水溶性丙烯酸聚合物应用性能与分子结构相关性的研究

发布时间：2018-11-26 11:26

【摘要】：应用于混凝土行业的聚羧酸系超塑化剂（SP）和皮革行业的丙烯酸复鞣剂是两种重要的水溶性丙烯酸聚合物。SP属于阴离子型高分子表面活性剂范畴，在混凝土拌合过程中发挥着高减水率、高分散性能、高保坍性能以及改善硬化混凝土孔结构和密实程度等方面的作用。近年来被广泛应用于桥梁建筑等高质量要求的工程中，受到混凝土工程界的极大关注与青睐。其分子结构与应用性能具有一定的规律性联系，以烯丙基为聚合主链，在聚合主链上引入一定密度和比例的阴离子活性基团及不同聚合长度的聚氧乙烯（PEO）侧链，分别提供静电斥力作用和空间立体位阻作用，整个分子构型成梳状结构。本文主要通过对SP分子结构进行控制设计，筛选活性功能单体、优化反应工艺条件，，向SP分子结构上引入羧基（-COO~-）、羟基（-OH）、磺酸基（-SO_3~(2-)）、PEO侧基等功能性基团，合成了一种新型聚羧酸系超塑化剂（SP-I），讨论了SP-I的合成方法、结构与性能之间的相互联系，其主要研究内容与结果如下：首先筛选优化SP-I的制备与聚合反应条件。以SP的分散及分散保持性能为标准，采用单因素实验筛选不同功能单体和加料方式并优化了聚合反应的各工艺条件。控制聚合反应总单体质量分数为25%左右，烯丙基聚氧乙烯醚（APE-2200），衣康酸（IA）和甲基丙烯磺酸钠（SMAS）的最佳单体摩尔比为0.1：2.5：0.4，过硫酸铵（（NH_4）_2S_2O_8，APS）为引发剂，其最佳用量为总单体质量的4%，采用大单体（APE-2200）加底料后分别滴加小单体（IA和SMAS）和引发剂APS的方法，聚合反应的最佳温度和时间分别为90℃和4h，通过自由基共聚反应合成了新型聚羧酸系超塑化剂（SP-I）。聚合反应结束后，用25wt%的NaOH溶液中和聚合产物pH至7~8，所得SP-I的分散和分散保持性能最佳。折固掺量为0.2wt%时，所拌合水泥净浆的初始流动度达312mm，120min时仍然高达299mm。其次研究SP分子结构与分散及分散保持性能的相关性。SP结构基本构架保持不变，确定-COO~-、-SO_3~(2-)、-CH_3和PEO侧链的摩尔比例不变，改变部分-COO~-与主链的连接方式（部分-COO~-通过亚甲基（-CH_2-）与主链间接相链），通过傅里叶红外光谱（FT-IR）、核磁共振光谱（NMR）和凝胶渗透色谱（GPC）表征聚合产物的分子结构和分子质量；通过水泥净浆流动度检测、表面张力、吸附量和zeta电位检测，探讨了-COO~-与主链连接方式对其自身分散能力的影响。实验结果表明：与传统SP相比，含有-COO~-与主链间接连接的SP-I在相同浓度下具有更大的表面活性，当SP-I浓度为9g/L时，溶液的表面张力为29.9mN/m；更大的吸附量，当SP-I浓度为5g/L时，水泥颗粒对SP-I达到饱和吸附量4.76mg/g；更高zeta电位，当SP-I浓度为3g/L时，添加SP-I的水泥颗粒表面zeta电位最终值为-5.38mV~(-1)。再次对SP对水泥浆体水化历程影响进行探讨。采用普通硅酸盐水泥（P.O42.5）为材料制备水泥试样，采用FT-IR、X射线衍射（XRD）、扫瞄式电子显微镜（SEM）和孔结构检测等多种现代化检测评价方法研究不同-COO~-与主链连接方式的SP对水泥水化历程和水化产物生长情况的影响，并对水泥水化机理进行讨论。研究结果表明：与传统SP相比，部分-COO~-与主链间接连接的SP-I在水泥水化过程中表现出更强的前期抑制而后期促进的效果；拌合制备的水泥石更加紧密、均质，孔隙结构分布更加合理。水泥胶砂性能检测结果表明：SP-I掺量为0.2wt%时，减水率为33.7%，拌合水泥胶砂的的初凝和终凝时间分别为350min和430min，28d时抗压强度高达57.6MPa。最后，利用上述相似的合成方法，采用IA、APE-330和二甲基二烯丙基氯化铵（DMDAAC）制备出一系列两性复鞣剂，探讨了各单体用量对复鞣性能的影响。结果表明：n（IA）：n（APE-330）：n（DMDAAC）=2：1：0.2，引发剂APS用量为总单体质量的3%，反应时间和温度分别为90℃和4h，所得复鞣剂性能最好。
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【学位授予单位】：陕西科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TU528.042.8

【参考文献】