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超塑化剂作为一种超分散剂已经成为稳定悬浮体制备的关键材料。含有聚氧乙烯链的梳形聚羧酸接枝共聚物是新一代的超塑化剂,已经成为高性能混凝土材料配制过程中最重要的化学外加剂,并开始应用于石膏的分散。与一般粉体在水介质中分散不同的是水泥颗粒和石膏粉体都是水硬性材料。这些粉体在水介质中分散的过程也是水化反应的过程。这些悬浮体是一个多相、多组分的复杂分散体系。聚羧酸超塑化剂的分子结构是决定悬浮体分散性和分散稳定性的最重要因素。其它因素如粉体颗粒性质、温度、pH值、电解质浓度等以及悬浮体的流变性能都需要深入的研究和考察。本文系统研究了聚羧酸超塑化剂的关键合成技术和性能,并以水泥颗粒、石膏以及超细微粉为研究对象,研究了聚羧酸超塑化剂与粉体的相互作用和构性关系、聚羧酸超塑化剂在悬浮体固液界面的吸附机理及悬浮体的分散稳定性和流变性。主要内容包括：
⑴采用MAA和MPEGMA,通过“分子设计”的手段合成了具有良好分散性能和分散保持性的聚酯型聚羧酸梳形接枝共聚物。研究了分子结构特征与分散性能、混凝土凝结时间、强度和水泥水化热之间的关系,并对共聚物的结构进行了表征。
⑵采用不饱和酸(酐)单体和烯丙醇聚氧乙烯醚APEG大单体,合成了具有良好分散性能和分散保持性的聚醚型梳形接枝共聚物。研究了烯丙醇聚氧乙烯醚的聚合转化率,分子结构特征与分散性能的关系,并对共聚物的结构进行了表征。
⑶研究了聚羧酸接枝共聚物在水泥颗粒表面的吸附行为。研究发现:共聚物在水泥颗粒表面的吸附是一个放热反应,吸附量随着温度的升高而降低。根据Clausius-Clapeyron方程计算聚羧酸共聚物在水泥颗粒表面的吸附热为17.4 kJ／mol。聚羧酸共聚物在水泥颗粒表面的吸附是通过分子结构上羧基与ca2+间的配合作用实现的。说明这种吸附是一种化学吸附。聚羧酸接枝共聚物的分子结构是影响共聚物吸附动力学和热力学的关键因素。聚羧酸梳形接枝共聚物在水泥颗粒表面的吸附形态主要为线团型、回线型和水平型三种形态。吸附形态取决于共聚物的分子结构以及体系环境。
⑸研究了聚羧酸超塑化剂对超细粉体的分散性能以及聚羧酸超塑化剂掺加下的水泥浆体流变性能。研究发现,水泥浆体流变性主要旱Bingham(宾汉姆)模型,但是仍然呈现出一定的依时性,具有一定的触变性。并研究了超细粉体对水泥浆体流变性能的影响。
⑹对石膏悬浮体的研究表明,聚羧酸共聚物对石膏的分散性能取决于其分子结构。其对石膏的分散作用主要表现为静电斥力效应而非空间位阻作用。其主要的作用机理在于与石膏粉体表面产生了配位吸附。三种不同类型共聚物对石膏配位吸附强度的顺序是:马来酸共聚物＞丙烯酸共聚物＞甲基丙烯酸共聚物。聚羧酸共聚物在石膏粉体表面的吸附呈Langmuir等温吸附形式。聚羧酸共聚物在石膏颗粒表面的吸附是一个放热过程,饱和吸附量随温度升高而降低。根据Clausius-Clapeyron方程,聚羧酸共聚物在脱硫石膏颗粒表面的吸附热为7.7 kJ／mol。聚羧酸共聚物能够改善石膏硬化体的微观结构和孔结构。掺加聚羧酸共聚物后显著降低了石膏硬化体的孔隙率；但是也明显增大了石膏硬化体的平均孔径和孔径分布。孔隙率的降低缘于聚羧酸共聚物的高减水性能降低了水膏比；平均孔径和孔径分布的增大缘于聚羧酸共聚物的引气性能。