Nghiên cứu chất siêu dẻo Polycarboxylic Polyether Macromonomer

Bài viết này phân tích ngắn gọn hiện trạng phát triển của ngành công nghiệp macromonomer polyether trong nước, giới thiệu các loại chính và tình hình thị trường của các macromonomer siêu dẻo polycarboxylic hiện có và xem xét ưu điểm, nhược điểm và hướng phát triển của chúng từ góc độ các cấu trúc phân tử khác nhau. Ngoài ra, một loại macromonomer siêu dẻo polycarboxylic mới, ethylene glycol monovinyl poly(ethylene glycol) ether (EPEG), cũng được giới thiệu.

Chất siêu dẻo Polycarboxylic (PCE) đại diện cho thế hệ phụ gia bê tông mới nhất, thường được gọi là thế hệ thứ ba của chất siêu dẻo hiệu suất cao. So với thế hệ phụ gia siêu dẻo gốc naphthalene trước đây, PCE mang lại hiệu quả giảm nước cao hơn và khả năng thích ứng với xi măng tốt hơn. Hơn nữa, quy trình sản xuất PCE không tạo ra nước thải hoặc khí thải, khiến nó trở thành vật liệu thân thiện với môi trường.

PCE là một polyme lưỡng tính, thường được tổng hợp thông qua quá trình đồng trùng hợp của các đại phân tử ete poly(ethylene glycol) liên kết đôi ở đầu cuối và các monome axit cacboxylic không bão hòa với sự có mặt của chất khơi mào. Trong quá trình phản ứng, các nhóm vinyl của các đơn phân vĩ mô và đơn phân tạo thành khung polyme, trong khi các đoạn polyethylen glycol của các đơn phân vĩ mô tạo ra chuỗi bên, như minh họa trong Hình 1.

So với các chất siêu dẻo truyền thống, đặc điểm đáng chú ý nhất của PCE là cấu trúc phân tử có thể tùy chỉnh. Các liên kết đôi không bão hòa trong các nhóm đầu cuối macromonome tạo thành khung polycarboxylate thông qua quá trình trùng hợp. Các nhóm chức năng như -COO-Na và -SO3-Na được kết nối trực tiếp với xương sống cho phép "neo đa điểm" trên bề mặt hạt xi măng. Chuỗi bên polyethylene glycol tạo thành lớp polymer hòa tan thông qua liên kết hydro với các phân tử nước trên bề mặt hạt xi măng. Hiệu ứng cản trở không gian này phân tán các hạt xi măng, đạt được hiệu quả giảm nước. Do đó, những cải tiến về PCE phụ thuộc rất nhiều vào sự phát triển của các đơn vị vĩ mô mới. Những đổi mới về cấu trúc trong các đơn phân vĩ mô có thể nâng cao đáng kể quy trình sản xuất và hiệu suất sản phẩm của PCE.

1. Lịch sử phát triển

Các sản phẩm PCE ban đầu có gốc ester, với methoxy poly(ethylene glycol) ether (MPEG) làm chất đơn phân vĩ mô, như trong Hình 2. Việc tổng hợp PCE từ loại đơn phân vĩ mô này cần hai bước: este hóa và trùng hợp, khiến quá trình này trở nên phức tạp. Các đơn phân vĩ lượng dựa trên este này dần dần được thay thế bằng các đơn phân vĩ mô dựa trên ether.

Các nhà kinh tế vĩ mô dựa trên Ether hiện đang thống trị thị trường. Các macromonomer này được tổng hợp bằng cách ethoxyl hóa các chất khởi đầu cấu trúc phân tử khác nhau (rượu không bão hòa), tạo ra ete poly (ethylene glycol) với các nhóm vinyl cuối cùng. Dựa trên cấu trúc của các phân tử khởi đầu, các đơn phân vĩ mô này có thể được phân loại thành ba loại: 3-cồn cacbon (allyl poly(ethylene glycol) ete - APEG), 4-cacbon và {{5} }ête gốc cồn cacbon (isobutenyl poly(ethylene glycol) ete - HPEG, isopentenyl poly(ethylene glycol) ete - TPEG), và các đơn phân vĩ mô dựa trên ete vinyl 2+2 và 2+4 (EPEG, VPEG), như trong Hình 2.

2. Tình trạng hồ sơ hiện tại

Với sự phát triển nhanh chóng của ngành công nghiệp siêu dẻo polycarboxylic, lĩnh vực monome polyether ở Trung Quốc cũng đã đạt được tiến bộ đáng kể. Cả năng lực sản xuất và sản lượng của các đơn phân vĩ mô polyether đều tiếp tục tăng, đạt mức cao nhất lịch sử vào năm 2017. Bảng 1 cho thấy tổng doanh số và cơ cấu của các đơn phân vĩ mô polyether từ năm 2013 đến năm 2017.

Như minh họa trong Bảng 1, mặc dù ngành công nghiệp monome polyether ở Trung Quốc đã phát triển nhanh chóng nhưng nó vẫn phải đối mặt với một số thách thức. Một mặt, các sản phẩm HPEG và TPEG chiếm phần lớn các đơn phân vĩ mô hiện có, dẫn đến cơ cấu sản phẩm tương đối đồng nhất. Ngoài ra, việc cung cấp chất xúc tác cho các đơn phân vĩ mô HPEG và TPEG vẫn phụ thuộc một phần vào nhập khẩu, đặc biệt là 5-chất xúc tác cồn cacbon, có nguồn gốc chủ yếu từ Kuraray của Nhật Bản và BASF của Đức. Mặt khác, tốc độ hoạt động của các cơ sở sản xuất macromonomer nhìn chung thấp, dẫn đến tình trạng dư thừa công suất nghiêm trọng trong ngành.