高效减水剂合成与表征的综合设计实验

摘要： 本文设计了一个高效减水剂合成与表征的综合设计实验平台，以引导学生运用有机化学和高分子化学的相关知识，合成目前国内外应用和研究较多高效减水剂，并对其性能和结构进行表征。实验结合了目前国内外研究的热点问题，内容涉及多门理论课程知识，使学生巩固课堂所学知识，提高了学生理论联系实际，分析问题和解决问题的能力。

随着混凝土高性能化的不断深入发展，高效减水剂成为提高混凝土性能必不可少的组份。目前，高效减水剂主要有萘系磺酸盐甲醛缩合物、聚羧酸等几类。其中，以β-萘磺酸甲醛缩合物钠盐为主要成分的减水剂是1962年首先研制成功，此类减水剂相对于早期的木质素磺酸钠普通减水剂而言有很大的进步；而聚羧酸高效减水剂是二十世纪80年代开始研究的一类新型减水剂，此类减水剂具有减水率高、保坍性好等诸多优点，是目前国内外研究与开发的重点。

本实验结合化学在材料领域的应用，选择目前国内外凝胶材料研究的热点问题——高性能混凝土用聚羧酸高效减水剂的合成与表征，在基础化学综合实验中设计了相应的与工业生产和应用密切相关的实验项目，内容涉及有机化学、高分子化学以及材料化学等知识。

实验中采用聚乙二醇等原料合成可聚合的功能性大单体，将不同的聚合单体在水溶液中进行自由基共聚合成了聚羧酸系高效减水剂，并对所合成的减水剂进行了一些性能测试和结构表征，探讨了聚羧酸系高效减水剂的结构与性能之间的关系。

1．实验目的与原理

1.1目的意义

本综合实验的设计以培养创新型科研人才为目的，以物质的合成制备为基础，以操作技能、独立设计实验方案的能力和科学研究方法的训练为教学内容，体现了“合成制备-物性表征-结构分析”的科学研究主线。引导学生将理论知识应用于实践，有利于培养学生的基本科研素质。

1.2实验原理

减水剂是指在不影响混凝土和易性(或砂浆、净浆流动性)条件下能使混凝土(或砂浆、净浆)用水量减少，在水灰比保持不变情况下可以增加混凝土(或砂浆、净浆)和易性，在保持混凝土拌合物有相同流动性和硬化混凝土有相近强度时可减少水泥用量的外加剂。

本实验采用两步法进行合成聚羧酸高效减水剂。第一步为聚合大单体的制备，即丙烯酸与聚乙二醇在丙烯酸过量的条件下进行酯化反应，然后分离提纯酯化产物。反应式为：

第二步为酯化产物、丙烯酸、甲基丙烯磺酸钠等三种单体在水溶剂中进行自由基共聚合反应，然后调节PH值至弱碱性，得到产物，即为聚羧酸高效减水剂。其分子结构模型为： 2．实验内容

2.1试剂和仪器

仪器：保温加热套，电动搅拌器，鼓风电热恒温干燥箱，水泥净浆搅拌机，分析天平，温度计，滴液漏斗，四口烧瓶，回流冷凝管，傅立叶变换红外光谱仪。

试剂：丙烯酸，聚乙二醇，对甲苯磺酸，甲基丙烯磺酸钠，过硫酸铵，异丙醇，40%氢氧化钠溶液

2.2合成

本实验采用两步法进行合成聚羧酸高效减水剂：第一步为聚合大单体的制备，即不饱和羧酸与聚乙二醇进行酯化反应，然后进行分离提纯，得到酯化产物；第二步为酯化产物、丙烯酸、甲基丙烯磺酸钠等带有功能基的单体在水溶剂中进行自由基共聚合反应，最后调节PH值至弱碱性，即得到聚羧酸高效减水剂产品。 2.3 性能测试

参照GB/T 8077—2000《混凝土外加剂均质性试验方法》（Methods for testing uniformity of concrete admixture）和GB 50119-2003《混凝土外加剂应用技术规范》附录A 混凝土外加剂对水泥适应性检测方法，进行性能测试。

实验内容有三项：固含量、净浆流动度及对水泥的适应性。 2.4 结构表征

（１）采用化学分析法确定减水剂单体原料的反应程度，即采用溴加成法测定减水剂样品中的残留单体的含量；

（２）采用高效液相色谱对高效减水剂样品进行分析分离，采用凝胶过滤色谱测定减水剂样品的分子量及分子量分布；

（３）采用傅立叶变换红外光谱仪对合成的聚羧酸高效减水剂进行结构表征，具体方法是：先将一定量的样品烘干，取少量烘干后的样品与溴化钾混合均匀压片后，进行红外吸收光谱扫描。 3．结果与讨论

3.1合成反应条件对性能的影响

聚合反应温度和时间是减水剂性能的一个重要影响因素。引发剂过硫酸铵属中温引发剂(30-100℃)，根据过硫酸铵在不同温度下的半衰期可初步选定聚合反应的温度范围为：60～90℃。为进一步对聚合反应条件进行优化，图1列出了不同聚合温度与减水剂性能的关系，图2列出了不同聚合时间对减水剂性能的影响。

从图1、2可以看出，随着反应时间的延长，减水剂对水泥的分散效果逐渐增大，其中，聚合温度80℃时，水泥净浆的流动性最好。温度低于80℃，引发剂的半衰期相对较长，在相同聚合时间内，引发剂的残留量较大，聚合反应不完全；温度高于90℃后，引发剂的半衰期相对较短，反应处于低转化率阶段，降低了减水剂的性能。可将聚合反应条件确定为80℃×5h。

图1 聚合温度对性能的影响

图2 聚合时间对性能的影响

3.2结构表征

图3 减水剂红外光谱图

图3列出了最终产物的红外光谱。由图3可以看出，在聚合产物的谱图中没

-1

有1640~1650cm的C=C伸缩振动吸收峰，说明原料单体已基本聚合完全。另外，在谱图还有1110 cm-1、1200 cm-1处的碳氧单键C-O-C吸收峰、1720cm-1 的- COO -

-1

的吸收峰以及2890cm处的C—H的特征吸收峰，这都进一步说明减水剂分子主链上接枝了聚氧乙烯侧链。

4．效果

通过本次综合实验学生可进一步熟悉有机合成实验中的基本操作技能，掌握高效减水剂的合成方法，了解高效减水剂的评价方法；

综合设计实验要求学生灵活运用所学知识，通过查找相关资料自行设计实验方案，并进行可行性论证，更注重培养学生的科研素质；

此外，综合设计实验的设置一般可以给出几个课题，让学生根据自身的兴趣选择，这样更有利于综合设计实验的多样化发展，也充分发挥学生的主观能动性。

本实验在我校已开设两年，实践证明是完全可行的，也达到了预期效果。

参考文献

1 ZHANG Rongguo, GUO Huiling, LEI Jiaheng*, ZHANG Anfu, GU Huajun. Effect of Molecular Structure on the Performance of Polyacrylic Acid

Superplasticizer[J]. Journal of Wuhan University of Technology-Mater. Sci. Ed. 2007,22(2).

2 李崇智,李永德,冯乃谦.聚羧酸系减水剂的合成工艺研究[J].建筑材料学报,2002,5(4).

3 李崇智,冯乃谦,牛全林.聚羧酸系减水剂结构模型与高性能化分子设计[J].建筑材料学报,2004,7(2).

4 李崇智,冯乃谦,王栋民,候云芬.梳形聚羧酸系减水剂的制备、表征及其作用机理[J]. 硅酸盐学报,2005, 33(1).

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/f81o.html