聚羧酸

合肥工业大学

硕士学位论文

聚羧酸高效减水剂的合成和性能

姓名：金皓轩

申请学位级别：硕士

专业：材料学

指导教师：徐卫兵

20100401聚羧酸高效减水剂的合成和性能

摘要

聚羧酸系减水剂是２０世纪９０年代出现的一种新型高效减水剂，其具有低

掺量、高分散性、坍落度损失小、早期强度高、与水泥适应性好等优点。近年来，聚羧酸系减水剂的研究越来越受到社会的青睐而成为国内外研究的重点。

本文以聚乙二醇单醚甲基丙烯酸酯（ＭＰＥＧＭＡ）为主要原料，与丙烯酸（ＡＡ），磺酸盐类单体等为原料进行自由基共聚合，制备了含有磺酸基、羧基、

聚氧乙烯等侧链的聚羧酸型高效减水剂。通过对不同磺酸类单体制备的减水剂

进行比较，发现甲基丙烯磺酸钠类减水剂效果优于对甲苯磺酸钠、烯丙基磺酸

钠类；研究了反应温度、投料比、投料方式、引发剂用量等因素对水泥净浆流动度、混凝土减水率等性能的影响，得到了最佳的合成工艺：在７５℃，以１．２％

过硫酸铵为引发剂，摩尔比为ｎ（ＭＰＥＧＭＡ）：ｎ（ＡＡ）：ｎ（甲基丙烯磺酸钠）＝６：８：３为配比，将ＭＰＥＧＭＡ大单体和ＡＡ混合在一起，滴加过硫酸铵和甲基丙烯磺酸

钠进行反应，制得的减水剂效果最佳，并用ＦＴＩＲ光谱表征了它的结构。研究了减

水剂对于水泥标准稠度用水量、凝结时间、水泥净浆流动度及经时变化、胶砂强度等

性能的影响，结果表明：该减水剂在０．４％的掺量下，减水率可达到３０％，水泥

净浆流动度达到３２０ｍｍ，并且２ｈ后的流动经时损失小于５％，初凝时间为４ｈ，

终凝时间为８ｈ，配制的混凝土性能优良，２８ｄ抗压强度增加４２％，抗折强度加强４４％。用本研究合成的的聚羧酸高效减水剂与市售萘系减水剂、聚羧酸减水剂进

行比较，本文制备的减水剂在掺量、减水率、水泥净浆流动度及经时损失、水

泥胶砂强度等诸多方面，都大大优于上述两种市售减水剂。

关键词：聚羧酸系减水剂；自由基聚合；净浆流动度ＳｙｎｔｈｅｓｉｓａｎｄＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆ

ＰｏｌｙｃａｒｂｏｘｙｌｉｃＳｕｐｅｒｐｌａｓｔｉｃｉｚｅｒｓ

Ａｂｓｔｒａｃｔ

ＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆＣＯ・ｐｏｌｙｃａｒｂｏｘｙｌｉｃａｃｉｄｗａｔｅｒｒｅｄｕｃｉｎｇａｇｅｎｔｗａｓａｍｏｄｅｒｎ

ｆｒｏｎｔｉｅｒｒｅｓｅａｒｃｈｐｒｏｊｅｃｔｓｉｎｃｅｔｈｅ９０ｙｅａｒｓｏｆｔｈｅ２０ｔｈｃｅｎｔｕｒｙ．Ｔｈｅｐｏｌｙｃａｒｂｏｘｙｌｉｃｓｅｒｉｅｓｏｆｗａｔｅｒ・—ｒｅｄｕｃｉｎｇａｇｅｎｔｗａｓｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｅｏｆｈｉｇｈｗａｔｅｒ・－ｒｅｄｕｃｉｎｇｒａｔｉｏａｎｄ

ｐｒｅｖｅｎｔｉｎｇｃｏｎｃｒｅｔｅｍｉｘｆｒｏｍｓｌｕｍｐｌｏｓｓｗｉｔｈｄｕｒａｔｉｏｎｏｆｔｉｍｅ．Ｎｏｗａｄａｙｓ，ｉｔｈａｓ

ｂｅｃｏｍｅｔｈｅｍｏｄｅｍｆｒｏｎｔｉｅｒｒｅｓｅａｒｃｈｏｆｈｉｇｈｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｗａｔｅｒ－ｒｅｄｕｃｅｒ．

Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ａｋｉｎｄｏｆｗａｔｅｒ—ｒｅｄｕｅｒｕｓｉｎｇｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅｇｌｙｃｏｌｅｔｈｅｒ－ｍｅｔｈｙｌｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ（ＭＰＥＧＭＡ），ａｃｒｙｌｉｃａｃｉｄ，ａｎｄｓｏｄｉｕｍｍｅｔｈｙｌａｌｌｙｌｓｕｌｆｏｎａｔｅａｓｔｈｅ

ｍｏｎｏｍｅｒｓ，ｈｉｇｈｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｗａｔｅｒｒｅｄｕｃｅｒｗｉｔｈｃａｒｂｏｘｙｌａｃｉｄｇｒｏｕｐｓ，ｓｕｌｆｏｎｉｃ

ａｃｉｄｇｒｏｕｐｓａｎｄｐｏｌｙｏｘｙｅｔｈｙｌｅｎｅｓｉｄｅｃｈａｉｎｓｗｅｒｅｓｙｎｔｈｅｓｉｚｅｄ．Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔａｃｉｄｍｏｎｏｍｅｒｓｂｙｓｕｐｅｒｐｌａｓｔｉｃｉｚｅｒｐｒｅｐａｒｅｄｂｙｌｉｎｅｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ，ｆｏｕｎｄｔｈａｔｍｅｔｈｙｌｓｕｌｆｏｎａｔｅｔｙｐｅｓｕｐｅｒｐｌａｓｔｉｃｉｚｅｒｉｓｂｅｔｔｅｒｔｈａｎｐｒｏｐｙｌｅｎｅｔｏｌｕｅｎｅｓｕｌｆｏｎａｔｅ，ａｌｌｙｌｓｕｌｆｏｎａｔｅｃｌａｓｓ．ＴｈｅｉｍｐａｃｔｏｎｔｈｅＲｅａｃｔｉｏｎｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｆｅｅｄｒａｔｉｏ，ｆｅｅｄｉｎｇｍｏｄｅ

ａｎｄｉｎｉｔｉａｔｏｒｄｏｓａｇｅｔｏｔｈｅｆｌｕｉｄｉｔｙｏｆｃｅｍｅｎｔｇｒｏｕｔａｎｄｔｈｅｃｏｎｃｒｅｔｅｗａｔｅｒ－ｒｅｄｕｃｉｎｇｒａｔｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，ｇｅｔｔｉｎｇｔｈｅｏｐｔｉｍｕｍｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ：Ａｔ７５℃，ｗｉｔｈ１．２％ａｍｍｏｎｉｕｍ

ｐｅｒｓｕｌｆａｔｅａｓｉｎｉｔｉａｔｏｒ，ｔｈｅｍｏｌａｒｒａｔｉｏｏｆｎ（ＭＰＥＧＭＡ）：ｎ（ＡＡ）：ｎ（ｓｏｄｉｕｍ

ｍｅｔｈｙｌａｌｌｙｌｓｕｌｆｏｎａｔｅ）＝６：８：３ｆｏｒｔｈｅｒａｔｉｏ，ｗｉｔｈＭＰＥＧＭＡａｎｄＡＡｍｉｘｔｏｇｅｔｈｅｒ，

ｄｒｏｐｐｉｎｇｏｖｅｒａｍｍｏｎｉｕｍｐｅｒｓｕｌｆａｔｅａｎｄｓｏｄｉｕｍｍｅｔｈｙｌａｌｌｙｌｓｕｌｆｏｎａｔｅ．ＵｓｉｎｇＦＴＩＲ

ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙｔｏｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｅｉｔｓｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．Ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｆｅｅｄｉｎｇｍｏｄｅｏｎｐｒｏｄｕｃｔｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｗａｓｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓｏｆｔｈｅｒｅｄｕｃｅｒｏｎｆｌｕｉｄｉｔｙｏｆｃｅｍｅｎｔｐａｓｔｅａｎｄｗａｔｅｒ—ｒｅｄｕｃｉｎｇｒａｔｅｏｆｃｏｎｃｒｅｔｅｗｅｒｅｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｉｓｗａｔｅｒｒｅｄｕｃｅｒｆｅａｔｕｒｅｓｉｎｌｏｗｄｏｓａｇｅ，ｈｉｇｈｗａｔｅｒｒｅｄｕｃｉｎｇｒａｔｅ，ａｎｄｇｏｏｄ

ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｃｏｎｃｒｅｔｅ．ｗｈｅｎｔｈｅｃｏｎｔｅｎｔｏｆｐｏｌｙｃａｒｂｏｘｙｌａｔｅｔｙｐｅｗａｔｅｒ—ｒｅｄｕｃｅｒｉｓ０．４％，ｔｈｅｉｎｉｔｉａｌｃｅｍｅｎｔｐａｓｔｅｆｌｕｉｄｉｔｙｉｓｕｐｔ０３２０ｍｍ，ｔｈｅｍｏｂｉｌｅｗａｓｌｏｓｔｂｙｌｅｓｓｔｈａｎ５％ａｆｔｅｒ２ｈ，ａｎｄｔｈｅｗａｔｅｒ－ｒｅｄｕｃｉｎｇｒａｔｅｗａｓ３０％，，ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅｓｔｒｅｎｇｔｈ（２８ｄ）ｉｎｃｒｅａｓｅｄ４２％，ｂｅｎｄｉｎｇｓｔｒｅｎｇｔｈ（２８ｄ）ｉｎｃｒｅａｓｅｄ４４％．

Ｔｈｅｐｏｌｙｃａｒｂｏｘｙｌｉｃｓｕｐｅｒｐｌａｓｔｉｃｉｚｅｒｉｎｔｈｉｓｓｔｕｄｙｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｔｈｅｃｏｍｍｅｒｃｉａｌｎａｐｈｔｈａｌｅｎｅｓｕｐｅｒｐｌａｓｔｉｃｉｚｅｒａｎｄｃｏｍｍｅｒｃｉａｌｐ０１ｙｃａｒｂｏｘｙｌａｔｅｂｙｌｉｎｅ

ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ：ｗａｔｅｒｒｅｄｕｃｉｎｇｒａｔｅ，ｆｌｕｉｄｉｔｙｏｆｃｅｍｅｎｔｇｒｏｕｔａｎｄｔｈｅｍｏｂｉｌｅｌｏｓｔ，

ｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆｃｅｍｅｎｔｍｏｒｔａｒ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｓｔｈａｔｔｈｅｐｏｌｙｃａｒｂｏｘｙｌｉｃｓｕｐｅｒｐｌａｓｔｉｃｉｚｅｒｉｎｔｈｉｓｓｔｕｄｙｉｓｍｕｃｈｂｅｔｔｅｒｔｈａｎｔｈｏｓｅｔｗｏ

ｓｕｐｅｒｐｌａｓｔｉｃｉｚｅｒ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐｏｌｙｃａｒｂｏｘｙｌｉｃｓｕｐｅｒｐｌａｓｔｉｃｉｚｅｒ，ｃｅｍｅｎｔｇｒｏｕｔ．ｒａｄｉｃａｌｐｏｌｙｍｅｒｉｚａｔｉｏｎ，ｆｌｕｉｄｉｔｙ

ｏｆ插图清单

图２．１反应装置示意图……………………………………………………………………．１３

图３．１聚羧酸减水剂的制备………………………………………………………………．．１８

图３．２Ｐｄ的测定……………………………………………………………………………………２０图３．３相对分散力的测定……………………………………………………………………．２０

图３．４水泥净浆流动度及经时变化．１…………………………………………２２

图３．５水泥净浆流动度及经时变化．２………………………………………………２３

图３．６水泥净浆流动度及经时变化．３……………………………………………２４

表３。７不同单体制备的减水剂编号一览一４………………………………………．．２４

图３．８不同投料比下得到的减水剂的水泥净浆流动度及经时损失……………．．２７

图３．９不同温度下制备的甲基丙烯磺酸钠类减水剂的水泥净浆流动度及经时损

罗电…………………………………………………………………………………………………．２９

图３．１０不同温度下制各的烯丙基烯磺酸钠类减水剂的水泥净浆流动度及经时损失………………………………………………………………………………………………．３０图３．１ｌ不同分子量下制备的甲基丙烯磺酸钠类减水剂的水泥净浆流动度及经

时损失……………………………………………………………………………………………３１图３．１２不同分子量下制备的烯丙基烯磺酸钠类减水剂的水泥净浆流动度及经时损失……………………………………………………………………………………………３２

图３．１３减水剂Ａ、Ｂ的红外光谱图………………………………………………………３３

图３．１４水泥净浆流动度及经时变化………………………………………………．３４

图３．１５水泥净浆流动度及经时变化…………………………………………．３４

图３。１６水泥净浆流动度及经时变化．甲基丙烯磺酸钠…………………………３７

图３．１７水泥净浆流动度及经时变化．烯丙基磺酸钠………………………………．３８

图３．１８减水剂Ａ、Ｂ掺量变化对水泥净浆流动度的影响……………………．３９

图３．１９萘系等减水剂掺量变化对水泥净浆流动度的影响………………………．４０表格清单

表２．１主要实验仪器…………………………………………………………………………１１

表２．２主要实验原料……………………………………………………………………………．１２

表３．１减水剂样品配方一览…………………………………………………．１８

表３．２表面张力测定值………………………………………………………………………．．１９

表３．３水泥标准稠度用水量………………………………………………………．２０

表３．４水泥净浆凝结时间…………………………………………………………．．２１表３．５不同单体制备的减水剂编号一览．１………………………………………．．２２

表３．６不同单体制备的减水剂编号一览．２………………………………………２３

表３．７不同摩尔比单体制备的减水剂编号一览……………………………………一２５

表３．８不同投料比下减水剂的水泥标准稠度用水量及减水率………………．２６

表３．９不同温度下制备的减水剂编号一览…………………………………………．２８表３．１０不同温度制备的减水剂标准稠度用水量、减水率………．：…………．２８

表３．１ｌ不同分子量ＭＰＥＧＭＡ制备的减水剂编号一览………………………３０

表３．１２不同分子量的ＭＰＥＧＭＡ制备的减水剂标准稠度用水量、减水率…．３１

表３．１３水泥标准稠度用水量及水泥砂浆减水率测定结果…………………一３５表３．１４不同滴加方式减水剂编号一览………………………………………．３６

表３．１５不同滴加方式的减水剂水泥标准稠度用水量、减水率及水泥净浆流动

度………………………………………………………………………………………………………．３７

表３．１６不同掺量的减水剂对减水效率的影响………………………………………．．３９