Técnicos de Borida analisam o mecanismo de ação e o princípio de preparação do superplastificante de ácido policarboxílico

Sabemos que a aplicação de superplastificantes policarboxilatos na engenharia de concreto está se tornando cada vez mais difundida. Em comparação com os superplastificantes tradicionais, como o sulfonato de naftaleno e os condensados ​​​​de melamina formaldeído sulfonado, os superplastificantes de policarboxilato podem fornecer alta dispersibilidade, fluidez e estabilidade ao sistema disperso de concreto em baixas dosagens, evitando a perda de abatimento. Além disso, o aumento do preço do naftaleno industrial, o longo ciclo de produção de superplastificantes à base de naftaleno e a grave poluição ambiental tornam imperativa a aplicação de superplastificantes à base de policarboxilato. Mas você conhece o mecanismo de ação e princípios de preparação dos superplastificantes de policarboxilato?

Existem relativamente poucas revisões abrangentes sobre o progresso da pesquisa de superplastificantes de policarboxilato, particularmente no que diz respeito aos seus princípios de preparação, mecanismo de ação e aspectos relacionados. Portanto, Borida convida especialistas para fornecer uma revisão sobre o progresso da pesquisa relativa aos princípios de preparação, mecanismo de ação e perspectivas futuras dos superplastificantes de policarboxilato.

1. Princípios de Preparação de Superplastificantes de Policarboxilato

Os superplastificantes de alto desempenho à base de policarboxilato são compostos macromoleculares com grupos sulfônicos, grupos carboxila, grupos amino e cadeias laterais de polioxietileno. Eles são sintetizados em solução aquosa por copolimerização de radicais livres, formando um surfactante de alto peso molecular em forma de pente.

Principais matérias-primas: ácido metacrílico, ácido acrílico, acrilato de etila, acrilato de hidroxietila, alilsulfonato de sódio, metacrilato de metila, metacrilato de metoxipolietilenoglicol, acrilato de polietilenoglicol etoxilado, éter alílico, etc. Durante a polimerização, iniciadores como persulfatos solúveis em água, peróxido de benzoíla e azobisisobutironitrila são usado. Os agentes de transferência de cadeia incluem 3-ácido mercaptopropiônico, ácido mercaptoacético e isopropanol.

Método de síntese: Em um recipiente de reação equipado com agitador mecânico, termômetro e dispositivo de gotejamento, a solução de monômero, a solução de iniciador e a solução de agente de transferência de cadeia são adicionadas gota a gota. Ao escolher os monômeros de polimerização, as razões de reatividade da copolimerização devem ser totalmente consideradas. A temperatura de reação depende do tipo de monômeros utilizados e geralmente fica dentro da faixa de 0-60 graus. A solução de monômero é adicionada gota a gota durante 1-2 horas, seguida por uma reação adicional de 1-horas a uma temperatura constante. Após adição de água para neutralização, o produto é descarregado.

2. Mecanismo de ação dos superplastificantes de policarboxilato

Os superplastificantes de alto desempenho à base de policarboxilato são um novo tipo de superplastificante com muitas vantagens notáveis, embora seu mecanismo exato de ação ainda não seja totalmente compreendido. Aqui estão algumas perspectivas:

Efeito retardador: O grupo carboxila atua como componente retardador, formando complexos com íons Ca²⁺ (R-COO⁻–Ca²⁺), reduzindo a concentração de íons Ca²⁺ em solução, retardando a cristalização de Ca(OH)₂, reduzindo a formação de Géis CHS, retardando assim a hidratação do cimento.

Afinidade de grupos polares: Os grupos carboxila (-COOH), hidroxila (-OH), amino (-NH₂) e polioxialquileno (-OR)n têm fortes afinidades com a água. Através de efeitos tensoativos como adsorção, dispersão, umectação e lubrificação, eles proporcionam dispersibilidade e fluidez às partículas de cimento. Ao reduzir a resistência ao atrito entre as partículas de cimento e diminuir a energia livre na interface cimento-água, melhoram a trabalhabilidade do concreto fresco. Simultaneamente, os compostos de policarboxilato são adsorvidos na superfície das partículas de cimento, transmitindo cargas negativas através dos íons carboxilato. Isto induz repulsão eletrostática entre as partículas, evitando a tendência da pasta de cimento flocular (teoria DLVO) e aumentando a área de contato entre o cimento e a água, promovendo a hidratação total do cimento. Durante a dispersão das partículas de cimento, a água retida nos aglomerados é liberada, melhorando a trabalhabilidade e reduzindo a quantidade de água de mistura necessária.

Efeito de obstáculo estérico: As moléculas de policarboxilato são adsorvidas na superfície das partículas de cimento em uma configuração em forma de pente, formando uma camada de adsorção na superfície do material de gel. Quando as camadas de adsorção de polímero nas partículas de cimento se aproximam, o impedimento estérico entre as cadeias poliméricas impede a aglomeração das partículas. Esta é uma das principais razões pelas quais os superplastificantes de policarboxilato apresentam dispersibilidade superior em comparação com outros sistemas.

Potencial Zeta e retenção de dispersão: O mecanismo de retenção da dispersão de superplastificantes de alto desempenho à base de policarboxilato pode ser entendido observando a relação entre o tempo de mistura e o potencial zeta na pasta de cimento. Geralmente, o concreto com superplastificantes de alto desempenho à base de naftaleno ou melamina apresenta perda significativa de abatimento após 60 minutos, enquanto o concreto contendo superplastificantes de policarboxilato apresenta menor perda de abatimento. Esta diferença surge porque o modelo de adsorção entre o superplastificante e as partículas de cimento varia. A interação entre a camada de adsorção de alto peso molecular e as partículas de cimento resulta em repulsão estérica e eletrostática, com pouca alteração no potencial zeta.

Pesquisas sobre o mecanismo de dispersão do cimento sugerem que a teoria DLVO, que explica a dispersão por repulsão iônica, muitas vezes falha em corresponder aos resultados experimentais. O efeito de impedimento estérico explica com sucesso a ação dispersiva dos superplastificantes de policarboxilato no cimento. O polímero é adsorvido na superfície das partículas de cimento, com cadeias laterais estendendo-se para a solução. Estas cadeias laterais criam um obstáculo estérico, impedindo que as partículas entrem em contacto próximo, garantindo assim a sua dispersão e estabilidade. Este mecanismo é amplamente aceito hoje. Polímeros com cadeias laterais longas apresentam baixo potencial zeta e alta repulsão estérica, resultando em excelente dispersibilidade. No entanto, o comprimento excessivo da cadeia lateral pode causar emaranhamento entre as cadeias laterais superficiais das partículas dispersas, levando à aglomeração das partículas.