氨基磺酸系高效減水劑AH的分散機理研究

劉 娟

（江蘇城市職業(yè)學(xué)院，江蘇 南京 210019）

氨基磺酸系高效減水劑AH的分散機理研究

劉 娟

（江蘇城市職業(yè)學(xué)院，江蘇 南京 210019）

實驗測試了氨基磺酸系高效減水劑AH溶液的表面張力、AH在水泥顆粒表面的吸附量及ξ電位，結(jié)果表明：AH能夠減小溶液表面張力，使分散體系的自由能降低；它在水泥顆粒表面呈環(huán)圈及尾狀吸附，產(chǎn)生較大的立體空間位阻；摻AH的水泥粒子表面ξ電位絕對值較大，水泥顆粒間存在著較強靜電斥力。這些均使得AH具有良好分散作用。此外，AH分子結(jié)構(gòu)中存在的極性基團與水分子間的氫鍵締合，在水泥粒子表面形成的溶劑化水膜的潤滑，也對AH分散起到一定的加強作用。

氨基磺酸系高效減水劑；分散機理

當今的混凝土工程離不開外加劑。外加劑的出現(xiàn)，正推動著混凝土向高強、高流態(tài)化和高性能方向發(fā)展，并且為各種特殊用途混凝土和特種施工混凝土的使用提供了可靠的保證。目前，它已逐漸成為混凝土中，繼水泥、砂、石和水之外不可缺少的第五組分[1]。在混凝土工程中使用量最大、用途最廣當屬減水劑，它約占外加劑使用總量的70%～80%。氨基磺酸系高效減水劑（簡稱AH）由于其減水率高、混凝土坍落度大、坍落度的經(jīng)時損失小、生產(chǎn)工藝簡單等優(yōu)點，成為近年來開發(fā)的熱點。本文作者先在實驗室合成氨基磺酸系高效減水劑AH，然后就氨基磺酸系高效減水劑的減水分散機理展開研究。

1.實驗部分

1.1 主要原材料

對氨基苯磺酸：分析純，無水，粉劑，含量 99.8%；苯酚：分析純，無色結(jié)晶體；甲醛：溶液，含量37.0%～40.0%；40%NaOH溶液：本實驗室自己配制；水泥：雙猴P.O32.5普通硅酸鹽水泥。

1.2 合成方法

稱取一定量的對氨基苯磺酸，置于裝有溫度計、攪拌器、回流冷凝管的四口燒瓶中，加入苯酚和蒸餾水，升溫到一定值使其全部溶解，邊攪拌邊加入氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)pH值，緩慢滴加甲醛，在恒定溫度下保溫一段時間，然后冷卻，加入氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)產(chǎn)物pH值10～11，即可得到液體氨基磺酸系高效減水劑AH。

1.3 測試方法

1.3.1 表面張力的測定

儀器：JYW—200A 自動界面張力儀

實驗方法：按規(guī)定操作準確配制不同濃度AH試樣溶液，采用拉膜法測其表面張力。

1.3.2 吸附量的測定

配制一定濃度的減水劑溶液，與水泥攪拌3min后，靜置一定時間，使其達到吸附平衡，倒出上層清液，用離心機（轉(zhuǎn)速為4000rpm）分離10min以上，稀釋分離出的液相使之符合比爾定律的濃度范圍。采用UV紫外分光光度計測定濃度。根據(jù)吸附前后濃度變化由下式計算吸附量。

1.3.3 ξ電位的測定

固體顆粒表面ξ電位的測定采用JS94F型電泳儀測定。將0.1g水泥樣品放入一定濃度的AH溶液中，攪拌3min后，靜止10min，然后注入電泳池中，測定其ξ電位，測定3次，取平均值。

1.3.4 水泥凈漿流動度測定

測試按照GB/T8077－2000標準方法進行。水灰比為0.29，水泥用量300g，其中外加劑摻量以固含量占水泥用量的百分數(shù)計。

2. 結(jié)果與討論

2.1 依據(jù)熱力學(xué)原理的分散作用研究

根據(jù)熱力學(xué)原理，水泥粒子要在水中穩(wěn)定分散，獲得相對穩(wěn)定性，必須降低分散體系的自由能。而分散過程體系自由能的變化ΔG為：

式中：ΔA——水泥粒子表面積的增量

σ——固—液界面張力

T——溫度

ΔS——體系的熵變

水泥粒子的分散恰恰使比表面積增加，造成體系的自由能增加。由此可知，在體系的固相和液相相對數(shù)量一定情況下，降低體系的自由能就必須降低水泥—水表面張力[2]。為此試驗測試了AH溶液表面張力。實驗結(jié)果如圖1所示。

圖1 表面張力與AH質(zhì)量濃度的關(guān)系

由實驗結(jié)果可見，AH加入能夠降低溶液的表面張力，且隨著溶液濃度的增大，表面張力下降地越多。這也就從一方面解釋了AH摻入水泥漿中，水泥顆粒具有良好分散作用的原因。

2.2 依據(jù)吸附形態(tài)的分散作用研究

一般認為高效減水劑在水泥顆粒表面的吸附是其產(chǎn)生減水分散作用主要原因之一，為此，實驗測試了AH和目前廣泛使用的萘系高效減水劑（FDN）在水泥顆粒表面的的吸附量，依據(jù)吸附量來研究其在水泥顆粒表面的吸附形態(tài)對水泥分散性能的影響。實驗測試結(jié)果如圖2所示：

圖2 減水劑在水泥顆粒表面的吸附曲線圖

圖3 FDN和AH在不同摻量下對水泥 凈漿的流動度影響

從圖2中不難看出，AH的吸附量明顯低于FDN，然而從圖3中還可以看出，在相同的摻量下，AH的分散性卻要好于FDN。形成這樣的原因，可能與二者分子結(jié)構(gòu)及的吸附形態(tài)有關(guān)。AH的分子結(jié)構(gòu)（見圖4）具有較多極性支鏈，在水泥顆粒表面呈環(huán)圈及尾狀吸附[3]（如圖5所示），吸附量少。FDN分子結(jié)構(gòu)（見圖6）屬于少支鏈的線性結(jié)構(gòu)，在水泥顆粒表面，呈一種短棒狀平直型橫臥吸附[3]（如圖7所示），吸附量大。另外，AH的分子空間結(jié)構(gòu)較大，立體空間位阻大，使得水泥顆粒不易凝聚。FDN分子空間結(jié)構(gòu)較小，立體空間位阻小。因而表現(xiàn)為摻AH的水泥漿流動性好于FDN。

圖4 AH分子通式

圖5 AH在水泥顆粒表面的吸附形態(tài)

圖6 FDN分子通式圖

圖7 FDN在水泥顆粒表面的吸附形態(tài)

2.3 依據(jù)靜電斥力的分散作用研究

當AH加入到水—水泥體系中時，會離解成大陰離子和金屬陽離子，其中大陰離子被水泥顆粒吸附以降低其表面能，使水泥顆粒表面帶上負電，在顆粒表面處形成擴散雙電層，進而在顆粒之間產(chǎn)生靜電斥力。當水泥顆粒在外電場的作用下作相對運動時，雙電層的滑移面上會產(chǎn)生電位差即ξ電位。ξ電位的大小對水泥顆粒的分散和凝聚起著重要的作用。為此實驗研究了摻AH的水泥顆粒表面ξ電位，如圖8所示。

圖8 水泥顆粒表面ξ電位與AH濃度的關(guān)系

依圖8可知，在水—水泥體系中，未摻AH的水泥顆粒表面的ξ電位在+8mv左右，摻AH后水泥顆粒表面的ξ電位由正變負，且絕對值也隨之增大，當濃度增加到一定值時，ξ電位值保持在-20mv～-25mv之間，與未摻AH的ξ電位相比，ξ電位絕對值增大較多。ξ電位是顆粒帶電的標志，它的大小反映了水泥顆粒帶電的程度[3]，顆粒帶電量越多，ξ電位絕對值越大，水泥顆粒間的靜電斥力也就越大，水泥的分散效果就越好。

2.4 依據(jù)潤滑作用的分散作用研究

紅外譜圖是對物質(zhì)定性分析最簡單的方法。為此測定AH紅外譜圖，測得結(jié)果見下圖所示。

圖9 AH的紅外光譜圖

根據(jù)圖中可以看出，在3430cm-1處出現(xiàn)一個較寬的強峰，它是氨基的伸縮振動與羥基伸縮振動峰的疊加，1575cm-1附近的吸收峰是苯環(huán)共軛體系碳碳雙鍵伸縮振動特征譜帶。在1120cm-1和1170cm-1附近是磺酸基的很強的伸縮振動峰，是磺酸基團的特征吸收峰[4]。由此可以確定，AH分子結(jié)構(gòu)是含有極性基團—SO3H、—OH和—NH2。這些極性基團很容易以氫鍵形式與水分子締合[1]，另外水分子之間也會以氫鍵形成締合，由此使得水泥粒子表面形成了一層厚厚的溶劑化水膜，阻止水泥顆粒間的直接接觸，在顆粒間起到潤滑作用，從而增加AH的分散性。

3.結(jié)論

1）AH能夠減小溶液的表面張力，降低分散體系的自由能，使得水泥粒子在水中穩(wěn)定分散。AH的分子結(jié)構(gòu)中多極性支鏈、空間結(jié)構(gòu)較大的特點，通過環(huán)圈及尾狀吸附在水泥顆粒表面形成較大的空間位阻，也使得AH具有很強的分散能力。

2）摻AH水泥顆粒表面ξ電位絕對值較大，使水泥顆粒之間產(chǎn)生很強的靜電斥力，對水泥粒子的分散起著重要作用。此外，AH分子結(jié)構(gòu)中含有的極性基團與水分子間氫鍵締合，在水泥粒子表面形成的溶劑化水膜的潤滑，也對AH分散起到一定的加強作用。

[1] 蔣新元，邱學(xué)青，歐陽新平，等. 氨基磺酸系高效減水劑表面與分散性能研究[J]. 混凝土，2004，4.

[2] 鮑立楠. 氨基磺酸系高效減水劑的合成與性能研究[D]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2002.

[3] 蔣新元，邱學(xué)青，歐陽新平，等. 氨基磺酸系高效減水劑表面性能及作用機理研究[J]. 混凝土與水泥制品，2004，2.

[4] 蔣新元. 氨基磺酸系高效減水劑ASP性能研究[D]. 華南理工大學(xué)，2001.

Study on dispersal mechanizm of aminosulfonic-based superplasticizer AH

LIU Juan

We have tested the surface tension , adsorptive capacity and ξ-potential value on the surface of cement particle about aminosulfonic-based superplasticizer AH by experiment. It shows that AH can reduce the surface tension of solution and cause the free energy of dispersion system to decrease, AH is adsorbed on the surface of cement particle through the ring or caudate, it produces the big three-dimensional spatial steric hindrance, the cement particles surface of AH-doped has a larger absolute data of ξ-potential value, there is a strong electrostatic repulsion among the cement particles. These enable AH to have a good dispersion performance. In addition, there are hydrogen bonds between polar groups and water molecules in the AH molecular structure, the water film on the surface of cement particle lubricates cement particle. All of these strengthen AH dispersion.

aminosulfonic-based superplasticizer；dispersal mechanizm

TU529

A

1008-7427（2011）11-0159-02

2011-08-28

作者系江蘇城市職業(yè)學(xué)院建工系講師。