Polykarboksyylisen superpehmittimen polyeetterimakromonomeeritutkimus

Tässä artikkelissa analysoidaan lyhyesti kotimaisen polyeetterimakromonomeeriteollisuuden tämänhetkistä kehitystä, esitellään olemassa olevien polykarboksyylisten superpehmitinmakromonomeerien päätyypit ja markkinatilanne sekä tarkastellaan niiden etuja, haittoja ja kehityssuuntia eri molekyylirakenteiden näkökulmasta. Lisäksi otetaan käyttöön uudenlainen polykarboksyylinen superpehmitinmakromonomeeri, etyleeniglykolimonovinyylipoly(etyleeniglykoli)eetteri (EPEG).

Polykarboksyylinen superpehmitin (PCE) edustaa betonin lisäaineiden uusinta sukupolvea, jota usein kutsutaan korkean suorituskyvyn superpehmittimien kolmanneksi sukupolveksi. Verrattuna edellisen sukupolven naftaleenipohjaisiin superpehmittimiin, PCE tarjoaa paremman vedenvähennystehokkuuden ja paremman sementin sopeutumiskyvyn. Lisäksi PCE:n tuotantoprosessissa ei synny prosessijätevettä tai jätekaasua, joten se on ympäristöystävällinen materiaali.

PCE on amfifiilinen polymeeri, joka tyypillisesti syntetisoidaan kopolymeroimalla päätepäätteisiä kaksoissidoksia poly(etyleeniglykoli)eetterimakromonomeerejä ja tyydyttymättömiä karboksyylihappomonomeereja initiaattorin läsnä ollessa. Reaktion aikana makromonomeerien ja monomeerien vinyyliryhmät muodostavat polymeerirungon, kun taas makromonomeerien polyetyleeniglykolisegmentit muodostavat sivuketjuja, kuten kuvassa 1 on esitetty.

Perinteisiin superpehmittimiin verrattuna PCE:n merkittävin ominaisuus on sen mukautettava molekyylirakenne. Tyydyttymättömät kaksoissidokset makromonomeeripääteryhmissä muodostavat polykarboksylaattirungon polymeroinnin kautta. Funktionaaliset ryhmät, kuten -COO-Na ja -SO3-Na, jotka on liitetty suoraan runkoon, mahdollistavat "monipisteankkuroinnin" sementtihiukkasten pinnalle. Polyetyleeniglykolin sivuketjut muodostavat solvatoituneen polymeerikerroksen vetysidoksen kautta sementtihiukkasten pinnalla olevien vesimolekyylien kanssa. Tämä steerinen estevaikutus hajottaa sementtihiukkaset, jolloin saadaan vettä vähentävä vaikutus. Siksi PCE:n parannukset riippuvat voimakkaasti uusien makromonomeerien kehittämisestä. Makromonomeerien rakenteelliset innovaatiot voivat parantaa merkittävästi PCE:n tuotantoprosessia ja tuotteen suorituskykyä.

1. Kehityshistoria

Varhaiset PCE-tuotteet olivat esteripohjaisia, ja makromonomeerinä oli metoksipoly(etyleeniglykoli)eetteri (MPEG), kuten kuvassa 2 näkyy. PCE:n syntetisointi tämän tyyppisestä makromonomeerista vaati kaksi vaihetta: esteröinnin ja polymeroinnin, mikä teki prosessista monimutkaisen. Nämä esteripohjaiset makromonomeerit on vähitellen korvattu eetteripohjaisilla makromonomeereillä.

Eetteripohjaiset makromonomeerit hallitsevat nyt markkinoita. Nämä makromonomeerit syntetisoidaan etoksyloimalla erilaisia ​​molekyylirakenteen initiaattoreita (tyydyttymättömiä alkoholeja), mikä johtaa poly(etyleeniglykoli)eettereihin, joissa on terminaalisia vinyyliryhmiä. Initiaattorimolekyylien rakenteen perusteella nämä makromonomeerit voidaan luokitella kolmeen tyyppiin: 3-hiilialkoholipohjainen (allyylipoly(etyleeniglykoli)eetteri - APEG), 4-hiili ja {{5} }hiilialkoholipohjainen (isobutenyylipoly(etyleeniglykoli)eetteri - HPEG, isopentenyylipoly(etyleeniglykoli)eetteri - TPEG) ja 2+2 ja 2+4 vinyylieetteripohjaiset makromonomeerit (EPEG, VPEG), kuten kuvassa 2.

2. Sovelluksen nykyinen tila

Polykarboksyylisten superpehmitinteollisuuden nopean kehityksen myötä myös polyeetterimakromonomeerisektori Kiinassa on edistynyt merkittävästi. Sekä polyeetterimakromonomeerien tuotantokapasiteetti että tuotanto ovat jatkaneet nousuaan saavuttaen historiallisen huippunsa vuonna 2017. Taulukossa 1 on esitetty polyeetterimakromonomeerien kokonaismyynti ja rakenne vuosina 2013–2017.

Kuten taulukosta 1 käy ilmi, vaikka polyeetterimakromonomeeriteollisuus Kiinassa on kehittynyt nopeasti, sillä on edelleen useita haasteita. Toisaalta HPEG- ja TPEG-tuotteet muodostavat suurimman osan olemassa olevista makromonomeereistä, mikä johtaa suhteellisen homogeeniseen tuoterakenteeseen. Lisäksi HPEG- ja TPEG-makromonomeerien initiaattorien tarjonta riippuu edelleen osittain tuonnista, erityisesti 5-hiilialkoholi-initiaattoreista, jotka hankitaan voimakkaasti Japanin Kuraraylta ja saksalaiselta BASF:ltä. Toisaalta makromonomeerien tuotantolaitosten käyttöasteet ovat yleensä alhaiset, mikä johtaa vakaviin ylikapasiteettiongelmiin teollisuudessa.