Molekylær struktur af polycarboxylisk superplastificeringsmiddel

Den molekylære struktur af polycarboxyliske superplastificeringsmidler har følgende egenskaber: stærke polære grupper såsom carboxyl-, sulfon- og polyethylenoxidgrupper indføres i hoved- eller sidekæderne, hvilket giver molekylerne en kamlignende struktur. Typisk udviser den strukturen vist i figur 1, hvor den faktiske repræsentative kemiske formel er en kombination af visse dele, hvor M1 og M2 repræsenterer henholdsvis H og alkalimetalioner; M3 repræsenterer H, alkalimetalammoniumioner eller organiske aminer. I et cementpastasystem interagerer disse langkædede strukturerede makromolekyler med hinanden gennem hydrofile sidekæder og indkapsler cementpartikler, mens de hydrofobe grupper vender mod den vandige opløsning. Som et resultat dissocierer superplastificeringsmiddelmolekyler til store anioner i vand, der adsorberer på overfladen af ​​cementpartikler, hvilket reducerer deres overfladeenergi. Dette skaber et stærkt elektrisk felt på overfladen af ​​cementpartiklerne, hvilket øger den absolutte værdi af zeta-potentialet, hvorved der genereres stærk elektrostatisk frastødning mellem partiklerne, hvilket hindrer eller forstyrrer dannelsen af ​​cementgelens sammenhængende struktur, hvilket fører til en relativ stigning i mængden af ​​frit vand og frembringer en dispersiv effekt. Derudover skaber det adsorptive lag af høje polymerer rumlige barrierer for partikelaggregering.

Fra figuren kan det iagttages, at den kemiske struktur af polycarboxyliske superplastificeringsmidler er af typen hydrofil rygrad-hydrofob sidekæde. Det er kendetegnet ved at have carboxylat anioniske sidekæder ved terminalen af ​​hovedkæden og ikke-ioniske sidekæder i midten. Inden for det samme makromolekyle er der både anioniske og ikke-ioniske sidekæder, hvilket gør det til et typisk blandet ionisk type additiv med forskellige fysiske og kemiske egenskaber. Hydrofobiciteten af ​​forskellige hydrofobe grupper kan rangeres som følger: alifatiske alkaner Større end eller lig med cycloalkaner > alifatiske aromatiske carbonhydrider > aromatiske carbonhydrider > carbonhydrider med svage hydrofile grupper. Når de hydrofobe grupper er alifatiske alkaner, øger en stigning i antallet af carbonatomer i den hydrofobe hovedkæde evnen til at reducere vandoverfladespændingen. For de hydrofile grupper er superplastificeringsmidlets ydeevne hovedsageligt påvirket af deres volumen, relative position og mængde: Størrelsen af ​​de hydrofile grupper påvirker det område, der optages af superplastificeringsmidlets molekyler i det adsorptive lag, og påvirker derved evnen til at reducere overfladespændingen . Når hydrofile grupper er placeret i enden af ​​kulstofkæden, er de mere effektive til at reducere overfladespændingen, mens et større antal hydrofile grupper fører til bedre dispersiv ydeevne. Ydermere påvirker længden og mængden af ​​sidekæderne væsentligt superplastificeringsmidlets vandreducerende ydeevne. Når der er mange lange sidekæder, strækker de sig ud i rummet, hvilket skaber en sterisk hindring, der effektivt forhindrer kontakt mellem cementpartikler. Omvendt, når der er mange korte sidekæder, er deres adsorptionshastighed højere.

Dette kan forstås som følger: baseret på den kamlignende struktur af carboxylsyreserien, er der inkluderet en yderligere sidekæde indeholdende en sulfonsyregruppe, som opnås ved ternær copolymerisation af umættede carbonhydrider indeholdende carboxyl- og sulfonsyregrupper og umættede carbonhydrider indeholdende ether-, ester- eller amidbindinger. Sulfon- og carboxylsyrerne er placeret på en sidekæde, mens ether-, ester- eller amidbindinger er på en anden sidekæde, der alle bidrager til en strukturel enhed. Hovedkæden er en carbon-carbon-kæde, og sidekæden, der indeholder sulfonsyregruppen, kan også være en carbon-carbon-kæde eller en benzenring. Sulfonatgruppen i sidekæden og carboxylatgruppen eksisterer som anioniske segmenter med anioner placeret for enden af ​​sidekæderne. Carboxylgruppen, der eksisterer som en syre, er en vigtig gruppe for hydrogenbinding. De ikke-dominante funktionelle grupper, der er i stand til at danne hydrogenbindinger, eksisterer i form af ether-, ester- eller amidbindinger og udgør ikke-ioniske segmenter. Sameksistensen af ​​anioniske og ikke-ioniske grupper inden for det samme molekyle resulterer i et meget tilpasningsdygtigt blandet ionisk type additiv. Blandt disse funktionelle grupper udviser COOH og SO₃H unikke egenskaber i polycarboxyliske superplastificeringsmidler og spiller en dominerende rolle under påføring: SO₃Hs primære rolle er at give høj dispersion og opnå en høj vandreducerende hastighed, hvilket igen fører til retardering og vedligeholdelse af nedtur; COOHs primære rolle er effektivt at sprede cementpartikler og forsinke cementens hydreringsreaktion. Derudover kan funktionelle grupper, såsom amid- og carboxylgrupper, undergå hydrolyse i alkaliske miljøer, hvilket frigiver hydrolyseprodukter med lavere molekylvægt, som har vandreducerende virkninger, hvorved den ønskede dispersive effekt opnås. Disse strukturelle egenskaber af molekylerne giver polycarboxyliske superplastificeringsmidler adsorptions-dispersionsvirkninger samt befugtnings- og smørende egenskaber.