANG Lufeng1，2，SUN Huaqiang1，CHANG Qingshan2，ZHOU Zaibo1
（1.School of Civil Engineering，Shandong Jianzhu University，Jinan 250100，China；2.Shandong Huadi Construction Technology Co.Ltd.，Jiyang 251400，China）

Selecting three different polymerization monomers：acrylic acid（AA），methacrylic acid（MAA），maleic acid（MA）to polymerize with polyether（TPEG），mercaptopropionic acid（MPA）and so on in the presence of initiators.Also this paper synthesizes a kind of polycarboxylate superplasticizer in certain conditions with better dispersion and retentio quality，then using a centrifugal spraying drying method to powder the prepared high performance polycarboxylate.Finally，its performance is tested.

polycarboxylate superplasticizer，centrifugal spray drying method，powder agent

TU528.042.2

A

1001-702X（2016）12-0030-03

2016-04-27；

2016-06-17

逄鲁峰，男，1964年生，山东胶南人，教授，研究方向：混凝土材料及结构的研究及开发。