CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN
1.3. Cơ sở khoa học của đề tài
1.3.3. Vai trò của phụ gia polymer phân tán trong vữa phủ sàn tự san
Đối với tính chất của vữa và bê tông xi măng được cải thiện rõ rệt khi biến tính bằng polymer phân tán. Nói chung người ta đã thừa nhận rằng đá xi măng đóng rắn chủ yếu có cấu trúc kết tụ (tích tụ) của khoáng silicat canxi và canxi hydroxyt liên kết với nhau bằng lực Vandervan yếu, vì vậy các vi nứt xuất hiện dễ dàng trong đá xi măng khi có tác động của tải trọng. Điều này dẫn tới cường độ chịu kéo và độ dai phá hủy của vữa và bê tông xi măng thấp. Ngược lại, trong vữa và bê tông biến tính bằng polymer phân tán, các vi nứt được liên kết với nhau nhờ màng polymer và vì vậy ngăn cản vết nứt phát
triển . Điều này khẳng định rõ ràng khi quan sát ảnh chụp kính hiển vi điện tử (SEM) bề mặt phá hủy vật liệu.
Ảnh hưởng này tăng lên khi hàm lượng polymer (tỷ lệ P/XM) tăng và dẫn tới tăng cường độ chịu kéo và độ bền cơ học. Thêm vào đó hiệu quả điền đầy của màng cũng dẫn tới sự tăng đáng kể khả năng chống thấm của vật liệu. Tuy nhiên khi tỷ lệ P/XM quá cao sẽ gây ra sự không liên tục của cấu trúc mạng đồng nhất dẫn tới giảm độ bền cơ học .
Trong quá trình thủy hóa xi măng Portland, gel xi măng được tạo thành là sản phẩm có bề mặt riêng lớn bao gồm cả lỗ rỗng bên trong cấu trúc của nó. Nói chung diện tích bề mặt riêng có thể lớn gấp 1000 lần so với các hạt xi măng chưa thủy hóa. Sự phát triển của diện tích bề mặt có thể được sử dụng như là phương tiện xác định mức độ thủy hóa. Wagner đã nghiên cứu ảnh hưởng của việc biến tính polymer đến tốc độ thủy hóa của xi măng, ông nhận thấy rằng tùy thuộc vào bản chất hóa học của polymer tốc độ thủy hóa có thể tăng hoặc giảm. Tuy nhiên, diện tích bề mặt riêng của tất cả các mẫu ở 28 ngày tuổi đều tương đương. Điều đó cho thấy rằng việc biến tính bằng polymer không ảnh hưởng đến quá trình thủy hóa của xi măng ở tuổi dài ngày.[10]
Cấu trúc rỗng của hệ biến tính bằng polymer chịu ảnh hưởng của loại polymer và tỷ lệ P/XM. Độ rỗng thông thường có khuynh hướng giảm khi tăng tỷ lệ P/XM. Điều đó dẫn tới cải thiện tính chống thấm, độ bền cacbonat hóa và độ bền băng giá.
Các yêu cầu chung đối với polymer sử dụng để biến tính xi măng (polymer phân tán).
- Ổn định hóa học đối với các ion hoạt động mạnh như Ca2+, Al3+ tạo thành trong quá trình thủy hóa xi măng.
- Ổn định cơ học dưới tác dụng của ngoại lực, đặt biệt trong điều kiện trộn vật liệu .
- Khả năng lôi khí thấp do sử dụng tác nhân chống tạo bọt thích hợp . - Không ảnh hưởng xấu tới quá trình thủy hóa của xi măng.
- Nhiệt độ tạo màng phải thấp để đảm bảo luôn tạo màng polymer liên tục trong vữa ở nhiệt độ thi công. Màng polymer phải bám dính tốt với đá xi măng và với cốt liệu.
- Độ bền nước tốt, bền kiềm và bền thời tiết.
Nhóm phụ gia này bao gồm các loại bột phân tán có nguồn gốc dựa trên các polymer như: copolymer vinyl axetat-etylen, terpolymer vinyl clorit- vinyl laurat- etylen, polystyrene-axetat, polycarboxylat ete... Khi sử dụng dưới dạng thương phẩm, nhà sản xuất đã bổ sung thêm một số tác nhân có chức năng bảo quản sản phẩm.
1.4. Phụ gia poly carboxylat ete cho vữa phủ sàn tự san
Để giải thích tính ổn định của trạng thái phân tán dưới góc độ lực đẩy tĩnh điện, thuyết DLVO.
Thuyết DLVO được nghiên cứu và phát triển bởi các nhà nghiên cứu Derjaguin và Landau (1941), Verwey và Overbeek (1948), thuyết này đề cập đến sự ổn định và sự keo tụ của hệ huyền phù và hệ keo. (Hình 1.1).
Hình 1. 1. Thế năng tương tác của các hạt theo thuyết DLVO
Thuyết DLVO được tổng kết ở những điểm dưới đây:
- Có cùng tồn tại lực hút (Attraction - VA) như lực Van Der Waals (vdw) và lực đẩy (Repulsion - VR) như lực tĩnh điện (Electrostatic) giữa các hạt. Lực Van der Waals là lực tương tác giữa các phân tử lưỡng cực của các hạt cạnh nhau, ngược lại lực đẩy là kết quả của từ lớp không gian hoặc lực tĩnh điện.
Khoảng cách bề mặt Thế năng tổng Thế năng
- Sự ổn định của hệ keo phụ thuộc vào tương tác giữa 2 lực. Khi VR > VA nó ngăn cản các hạt dính vào nhau, hay trạng thái ổn định nhiệt động, khi VR< VA các hạt có xu hướng gần nhau hơn và gây ra sự keo tụ.
- Thêm chất keo tán có thể cải thiện đáng kể VR để ổn định hệ keo. Do đó chỉ có thể phân tán các hạt bằng cách thêm chất keo tán thích hợp vào hệ để ổn định hệ keo.
* Cơ chế hoạt động của chất keo tán .
Về cơ bản, có 2 cơ chế hoạt động riêng lẻ hoặc kết hợp tùy thuộc vào loại chất điện giải được sử dụng đó là:
- Trao đổi ion, tăng mật độ, tăng chiều dày lớp điện kép làm tăng lực đẩy tĩnh điện.
- Lực đẩy của các nhóm chức năng (như các nhóm polymer), tạo ra lực đẩy không gian giữa các hạt rắn.
* Trao đổi ion, tăng chiều dày lớp điện kép
Lớp khuếch tán (diffuse layer) trên bề mặt các hạt keo có chiều dày lớp điện kép khá mỏng và mật độ thấp, khi đó lực hút chiếm ưu thế làm cho hệ có khả năng kết tụ, khi thêm chất keo tán, các ion hóa trị 1 (như Na+) trao đổi với các ion hóa trị lớn hơn, làm tăng mật độ điện tích, tăng chiều dày lớp điện kép do đó làm tăng lực đẩy tĩnh điện, đẩy các hạt ra xa nhau ngăn chặn sự kết tụ và làm giảm độ nhớt của hệ. Chất keo tán tiêu biểu trong trường hợp này chứa ion Na+ như thủy tinh lỏng, sodium tripolyphosphate (STPP), sodium hexametaphosphate (SHMP),…
* Lực đẩy không gian của các nhóm chức năng
Khi sử dụng các chất keo tán với các nhóm polymer chức năng. Các nhóm polymer chức năng có cấu trúc dạng “chuỗi” (chains) mang cả điện tích dương và điện tích âm, một phần điện tích tương tác với bề mặt hạt keo tạo nên lớp điện kép, phần mang điện tích còn lại tạo ra một mạng lưới không gian tạo ra lực đẩy tĩnh điện giữa các hạt keo, do vậy chống được sự keo tụ của hạt rắn. Phụ gia tiêu biểu trong trường hợp này là các polymer hữu cơ chứa Na+ như sodium polyacrylat, sodium polycarboxylat,…
* Phụ gia polycarboxylat ete (PCE)
Trong những năm gần đây, một loại phụ gia mới được sử dụng trong vữa, đó là phụ gia polycarboxylat ete, tác dụng của PCE là làm giảm lượng nước trộn và tăng độ chảy của vữa
* Cấu tạo củ a PCE: Công thức và mô hình cấu trúc của phụ gia PCE được thể hiện ở Hình 1.3, trong đó:
R = CH3 hoặc H
M = Kim loại hóa trị 1 (thường là Na) EO = oxyethylene
Me = CH3
Phần chuỗi chính là gốc carboxylat mang điện tích âm, có độ dài từ 3- 20 nm, phần chuỗi bên là gốc polyete không mang điện, độ dài 3-40 nm
Hình 1. 3. Công thức và cấu trúc của phụ gia PCE
Mô hình tương tác của PCE đối với các hạt rắn được thể hiện ở Hình 1.4.
Hình 1. 4. Minh họa cơ chế phân tán của phụ gia PCE
Khi hạt rắn mang điện tích dương, nhóm carboxylat mang điện âm sẽ hấp phụ và bao bọc lên bề mặt hạt rắn tạo ra nhờ lực hút tĩnh điện, phần không gian bên ngoài hạt được bao phủ bởi nhóm polyete không mang điện giống như chất hoạt động bề mặt, ta gọi là cơ chế “con nhím - hedgehog”, cơ chế này tạo ra sự phân tán kép (minh họa ở Hình 1.5) .[14]
"Bạch tuộc"
Công thức cấu tạo
+ Lực đẩy tĩnh điện của nhóm carboxylat mang điện tích âm. + Lực đẩy không gian của các nhóm polyete.
Các lực đẩy này làm ổn định các hạt rắn mang điện tích dương trong môi trường phân tán.
Hình 1. 5. Mô hình cơ chế phân tán kép của phụ gia PCE
Đối với hệ phân tán chứa hạt có điện tích âm, thì nhóm polyete không mang điện sẽ tiến đến và bao phủ hạt mang điện tích âm, gọi là cơ chế “vòi bạch tuộc - octopus”. Mô hình của hệ phân tán chứa hạt mang điện âm như SiO2 được minh họa ở Hình 1.6.
Hình 1. 6. Mô hình phân tán của PCE đối với hệ chứa SiO2
Đối với vữa hệ Al2O3 – SiO2, các hạt huyền phù chứa ô xít nhôm mang điện tích dương, còn hạt SiO2 mang điện tích âm, vữa này tương thích với phụ gia PCE theo 2 cơ chế “con nhím” và “bạch tuộc”.
Lực không gian Lực tĩnh điện
Nhóm carboxylat mang điện âm được hấp phụ lên bề mặt các hạt Al3+ bởi vì các ion Al3+trong môi trường axít có ion tạo thế dương, PCE tạo thành một lớp mang điện âm trên bề mặt các hạt huyền phù, lúc này giữa các hạt Al3+ xảy ra lực đẩy tĩnh điện (electrostatic repulsion), lực tĩnh điện này ngăn chặn sự kết tụ của huyền phù, hơn nữa sự có mặt của các chuỗi polyete có nhánh liên kết với bộ khung polymer tạo ra một lực đẩy không gian (steric repulsion) làm duy trì khả năng chia tách và phân tán của các hạt dẫn đến làm giảm ma sát nội của huyền phù, do đó độ nhớt của vữa giảm đi.