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聚羧酸减水剂: 步入分子水平设计和开发阶段
2019年21期 发行日期:2019-10-31
作者:■ 辽宁奥克化学股份公司 孔凡志 董振鹏 朱宗将

减水剂是一种在维持混凝土坍落度基本不变的条件下,能减少拌合用水量的混凝土外加剂。减水剂加入混凝土拌合物后,对水泥颗粒有分散作用,能改善其工作性能,改善混凝土拌合物的流动性,减少单位用水量;也可以减少单位水泥用量,节约水泥。
    工业领域传统减水剂有木质素磺酸盐类外加剂、萘系磺酸盐甲醛缩合物、三聚氰胺甲醛缩聚物、丙酮磺酸盐甲醛缩合物、氨基磺酸盐甲醛缩合物等。聚羧酸减水剂是一种较为新型的减水剂,其分子结构中包含有多个羧酸基团,通常是由含不饱和双键、分子量在500~6000的聚醚大单体与丙烯酸经自由基共聚反应而得到。聚羧酸系高效减水剂克服了传统减水剂的一些弊端,具有良好的综合技术性能优势及环保特点,具有掺量低、保坍性能好、混凝土收缩率低、分子结构可调性强、对混凝土增强效果显著、生产过程中不使用甲醛、有害物质含量极低等突出优点,符合现代化混凝土工程的需要。聚羧酸减水剂的发明实现了现代混凝土技术真正意义上的变革,已经并将在未来很多年内成为混凝土创新的主要推动力。据报道,日本聚羧酸外加剂使用量已占所有高性能外加剂产品总量的80%以上,北美和欧洲也占了50%以上。在我国,聚羧酸系减水剂已成功应用在三峡大坝、苏通大桥、田湾核电站、京沪高铁等国家大型水利、桥梁、核电、铁路工程,并取得了显著效果。
    聚羧酸是由日本触媒化学公司的枚田健博士在1981年发明的,后来引入我国。在聚羧酸减水剂发展早期,国外主要是采用含不饱和双键的聚乙二醇酯作为大单体来合成,这条路线简称为“酯基路线”。该路线需要先以环氧乙烷为原料经阴离子聚合生成甲基聚乙二醇,再经酯化反应合成聚乙二醇酯,再与丙烯酸进行自由基聚合反应来合成,反应步骤较长,且合成工艺难度较大。聚羧酸引入我国后,以辽宁奥克化学股份公司为主的国内环氧乙烷及其衍生物制造厂家开发并成功地在市场上推广了一类含不饱和双键的聚乙二醇醚,使用这种聚乙二醇醚为大单体,可以与丙烯酸一步法合成聚羧酸减水剂,这条路线简称“醚基路线”。“醚基路线”反应步骤短,工艺难度适中,代替了“酯基路线”,有效地调节了聚羧酸减水剂的分子结构和工作性能。在我国市场上迅速成为主流路线。目前国内每年约有150万吨的大单体的市场,其中95%为此种含不饱和双键聚乙二醇醚。最近3年,在“一带一路”倡议的推动下,行业内企业与欧洲频繁接触,使欧洲受到了“醚基路线”的强烈刺激与冲击,抑制不住改用“醚基路线”的冲动,于是,含不饱和双键聚乙二醇醚在欧洲的销量稳步上升。
    鉴于这条创新路线的正确性,学术界和工业界继续为之开展相关的研究工作,陆续开发并在市场上推广了高保坍聚羧酸减水剂、高强混凝土用聚羧酸减水剂、早强型聚羧酸减水剂、自密实混凝土用聚羧酸减水剂、预制混凝土用聚羧酸减水剂等功能性聚羧酸减水剂。此外,聚羧酸减水剂已正式进入了分子水平设计和开发的阶段。近期,国内外研究结构开始引入含氮元素或分支结构的聚羧酸,意图开发耐泥混凝土用聚羧酸减水剂;也出现含磷酸基团的减水剂,可以在更低的水用量下部分解决混凝土发粘的行业难题。未来,随着天然沙石资源的日益减少,水泥生产过程中需使用更多的拌合料,“低碳”混凝土已经成为大势所趋,开发适合“低碳”混凝土的减水剂将是最重要的研究课题。例如,通过设计与合成上述含氮元素或磷酸基团的减水剂等化学方法,相信聚羧酸减水剂必将为人类混凝土事业提供一个个切实的“低碳”解决方案。

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