基于分子结构设计的多功能型PCE的制备与应用

发布时间：2020-05-07 12:33

【摘要】：聚羧酸系高性能减水剂(PCE)是配制高性能混凝土的重要材料和关键技术手段,其研究和应用极大地推动了混凝土技术的发展;工程实际中,对混凝土性能多样化、高性能化的要求,以及混凝土原材料种类复杂多变和品质的良莠不齐的现实,对功能型PCE的制备技术和复配技术提出了迫切需求。将不同功能的PCE进行复配并添加功能性助剂的复配技术是目前解决上述问题的有效方法,但复配技术对质量控制水平要求较高,且功能性助剂与PCE之间存在着物理相溶性问题,更受到场地、储存、搅拌和计量等复配条件的限制。从混凝土用户角度来说,添加一种合成减水剂产品即可同时解决多个问题,意味着更加便利和高效。因此,采用化学合成的方法制备出集多种功能于一体的多功能型PCE是未来发展的方向,具有广阔的应用前景。本文围绕集减水、保坍和早强多种功能于一体的多功能型PCE的分子结构设计、制备与应用开展研究工作。首先研究了PCE的分子结构与性能的关系规律。讨论了2-甲基丙-2-烯基聚乙二醇醚大单体(HPEG)和丙烯酸(AA)基础体系中侧链接枝密度、主链聚合度和侧链长度对PCE分散及保持性能的影响规律,得出了具有理想分散及保持性能的PCE其分子量与分子结构参数之间的关系,并提出了PCE分子结构设计的数学模型。对于给定的大单体,通过已知侧链聚合度即可计算出侧链密度和主链聚合度的最佳值。在此基础上进一步探讨了酯基和酰胺基官能团对PCE性能的影响。研究结果表明,要达到理想的分散及保持性能,若侧链越长,则对应的侧链接枝密度越小、主链聚合度越短;在理想分子结构下,侧链越长的PCE其分散及保持性能越好、早期强度也越高。通过改变酯基密度,可制备出不同类型的缓释型PCE:要得到初始分散性小、后期释放时间长、释放幅度大的缓释型PCE,应提高酯基密度;要得到初始分散性大,后期释放时间短、释放幅度小的缓释型PCE,应降低酯基密度。通过酰胺基团的引入,可在不显著降低PCE的分散及保持性能的前提下提高混凝土的早期强度,且酰胺基密度(摩尔比)宜不超过5.0%,否则既对混凝土早强强度的提高不明显,还会显著降低PCE的分散及保持性能。在此基础上,研究确定了功能型PCE分子结构设计的原则,提出了功能型PCE分子结构设计方法。先将多种单体共聚的复杂体系,简化为仅有大单体和丙烯酸共聚的基础体系,根据所选大单体的分子量,计算出最佳PCE的分子结构参数;再根据PCE的附加功能选择功能性单体替代部分丙烯酸,确定功能性单体的比例,并微调侧链接枝密度和主链聚合度,得到不同功能型PCE。根据提出的设计原则和方法,制备了分别侧重于减水、缓释和早强性能的功能型PCE,并进行了混凝土性能评价和分子结构表征,验证了该原则和方法的正确性。当采用分子量为4000的HPEG制备减水型PCE时,侧链接枝密度为15.62%、主链聚合度为11.87,制得的样品在0.20%折固质量掺量下,减水率高于34.0%,减水率和增强效果均优于国内同类产品。当采用分子量为4000的HPEG制备初始分散性较大且分散性释放较快的缓释型PCE时,HA的酯基密度为30.00%、侧链接枝密度为15.62%、主链聚合度为11.87;制备初始分散性较小且分散性释放较慢的缓释型PCE时,HA的酯基密度为50.00%、侧链接枝密度为15.62%、主链聚合度为11.87;制得的样品与减水型PC-W相比,保坍性能明显提高,且对混凝土凝结时间和强度无不利影响。当采用分子量为4000的HPEG制备早强型PCE时,侧链接枝密度为15.62%、主链聚合度为11.87、酰胺基密度为5.00%;制得的样品比基准混凝土凝结时间提前20min左右,1d抗压强度比可达240%以上。最后,对集减水、保坍和早强三种功能于一体的多功能型PCE进行了分子结构设计和制备。确定了酯基密度为20.0%、酰胺基密度为5.00%,并将侧链接枝密度调整为15.15%,各反应物的摩尔配比为:HPEG:AA:HA:AM=1:4.95:1.23:0.33。制得多功能型PCE在0.20%掺量下的减水率为29.4%,在初始坍落度为(210±10)mm下,混凝土0.5h的坍落度损失约15mm、1h的坍落度损失约30mm。基于分子结构设计所制备的多功能型PCE实现了工业化生产,并在桥梁和铁路工程中应用,满足了混凝土多方面的性能要求,取得了预期效果。
【图文】：

分子结构图,聚羧酸,减水剂,分子结构

钠等）和带双键的支链大单体（如：甲基聚乙二醇醚-甲基丙烯酸酯，乙二醇醚、2-甲基丙-2-烯基聚乙二醇醚等）通过自由基聚合反应得到结构通常是线型主链链接多个支链的梳型共聚物。疏水性分子的主链上基、磺酸基、胺基等亲水性基团，侧链是由不同聚合度的聚氧乙烯链段的化学结构如图 1-1 所示[47]：

示意图,多功能,路线,成果转化

能型 PCE 的制备基础上，设计、制备集减水、保坍和早CE，研究其性能并表征分子结构，探索其作用机理；对多模的中试试验，，并实现工业化生产；将多功能型 PCE 在实现成果转化。的技术路线如图 1-2 所示。
【学位授予单位】：中国建筑材料科学研究总院
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TU528.042.2

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