功能型高分子水泥助磨剂的合成与应用研究

摘要：水泥助磨剂是提高粉磨效率，提高水泥性能，实现磨机节能、高效生产的有效手段。本文研究以马来酸酐、自制化合物H、N和烯丙基醚等为原料合成了一种高分散、高早强活化作用的高分子化合物，并将其作为助磨剂的一种主要成分。研究结果表明：助磨剂用量占水泥质量的

3/万时，粉磨结果经激光粒度分析，粒径在0~1 ?m和1~3 ?m范围的含量分别比基准试样高29.58％和20.33％；水泥强度测试表明，砂浆试块3天抗压强度提高了16.6％，28天抗压强度提高了7.7％。这表明助磨剂特定的化学结构和官能团不仅会改善水泥粉体的助磨性能，也会激发诱导水泥及混合材的水化活性，提升各龄期强度。

关键词：水泥助磨剂；粒径分布；强度；化学结构；功能型聚合物

引言

当今水泥生产过程中，用于粉磨的电力消耗是很大的，因此为提高企业的生产效率，降低能耗，除在生产流程上利用余热外，通常还加入助磨剂。助磨剂可以降低物料的表面能，减弱分子引力所产生的集聚作用，加速颗粒裂纹的扩展，从而提高粉磨效率，实现磨机优质、节能、高效的目的，进而也优化级配，提高水泥的综合性能。

水泥熟料颗粒硬度大、成分复杂，粉磨时的影响因素多，要达到良好的粉磨效果，既要有助磨作用，又要求有解聚作用。虽然如今大型水泥厂助磨剂的普及率已相当高，但所用的大多是小分子复合助磨剂，好的复合型助磨剂，功效也非常显著，但其性能的稳定性不佳，对于掺量的变动非常敏感，稍有失误就可能带来严重的损失，合成的高分子助磨剂一般有效掺量低，助磨增强作用明显，且有一个合适的掺量，而且掺量的波动对水泥强度的安全影响不大，更加保证了生产的安全进行。高分子合成助磨剂相对成本较低，因而其性价比远较小分子复合助磨剂为优，具有广阔的应用前景[1]。合成高分子助磨剂，将各功能基团组合到高分子结构中，其助磨效果又较复配的助磨剂有跨越式的提升[2~4]。

本文利用烯丙基醚（APEG）、马来酸酐（MA）以及功能单体H、N等在一定工艺条件下进行高分子聚合，作为助磨剂进行试验。

1、实验原材料、仪器及方法

1.1仪器与药品：

BT100-1J蠕动泵、恒温水浴锅、玻璃反应装置、马尔文2000激光粒度分析仪

烯丙基醚（APEG），上海台界化工公司生产

马来酸酐（MA），北京益利精细化工试剂公司生产

化合物H、N 自制、纯净水

1.2实验步骤：

1.2.1、羧酸型高分子助磨剂的制备

在三口烧瓶中按比例加入马来酸酐和水，保持温度在60度，使马来酸酐溶解水化，然后按一定速率加入烯丙基醚单体和过硫酸铵引发剂，调节温度在80-85度，下反应3小时，冷却至室温后用30％的氢氧化钠水溶液进行中和至中性溶液。

合成改性单体的步骤同上。合成聚羧酸型聚合物的含固量为30％。

、粉磨实验 500×500的小

磨进行粉磨分析，琉璃河水泥厂熟料95％，天然二水石膏5％，粉磨重量3kg ，时间25min 。 1.3实验结果及讨论

通过改变不同合成产物的分子结构，变化官能团的比例来研究分析羧酸型高分子化合物对水泥助磨性能的影响，如表1。 表1 水泥胶砂试块强度测试

合成的初级羧酸型高分子助磨剂，其分子结构的侧链主要以羧基和聚乙二醇长链为主，如下图：在粉磨过程中，成离子形态的羧基及对应的碱金属离子可以起到中和颗粒界面电荷的作用，防止新的界面重新愈合，主链碳-碳链为非亲水基团，吸附于水泥颗粒上的能力较强，聚乙二醇链有助于水泥熟料的粉磨，也可以改善水泥粉体的流动性，便于粉磨效率的提高。

实验中，合成产物的羧基/聚乙二醇链的数目比从1#到6#是逐渐增大的，其对水泥强度的影响也十分明显，当羧基所占的比例恰当且其在分子结构中的分布合理时，对水泥的粉磨及强度发展是有利的，若分布不合理，集中度太高时，羧基群会起到明显的缓凝作用，，会对水泥的早期强度有负面影响，从1#__6#，随着羧基所占比例的升高，可以看出，强度整体而言是呈下降趋势的，因此，对于羧基的结构分布，实验结果表明：其单独均与分布要好于集中分布，从而避免了缓凝

的负面影响，但此类合成产物粉磨的水泥早期强度受到的影响较大，未能高于基准参照水泥的强度。

对聚合物进行恰当改性后，改变羧酸基团的分布情况，增加功能基团在改善粉磨的基础上，也促进水泥的水化进程，改善水泥硬化后的结构特征，增强水泥早后期强度，如下图：

从表中的数据可以分析出7#、8#、9#、10#，各助磨剂在不同掺量下（3/万—10/万），水泥砂浆的早期强度都较基准砂浆有非常明显的优势，如上图所示。早期强度方面7#和8#助磨剂随着产量的增加强度不断增加，1#的万分之十强度甚至增加16.6％，9#和10#未表现出如此规律，9#的万分之三强度增加最多，达15.55％，10#的万分之六提高较多，达到11.53％。从分子结构上分析，认为随着马来酸酐和功能基团比例的增加一方面对粉磨和水泥强度的发展有很大的促进作用，另一方面也有一定程度的缓凝作用，使早期强度表现各异，未表现出连贯的规律性。就早期性能的优越性而言，9#助磨剂万分之三的性价比表现是最佳的。在后期强度发展方面，9#和10#相对于7#和8#有绝对性的优势，7#、8#的后期强度随掺量的变化不很明显，9#和10#其28天强度发展随掺量的增加变化显著，其中9#的万分之三强度增加7.7％，万分之十的增加达12.5％，因而在性价比分析上认为，不论是早期还是后期，9#万分之三掺量的表现是最佳的，掺量低，强度发展良好。

对以上各助磨剂的助磨效果，我们从微观粒度上对其进行了分析，如表-2所示。

从以上结果可知，1#__6#所抽检样品的粒度分布均较基准无多大改善，单纯的聚羧酸型高分子聚合物对粉磨的改善效果是不明显的，不论羧基比例的变化如何，均无显著的助磨效果，因而这类化合物是不适宜做助磨剂的。

而用功能基团改性的聚羧酸型化合物7#__10#，其效果有显著提升，对粉磨均有显著的改善，尤其是9#助磨剂在加入量为3/万时就发挥出卓越的助磨功效，使粉磨粒径大大细化，表现出优异的效果，这与所测强度的发展是一致的，因而认为所制备的改性聚羧酸型高分子化合物对于水泥熟料粉磨的改善方面是非常优异的，尤其是9#助磨剂的效果最为突出。

凝结时间方面，使用合成高分子助磨剂后的水泥其初终凝结时间都有延迟，标稠总体而言是增大的，个别进行过激光粒度分析，发现颗粒级配得到良好细化化，细颗粒增多，可能会导致颗粒堆积不密实，使需水量增加，此方面问题有待具体实验进行验证。

结论

1、本实验采用马来酸酐、烯丙基醚和其它一些功能改性化合物进行高分子合成，生产技术工艺可行。

2、本实验最佳助磨剂实验配比是9#，从性价比方面考虑，其在掺量万分之三时三天强度提高15.55％，28天强度提高7.7％。

3、改性后的助磨剂对于水泥粉磨的改善效果非常显著，9#试样的粉磨结果表明：0—1um范围中的含量比基准试样高29.58％，1—3um的含量高20.33％。因而我们认为若改变粉磨条件，如减少粉磨时间，则会使1um以下的颗粒含量减少，而3—30um间颗粒含量有较大的增加，从而使粉体的颗粒分布达到最大优化。