Struktura molekularna superplastyfikatora polikarboksylowego

Struktura molekularna superplastyfikatorów polikarboksylowych ma następującą charakterystykę: do łańcuchów głównych lub bocznych wprowadza się silne grupy polarne, takie jak grupy karboksylowe, sulfonowe i politlenku etylenu, nadając cząsteczkom strukturę grzebieniową. Zwykle ma strukturę pokazaną na rysunku 1, gdzie rzeczywisty reprezentatywny wzór chemiczny jest kombinacją pewnych części, gdzie M1 i M2 oznaczają odpowiednio jony H i jony metali alkalicznych; M3 oznacza H, jony amonowe metali alkalicznych lub aminy organiczne. W układzie zaczynu cementowego te długołańcuchowe makrocząsteczki oddziałują ze sobą poprzez hydrofilowe łańcuchy boczne i otaczają cząstki cementu, podczas gdy grupy hydrofobowe są zwrócone w stronę roztworu wodnego. W rezultacie cząsteczki superplastyfikatora dysocjują w wodzie na duże aniony, które adsorbują na powierzchni cząstek cementu, zmniejszając ich energię powierzchniową. Wytwarza to silne pole elektryczne na powierzchni cząstek cementu, zwiększając wartość bezwzględną potencjału zeta, generując w ten sposób silne odpychanie elektrostatyczne pomiędzy cząstkami, co utrudnia lub zakłóca tworzenie spójnej struktury żelu cementowego, prowadząc do względny wzrost ilości wolnej wody i wywołanie efektu dyspersyjnego. Dodatkowo warstwa adsorpcyjna z wysokich polimerów tworzy przestrzenne bariery dla agregacji cząstek.

Z rysunku można zaobserwować, że struktura chemiczna superplastyfikatorów polikarboksylowych jest typu hydrofilowego szkieletu i hydrofobowego łańcucha bocznego. Charakteryzuje się obecnością karboksylanowych anionowych łańcuchów bocznych na końcu głównego łańcucha i niejonowych łańcuchów bocznych pośrodku. W tej samej makrocząstce znajdują się zarówno anionowe, jak i niejonowe łańcuchy boczne, co czyni go typowym dodatkiem typu mieszanego jonowego o różnych właściwościach fizycznych i chemicznych. Hydrofobowość różnych grup hydrofobowych można sklasyfikować następująco: alkany alifatyczne Większe lub równe cykloalkanom > alifatyczne węglowodory aromatyczne > węglowodory aromatyczne > węglowodory ze słabymi grupami hydrofilowymi. Gdy grupami hydrofobowymi są alkany alifatyczne, wzrost liczby atomów węgla w hydrofobowym łańcuchu głównym zwiększa zdolność do zmniejszania napięcia powierzchniowego wody. W przypadku grup hydrofilowych na działanie superplastyfikatora wpływa głównie ich objętość, względne położenie i ilość: wielkość grup hydrofilowych wpływa na obszar zajmowany przez cząsteczki superplastyfikatora w warstwie adsorpcyjnej, wpływając w ten sposób na zdolność do zmniejszania napięcia powierzchniowego . Gdy grupy hydrofilowe znajdują się na końcu łańcucha węglowego, są one bardziej skuteczne w zmniejszaniu napięcia powierzchniowego, podczas gdy większa liczba grup hydrofilowych prowadzi do lepszych właściwości dyspersyjnych. Ponadto długość i ilość łańcuchów bocznych znacząco wpływają na skuteczność superplastyfikatora w zakresie redukcji wody. Gdy jest wiele długich łańcuchów bocznych, rozciągają się one w przestrzeni, tworząc zawadę przestrzenną, która skutecznie zapobiega kontaktowi cząstek cementu. I odwrotnie, gdy istnieje wiele krótkich łańcuchów bocznych, ich szybkość adsorpcji jest wyższa.

Można to rozumieć w następujący sposób: w oparciu o grzebieniową strukturę szeregu kwasów karboksylowych włącza się dodatkowy łańcuch boczny zawierający grupę kwasu sulfonowego, który otrzymuje się w wyniku trójskładnikowej kopolimeryzacji węglowodorów nienasyconych zawierających grupy kwasu karboksylowego i sulfonowego oraz nienasyconych węglowodory zawierające wiązania eterowe, estrowe lub amidowe. Kwasy sulfonowy i karboksylowy znajdują się na jednym łańcuchu bocznym, podczas gdy wiązania eterowe, estrowe lub amidowe znajdują się na innym łańcuchu bocznym, wszystkie tworząc jednostkę strukturalną. Łańcuch główny jest łańcuchem węgiel-węgiel, a łańcuch boczny zawierający grupę kwasu sulfonowego może być również łańcuchem węgiel-węgiel lub pierścieniem benzenowym. Grupa sulfonianowa łańcucha bocznego i grupa karboksylanowa istnieją jako segmenty anionowe, z anionami umieszczonymi na końcach łańcuchów bocznych. Grupa karboksylowa występująca w postaci kwasu jest ważną grupą dla wiązań wodorowych. Niedominujące grupy funkcyjne zdolne do tworzenia wiązań wodorowych występują w postaci wiązań eterowych, estrowych lub amidowych i stanowią segmenty niejonowe. Współistnienie grup anionowych i niejonowych w tej samej cząsteczce skutkuje wysoce adaptowalnym dodatkiem typu mieszanego jonowego. Wśród tych grup funkcyjnych COOH i SO₃H wykazują unikalne właściwości w superplastyfikatorach polikarboksylowych i odgrywają dominującą rolę podczas aplikacji: podstawową rolą SO₃H jest zapewnienie wysokiej dyspersji i osiągnięcie wysokiego współczynnika redukcji wody, co z kolei prowadzi do opóźnienia i utrzymania kryzys; Podstawową rolą COOH jest skuteczne rozpraszanie cząstek cementu i opóźnianie reakcji hydratacji cementu. Dodatkowo grupy funkcyjne, takie jak grupy amidowe i karboksylowe, mogą ulegać hydrolizie w środowisku zasadowym, uwalniając produkty hydrolizy o niższej masie cząsteczkowej, które wykazują działanie redukujące wodę, osiągając w ten sposób pożądany efekt dyspersyjny. Te cechy strukturalne cząsteczek nadają superplastyfikatorom polikarboksylowym działanie adsorpcyjno-dyspersyjne, a także właściwości zwilżające i smarujące.