Спеціалісти Borida аналізують механізм дії та принцип приготування суперпластифікатора полікарбонової кислоти

Ми знаємо, що застосування полікарбоксилатних суперпластифікаторів у бетонобудуванні стає все більш поширеним. У порівнянні з традиційними суперпластифікаторами, такими як нафталінсульфонат і сульфовані меламіноформальдегідні конденсати, полікарбоксилатні суперпластифікатори можуть забезпечити високу дисперсійність, текучість і стабільність дисперсної системи бетону при низьких дозах, запобігаючи втраті осадки. Крім того, зростання цін на промисловий нафталін, тривалий цикл виробництва суперпластифікаторів на основі нафталіну та серйозне забруднення навколишнього середовища роблять застосування суперпластифікаторів на основі полікарбоксилату обов’язковим. Але чи знаєте ви механізм дії та принципи приготування полікарбоксилатних суперпластифікаторів?

Існує відносно небагато вичерпних оглядів прогресу досліджень полікарбоксилатних суперпластифікаторів, зокрема щодо принципів їх приготування, механізму дії та пов’язаних аспектів. Тому Borida запрошує експертів надати огляд прогресу досліджень щодо принципів приготування, механізму дії та майбутніх перспектив полікарбоксилатних суперпластифікаторів.

1. Принципи приготування полікарбоксилатних суперпластифікаторів

Високоефективні суперпластифікатори на основі полікарбоксилатів являють собою високомолекулярні сполуки з сульфогрупами, карбоксильними групами, аміногрупами та бічними ланцюгами поліоксиетилену. Вони синтезуються у водному розчині шляхом вільнорадикальної кополімеризації, утворюючи гребінчасту високомолекулярну поверхнево-активну речовину.

Основна сировина: метакрилова кислота, акрилова кислота, етилакрилат, гідроксіетилакрилат, алілсульфонат натрію, метилметакрилат, метоксиполіетиленглікольметакрилат, етоксильований поліетиленглікольакрилат, алліловий ефір тощо. Під час полімеризації такі ініціатори, як водорозчинні персульфати, пероксид бензоїлу та використовуються азобісизобутиронітрил. Агенти передачі ланцюга включають 3-меркаптопропіонову кислоту, меркаптооцтову кислоту та ізопропанол.

Метод синтезу: У реакційну посудину, оснащену механічною мішалкою, термометром і крапельним пристроєм, по краплях додають розчин мономеру, розчин ініціатора та розчин агента передачі ланцюга. При виборі полімеризаційних мономерів слід повністю враховувати коефіцієнти реакційної здатності кополімеризації. Температура реакції залежить від типу використовуваних мономерів і зазвичай знаходиться в діапазоні 0-60 градусів. Розчин мономеру додають по краплях протягом 1-2 годин, після чого відбувається додаткова 1--годинна реакція при постійній температурі. Після додавання води для нейтралізації продукт вивантажують.

2. Механізм дії полікарбоксилатних суперпластифікаторів

Високоефективні суперпластифікатори на основі полікарбоксилатів є новим типом суперпластифікаторів з багатьма видатними перевагами, хоча їх точний механізм дії досі не повністю вивчений. Ось деякі точки зору:

Ретардуючий ефект: Карбоксильна група діє як сповільнювач, утворюючи комплекси з іонами Ca²⁺ (R-COO⁻–Ca²⁺), знижуючи концентрацію іонів Ca²⁺ у розчині, затримуючи кристалізацію Ca(OH)₂, зменшуючи утворення CHS гелі, і таким чином уповільнює гідратацію цементу.

Спорідненість полярних груп: Карбоксильна (-COOH), гідроксильна (-OH), аміногрупа (-NH₂) і поліоксиалкіленова (-OR)n групи мають сильну спорідненість з водою. Завдяки поверхнево-активним ефектам, таким як адсорбція, дисперсія, змочування та змащування, вони забезпечують диспергування та текучість частинок цементу. Зменшуючи опір тертю між частинками цементу та зменшуючи вільну енергію на межі розділу цемент-вода, вони підвищують працездатність свіжого бетону. Одночасно полікарбоксилатні сполуки адсорбуються на поверхні частинок цементу, надаючи негативні заряди через карбоксилатні іони. Це викликає електростатичне відштовхування між частинками, запобігаючи схильності цементного тіста до флокуляції (теорія DLVO) і збільшуючи площу контакту між цементом і водою, сприяючи повній гідратації цементу. Під час диспергування частинок цементу вода, що потрапила в агломерати, вивільняється, що покращує оброблюваність і зменшує кількість необхідної води для змішування.

Ефект стеричної перешкоди: Молекули полікарбоксилату адсорбуються на поверхні частинок цементу у формі гребінця, утворюючи адсорбційний шар на поверхні гелевого матеріалу. Коли полімерні адсорбційні шари на частинках цементу наближаються один до одного, стерична перешкода між полімерними ланцюгами запобігає агломерації частинок. Це одна з ключових причин, чому полікарбоксилатні суперпластифікатори мають чудову здатність до диспергування порівняно з іншими системами.

Дзета-потенціал і збереження дисперсії: Механізм утримання дисперсії високоефективних суперпластифікаторів на основі полікарбоксилату можна зрозуміти, спостерігаючи за співвідношенням між часом змішування та дзета-потенціалом у цементному тесті. Як правило, бетон з високоефективними суперпластифікаторами на основі нафталіну або меламіну показує значну втрату осадки через 60 хвилин, тоді як бетон, що містить полікарбоксилатні суперпластифікатори, демонструє меншу втрату осадки. Ця різниця виникає через різну модель адсорбції між суперпластифікатором і частинками цементу. Взаємодія між високомолекулярним адсорбційним шаром і частинками цементу призводить як до стеричного, так і до електростатичного відштовхування з незначною зміною дзета-потенціалу.

Дослідження механізму дисперсії цементу свідчить про те, що теорія DLVO, яка пояснює дисперсію іонним відштовхуванням, часто не відповідає експериментальним результатам. Ефект стеричної перешкоди успішно пояснює дисперсійну дію полікарбоксилатних суперпластифікаторів на цемент. Полімер адсорбується на поверхні цементних частинок, а бічні ланцюги простягаються в розчин. Ці бічні ланцюги створюють стеричну перешкоду, запобігаючи тісному контакту частинок, забезпечуючи таким чином їх дисперсію та стабільність. Цей механізм сьогодні широко поширений. Полімери з довгими бічними ланцюгами виявляють низький дзета-потенціал і високе стеричне відштовхування, що забезпечує відмінну диспергируемость. Однак надмірна довжина бічного ланцюга може спричинити заплутування між поверхневими бічними ланцюгами диспергованих частинок, що призводить до агломерації частинок.