逄魯峰，孫華強(qiáng)，常青山，周在波

（1.山東建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250100；2.山東華迪建筑科技有限公司，山東 濟(jì)陽 251400）

新型聚羧酸減水劑粉末的制備與性能研究

逄魯峰1，2，孫華強(qiáng)1，常青山2，周在波1

（1.山東建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250100；2.山東華迪建筑科技有限公司，山東 濟(jì)陽 251400）

選用丙烯酸（AA）、甲基丙烯酸（MAA）、馬來酸（MA）等3種不同聚合單體與聚醚（TPEG）、巰基丙酸（MPA）等單體在引發(fā)劑的作用下進(jìn)行共聚反應(yīng)，合成一種具有良好分散、保持效果的聚羧酸減水劑，再采用離心噴霧干燥法，將該高性能聚羧酸減水劑制備成粉末，并對其性能進(jìn)行了測試。

粉末聚羧酸減水劑；離心噴霧干燥法；粉劑

聚羧酸減水劑具有分子結(jié)構(gòu)靈活、摻量低、減水率高、坍落度保持性好、對混凝土的干縮影響較小、與水泥和摻合料適應(yīng)性相對較好等一系列突出的性能[1-3]，同時(shí)，生產(chǎn)過程環(huán)保，目前已廣泛應(yīng)用于各項(xiàng)工程領(lǐng)域中。

但是需要使用粉末狀聚羧酸系產(chǎn)品的地方很多。室內(nèi)環(huán)境中使用粉狀聚羧酸減水劑可以明顯降低材料的可揮發(fā)有機(jī)物含量，特別是減少甲醛等易揮發(fā)組分含量[4]。此外，在各類干粉砂漿材料的制備上需要使用粉狀的聚羧酸減水劑產(chǎn)品。更多的時(shí)候，粉末狀產(chǎn)品比液體產(chǎn)品在運(yùn)輸、儲存和使用時(shí)更加方便和節(jié)約成本[5-7]，因此，研制粉末聚羧酸減水劑成為必然。

1 試驗(yàn)

1.1 合成原材料（見表1）

表1 合成聚羧酸減水劑的原材料

1.2 聚羧酸減水劑的合成方法

在裝配有溫度計(jì)、攪拌器的四口燒瓶中，加入一定量的大單體TPEG和去離子水，攪拌20 min，待大單體充分混合后，升溫到一定溫度時(shí)，分別以滴加的形式加入AA、MAA、MA、VC、MPA，反應(yīng)、保溫一段時(shí)間，然后再根據(jù)理論設(shè)計(jì)濃度加入剩余的去離子水，最后用氫氧化鈉溶液中和至中性。

1.3 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

控制酸醚比、加料順序、反應(yīng)時(shí)間、體系濃度、引發(fā)劑等因素均相同，對比3種不同單體種類、引發(fā)劑用量、不同反應(yīng)溫度，制備出一系列聚羧酸減水劑，通過測試對水泥的分散性和分散保持性，研究各種因素對聚羧酸減水劑性能的影響，選出最優(yōu)聚合單體、反應(yīng)溫度及引發(fā)劑用量，從而合成出高性能聚羧酸減水劑。正交試驗(yàn)因素水平見表2。

表2 L9（3）3正交試驗(yàn)因素水平

1.4 聚羧酸減水劑粉末的制備

通過離心噴霧干燥法，把合成的高性能聚羧酸減水劑母液制備成一種流動(dòng)性優(yōu)異、手感佳的聚羧酸減水劑粉末，不同的噴粉工藝制備的粉末的外觀、性能、含水率、粘壁情況、貯存狀況都有所不同。

1.4.1 噴霧干燥使用設(shè)備及工藝參數(shù)

離心噴霧干燥機(jī)：LPG系列高速離心噴霧干燥機(jī)，常州市越澤干燥設(shè)備有限公司，入口溫度100～350℃，自控；出口溫度60～90℃，自控；離心噴霧頭轉(zhuǎn)動(dòng)形式：機(jī)械傳動(dòng)；轉(zhuǎn)速8000～15 000 r/min；噴霧盤直徑150 mm；干粉回收率≥95%。

1.4.2 噴霧干燥工作原理

空氣經(jīng)過過濾和加熱，進(jìn)入干燥器頂部空氣分配器，熱空氣呈螺旋狀均勻地進(jìn)入干燥室。料液經(jīng)塔體頂部的高速離心霧化器，（旋轉(zhuǎn)）噴霧成極細(xì)微的霧狀液珠，與熱空氣并流接觸，在極短的時(shí)間內(nèi)可干燥為粉末[8-10]。

1.5 性能測試

1.5.1 試驗(yàn)材料及主要儀器設(shè)備

水泥：寶山P·O52.5、山水P·Ⅱ42.5；粉煤灰：Ⅱ級灰；砂：人工砂（Ⅱ區(qū)中砂）、尾礦砂（細(xì)砂）；石子：粒徑5～35 mm連續(xù)級配碎石；水：自來水。普通型聚羧酸高性能減水劑（PC-C），山東華迪建筑科技有限公司生產(chǎn)，具有低摻量、高減水、混凝土工作性能好等特點(diǎn)。

水泥凈漿攪拌機(jī)：NJ-160A，河北虹宇儀器有限公司；強(qiáng)制式單臥軸混凝土攪拌機(jī)：HJW-60型，滄州中建精密儀器有限公司；壓力試驗(yàn)機(jī)：YES-2000，上海華龍測試儀器有限公司。

1.5.2 性能測試方法

水泥凈漿流動(dòng)度按GB/T 8077—2000《混凝土外加劑勻質(zhì)性試驗(yàn)方法》進(jìn)行測試，W/C=0.29，減水劑摻量為0.12%（折固計(jì)）；混凝土抗壓強(qiáng)度按照GB 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行測試；混凝土其它性能按照GB 8076—2008《混凝土外加劑》進(jìn)行測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 聚羧酸減水劑母液合成正交試驗(yàn)結(jié)果與分析（見表3）

表3 減水劑母液合成正交試驗(yàn)結(jié)果與分析

由表3可以看出，各因素對水泥分散性的影響由大到小依次為：A＞C＞B。

選用異戊烯醇聚氧乙烯醚（TPEG）大單體、3種不同體系小單體作為主要原料，不同小單體與大單體之間的聚合決定了聚羧酸減水劑的結(jié)構(gòu)組成與性能，從而影響了聚羧酸減水劑對水泥的分散性。同時(shí)引發(fā)劑用量、反應(yīng)聚合溫度又影響著單體之間的聚合轉(zhuǎn)化率，所以，合成聚羧酸高性能減水劑選用的最佳小單體為甲基丙烯酸，引發(fā)劑APS用量為占母液設(shè)計(jì)總質(zhì)量的0.8%，反應(yīng)聚合溫度為80℃。

2.2 母液濃度對聚羧酸減水劑粉末的影響

在進(jìn)風(fēng)溫度為120℃的條件下，比較不同母液濃度對粉末的影響，結(jié)果見表4。

表4 母液濃度對聚羧酸減水劑粉末的影響

從表4可以看出，隨著母液濃度的增加，粉體的外觀良好，含水量較低，并且噴塔不粘壁。然而在實(shí)際生產(chǎn)過程中，高濃度的母液黏度大，離心噴霧比較困難。綜合比較得出，當(dāng)聚羧酸母液濃度為40%時(shí)，聚羧酸粉末生產(chǎn)、制備更為經(jīng)濟(jì)高效。

2.3 進(jìn)風(fēng)溫度對聚羧酸減水劑粉末的影響

選擇濃度為40%的母液，在霧化盤轉(zhuǎn)速為14 000 r/min的條件下，探討不同進(jìn)風(fēng)溫度對粉末的影響，結(jié)果見表5。

表5 進(jìn)風(fēng)溫度對聚羧酸減水劑粉末的影響

從表5可以看出，隨著噴塔進(jìn)風(fēng)溫度的升高，制備得到的聚羧酸粉末含水率降低，得到的粉體濾渣少。然而，進(jìn)風(fēng)溫度再升高，浪費(fèi)能源的同時(shí)，粉末在噴塔下端聚集，容易形成較大的聚集顆粒團(tuán)，容易發(fā)生爆炸危險(xiǎn)，因而選擇120℃為噴塔進(jìn)風(fēng)溫度。

2.4 隔離劑對聚羧酸減水劑粉末的影響

在隔離劑用量相等的情況下，探討隔離劑的種類及粒徑對制備聚羧酸減水劑粉末的影響，試驗(yàn)結(jié)果見表6。

表6 隔離劑對聚羧酸減水劑粉末的影響

由表6可以看出，在隔離劑用量相等的情況下，隔離劑粒徑越小，制備得到的聚羧酸粉末貯存更穩(wěn)定.這是因?yàn)?，隔離劑粒徑越小，其比表面積越大，可以有效的防止粉體聚羧酸減水劑結(jié)塊，所以貯存更穩(wěn)定。當(dāng)二氧化硅和重鈣復(fù)配使用做隔離劑時(shí)，常溫廣口瓶放置6個(gè)月，粉末貯存依然無結(jié)塊，穩(wěn)定效果更佳。因此，選擇10 μm二氧化硅和10 μm重鈣復(fù)配作隔離劑。

2.5 聚羧酸減水劑粉末的性能

2.5.1 水泥凈漿流動(dòng)度

在最優(yōu)工藝下合成、制備出聚羧酸減水劑粉末，并對得到的聚羧酸減水劑粉末的水泥凈漿流動(dòng)度進(jìn)行了試驗(yàn)研究，驗(yàn)證其對水泥的分散、保持性。當(dāng)聚羧酸減水劑粉末摻量為0.17%時(shí)，其水泥凈漿初始流動(dòng)度295 mm，30 min流動(dòng)度285 mm，測試結(jié)果表明，自制的聚羧酸減水劑粉末不僅具有良好的分散性，而且還具有良好的分散保持性。

2.5.2 混凝土應(yīng)用性能

試驗(yàn)混凝土配合比為：m（水泥）∶m（礦粉）∶m（粉煤灰）∶m（砂）∶m（石子）∶m（水）=240∶80∶80∶830∶1000∶175，聚羧酸減水劑折固摻量為0.2%，將摻自制聚羧酸減水劑粉末與不摻減水劑、摻普通聚羧酸減水劑（液體）、摻某市售進(jìn)口聚羧酸減水劑粉末的混凝土進(jìn)行對比，測試混凝土的坍落度及坍落度保持性，結(jié)果見表7。

表7 混凝土應(yīng)用性能測試結(jié)果

由表7可以看出，在混凝土配合比相同，減水劑折固摻量均為0.2%時(shí)的條件下，自制的聚羧酸減水劑粉末達(dá)到液體聚羧酸減水劑的技術(shù)要求，同時(shí)，減水率、28 d抗壓強(qiáng)度比毫不遜色于某市售進(jìn)口聚羧酸減水劑粉末，且和易性較好。

3 結(jié)語

（1）根據(jù)聚羧酸減水劑分子結(jié)構(gòu)的靈活可設(shè)計(jì)性，分別采用3種不同小單體，經(jīng)正交試驗(yàn)制備并研究了3種聚羧酸減水劑。通過其結(jié)構(gòu)分析和性能測試選出合成聚羧酸高性能減水劑的最佳小單體為甲基丙烯酸，引發(fā)劑APS用量為母液總質(zhì)量的0.8%，反應(yīng)聚合溫度為80℃。

（2）母液濃度為40%，干燥溫度為120℃，選擇10 μm二氧化硅和10 μm重鈣復(fù)配作為隔離劑的條件下，通過離心噴霧干燥法制得的聚羧酸減水劑粉末性能最佳。

（3）通過水泥凈漿試驗(yàn)表明，自制的聚羧酸減水劑粉末不僅具有良好的分散性，而且還具有良好的分散保持性。通過混凝土試驗(yàn)得出，自制的聚羧酸減水劑粉末達(dá)到液體聚羧酸高效減水劑的技術(shù)要求，同時(shí)，其減水率、28 d抗壓強(qiáng)度比毫不遜色于某市售進(jìn)口聚羧酸減水劑粉末，且和易性較好。

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Study on preparation and performance of a new type of polycarboxylate superplasticizer agent

PANG Lufeng1，2，SUN Huaqiang1，CHANG Qingshan2，ZHOU Zaibo1
（1.School of Civil Engineering，Shandong Jianzhu University，Jinan 250100，China；2.Shandong Huadi Construction Technology Co.Ltd.，Jiyang 251400，China）

Selecting three different polymerization monomers：acrylic acid（AA），methacrylic acid（MAA），maleic acid（MA）to polymerize with polyether（TPEG），mercaptopropionic acid（MPA）and so on in the presence of initiators.Also this paper synthesizes a kind of polycarboxylate superplasticizer in certain conditions with better dispersion and retentio quality，then using a centrifugal spraying drying method to powder the prepared high performance polycarboxylate.Finally，its performance is tested.

polycarboxylate superplasticizer，centrifugal spray drying method，powder agent

TU528.042.2

A

1001-702X（2016）12-0030-03

2016-04-27；

2016-06-17

逄魯峰，男，1964年生，山東膠南人，教授，研究方向：混凝土材料及結(jié)構(gòu)的研究及開發(fā)。