聚羧酸減水劑粉體的吸濕性試驗(yàn)研究

沈軍，壽建平，馮中軍

（上海三瑞高分子材料有限公司，上海 200233）

聚羧酸減水劑粉體的吸濕性試驗(yàn)研究

沈軍，壽建平，馮中軍

（上海三瑞高分子材料有限公司，上海 200233）

測(cè)試了不同聚羧酸減水劑粉體樣品在25℃，相對(duì)濕度75%條件下的吸濕動(dòng)力學(xué)。比較了母液的側(cè)鏈聚乙二醇分子質(zhì)量大小、隔離劑種類、粉體顆粒大小對(duì)粉體吸濕率的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，提高側(cè)鏈聚乙二醇分子質(zhì)量、增大粉體粒徑和采用疏水的隔離劑均有利于降低粉體的吸濕速率。

聚羧酸減水劑；粉體；吸濕性

0 前言

2007年7月，商務(wù)部、建設(shè)部聯(lián)合發(fā)布了全國(guó)127個(gè)城市分3批強(qiáng)制實(shí)行砂漿禁止現(xiàn)場(chǎng)攪拌的通知，這對(duì)推廣干混砂漿起到了積極的作用。作為干混砂漿的重要添加劑，目前聚羧酸減水劑粉體廣泛應(yīng)用于灌漿料、壓漿劑、自流平砂漿、CA砂漿、防水砂漿及外墻外保溫等特種砂漿，起到節(jié)約水泥，提高砂漿的流動(dòng)性及流動(dòng)保持性，改善砂漿施工性能，提高硬化砂漿抗壓、抗折強(qiáng)度，提高硬化砂漿耐久性能并延長(zhǎng)使用壽命的作用。

聚羧酸減水劑粉體常見生產(chǎn)工藝[1-2]是噴霧干燥。首先按需求在聚羧酸減水劑母液中加入各種適量的功能助劑（如消泡劑、引氣劑、保水劑等），并將料液黏度用水調(diào)節(jié)至適合的范圍；然后用螺桿泵將料液輸送到干燥塔的霧化器內(nèi)，霧化后的液滴經(jīng)熱空氣干燥成粉體；再用旋風(fēng)分離器實(shí)現(xiàn)氣、粉分離，經(jīng)冷卻、過篩、包裝得到最終產(chǎn)品。

聚羧酸減水劑是一種水溶性高分子，該產(chǎn)品的不同分子結(jié)構(gòu)決定了聚羧酸減水劑粉體不同的吸濕特性，暴露在潮濕空氣中的減水劑粉體容易發(fā)生不同程度的吸濕現(xiàn)象，以至于使粉體的流動(dòng)性下降、結(jié)塊，甚至液化等，這不僅給減水劑粉體的生產(chǎn)和包裝環(huán)節(jié)帶來了挑戰(zhàn)，而且吸濕后結(jié)塊的聚羧酸減水劑粉體給干混砂漿的生產(chǎn)混合過程也帶來不利的影響。因此，研究聚羧酸減水劑粉體吸濕性的影響因素有重要的意義。

不同廠家的聚羧酸減水劑母液分子結(jié)構(gòu)、工藝設(shè)備、無機(jī)隔離劑種類及用量等的差異，使得粉體的吸濕性不盡相同。為了探討吸濕性的影響因素，本文首先合成了具有不同側(cè)鏈長(zhǎng)度的聚羧酸減水劑母液，然后進(jìn)行干燥，從聚羧酸減水劑側(cè)鏈分子質(zhì)量、霧化方式及隔離劑種類等3個(gè)方面對(duì)聚羧酸減水劑粉體的吸濕性進(jìn)行了比較研究。

1 試驗(yàn)

1.1 主要原材料

甲基丙烯酸（MAA）、甲氧基聚乙二醇醚甲基丙烯酸單酯（MPEGMA1000、2000、5000）：工業(yè)級(jí)，市售；巰基丙酸：工業(yè)級(jí)，范縣海潤(rùn)科技有限公司；過硫酸銨：工業(yè)級(jí)，上海愛比西化工有限公司；氫氧化鈉：工業(yè)級(jí)；消泡劑：Tego 314 XP；白炭黑：Degussa R106；高嶺土：XYG-60，宜興市誠(chéng)質(zhì)化工有限公司；去離子水：自制；氯化鈉：分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.2 主要儀器設(shè)備

分析天平：FA2104N，量程210 g，d=0.1 mg；1351干燥器：300mm，鹽城市玻璃儀器二廠；離心噴霧干燥塔，蒸發(fā)量5kg/h；示差掃描量熱儀器，Diamond DSC。

1.3 減水劑母液的合成

在裝有溫度計(jì)、調(diào)速攪拌器、回流冷凝管及滴加裝置的四口燒瓶中，加入配方量的去離子水，水浴加熱至80～83℃，然后攪拌并按配方量滴加單體混合溶液（由甲基丙烯酸、甲氧基聚乙二醇醚甲基丙烯酸單酯、巰基丙酸、去離子水組成的水溶液），在（180±10）min內(nèi)滴完，同時(shí)滴加引發(fā)劑過硫酸銨水溶液，在（210±10）min內(nèi)滴完。引發(fā)劑液滴完后保溫1 h，然后降溫至50℃以下，用30%氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)pH值至7，即得固含量為40%的聚羧酸減水劑母液。合成母液的單體種類、比例及聚合物的分子質(zhì)量MW見表1。

1.4 噴霧干燥

首先在聚羧酸減水劑母液中加入消泡劑攪拌均勻，并將料液黏度用自來水調(diào)節(jié)到適合的范圍；然后用螺桿泵將料液輸送到5 kg/h蒸發(fā)量的干燥塔的霧化器內(nèi)，同時(shí)在進(jìn)風(fēng)管道處均勻加入高嶺土?？刂埔欢ǖ倪M(jìn)風(fēng)溫度及出風(fēng)溫度，霧化后的液滴經(jīng)熱空氣干燥成聚羧酸減水劑粉體；然后用旋風(fēng)分離器實(shí)現(xiàn)氣、粉分離，經(jīng)冷卻、過篩、包裝得到流動(dòng)性良好的聚羧酸減水劑粉體。粉體的灰分控制在9%～11%，水分控制在2%～3%。

1.5 聚羧酸減水劑粉體吸濕率測(cè)試方法

聚羧酸減水劑粉體吸濕率的測(cè)試方法為：秤取3 g粉體，均勻地平鋪在同一規(guī)格的表面皿內(nèi)，將樣品放置在底部盛有氯化鈉過飽和溶液的玻璃干燥器內(nèi)，25℃恒溫放置若干時(shí)間，稱取不同放置時(shí)間的粉體的質(zhì)量，計(jì)算粉體的吸濕率。氯化鈉飽和溶液在25℃時(shí)的相對(duì)濕度RH為75%[3]。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同側(cè)鏈分子質(zhì)量對(duì)減水劑粉體吸濕性的影響（見圖1）

從圖1可以看出，在25℃，RH=75%的環(huán)境中，4個(gè)粉體樣品的飽和吸濕率大小依次為SD-1#＞SD-2#＞SD-3#＞SD-4#；并且可以清楚地看出，在前20 h時(shí)間段內(nèi)，粉體吸收水蒸氣的速度最快，到80 h時(shí)基本達(dá)到吸附平衡。結(jié)合表1可以看出，母液的平均分子質(zhì)量在28 000～30 000，這4種聚合物的分子質(zhì)量基本一致，但是它們側(cè)鏈上的聚乙二醇分子質(zhì)量有明顯的不同，隨著聚合物側(cè)鏈上的聚乙二醇分子質(zhì)量增大，粉體的吸濕率也逐漸降低，其中SD-1#、SD-2#、SD-3#的吸濕性變化非常明顯，而側(cè)鏈分子質(zhì)量達(dá)到一定程度時(shí)，吸濕性差別不大，例如粉體SD-3#、SD-4#。這個(gè)測(cè)試結(jié)果和嚴(yán)瑞瑄[4]的研究基本一致：較低分子質(zhì)量的聚乙二醇具有從大氣中吸收并保水的能力，平均相對(duì)分子質(zhì)量為950～1050的聚乙二醇，它的吸濕率為35%（甘油為100%）；平均相對(duì)分子質(zhì)量為1300～1600的聚乙二醇，它的吸濕性是30%；平均相對(duì)分子質(zhì)量為1900～2200的聚乙二醇，它的吸濕性低；他指出聚乙二醇的分子質(zhì)量越大，相對(duì)吸濕性越小。這是因?yàn)榉肿淤|(zhì)量增大，減少了末端羥基對(duì)整體性質(zhì)的影響。

2.2 粒徑對(duì)粉體吸濕性的影響（見圖2）

SD-2#和SD-6#粉體是用同一種母液（2#）經(jīng)過不同的霧化方式得到的樣品，其中壓力噴霧干燥得到的SD-6#粉體的粒徑是離心噴霧干燥得到的SD-2#粉體粒徑的2.58倍。粒徑大的粉體比表面積小，吸附面積也小。從圖2可以看出，SD-6#粉體的吸濕率較小。

2.3 隔離劑對(duì)粉體吸濕性的影響

由于聚羧酸減水劑的分子質(zhì)量較小，軟化點(diǎn)一般在35～65℃，在噴霧干燥過程中，烘干后的粉體在干燥塔內(nèi)由于高溫而熔融，容易發(fā)生黏壁或顆粒間的黏連。為了保證正常生產(chǎn)和產(chǎn)品的質(zhì)量經(jīng)常在噴霧干燥過程中添加隔離劑。 常用隔離劑為高嶺土、白炭黑等，它們吸附在聚羧酸減水劑粉體表面，防止粉體相互黏連。SD-5#樣品中不僅僅有高嶺土，而且混合了10%的白炭黑，該白炭黑是Degussa公司的R106疏水型氣相二氧化硅，粒徑非常細(xì)小，比表面積非常大，能覆蓋更多的聚羧酸減水劑粉體面積。不同隔離劑對(duì)粉體吸濕性的影響見圖3。

由圖3可知，SD-5#樣品中納米級(jí)的疏水氣相二氧化硅包覆在聚羧酸減水劑粉體表面，有效地隔離了外界水氣進(jìn)入顆粒內(nèi)部，降低了吸濕率。

3 結(jié)語

（1）減水劑側(cè)鏈上聚乙二醇的長(zhǎng)度（分子質(zhì)量）是影響粉體吸濕性的重要因素；選用高分子質(zhì)量的MPEGMA有助于提高聚羧酸減水劑粉體的抗吸濕性。

（2）通過改變霧化方式得到的不同粒徑的粉體，試驗(yàn)表明采用壓力霧化方式得到的粉體粒徑較大，該粉體的抗吸濕性優(yōu)于離心霧化得到的粒徑較小的聚羧酸減水劑粉體。

（3）在噴霧干燥過程中常添加隔離劑來防止熔融的聚羧酸減水劑粉體在干燥塔內(nèi)粘連或黏壁，在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，摻加部分疏水型氣相白炭黑作為隔離劑，不僅能防止聚羧酸減水劑粉體間的黏連，并且能顯著改進(jìn)粉體的抗吸濕性。

[1]方云輝.固體聚羧酸減水劑的制備研究[J].福建建筑，2010（7）：106-110.

[2]王小兵，付強(qiáng)善，陳紅根.粉體聚羧酸減水劑的制備[J].新型建筑材料，2011（7）：58-60.

[3]霍樹春，李峰，李建科，等.不同比表面積山梨醇粉體的吸濕性實(shí)驗(yàn)研究[J].食品科學(xué)，2007，28（9）：83-85.

[4]嚴(yán)瑞瑄.水溶性高分子[M].2版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010：117-118.

Experimental research on moisture absorption of polycarboxylic superplasticizer powder

SHEN Jun，SHOU Jianping，F(xiàn)ENG Zhongjun
（Shanghai Sunrise Polymer Material Co.Ltd.，Shanghai 200233，China）

This article tested the moisture absorption kinetics of different polycarboxylic superplasticizer powder in the condition of 25℃ &RH75%.And compared the influence of the molecule weight of PEG of the PCE side chain，the sort of anticaking agent，particle size of the PCE powder on the moisture absorption rate.Results show it is useful to reduce the moisture absorption rate of the PCE powder by increase the molecule weight of PEG of the PCE side chain，enlarge the particle size and adopt the hydrophobic anticaking agent.

polycarboxylic superplasticizer，powder，moisture absorption

TU528.042.2

A

1001-702X（2015）06-0022-03

2014-11-04；

2014-12-02

沈軍，男，1973年生，江蘇宜興人，工程師，研究方向?yàn)椴牧霞庸ぜ盎瘜W(xué)建材。