聚羧酸减水剂的研究进展

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度,侧 链 长度,侧 链 密度,主链电荷密度,分 子 量。聚羧 酸 系减 水剂分 子 设 计的理论 依 据主 要有 DLVO 理论、空间位 阻作用及 分散粒子的双电层模型、大分 子降 解理论。依据这些理论来 调节决 定分 子 结 构的上 述 五要素从而 设 计出性 能优 越的减 水 剂。如Kazuo Yamada等[8]研究了化学结构对聚羧酸系减水剂 性能的影响,从聚合物的纯度、所带官能团羧基、磺酸基和聚 氧乙烯 基 侧 链的 链 长、主链 聚合度 等 方面 研 究了聚羧 酸 系减 水剂 对 水泥 粒子分 散性的影响,认 为具 有长侧 链、短 主链、高 磺酸基密度结构的减水剂,其分散性好,结构中含高密度的阴 离子官能团可使水泥浆体凝结时间延长。G Ferrari[9]等人的研 究 发 现,聚羧 酸 减 水剂中的 大分 子单体 和 羧 酸 小 分 子单体 的 摩 尔比 是 影 响 聚 羧 酸 减 水 剂 减 水 率 的 关 键 因素,最 佳 比例 为 1∶3。提高该 摩尔比,聚羧 酸 减 水剂分 子在 水泥 表面的吸 附 量 提高。Frank Winnefeld等[10]研究了不同结构的聚羧酸系减水 剂对水泥砂浆的工作性和早期水化情况的影响。结果表明:降 低 P E O 侧 链的 密度 能 够 提 高工作 性,减 水剂 分 子的主链 长 度 和分子量影响较小。 1.3 大分子结构表征
a. 第一代PCE:甲基丙烯酸/烯酸甲酯共聚物。这种聚合物 是由甲基丙烯酸(MAA)和甲基丙烯酸甲氧基聚乙二醇酯化物 (MAA-MPEG)进行自由基聚合作用产生的,主链和支链的连 接是酯键。在该类共聚物的合成中,MAA与MAA-MPEG的典型 摩尔比在(1.5~6)∶1范围内变化,MAA-MPEG中的聚氧乙烯单 元数量在5~130之间,反应过程中添加链转移剂硫醇或甲基烯 丙基磺酸盐来调节聚合物的相对分子质量。
C=O
NH a
ONa b
Oc
CH2 CH2 NH C=O (CH2) 4 C=O
CH2 CH2 O
p=35
CH3
NH
CH2 CH2 NH n=7
CH2 CH2 O H n=16
(c)
H CH2- C
C=O
H CH2- C
C=O
H CH2- C
C=O
CH2- CH-HC2-HC O=C C=O
OH a
性能的影响。
常数很大的链转移剂后,聚合反应由不可控变为可控,显示活
性聚合特征。采用此法可以
CH3 CH2 C
C=O
CH3 CH2 C
C=O
ONa a
Ob
CH2 CH2 O
n
CH3
(a)
CH3
CH3
CH3ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
H
CH2 C
CH2 C
CH2 C
CH2 C
CH2
C=O
C=O
CH2
SO3Na a
ONa b
OCH3 c
1 聚羧酸减水剂的分子设计、化学合成及结构 控制
1.1 合成方法 减水剂是一种能在和易性不变时减少单位用水量,或在单
位用水量不变时改善和易性,或二者都具备又不改变含气量的 外加剂,组成特点为碳氢分子链上带有亲水性离子基团的表面 活性物质。近年来,高效减水剂在混凝土拌和过程,特别是重大 工程的施工过程中发挥出了越来越重要的作用。高效减水剂在 国外又被称为超塑化剂,聚羧酸系超塑化剂英文简称PC、PCE, 属于高分子表面活性剂的一种,在施工过程中主要起到减水、 提高强度、改善混凝土和易性的作用。部分有特殊功能的超塑 化剂也可以起到提高混凝土早期强度、防冻等性能的作用,其
聚羧酸减水剂分子结构的表征通常包括分子量及其分布的 表征和分子微结构的表征。
聚羧酸减水剂的分子量和分子量分布通常可以用凝胶渗透 色谱(也即体积排除色谱)来表征[11,12]。
聚羧酸减水剂的微结构,即聚羧酸减水剂中支链的密度及 序列分布的测定近年来受到了广泛的关注。F Peurtas等人 用 [13] 红外光谱,质子核磁共振和紫外-可见光谱法进行结构分析,确 定减水剂中的主要官能团为酯、羧酸盐和醚,同时用旋转流变 仪测量减水剂溶液的粘度,得到的较高粘度表明减水剂分子具 有大量较长的支链结构。
OCH3 b
NH c
H3C-CH
CH2
O
N
d
CH2 CH2 O
CH2 CH2 O
CH2 CH2 O
H3C-CH CH2 OCH3
H3C-CH CH2 OCH3
(d)
结 构不同的减 水剂分 子。该 方法优点在于合成的减水剂 分 子 量可控,利于研 究减 水 剂分子与水泥的相互作用。
目前合成 聚 羧 酸 减 水 剂所用的单体主要有四种: (1)不饱和酸:马来酸酐、 马来酸和丙烯酸、甲基丙烯 酸;(2)聚链烯基物质:聚链 烯基烃及其含不同官能团的 衍生物;(3)聚 苯 乙烯 磺 酸 盐或酯;(4)(甲基)丙烯酸
科学研究总是以一定的产业和工程为背景的。科学研究成 果可以促进产业和工程的大发展,巨大的产业和工程又为科学 研究提供研究对象和目标。目前,聚羧酸减水剂在我国大规模 的生产和工程应用实践,为与之相关的科学研究提供了巨大的 产业背景。然而,我国聚羧酸相关的学术研究却明显滞后于产 业的发展,这将成为束缚产业进一步突破的瓶颈。因此,深入 开展聚羧酸减水剂相关的高分子化学合成、分子设计与结构控 制、高分 子与水泥体系的 相 互作用和 组装、工程 应 用等几个方 面的基础研究,迫在眉睫。然而,由于上述研究内容涉及高分子 化学与物理、材料学、流变学、水泥化学、建筑材料等多种学 科的交叉,为本领域的相关研究的深入和突破带来了困难。本 文将综述近年来国际、国内有关聚羧酸减水剂的学术研究进展 和动向,意在为我国在该领域的科学研究和产业发展起到“抛 砖引玉”的作用。
图 1 四类减水剂的分子结构示意图
盐、酯或者酰胺等。
29 总11期 2010.05 混凝土世界
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1.2 分子结构设计 分子结构决定性能,因此对减水剂分子结构设计以使其具
备优越的性能具有重大意义。 聚羧 酸 系减 水剂的 分 子 结 构主 要 包 括以下方面:主链 长
减水剂的主要合成方法有以下三种:
聚 合后功能化法。该 方 法主 要 是 利 用 现 有的聚 合 物 进 行
可聚合单体直接共聚法。这种合成方法一般是先制备具有 改性,一般是采用已知分子量的聚羧酸聚合物,在催化剂作用
聚合活性的大单体(通常为甲氧基聚乙二醇甲基丙烯酸酯),然 下与聚醚在较高温度下通过酯化反应进行接枝,或采用丙烯
Od
(EO)n
CH3
(b)
控制聚合而得到分散度较小 的聚合物分子。H Bouhamed 等[7]采用RAFT自由基聚合方 法,以2-丙烯酰氨基-2-甲基 丙烷磺酸和甲氧基聚乙二醇 甲基 丙烯 酸 酯 为原 料,合成 得到分子量分布比较窄的各
CH3 CH2- C
C=O
CH3 CH2- C
C=O
CH3 CH2- C
化学性能区别于普通的减水剂。按组成划分,减水剂可分为:第 一代木质素磺酸盐类、第二代水溶性树脂类减水剂和第三代羧 酸盐聚合物减水剂。
德国的J Plank[1]按不同的化学结构将羧酸盐聚合物减水剂 分成甲基丙烯酸/烯酸甲酯PCE共聚物、丙烯基醚PCE共聚物、 酰胺/酰亚胺型PCE以及两性型PCE四类,其结构分别如图1中 (a)、(b)、(c)、(d)所示:
由基聚合的方法,以甲氧基聚乙二醇丙烯酸酯和丙烯酸钠为单 酸相容性好的聚醚,则相分离的问题完全可以解决。如何靖等
体合成了一系列不同侧链长度和侧链密度的聚羧酸系减水剂。 [5]先采用苯乙烯和马来酸酐共聚得到高分子主链SMA,然后在
反 应 条 件为:以 水为反 应 介质,反 应温 度为 9 0℃,反 应 时 间为 8h,以过硫酸钠为引发剂,NaHSO3为催化剂,反应气氛为N2。孙 振平等[4]以水为反应介质,采用自由基聚合法,将自制的酯化大
Pascal Borget等人[12]使用质子核磁共振技术表征了减水剂 分子的接枝度即支链数目,同时用13C核磁共振技术通过对聚羧 酸减水剂分子中酯键和羧酸键中羰基的表征得到了支链在主链 上的序列分布,实验表明支链在分子中呈无规分布。
刘 崭 等 [14] 采 用 大 单体 与小 单体 共聚 的 技 术,通 过自由基 引发溶液聚合,合成了一系列水溶性梳状聚合物— 聚丙烯 酸接枝聚乙二醇 单甲醚(PA A-g-m PEG)。用傅立叶变换红 外光谱(F T-IR)和核磁共振氢谱(1H-NMR)表征了共聚物 的 结 构,并对其 侧 链 的 结晶 行 为 进 行了 研 究。采 用 差 热 扫 描
b. 第二代PCE:烯丙基醚共聚物。这类减水剂结构由日本 首先发明,它的主要特性是在主链和支链之间有一个醚键作为 连接官能团。由于烯丙基醚较丙烯基酯的活性低,且烯丙基醚 与很多小单体的Q-e值相差太大,所以这类减水剂是严格交替 的共聚物。
c. 第三代PCE:酰胺/酰亚胺型PCE。这类减水剂首先由 美国的Grace公司研发。他们通过在丙烯酸/甲基丙烯酸和/或含 甲氧 基的聚酯的共聚物上 嫁 接 E O / P O卤氮化合 物来 合成 此 种 PCE,有资料显示这类减水剂成本与酯型PCE相比略贵一些。
量 热 法(D S C),表征 并 分析了不同 侧 链 长 度的m P E G 的 热 性 能及其结晶情况。利用相差显微镜和原子力显微镜(AFM)观 察 薄 膜 的 结晶 形 貌,表 明梳 状 聚 合 物 的 侧 链 m P E G 在 受 限 条 件下的薄 膜 结晶 形 貌 为高度 支化 的晶 体,初步 分析了m P E G 链 长及其在共聚物中的重量百分 含量对晶体形貌的影响。王书 会 [15 ] 用自制的甲基 丙烯 酸甲酯 和马 来 酸 酐 的 共聚物 P(M M Aco-MAh)为反应物, 聚乙二醇 单甲醚(PEGME)为接枝单 体,合成了梳状 P(MMA-co-MAh)共聚物多缩乙二醇酯(P (M M A- co -M A h)-g-M PEG)。他 还采用傅立叶 红 外光 谱 (F T I R)、核 磁 共 振(N M R)13C 谱、1H 谱以及 H ,C - C O S P 谱 对 所合成的梳状共聚物结构进行表征;用热失重分析(TGA)和 示差扫描量热法(DSC)对所合成的共聚物的物理性能进行了 分析。
智等[2]采用自由基聚合法,并由(甲基)丙烯酸、(甲基)丙烯磺 类和规格有限,调整其组成和分子量比较困难;聚羧酸和聚醚
酸钠、聚氧乙烯链基烯丙酯等单体在过硫酸盐的引发作用下共 相容性不好,酯化实际操作困难;随着酯化的不断进行,水分
聚合成聚羧酸系PC23高性能减水剂。Qianping Ran等[3]采用自 不断逸出,很容易出现相分离。当然,如果能选择一种与聚羧
水剂,探讨了反应浓度、加料方式、MAA与MPEGMA的摩尔比、 此,传统的自由基聚合是不可控的。可逆加成—断裂链转移[6]
SMAS与MPEGMA的摩尔比、引发剂用量(相对于所有单体质量 (Reversible Addition- Fragmentation Transfer,RAFT)自由基聚
和的百分比)、聚合温度和反应时间对所合成聚羧酸系减水剂 合:在AIBN、BPO等引发的传统自由基聚合体系中,加入链转移
主链 上引入特 定 功 能 基 团,采用 S O 3对 S M A 进 行 磺化,引入 磺 酸基,保留了羧基,接着在羧基上酯化接枝聚醚侧链,最终得 到减水剂分子。
单体聚乙二醇单甲醚甲基丙烯酸酯(MPEGMA)与甲基丙烯酸
活 性 / 可控自由基 聚 合 法。自由基 聚合 的 链增 长活 性中心
(MAA)、甲基丙烯酰基磺酸钠(SMAS)共聚合成聚羧酸系减 为自由基,具 有强烈的双 基终止即偶合或歧化 终止倾向。因
d. 第四代PCE:两性型PCE。2002年前后,瑞士的Sika公司 发明了聚酰胺-聚乙烯乙二醇支链的新型超塑化剂。最终结构 代表了一种两性聚合物类型。据介绍这种减水剂具有独特的分 散能力,性能相当优越,但价格昂贵。
28 CHINA CONCRETE 2010.05 NO.11
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聚羧酸减水剂的研究进展
孔祥明1 曹恩祥1 侯珊珊1 2 (1 清华大学土木工程系建筑材料研究所;2 中国地质大学(北京)材料科学与工程学院)
摘 要:聚羧酸减水剂进一步发展,已经不仅仅是学术界的科学研究问题,也不仅仅是工程界 的工程应用和经验性总结的问题,而是需要学术界和工程界共同提出问题、并从理论上解释其 机理,最后从减水剂的分子设计合成、生产制备、工程应用提出普适性的解决措施,才能为聚 羧酸减水剂的进一步发展打开一道大门。
后将一定配比的单体混合在一起直接采用溶液聚合得到成品。 酸等不饱和单体,进行溶液聚合形成聚合物主链,然后在聚合
这种合成工艺看起来很简单,但是前提要合成大单体,中间分 物主链上根据设计接枝不同长度的侧链,形成不同结构的梳
离纯化过程比较繁琐,若工业化提纯的话,成本较高。如李崇 状聚合物。但这种方法也存在一些问题:现成的聚羧酸产品种
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