聚羧酸高性能减水剂的研制

论文摘要

聚羧酸减水剂具有高减水、优秀的坍落度控制性能和环境友好等优点而成为当今减水剂发展的主要趋势。本文详细论述了聚羧酸减水剂的发展历程、结构特点和作用机理，通过探讨合成聚羧酸减水剂的各种工艺参数和条件，成功研制出了一种新型减水剂Z-PC，并对其各项性能进行了测试。试验以聚乙二醇（PEG）和丙烯酸（AA）为主要原料，浓硫酸为酸催化剂，吩噻嗪为阻聚剂，采用无溶剂直接酯化法制取含聚氧化烯基链节的聚乙二醇单丙烯酸酯（PA）。获得最佳工艺参数和条件控制为：酸醇摩尔比为2.5:1，浓硫酸用量为PEG-23和AA总重量的0.5%，吩噻嗪掺量为PEG-23重量的0.1%，反应温度为85℃，反应时间4-5小时。将自制的PA、AA和甲基丙烯磺酸钠（MSA）按一定比例混合，以（NH4）2S2O8为引发剂，并掺入少量的疏基乙醇作为链转移剂，在水溶液中经自由基聚合得到聚羧酸减水剂。最佳工艺参数和工艺条件为：控制反应物浓度在20%左右，单体最佳摩尔比为MSA:PA-23:AA=1:3:6，（NH4）2S2O8用量为单体质量的3%，反应温度为70℃，反应熟化时间5h，反应结束后，以30%浓度的NaOH溶液调节PH值至7左右。研究发现，丙烯酸和甲基丙烯酸磺酸钠对减水剂的减水分散性能影响较大，而含－PPO或－PEO的酯化大单体链长对分散性保持能力影响较大。通过水泥颗粒表面的Zeta电位测试分析，自制减水剂Z-PC具有很好的净浆流动度保持性能；根据红外图谱分析，Z-PC减水剂成功引入了羧基、羟基、酯基、聚氧化烯基链节和磺酸基，达到了分子结构设计的目的；对Z-PC减水剂的凝胶渗透色谱分析可知，Z-PC减水剂合成了分子量较大的聚合物，同时溶液中还残留一些未反应活性单体。四．通过对Z-PC减水剂各项性能的测试，其化学性能和匀质性满足国标要求，饱和掺量2%，最大减水率35%，推荐掺量1.2%，其混凝土综合性能与对比的掺量为1.1%GLENIUMSP-8CN相近，明显优于掺量为1.5%的CN。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 聚羧酸减水剂的发展历程
• 1.1.1 聚羧酸减水剂的产生背景
• 1.1.2 聚羧酸减水剂在国外的发展状况
• 1.1.3 聚羧酸减水剂在中国的应用和发展
• 1.2 聚羧酸减水剂概述
• 1.2.1 聚羧酸减水剂的定义
• 1.2.2 聚羧酸结构中各功能基团的作用
• 1.3 聚羧酸减水剂的减水机理
• 1.3.1 聚羧酸减水剂在水泥分散相中的静电斥力作用
• 1.3.2 聚羧酸减水剂在水泥分散体系中的立体位阻作用
• 1.3.3 聚羧酸减水剂的引气减水作用
• 1.3.4 聚羧酸减水剂分子中某些反应性基团释放
• 1.4 聚羧酸减水剂与其它减水剂的比较
• 1.5 研究的目的和意义
• 1.6 研究内容及方法
• 第二章 实验原料、仪器装置和实验方法
• 2.1 制备含聚氧化烯基链节的酯化大单体的原料，仪器装置和实验方法
• 2.1.1 原料
• 2.1.2 仪器装置
• 2.1.3 实验方法
• 2.2 制备减水剂的原料，仪器装置和实验方法
• 2.2.1 制备减水剂的原料
• 2.2.2 制备聚羧酸减水剂的仪器设备
• 2.3 微观实验方法
• 2.3.1 水泥颗粒表面 Zeta 电位（ζ-电位）测定
• 2.3.2 聚羧酸减水剂功能基团的红外光谱测定
• 2.3.3 聚羧酸减水剂分子量和分子量分布的凝胶渗透色谱测定
• 2.4 聚羧酸减水剂的化学性能内容及指标
• 2.5 聚羧酸减水剂的匀质性
• 2.6 掺聚羧酸减水剂的混凝土性能
• 2.6.1 原料选择
• 2.6.2 配合比
• 2.6.3 混凝土搅拌
• 2.6.4 试件制作
• 2.6.5 混凝土拌合物坍落度测试方法
• 2.6.6 掺聚羧酸减水剂的混凝土拌合物减水率的测试方法
• 2.6.7 混凝土拌合物凝结时间差测试方法
• 2.6.8 混凝土含气量的测试方法
• 2.6.9 混凝土拌合物泌水率比的测试方法
• 2.6.10 硬化混凝土抗压强度比的测试方法
• 第三章 大单体的制备
• 3.1 含聚氧化烯基链节大单体的制备方法分类
• 3.1.1 直接酯化法制备大单体
• 3.1.2 酯交换法
• 3.1.3 直接醇解法
• 3.1.4 醚化法
• 3.1.5 酰胺化法、酯的胺解法
• 3.2 直接酯化法制备含聚氧化烯基链节大单体的反应过程
• 3.3 制备大单体实验设计
• 3.3.1 采用无溶剂法制备聚乙二醇单丙烯酸酯大单体的优点
• 3.3.2 实验方法
• 3.4 结果分析和讨论
• 3.4.1 原料配比（即酸醇摩尔比）对酯化率的影响
• 3.4.2 聚乙二醇聚合度 n 对酯化反应的影响
• 3.4.3 阻聚剂种类及用量对酯化率的影
• 3.4.4 催化剂用量对酯化率的影响
• 3.4.5 反应温度对酯化率的影响
• 3.4.6 反应时间对酯化率的影响
• 3.4.7 实验最终方案的确定
• 3.5 本章小结
• 第四章 聚合反应
• 4.1 聚羧酸系高性能减水剂的合成方法
• 4.2 可聚合单体直接共聚法合成聚羧酸高效减水剂的原理
• 4.2.1 PC 减水剂自由基聚合过程
• 4.2.2 PC 减水剂的合成
• 4.3 合成 PC 减水剂工艺参数确定
• 4.3.1 正交试验设计方案和结果分析
• 4.3.2 引发剂过硫酸铵掺量对聚羧酸性能的影响
• 4.3.3 聚羧酸用量对减水剂性能的影响
• 4.3.4 甲基丙烯磺酸钠用量对减水性能的影响
• 4.3.5 聚乙二醇单丙烯酸酯用量对减水性能的影响
• 4.3.6 聚乙二醇单丙烯酸酯聚合度对减水性能的影响
• 4.4 本章小结
• 第五章 性能分析
• 5.1 微观性能结果及分析
• 5.1.1 掺自制减水剂 Z-PC 的水泥颗粒表面ξ-电位
• 5.1.2 Z-PC 减水剂红外光谱分析
• 5.1.3 Z-PC 凝胶渗透色谱分析
• 5.2 自制聚羧酸减水剂 Z-PC 的化学性能
• 5.3 自制聚羧酸减水剂 Z-PC 的匀质性
• 5.4 掺 Z-PC 的混凝土拌合物性能
• 5.5 掺 Z-PC 的硬化混凝土的性能
• 5.6 掺 Z-PC 减水剂混凝土的各项性能分析
• 5.6.1 Z-PC 减水剂对水泥净浆流动度的影响
• 5.6.2 Z-PC 减水剂对混凝土坍落度的影响
• 5.6.3 Z-PC 减水剂的减水率
• 5.6.4 Z-PC 减水剂对混凝土拌合物凝结时间差的影响
• 5.6.5 Z-PC 减水剂对混凝土拌合物含气量的影响
• 5.6.6 Z-PC 减水剂对混凝土拌合物泌水率的影响
• 5.6.7 Z-PC 减水剂对硬化混凝土抗压强度的影响
• 5.6.8 Z-PC 减水剂与本地水泥的适应性
• 5.7 本章小结
• 第六章 结论与后续研究
• 6.1 结论
• 6.2 后续研究
• 致谢
• 参考文献
• 作者攻读学位期间发表的论文