Structure moléculaire du superplastifiant polycarboxylique

La structure moléculaire des superplastifiants polycarboxyliques présente les caractéristiques suivantes : des groupes polaires forts tels que des groupes carboxyle, sulfonique et oxyde de polyéthylène sont introduits dans les chaînes principales ou latérales, donnant aux molécules une structure en forme de peigne. Généralement, il présente la structure illustrée à la figure 1, où la formule chimique représentative réelle est une combinaison de certaines parties, M1 et M2 représentant respectivement H et les ions de métaux alcalins ; M3 représente H, des ions ammonium de métaux alcalins ou des amines organiques. Dans un système de pâte de ciment, ces macromolécules structurées à longue chaîne interagissent entre elles via des chaînes latérales hydrophiles et encapsulent les particules de ciment, tandis que les groupes hydrophobes font face à la solution aqueuse. En conséquence, les molécules de superplastifiant se dissocient en gros anions dans l’eau qui s’adsorbent à la surface des particules de ciment, réduisant ainsi leur énergie de surface. Cela crée un fort champ électrique à la surface des particules de ciment, augmentant la valeur absolue du potentiel zêta, générant ainsi une forte répulsion électrostatique entre les particules, qui entrave ou perturbe la formation de la structure cohésive du gel de ciment, conduisant à un augmentation relative de la quantité d'eau libre et produisant un effet dispersif. De plus, la couche adsorbante de hauts polymères crée des barrières spatiales à l’agrégation des particules.

Sur la figure, on peut observer que la structure chimique des superplastifiants polycarboxyliques est du type squelette hydrophile-chaîne latérale hydrophobe. Il se caractérise par la présence de chaînes latérales anioniques carboxylates à l'extrémité de la chaîne principale et de chaînes latérales non ioniques au milieu. Au sein de la même macromolécule, il existe des chaînes latérales anioniques et non ioniques, ce qui en fait un additif de type ionique mixte typique doté de diverses propriétés physiques et chimiques. L'hydrophobie de divers groupes hydrophobes peut être classée comme suit : alcanes aliphatiques Supérieur ou égal aux cycloalcanes > hydrocarbures aromatiques aliphatiques > hydrocarbures aromatiques > hydrocarbures à groupes hydrophiles faibles. Lorsque les groupes hydrophobes sont des alcanes aliphatiques, une augmentation du nombre d’atomes de carbone dans la chaîne principale hydrophobe améliore la capacité à réduire la tension superficielle de l’eau. Pour les groupes hydrophiles, les performances du superplastifiant sont principalement influencées par leur volume, leur position relative et leur quantité : la taille des groupes hydrophiles affecte la surface occupée par les molécules du superplastifiant dans la couche adsorbante, impactant ainsi la capacité à réduire la tension superficielle. . Lorsque les groupes hydrophiles sont situés à l’extrémité de la chaîne carbonée, ils sont plus efficaces pour réduire la tension superficielle, tandis qu’un plus grand nombre de groupes hydrophiles conduit à de meilleures performances de dispersion. De plus, la longueur et la quantité des chaînes latérales affectent de manière significative les performances de réduction d’eau du superplastifiant. Lorsqu’il existe de nombreuses chaînes latérales longues, elles s’étendent dans l’espace, créant un obstacle stérique qui empêche efficacement le contact entre les particules de ciment. A l’inverse, lorsqu’il existe de nombreuses chaînes latérales courtes, leur taux d’adsorption est plus élevé.

Cela peut être compris comme suit : sur la base de la structure en forme de peigne de la série des acides carboxyliques, une chaîne latérale supplémentaire contenant un groupe acide sulfonique est incluse, qui est obtenue par copolymérisation ternaire d'hydrocarbures insaturés contenant des groupes acide carboxyle et sulfonique et des groupes insaturés. hydrocarbures contenant des liaisons éther, ester ou amide. Les acides sulfoniques et carboxyliques sont situés sur une chaîne latérale, tandis que les liaisons éther, ester ou amide sont sur une autre chaîne latérale, contribuant toutes à une unité structurelle. La chaîne principale est une chaîne carbone-carbone, et la chaîne latérale contenant le groupe acide sulfonique peut également être une chaîne carbone-carbone ou un cycle benzénique. Le groupe sulfonate de la chaîne latérale et le groupe carboxylate existent sous forme de segments anioniques, avec des anions situés à l'extrémité des chaînes latérales. Le groupe carboxyle qui existe sous forme d’acide est un groupe important pour la liaison hydrogène. Les groupes fonctionnels non dominants capables de former des liaisons hydrogène existent sous forme de liaisons éther, ester ou amide et constituent des segments non ioniques. La coexistence de groupes anioniques et non ioniques au sein de la même molécule aboutit à un additif de type ionique mixte hautement adaptable. Parmi ces groupes fonctionnels, COOH et SO₃H présentent des propriétés uniques dans les superplastifiants polycarboxyliques et jouent un rôle dominant lors de l'application : le rôle principal de SO₃H est de fournir une dispersion élevée et d'atteindre un taux de réduction d'eau élevé, ce qui conduit à un retard et à un maintien de marasme; le rôle principal du COOH est de disperser efficacement les particules de ciment et de retarder la réaction d'hydratation du ciment. De plus, des groupes fonctionnels tels que des groupes amide et carboxyle peuvent subir une hydrolyse dans des environnements alcalins, libérant des produits d'hydrolyse de poids moléculaire inférieur possédant des effets réducteurs d'eau, obtenant ainsi l'effet dispersif souhaité. Ces caractéristiques structurelles des molécules confèrent aux superplastifiants polycarboxyliques des actions d'adsorption-dispersion, ainsi que des propriétés mouillantes et lubrifiantes.