Struttura molecolare del superfluidificante policarbossilico

La struttura molecolare dei superfluidificanti policarbossilici ha le seguenti caratteristiche: forti gruppi polari come gruppi carbossilici, solfonici e di ossido di polietilene vengono introdotti nelle catene principali o laterali, conferendo alle molecole una struttura a pettine. Tipicamente, mostra la struttura mostrata nella Figura 1, dove la formula chimica rappresentativa effettiva è una combinazione di alcune parti, con M1 e M2 che rappresentano rispettivamente H e ioni di metalli alcalini; M3 rappresenta H, ioni di ammonio di metalli alcalini o ammine organiche. In un sistema di pasta di cemento, queste macromolecole strutturate a catena lunga interagiscono tra loro attraverso catene laterali idrofile e incapsulano le particelle di cemento, mentre i gruppi idrofobi sono rivolti verso la soluzione acquosa. Di conseguenza, le molecole superfluidificanti si dissociano in grandi anioni presenti nell’acqua che vengono adsorbiti sulla superficie delle particelle di cemento, riducendo la loro energia superficiale. Questo crea un forte campo elettrico sulla superficie delle particelle di cemento, aumentando il valore assoluto del potenziale zeta, generando così una forte repulsione elettrostatica tra le particelle, che ostacola o interrompe la formazione della struttura coesiva del gel di cemento, portando ad un relativo aumento della quantità di acqua libera e producendo un effetto dispersivo. Inoltre, lo strato adsorbente di alti polimeri crea barriere spaziali all'aggregazione delle particelle.

Dalla figura si può osservare che la struttura chimica dei superfluidificanti policarbossilici è del tipo a catena laterale idrofila dorsale-idrofobica. È caratterizzato dall'avere catene laterali anioniche carbossilate all'estremità della catena principale e catene laterali non ioniche al centro. All'interno della stessa macromolecola sono presenti catene laterali sia anioniche che non ioniche, rendendolo un tipico additivo misto di tipo ionico con varie proprietà fisiche e chimiche. L'idrofobicità dei vari gruppi idrofobici può essere classificata come segue: alcani alifatici maggiori o uguali ai cicloalcani > idrocarburi alifatici aromatici > idrocarburi aromatici > idrocarburi con gruppi idrofili deboli. Quando i gruppi idrofobici sono alcani alifatici, un aumento del numero di atomi di carbonio nella catena principale idrofobica aumenta la capacità di ridurre la tensione superficiale dell'acqua. Per i gruppi idrofili, le prestazioni del superfluidificante sono influenzate principalmente dal loro volume, posizione relativa e quantità: la dimensione dei gruppi idrofili influenza l'area occupata dalle molecole del superfluidificante nello strato adsorbente, influenzando così la capacità di ridurre la tensione superficiale . Quando i gruppi idrofili si trovano all'estremità della catena del carbonio, sono più efficienti nel ridurre la tensione superficiale, mentre un numero maggiore di gruppi idrofili porta a migliori prestazioni dispersive. Inoltre, la lunghezza e la quantità delle catene laterali influiscono in modo significativo sulle prestazioni di riduzione dell'acqua del superfluidificante. Quando le catene laterali sono numerose e lunghe, queste si estendono nello spazio, creando un ostacolo sterico che impedisce efficacemente il contatto tra le particelle di cemento. Al contrario, quando ci sono molte catene laterali corte, il loro tasso di adsorbimento è più alto.

Ciò può essere inteso come segue: sulla base della struttura a pettine della serie di acidi carbossilici, è inclusa un'ulteriore catena laterale contenente un gruppo di acido solfonico, che si ottiene attraverso la copolimerizzazione ternaria di idrocarburi insaturi contenenti gruppi di acido carbossilico e solfonico e gruppi di acido solfonico e carbossilico idrocarburi contenenti legami eterei, estere o ammidici. Gli acidi solfonico e carbossilico si trovano su una catena laterale, mentre i legami etere, estere o ammidico si trovano su un'altra catena laterale, contribuendo tutti a un'unità strutturale. La catena principale è una catena carbonio-carbonio e la catena laterale contenente il gruppo acido solfonico può anche essere una catena carbonio-carbonio o un anello benzenico. Il gruppo solfonato della catena laterale e il gruppo carbossilato esistono come segmenti anionici, con anioni situati all'estremità delle catene laterali. Il gruppo carbossilico che esiste come acido è un gruppo importante per il legame idrogeno. I gruppi funzionali non dominanti capaci di formare legami idrogeno esistono sotto forma di legami eterei, estere o ammidici e costituiscono segmenti non ionici. La coesistenza di gruppi anionici e non ionici all'interno della stessa molecola si traduce in un additivo di tipo ionico misto altamente adattabile. Tra questi gruppi funzionali, COOH e SO₃H mostrano proprietà uniche nei superfluidificanti policarbossilici e svolgono un ruolo dominante durante l'applicazione: il ruolo primario di SO₃H è quello di fornire un'elevata dispersione e ottenere un elevato tasso di riduzione dell'acqua, che a sua volta porta al ritardo e al mantenimento della crollo; il ruolo principale del COOH è quello di disperdere efficacemente le particelle di cemento e ritardare la reazione di idratazione del cemento. Inoltre, gruppi funzionali come i gruppi ammidici e carbossilici possono subire idrolisi in ambienti alcalini, rilasciando prodotti di idrolisi a peso molecolare inferiore che possiedono effetti di riduzione dell'acqua, ottenendo così l'effetto dispersivo desiderato. Queste caratteristiche strutturali delle molecole conferiscono ai superfluidificanti policarbossilici azioni di adsorbimento-dispersione, nonché proprietà bagnanti e lubrificanti.