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高性能聚羧酸减水剂合成研究

2020-12-16邵致成郭柯宇刘仕伟于世涛

化学工业与工程 2020年6期
关键词:净浆减水剂水化

邵致成,郭柯宇,刘仕伟,于世涛

(青岛科技大学化工学院,山东 青岛 266042)

减水剂是一种使用量大、使用范围广的混凝土添加剂,其发展经历了木质素磺酸盐、萘磺酸甲醛缩合物/三聚氰胺甲醛缩合物、聚羧酸梳型共聚物等3代主要产品[1]。第1代减水剂木质素磺酸盐具有产量高、价格低和来源广泛等优点[2],但制备过程中因存有缩合反应而导致产品表面活性低、减水性能差,影响了其应用。第2代水溶性树脂类减水剂包括萘系减水剂、三聚氰胺磺酸盐甲醛系减水剂等,其具有良好的耐高温特性和拌和性能,但存在生产成本高、减水率低和相容性差等缺点,限制了其应用[3]。第3代减水剂聚羧酸减水剂(PCE)具有低掺量、高减水率和低坍落度损失等优点[4],广泛应用于建筑、陶瓷[5]、SiO2悬浮液[6]、催化模板化硅化和合成有机金属骨架[7]等领域。近年来,PCE合成及应用技术的日渐成熟,极大地推动了自密实混凝土、超高强混凝土等特种混凝土的技术进步和发展[8]。

PCE在混凝土中以较低掺量的条件下即可显著降低搅拌用水量,提高混凝土流动性和早期强度,且在生产过程中基本不污染环境,被认为是一种高效绿色减水剂[9]。PCE的合成研究起步于20世纪90年代,但目前的研究主要集中在聚合物分子构象、作用机理以及水泥适应性等;而有关其适应工业生产的合成方法研究少有文献报道。目前,PCE多采用水浴恒温聚合方式制备,聚合温度多为50~80 ℃[10],由于聚合初期高反应物浓度使得聚合热急剧释放,需冷却控制反应物料的温度,而反应后期,低反应物浓度导致反应速率降低,需加热保温反应物料温度,导致生成过程控温程序繁杂、反应器需配置换热构件、生产周期长、能耗大和成本高等缺陷。

绝热反应是反应系统与外界没有热量交换的反应,由此其反应器有结构简单、造价便宜、反应体积得到充分利用等优点。同时,反应过程中因无需使用冷却或加热媒介控制反应温度,能够达到节约能源和降低能耗的目的。目前,绝热反应在硝化[11]、磺化和烯烃聚合[12]等反应中均获得成功应用。

因此,本研究以聚醚型大单体异戊烯醇聚氧乙烯醚(TPEG)、丙烯酸(AA)和甲基丙烯磺酸钠(SMAS)为原料,在模拟绝热的条件下研究制备高性能减水剂PCE,研究了绝热反应条件、AA用量、SMAS用量、TGA用量对PCE减水性能的影响,并且研究了PCE对水泥水化过程的影响。结果表明,所得产品PCE的水泥净浆流动度、坍落度和减水率均优于传统恒温聚合方式所得PCE,且其在应用中可延缓水泥水化硬化过程,促进钙矾石的紧密排列,提高水泥的抗压和抗折等机械强度。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

异戊烯醇聚氧乙烯醚(TPEG):相对分子质量2 400,工业品,山东卓星化工有限公司;丙烯酸(AA):AR,天津市北联精细化学品开发有限公司;SMAS:工业品,上海笛柏化学品技术有限公司;过硫酸铵(APS):AR,上海麦克林生化科技有限公司;抗坏血酸(Vc)、巯基乙酸(TGA)等均为市售分析纯;水泥:市售SH42.5号普通硅酸盐水泥。

绝热反应器,实验室自制,该反应器是1个有真空保温夹套的玻璃反应器(即内壁和外壁之间的夹套层为真空),反应器内可放置磁力搅拌转子、开口配有可插温度计和冷凝管的玻璃塞。Tensor 27傅里叶变换红外光谱仪,德国Bruker公司;凝胶渗透色谱仪,美国Waters公司;Rigaku Miniflex 600 X射线衍射仪,日本理学公司;JEOL-JSM-5200扫描电子显微镜,日本电子株式会社;NJ-160水泥净浆搅拌机,天津锡仪建材仪器厂;Zetasizer Nano ZS ZEN3600电位分析仪,英国Malvern Instruments公司。

1.2 实验操作

将定量TPEG、APS和去离子水加入250 mL绝热反应器中,搅拌待固体溶解后,同时分别用计量泵在20 min内泵入混合液A(组成为:AA、SMAS和去离子水)和混合液B(组成为:TGA、Vc和去离子水),加料完毕后,控制反应初始温度为15 ℃,搅拌反应4 h;反应结束后将反应物倾倒至烧杯中冷却至室温,用质量分数为30% NaOH水溶液调节至pH值为6~8,即得目标产物PCE。并按照标准GB/T 8077-2012的方法测定其水泥净浆流动性、固含量,制备PCE反应过程如式(1)所示。

(1)

采用水泥净浆流动度为主要指标评价所得PCE样品的减水性能,其测定方法为:固定水灰比为m(水)∶m(水泥)=0.29,称取水泥300 g,自来水87 g。测试时,所制备的PCE(固含量约40%)、水泥、自来水倒入搅拌锅内,将净浆流动机调为自动模式,先慢速搅拌120 s,停15 s,再快速搅拌120 s,之后把搅拌好的净浆倒入平放在玻璃板上的截锥圆模中,用刮刀刮平,将截锥圆模按垂直方向提起,流淌30 s后,用直尺量取互相垂直的2个方向的最大直径,取平均值作为水泥净浆流动度。

此外,采用凝胶渗透色谱测定样品的相对分子质量及其分布:色谱柱由UltrahydragelTM120、UltrahydragelTM250、UltrahydragelTM500串联组成;柱温度40 ℃,洗脱液0.1 mol/L Na2SO4溶液的流速0.6 mL/min;用不同相对分子质量的分散性聚乙二醇校正标准曲线[13]。

将各水化水泥试样到龄期后去除表皮,敲成0.2~0.3 mm直径的小块,用玛瑙研钵将试样研磨至10 μm以下,充分干燥后进行性能测试;XRD表征:使用Cu_Kα辐射在Rigaku Miniflex 600(日本)衍射仪上测试样品,记录衍射角2θ为10°~80°。SEM表征:在场发射电子枪300 kV下的JEOL-JSM-5200上进行测试,将一滴乙醇悬浮液沉积在硅晶片上制备SEM观察的样品。

2 结果与讨论

2.1 反应物起始温度和反应时间对反应过程温度及产物性能的影响

在n(TPEG)∶n(AA)∶n(SMAS)∶n(TGA)∶n(APS)∶n(Vc)=1.00∶4.00∶0.30∶0.18∶0.12∶0.01的反应条件下,考察了反应物起始温度对反应过程物料温度及产物性能的影响,结果见图1和表1。

图1 绝热体系中的温度变化Fig.1 Change of temperature in adiabatic systems

由图1可见,3个不同的起始温度(考虑季节的不同,设定了3个不同的起始温度),其聚合反应过程物料温度的变化较为相似,即反应初期,温度急剧攀升,随后反应物料的温度趋平随后降低。这是因为该聚合反应为自由基反应机理,反应初期反应物浓度高,反应速度快,聚合热释放较为集中剧烈,导致反应物料温度攀升幅度较大;随着反应进行,反应物浓度降低,聚合反应速度降低,产生的聚合热,并且由于物料温度高于室温也可能引起热量的损耗,因此温度开始缓慢下降。

表1给出了反应时间对产品的水泥净浆流动度影响的实验结果。

表1 起始温度和反应时间对PCE减水性能的影响Table 1 Effects of starting temperature and reaction time on water reducing property of PCE

由表1可见,在不同的3种起始物料温度下制备的PCE净浆流动度较为相近(反应时间为3~4 h时,净浆流动度在245~251 mm),该指标能够满足实际的需要,表明采用绝热反应可实现PCE的稳定生产。因此,在随后的实验中,将重点考察反应物料初始温度为15 ℃、反应时间为4 h的条件下考察其他影响较大的因素对合成PCE性能的影响。

此外,将反应初始温度15 ℃、反应时间4 h下制得的PCE用于混凝土性能测试,并与相同反应条件下于恒温30 ℃制备的PCE在主要指标上进行了对比,结果如表2所示。

表2 不同反应方式制备的PCE性能比较Table 2 Performance comparison of PCE prepared by different reaction methods

从表2可见,绝热制备的PCE水泥净浆流动度为251 mm,坍落度为210 mm,减水率为37.2%。上述指标满足市售商品的质量指标要求。对比恒温30 ℃制备样品的性能可见,绝热制备的PCE在主要性能指标数比肩水浴制备的PCE性能,部分指标优于水浴制备的PCE。此外,由于绝热聚合技术还具有节约能耗、操作简易等优点,所以本实验选用绝热法制备PCE。

2.2 丙烯酸用量对PCE减水性能的影响

AA中有强极性的羧基基团,羧基基团是PCE中发挥分散作用和减水作用的重要功能性基团之一,同时还有保坍和缓凝作用[14]。因此,在n(TPEG)∶n(SMAS)∶n(TGA)∶n(APS)∶n(Vc)=1.0∶0.3∶0.18∶0.12∶0.01、初始物料温度15 ℃、反应时间4 h的条件下,考察了AA用量对PCE减水性能的影响,结果见图2。

图2 n(AA)∶n(TPEG)对PCE性能的影响Fig.2 Effect of n(AA)∶n(TPEG) on PCE performance

由图2可见,AA用量对所得产物PCE的减水性能影响显著。当n(AA)∶n(TPEG)=4.0∶1.0时,相同的PCE掺量下,样品的水泥净浆流动度均为最高,并且在掺量为0.4%时,净浆流动性超过了251 mm,随后再增加AA用量,对提高水泥净浆流动性的意义不大,这是因为过多的AA用量,稀释了反应体系中引发剂的浓度,导致聚合速度降低,在规定的反应时间内,并未从实质上提高PCE分子结构中羧酸基团的数量。并且AA是高聚合反应活性的单体之一,AA的使用主要是为了在PCE结构中引入更多的羧酸基团,羧酸基团的增多可促进PCE分子更容易锚固在水泥颗粒表面,使长侧链更好地发挥空间位阻作用,从而水泥净浆流动度增加,实现减水的目的。因此,n(AA)∶n(TPEG)以4.0∶1.0为宜。

此外,PCE的相对分子质量对水泥浆体的流动性有着显著影响,而改变羧基引入量可以改变减水剂PCE的相对分子质量,进而影响其减水性能[15]。研究表明,PCE的相对分子质量为25 000~80 000时,其减水剂性能最优。如果PCE相对分子质量超过80 000,则聚合时PCE会产生凝胶或凝聚现象,所得聚合液黏稠,使用时会增大水泥浆体的黏度,导致阴离子基团被屏蔽,难以发挥静电斥力作用;而PCE相对分子质量低于25 000,PCE分子结构中的侧链数量不足,不能发挥其空间位阻作用,影响其使用性能。表3给出了AA用量对产物PCE相对分子质量及其分布影响的实验结果。

表3 不同丙烯酸配比PCE相对分子质量及其相对分子质量分布Table 3 Molecular weight and molecular weight distribution of polycarboxylate superplasticizers with different acrylic acid ratio

由表3可见,随着n(AA)∶n(TPEG)的增加,PCE重均相对分子质量Mw和数均相对分子质量Mn分别从55 369和41 915降到27 614和25 856。这是因为AA有较高的反应活性,相比于大单体TPEG,AA更容易与链引发产生的单体自由基反应形成新的自由基,从而将羧基接枝到主链上;增加AA的添加量会导致TPEG大单体难以接枝在主链上,而TPEG所提供的侧链对PCE的相对分子质量贡献较大,所以聚羧酸减水剂的相对分子质量随着AA添加量的增大而减小。聚合物的分散性指数PDI均接近于1,说明合成产物的相对分子质量分布较为集中。

图3给出了PCE的FT-IR表征。

图3 PCE的FT-IR谱图Fig.3 FT-IR spectra of PCE

2.3 甲基丙烯磺酸钠的用量对PCE减水性能的影响

SMAS的使用可在PCE的结构中引入磺酸根,磺酸根的引入可调节PCE主链上的支链密度,增加减水剂与水泥颗粒吸附层的厚度、增强空间位阻,同时磺酸基还有很好的静电斥力作用,两者的协同作用可显著提高水泥浆的分散性和流动性[16]。由此,在n(AA)∶n(TPEG)=4.0∶1.0并且其他条件不变前提下,考察了SMAS用量对PCE减水性能的影响,结果见图4。

图4 n(SMAS)∶n(TPEG)对PCE性能的影响Fig.4 Effect of n(SMAS)∶n(TPEG) on PCE performance

由图4可见,n(SMAS)∶n(TPEG)对产品PCE的减水性能影响较大,随着n(SMAS)∶n(TPEG)值的增大,相同PCE的掺入量下,PCE的减水性能先增后降,当n(SMAS)∶n(TPEG)=0.3∶1.0时,PCE的掺量仅为0.4%时,其减水性能较好,水泥净浆流动度大于250 mm,实现了低掺入量高减水性。随后再增加SMAS的用量,减水性能未见明显提高,这是因为SMAS用量的进一步增加,虽然可提高PCE分子结构中的磺酸根的数量,但致使起较强吸附性能的羧基在PCE结构中的相对数量减少。因此,n(SMAS)∶n(TPEG)=0.3∶1.0为宜。

2.4 巯基乙酸用量对PCE减水性能的影响

对醚类单体参加的自由基聚合,巯基乙酸TGA是性能优良的相对分子质量调节剂,还具有优化相对分子质量分布的特性[17]。由此,在n(AA)∶n(TPEG)=4.0∶1.0和n(SMAS)∶n(TPEG)=0.3∶1.0,其他条件不变前提下,考察了TGA用量对PCE减水性能的影响,结果见图5。

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图5 n(TGA)∶n(TPEG)对PCE性能的影响Fig.5 Effect of n(SMAS)∶n(TPEG) on PCE performance

由图5可见,随着TGA用量增加,水泥净浆流动度呈现先上升后下降的变化规律,当n(TGA)∶n(TPEG)=0.18∶1.0,PCE仅掺入0.4%时,水泥净浆流动度就大于250 mm,达到了低掺量高减水性能的目标。因此,n(TGA)∶n(TPEG)=0.18∶1.0为宜。

2.5 PCE对水泥水化过程的影响

水泥的水化作用是其主要成分硅酸三钙(C3S)、硅酸二钙(C2S)、铝酸三钙(C3A)、铁铝酸四钙(C4AF)与水发生复杂的水化反应,最终生成钙矾石Aft(3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O)[18],具体反应式如式(2)~(5)所示:

2(3CaO·SiO2)+6H2O=3CaO·SiO2·3H2O+

3Ca(OH)2

(2)

2(2CaO·SiO2)+4H2O=

3CaO·SiO2·3H2O+Ca(OH)2

(3)

3CaO·Al2O3+6H2O=3CaO·Al2O3·6H2O

(4)

4CaO·Al2O3·Fe2O3+7H2O=

3CaO·Al2O3·6H2O+CaO·Fe2O3·H2O

(5)

为了更好地研究PCE对水泥水化过程的影响,采用XRD表征了水化后3和28 d的水泥样品,结果如图6所示。

由图6可见,在硬化3 d后所得样品,含PCE的样品在29.40°处衍射峰较高、34.36°处衍射峰较低,可判断样品中C2S和C3S的含量依然很高,而生成的Aft较少,而空白的水泥样品C2S和C3S的衍射峰较低,Aft的衍射峰较高,表明PCE的使用在早期延缓了水泥水化反应。水化28 d后所得样品峰强度基本一致,表明PCE对水泥后期水化过程影响较少。

图6 水泥水化样品的XRD谱图Fig.6 XRD patterns of cement hydration samples

图7给出了水泥水化一定时间后所得样品的SEM图。

图7 水泥水化样品的SEM图: a) 3 d的w(PCE)=0.3%样品, b) 28 d的w(PCE)=0.3%样品,c) 3 d的水泥样品,d) 28 d的水泥样品Fig.7 SEM image of cement hydration sample: a) 3 days, w(PCE)=0.3%; b) 28 days, w(PCE)=0.3%; c) 3 days, cement; d) 28 days, cement

由图7可见,水泥水化后硬化3 d时,使用PCE所得样品多为紧密的层状晶体[图7a)],而未使用PCE的样品多为松散棒状晶体Aft[图7c)],上述结果表明PCE对水泥水化前期的延缓作用,有利于水泥硬化的紧密排列。硬化28 d时,使用PCE所得多为紧密的层状晶体或棒状晶体[图7b)],未使用PCE的水泥样品对位较松散的棒状晶体[图7d)],表明添加PCE的水泥浆体硬化后期有更加紧密的结构,而这种作用可提高水泥的机械强度。

图8给出了硬化后水泥样品的抗压性能和抗折性能测试结果。

图8 水泥水化样品的抗压和抗折性能测试: a)抗压; b)抗折Fig.8 Compressive and flexural resistance test of cement hydration samples: a) compressive resistance; b) flexural resistance

由图8可见,与不加PCE的水泥相比,掺加了PCE的水泥样品具有更强抗压强度和抗折强度。这是因为PCE的添加使水泥浆体更容易分散,对水泥硬化具有延缓作用,促进硬化过程中钙钒石的紧密排列,从而形成致密的结构和更小的空隙,从而拥有更好的机械性能。

3 结论

采用模拟绝热法合成了聚羧酸减水剂PCE,在n(TPEG)∶n(AA)∶n(SMAS)∶n(TGA)=1.00∶4.00∶0.20∶0.18、物料起始温度15 ℃、聚合时间4 h的条件下,所得PCE的重均相对分子质量为42 688、数均相对分子质量36 409、相对分子质量分布1.172 5,且其固含量、水泥净浆流动度、坍落度和减水率均优于传统恒温聚合方式所得PCE;减水剂PCE的使用,可延缓水化水泥的硬化过程,促进钙矾石的紧密排列,提高水泥的抗压和抗折等机械强度。

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