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酰胺基改性聚羧酸减水剂性能研究

来源:石家庄市海森化工有限公司  日期:2018-10-22 11:25:31  属于:行业动态
文章摘要:将丙烯酰胺,甲基烯丙基聚氧乙烯醚,丙烯酸利用水溶液自由基聚合法合成酰胺基改性聚羧酸减水剂,并与未改性聚羧酸减水剂的对比。结果表明:酰胺基的引入降低了聚羧酸减水剂中的羧基密度,因此降低水泥浆体初始流动度;而酰胺基在碱 性环境中的水解,可显著改善水泥基材料的经时流动度,同时有效提高水泥基材料的早期和后期强度。
 聚羧酸高性能减水剂作为第三代高性能减水剂,具有减水率高,保坍性能好等优点[1-2]。聚羧酸减水剂的性能主要取决于其分子结构,通过不同的官能团修饰聚羧酸分子的主链和侧链,可以改善聚羧酸不同的性能[3]。Yamada 等[4] 的研究结果表明磺酸根离子在聚羧酸减水剂中的比例越大,水泥浆体的分散性就越好。孔祥明等[5]研究发现羧基在聚羧酸减水剂中含量越高,水泥的分散性越好。于飞宇通过环氧乙烷、烯丙基聚乙二醇和甲基磺酸钠等在水溶液中共聚,提高了硬化水泥浆的早期强度[6]。为改善水泥浆的分散性以及提高硬化水泥浆的强度,本研究将酰胺基接枝到聚羧酸减水剂分子上,并通过红外光谱及凝胶色谱对合成的减水剂分子进行表征。通过酰胺基改性聚羧酸减水剂对水泥基材料分散性能和强度的影响规律的研究,分析了酰胺基聚羧酸减水剂分子结构对水泥基材料的作用机理。
   0 原材料及研究方法

   0.1 原材料

采用南京江南小野田水泥有限公司 P·II 52.5 级水泥,
因为 P·II 52.5 级矿物掺合料含量较低,用作检验聚羧酸系减水剂母液的性能,该水泥样品的化学成分见表 1,性能指标见表 2。砂采用厦门 ISO 标准砂。
                                                        1   水泥化学成分 %
  组 成     CaO      SiO2         Al2O3          Fe2O3          MgO     SO3          TiO2      K2 
  含 量    61.30     20.8      6.34       3.07      1.03      2.29     0.29  0.85  


  
聚羧酸系减水剂合成中用到的原材料包括:分子量为
2400 的改性烯丙基聚乙二醇(TPEG)、丙烯酸(AA)、丙烯酰胺(AM)、过硫酸铵(ASP)、巯基丙酸(MPA)、氢氧化钠
NaOH

0.1 研究方法

红外光谱分析:所合成的聚羧酸减水剂放置于 38 ℃ 真空烘箱内干燥 24 h 至恒重,取薄膜状聚羧酸样品并用KBr 压片,采用 BRUCKER 公司的Equinox 55FTIR 红外光谱仪
进行红外光谱表征分析。
凝胶色谱分析测试:在35 ℃环境下,利用0.5 mol/LNaNO3 溶液作用洗脱液,通过体积排阻色谱测试聚合物的重均分子量(Mw)以及数均分子量(Mn)。
水泥净浆流动度是按照GB/T 8077—2012《混凝土外加剂匀质性试验方法》的规定,用小坍落度筒试验方法进行水泥浆体流动度测定。水泥胶砂强度是按照 GB/T 17671—
1999《水泥胶砂强度检验法》的规定,进行 1、3、28 d 的强度测试。
将聚羧酸减水剂以 0.12%的掺量加入到水泥净浆中, 净浆水灰比为 0.29,对水化浆体搅拌均匀,放入 20 ℃/RH
90%标准养护条件下养护到规定龄期,用无水乙醇进行终止水化。采用 D8 FOCUS X 射线衍射仪,扫描角 2θ 度范围
5°~60°,扫描速度为 3 °/min。将制备好的水化样放入研钵中研磨至均匀粉末、装样、压实、使用 X 射线衍射仪器、得出 XRD 图像。
采用上海电子光学技术研究所生产的 721A 型紫外- 可见分光光度计测定减水剂在水泥颗粒上的吸附量。按
10∶1 的水灰比、1~8 g/L 的减水剂浓度,加入水泥后搅拌 5 min, 静置 10 min 后取其上清液,用紫外分光光度计测定减水剂的浓度,根据溶液中减水剂浓度的变化计算出减水剂在水泥颗粒表面的吸附量[7]。

2 试验结果及讨论
2.1 合成酰胺基改性聚羧酸减水剂的基本性能分析

采用过硫酸铵作为引发剂,巯基丙酸作为链转移剂,采用水溶液自由基聚合方法进行合成聚羧酸减水剂。首先将
TPEG 大单体和水混合投入到四口烧瓶中,升温至 60 ℃并进行搅拌,当大单体溶解时,分别通过蠕动泵滴加 2%的过硫酸铵引发剂和与 TPEG 摩尔比为 4 的小单体(丙烯酸和丙烯酰胺摩尔数和为 TPEG 的 4 倍)与巯基丙酸的混合溶液。GPC 测试结果可见表 4,Mw  表示重均分子量,Mn  表示数均分子量,PDI 表示聚合物分散性指数为 Mw、Mn 的比值,
PDI 越大,分子量分布越宽;PDI 越小,分子量分布越均匀。
合成聚羧酸红外可见图1,5个样品的红外光谱图像基本相似,基本相似,680 cm-1 处没有明显的 C=C 的峰,表明不饱和单体在反应中发生了聚合反应,几乎无剩余小单体。而在2882、1 720、1 670 cm-1 等波数附近存在着强度不等的吸
收峰。其中,在 2 882 cm-1 处的吸收峰是由聚氧乙烯链侧链中烷烃中 C-H 键伸缩振动产生的。1 720 cm-1 处的吸收
峰为羧基中 C=O 的对称伸缩吸收峰,随着丙烯酰胺掺量的增加,聚羧酸中羧基含量在降低。1 670 cm-1 为酰胺基的
C=O 的对称伸缩吸收峰,同样可以发现随着酰胺基摩尔比的增加,在该处的峰值呈现了一种上升的趋势[8]。
的增加,聚羧酸中羧基含量在降低。1 670 cm-1 为酰胺基的
C=O 的对称伸缩吸收峰,同样可以发现随着酰胺基摩尔比的增加,在该处的峰值呈现了一种上升的趋势[8]。


2 试验结果及讨论

2.1 合成酰胺基改性聚羧酸减水剂的基本性能分析

采用过硫酸铵作为引发剂,巯基丙酸作为链转移剂,采用水溶液自由基聚合方法进行合成聚羧酸减水剂。首先将
TPEG 大单体和水混合投入到四口烧瓶中,升温至 60 ℃并进行搅拌,当大单体溶解时,分别通过蠕动泵滴加 2%的过硫酸铵引发剂和与 TPEG 摩尔比为 4 的小单体(丙烯酸和丙烯酰胺摩尔数和为 TPEG 的 4 倍)与巯基丙酸的混合溶液。GPC 测试结果可见表 4,Mw  表示重均分子量,Mn  表示数均分子量,PDI 表示聚合物分散性指数为 Mw、Mn 的比值,
PDI 越大,分子量分布越宽;PDI 越小,分子量分布越均匀。

2.1 酰胺基聚羧酸减水剂对水泥净浆流动度的影响

水泥净浆流动度采用 300 g 水泥,折固掺量 0.12%的聚羧酸减水剂,0.29 的水灰比试验结果可见图 2。水泥胶砂强度采用 450 g 水泥,折固掺量为 0.12%的聚羧酸减水剂,
0.45 的水灰比,1∶3 的胶砂比,结果可见图 3。聚羧酸减水剂的总浓度与残留的差值作为吸附量,反应了被水泥颗粒表面吸附的聚羧酸减水剂的吸附量。测定得到的“吸附量”越大,表明被消耗的减水剂越多,起吸附-分散作用的减水剂
越多,因而浆体流变性越强[9]。不同酰胺基聚羧酸减水剂的
吸附等温线可见图 3。


通过净浆流动度可以发现,加入酰胺基后水泥净浆初始流动度呈现递减的趋势。通过吸附量结果,结果可以发现,在聚羧酸减水剂掺量相同的情况下,随着丙烯酰胺的增加,吸附量在降低,这可以用 2.1 节中红外图谱中羧基峰随着酰胺基增加而降低来解释。

2.3 酰胺基聚羧酸减水剂对水泥胶砂强度的影响

不同摩尔比酰胺基聚羧酸减水剂的水泥胶砂强度可见图 4,可以发现不同龄期下水泥胶砂强度,随着丙烯酰胺摩尔比的增加呈现了先上升后下降的趋势,当掺量较小时, 丙烯酰胺可以起到增加早期强度和后期强度的效果,当掺量增加时,丙烯酰胺聚羧酸减水剂的缓凝作用使早期强度降低但是后期强度较未加的体系仍有小幅提升,表明酰胺基的引入能够提高水泥基材料的强度。


将水泥浆体的 3、28 d 水化样进行 XRD 分析,结果可见图 5、6,可以发现 3 d 龄期下酰胺基摩尔比为 0.2、0.4 的时候 CH 高于未加酰胺基的聚羧酸减水剂,酰胺基摩尔比为 0.6、0.8 时 CH 低于未加酰胺基的聚羧酸减水剂,但在28 d 龄期时,所有摩尔比酰胺基聚羧酸减水剂都高于未加酰胺基聚羧酸减水剂。这是由于 3 d 龄期时,酰胺基摩尔比过高使浆体缓凝时间延长,使水泥浆体的早期水化延迟。丙烯酰胺在浆体中的聚合作用形成空间网状结构,起到了架桥作用,降低了孔隙率,使得 Ca(OH)2  晶体在未水化的颗粒和水化产物结构生长,增加水泥浆体的强度[11]。


3结论

将丙烯酰胺,甲基烯丙基聚氧乙烯醚,丙烯酸在 60 ℃
 
下利用水溶液自由基聚合法可以合成酰胺基改性聚羧酸减水剂,随着酰胺基的增加,主链羧基密度降低,聚羧酸减水剂分子量分布越均匀。
(1) 酰胺基改性聚羧酸减水剂随着酰胺基比例增加 ,初始流动度呈现下降趋势,但是经时流动度高于初始流动度,增加了聚羧酸减水剂的保坍性能。
酰胺基改性聚羧酸减水剂有助于改善水泥基材 料的强度,掺量较低时能够提高水泥胶砂的早期强度,各掺量下对 28 d 龄期的强度都有提升。

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