具有pH值控制释放功能钢筋阻锈剂微球的制备与特性

对钢筋混凝土结构而言,无论混凝土的碳化还是外界Cl-的侵蚀,其最终将导致钢筋/混凝土界面pH值下降而引起钢筋的锈蚀,是钢筋锈蚀的两大主因。常用阻锈剂因不具备控制释放功能,阻锈效果则缺少实效性和针对性,使用过程中也存在浓度"峰-谷",药效短和环境污染问题。若将其与功能高分子材料相整合,并赋予控制释放功能,可大幅提高其在混凝土中应用的实效性,可靠性和使用价值。本研究针对海洋环境中钢筋/混凝土体系腐蚀的特点和工程需求,以丙烯酸基互穿网络结构材料为载体,制备具有环境pH值控制释放功能的阻锈剂微球;重点探讨阻锈剂微球对混凝土模拟液pH值变化的响应和控制释放效果,以及介质特性变化对释放行为的影响,分析归纳微球对pH值变化的响应规律,以及微球释放行为与介质特性之间的内在联系,系统阐明微球释放的动力学本质。通过阻锈性能的对比研究,考察阻锈剂微球化前后阻锈性能的稳定性。为新型阻锈剂的研发提供理论和技术支撑。

混凝土碳化和Cl-侵蚀是钢筋锈蚀主要原因,二者最终结果将导致钢筋/混凝土界面pH值下降,进而诱发钢筋锈蚀。若此时混凝土中添加一种pH值控释阻锈剂,当pH值改变时,控释系统在pH值变化触发下,包敷其中的阻锈剂能及时快速地释放到钢筋周围,便可对钢筋起到及时保护,提高阻锈剂的针对性和利用效率。.为此,本项目重点开展了以下研究: (1)制备出系列pH敏感型聚丙烯酸类块体凝胶和亚微米级凝胶微球;(2)合成表征了醇/胺缩合物、糖苷、烷基咪唑离子液体、咪唑啉衍生物及其季铵盐和苯甲酸脂阻锈剂。并对系列有机胺、多元醇和所合成物质的缓蚀性能、作用机制和吸附动力学过程进行了系统研究;(3)通过一次性聚合,成功制备出pH值控制释放阻锈剂微球,系统考察了其pH值响应行为,以及环境因素变化对阻锈剂释放行为的影响, 分析探讨了阻锈剂释放动力学机制; (4)验证了阻锈剂微球化前后阻锈性能的可靠性。.获得以下研究结论: (1)成功制备出具有快速pH响应的聚丙烯酸类凝胶和凝胶微球,研究表明,聚合物溶胀符合Fick扩散规律,且遵循Schott二级动力学过程; (2)电化学研究表明,烷基咪唑离子液体、糖苷和醇/胺缩合物在钢筋表面的吸附可有效阻止Cl-与钢筋表面的接触,增强钢筋抗点蚀能力;苯甲酸脂通过与铁离子络合,可在钢筋表面形成致密保护膜,有效抑制Cl– 的侵蚀,量化计算和分子动力学(MD)模拟证明,分子中内酯五元环和苯环可与Fe 形成共价键合以平行于金属表面的方式吸附在钢筋表面; (3) 咪唑啉衍生物对阴极氧还原具有强烈抑制作用，理论计算和MD模拟表明，咪唑啉环上N=C–N基团具有强亲电反应活性,通过与铁原子间强烈的配位作用,而牢固吸附在钢筋表面,且吸附强度按下序递减Fe > Fe3O4 > Fe2O3; (4)通过一次性聚合,成功制备出形貌规整,粒径均一,单分散性好,载药量较高的亚微米级阻锈剂凝胶微球,且在pH值8-9具有快速pH响应行为; (5) 微球内阻锈剂的释放与介质的特性 (如pH 值、Cl- 浓度等)密切相关,释放主要受水分子向微球内扩散速率和聚合物内大分子链段的松弛过程所控制,属非Fick扩散过程; (6)电化学研究表明，阻锈剂微球在混凝土模拟液中对钢筋具有良好的缓蚀效果,包覆前后缓蚀性能稳定。