引气剂的分子结构与气泡性能

作为两亲性物质,引气剂的一系列物理、化学性质皆由其分子结构决定的。组成引气剂分子结构的极性基、非极性基各有影响,作用不同。

(1)极性基团的影响

极性基团的结构、组成直接影响引气剂的溶解度、离解度、表面膜的特性等物理性质,同时也影响到引气剂对水泥矿物的化学活性、与水泥浆中离子的化学反应等化学性质。

①极性基团对溶解度的影响及其对起泡和泡沫特性的影响引气剂的溶解度与极性基团、非极性基团的亲水、疏水作用大小有关。极性基的亲水力大,则在相同情况下,引气剂的溶解度大,溶于水后,大部分溶质留在溶液内部,所形成溶液表面张力大,它们在溶液内部分散较均匀,化学活性大,不易形成胶团而使溶液实际浓度减小。因而在相同浓度的情况下,易溶于水的引气剂,溶解度大,实际可供起泡的分子多,引气剂分子之间作用不大,表现起泡高度大,泡沫孔径大,泡沫结构疏松。溶解度低的引气剂,易于形成胶团,溶解度小,实际可供起泡用的分子少,分子之间作用大,因而搅拌时难以起泡,表现为起泡高度小或必须强烈搅拌才能起泡,泡沫孔径小,结构致密。

溶解度小的引气剂,排列分子的极性基之间排斥作用小,非极性基之间作用强,泡沫膜层含水少,表现为泡沫排液速度慢,引气剂分子之间作用力大,泡沫韧性大,寿命长,泡稳定性增强。

②极性基团对离解度、泡沫和水泥作用的影响用于混凝土引气剂的表面活性剂主要有阴离子表面活性剂、阳离子表面活性剂和非离子表面活性剂,前两者可以电离出离子而表现出强烈的电性,表面活性大,起泡力大。但由于极性头之间的电斥力作用大,泡沫稳定性不好。可以加入稳泡剂,减少其极性头之间的电斥力作用,使它们排列更加紧密,增加泡沫稳定性。电斥力也有好处,它可以防止泡沫相互靠近而造成的破坏,增加泡沫的稳定性。但加入到水泥浆中时,由于水泥颗粒带电,如果其与泡沫表面带同种电荷,则两者排斥,水泥颗粒难以进入泡沫膜中的水层,使得硬化后孔的薄壳强度低,引起硬化混凝土的强度降低。

如果带异种电荷,则两者吸引,泡沫易被破坏。用作混凝土引气剂的表面活性剂的一般为阴离子表面活性剂或非离子表面活性剂。非离子表面活性剂起泡差,但其适应性好,不易受环境影响,与其他表面活性剂相容性好。因而一般可加入到其他表面活性剂中,作为助剂改进泡沫性能

极性基团水化能力及其断面的影响极性基在水中与周围的水偶极子作用发生水化,吸引水分子到泡沫表面,形成水层,使泡沫稳定,不破裂。另外,还可能吸引水泥颗粒,在其水层中水化,增加硬化后薄壳的强度。

一般极性基的断面比非极性基大,故定向排列时,紧密程度取决于极性基。只有极性基断面小,电斥力作用小,才可能使之排列紧密。当然,可以通过加入稳泡剂使之参与排列,增加排列分子的吸引作用,减少电斥力作用。如在十二烷基硫酸钠(K12)中加入十二醇(R12),R12插入成膜的K12分子序列中,一方面,可以增加排列分子的相互联结作用(疏水作用);另一方面,减少SO之一之间的排斥作用,从而增加了排列分子密度,提高了泡沫稳定性。

④极性基团化学性质的影响由于泡沫处于无机的环境中,其化学性质主要取决于引气剂极性基的化学性质。对于混凝土引气剂而言,水泥中的化学环境决定了其化学作用。水泥浆中含有很多钙、铁、铝等酸根离子,由于混凝土引气剂一般为阴离子表面活性剂,其作用最大的为Ca2+,如果Ca2+与极性基团发生反应,生成不溶盐,则可以使排列分子的稳定性增大(减少了电斥力作用),使泡沫剂不易受环境影响(减少了电性作用),同时由于其水化产物在其膜层的产生,增加了泡沫膜层的稳定性,从而使泡沫稳定性提高,使硬化后的孔壁强度增大。

(2)非极性基团的影响

非极性基团的大小影响到引气剂的溶解度、表面活性等,一般随着非极性基团的增多,容解度下降,表面活性增大,稳泡性提高,泡径减小

当非极性基团为正构烷基,表面活性剂成膜时排列紧密,非极性基团作用力大,增加了泡沫的稳定性,但也会由于其容易在水中形成胶团而难以起泡。非极性基团为异构烷基时,由于非极性基之间作用力小,容易起泡,但其稳定性会降低。

当非极性基团为芳香基时,由于其分子形状的不规则,如果不参加稳泡剂,则起泡小,稳泡性差,而且芳香基与其他表面活性剂配合性不好。

由于混凝土是高碱高盐的复杂体系,体系中除了气液界面,还存在着气-固、液-固界面,表面活性剂在混凝土中所表现出来的性质往往与其在水溶液中的性质相差很大,在混凝土引气剂研究和开发中必须要时刻关注到这种差异。

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