CN109824835B - 一种聚羧酸系减水剂及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种聚羧酸系减水剂及其制备方法,涉及建筑工程材料技术领域,所述聚羧酸系减水剂包含以下重量份原料:甲基烯丙基聚氧乙烯醚300‑450份、丙烯酸100‑150份、丙烯酸磷酸酯40‑60份,磷酸基链转移剂1.0‑5.0份、丙烯酸羟乙酯2‑6份、引发剂0.5‑2.0份、还原剂0.5‑1.5份、巯基丙酸0.3‑1.5份,水300‑550份。其制备工艺包括以下步骤:1)反应物在催化剂的作用下生成含有磷酸酯短支链大分子单体;2)依次加入A料和B料,接枝共聚生成聚羧酸;3)制备阳离子聚电解质;4)加入液碱,调节pH值,得到液态的聚羧酸系减水剂。本发明通过在大单体上引入磷酸酯短支链,与大单体长支链相互交错,增大减水剂的适应性、和易性,以适应于砂石地材中粘土矿物含量较高的情况,提高保坍效果。
Description
技术领域
本发明涉及建筑工程材料技术领域,尤其是涉及一种聚羧酸系减水剂及其制备方法。
背景技术
减水剂是一种在维持混凝土坍落度基本不变的条件下,能减少拌合用水量的混凝土外加剂。大多属于阴离子表面活性剂,有木质素磺酸盐、萘磺酸盐甲醛聚合物等。加入混凝土拌合物后对水泥颗粒有分散作用,能改善其工作性,减少单位用水量,改善混凝土拌合的流动性;或减少单位水泥用量,节约水泥。
聚羧酸系减水剂,作为继脂肪族系、萘系和氨基磺酸盐系减水剂之后推出的新型高性能减水剂,因其具有掺量低、减水率高、分子结构可调性强以及绿色环保等优良性能,被越来越广泛地应用到高速铁路、桥梁、隧道、大坝等一系列混凝土工程中,但面对国内复杂多变的水泥及混凝土材料,聚羧酸类减水剂往往体现不出其高性能的优势。随着我国优质砂石资源减少,混凝土成分复杂性增加,尤其是在工民建工程中,大量含泥量高的砂石被直接用于混凝土拌合中,使得新拌水泥由于含泥量较高,而出现团聚,分散性不好等现象,导致新拌混凝土的和易性、适应性变差,坍落度损失加快,难以保证运输、泵送及施工。
发明内容
本发明的目的是提供一种聚羧酸系减水剂及其制备方法,通过在大单体上引入磷酸酯短支链,与大单体长支链相互交错,增大减水剂的适应性、和易性,以适应于砂石地材中粘土矿物含量较高的情况,提高保坍效果。
本发明的上述发明目的是通过以下技术方案得以实现的:
一种聚羧酸系减水剂,所述聚羧酸系减水剂包含以下重量份原料:甲基烯丙基聚氧乙烯醚300-450份、丙烯酸100-150份、丙烯酸磷酸酯40-60份、丙烯酸羟乙酯2-6份、引发剂0.5-2.0份、还原剂0.5-1.5份、巯基丙酸0.3-1.5份,水300-550份。
通过采用上述技术方案,水泥加水拌合以后,由于水泥颗粒分子引力的作用,会使水泥浆形成絮凝结构,使10-30%的拌合水被包裹在水泥颗粒中,不能参与自由流动和润滑作用,从而影响了混凝土拌合物的流动性。当加入聚羧酸减水剂以后,由于聚羧酸减水剂分子能定向吸附于水泥颗粒的表面,使水泥颗粒表面带上同一种电荷(一般为负电荷),形成静电排斥作用,使水泥颗粒相互分散,使水泥颗粒相互分散,破坏絮凝结构,释放出被包裹的水,参与流动,从而有效地增加了混凝土拌合物的流动性。
由于磷酸酯中磷酸根拥有两个负电荷,在梳型聚合物主链上引入磷酸酯单体,利用磷酸酯与水泥粒子的更强烈的吸附作用与黏土产生更强烈的静电排斥作用,以增大减水剂的抗泥性,以适应于砂石地材中粘土矿物含量较高的情况,提高保坍效果。
水泥浆体碱性条件能够使梳型聚合物中的酯键发生水解,生成游离的磷酸根离子和HO-X-OH,其中游离的磷酸根离子与水泥粒外表面的矿物质或水化物作用生成致密的磷酸盐层,阻止水分子进入其内部,约束水泥正常水化,使其水化速度减缓,起到保坍的效果。同时游离的磷酸根离子与释放的-COOH相互协同作用对水泥有扩散作用。且HO-X-OH对水泥水化也有一定的延缓作用,者共同作用使聚羧酸减水剂有更加良好的性能。
由于磷酸酯亲水基极性非常强,吸附在水泥颗粒表面的聚羧酸减水剂能与水分子形成一层稳定的溶剂化水膜,这层水膜具有很好的润滑作用,能有效降低水泥颗粒间的滑动阻力,从而进一步提高混凝土的流动性。
磷酸酯短支链可以伸展于水溶液中,可在所吸附的水泥颗粒表面形成有一定厚度的亲水性立体吸附层。当水泥颗粒相互靠近时,吸附层开始重叠,即在水泥颗粒间产生空间位阻作用,重叠越多,空间位阻斥力越大,对水泥颗粒间凝聚作用的阻碍也越大,使得混凝土的坍落度保持良好。
由于硫酸根离子会对水泥产生一定的影响,在梳型聚合物主链上引入磷酸酯单体,可以减小硫酸根离子对水泥的影响,使得混凝土的坍落度保持良好。
甲基烯丙基聚氧乙烯醚可以与丙烯酸发生酯化接枝反应,生成梳型大单体。甲基烯丙基聚氧乙烯醚无毒、无刺激性,具有良好的水溶性,不会水解变质。并与多种组份有良好的相溶性。作为聚羧酸系水泥减水剂中主要原材料使用,合成的聚羧酸高效系减水剂有较强的水泥颗粒分散性保持能力,使产品具有掺量低、减水率高、增强效果好、耐久性、不锈蚀钢筋及对环境友好等特点。
丙烯酸作为共聚单体,可以给聚羧酸分子提供静电吸附基团,提供了吸附驱动力,另外,丙烯酸还起到调节聚合反应,提高聚醚大单体转化力的作用。丙烯酸是最简单的不饱和羧酸,由一个乙烯基和一个羧基组成。
巯基丙酸作为链转移剂,用以提高甲基烯丙基聚氧乙烯醚与丙烯酸酯化接枝反应效率和梳型大单体的产率。巯基丙酸可以使丙烯酸自由基的活性中心向磺酸基、聚氧乙烯链、磷酸基团转移,使他们能够相间排布分布,从而完全施展这这四种单体的写协同作用。同时,活性中心的转移,可以降低聚合度,调节减水剂的分子量分布。
丙烯酸羟乙酯是一种单酯,一般溶于有机溶剂,与水混溶,共聚物可用作纤维处理剂,热固性涂料、高粘结强度的粘合剂、兼具耐热性和耐油性橡胶(如丙烯酸类共聚橡胶)、纸张加工剂、润滑油添加剂,与丙烯酰胺的共聚物可用作增稠剂,与乙烯基醚的共聚物可用作地板蜡得代用品,与二乙烯苯的共聚物可用作离子交换树脂等。可用于辐射固化体系中的活性稀释剂和交联剂,用以提高减水剂的减水剂的适应性、和易性,提高保坍效果。
本发明进一步设置为:所述聚羧酸系减水剂还包含以下重量份原料:磷酸基链转移剂1.0-5.0份、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵10-20份、浓硫酸2-4份、液碱10-50份。
通过采用上述技术方案,萘系高效减水剂其主要成分是β-萘磺酸盐甲醛缩合物,是一种非引气型减水剂,对各种水泥适应性好,改善混凝土的可操作性,广泛应用于公路、铁路、桥梁、隧道、电站、大坝、高层建筑等工程。
聚羧酸减水剂是继木钙为代表的普通减水剂和以萘系为代表的高效减水剂之后发展起来的第三代高性能减水剂,是一种引气型减水剂,是目前世界上最前沿、科技含量最高、应用前景最好、综合性能最优的一种高效减水剂。
但由于萘系减水剂和聚羧酸减水剂的各自特性,两减水剂不能一起使用或复配使用。混凝土生产中,如果在这两个系列减水剂之间更换产品,所有的减水剂储存、输送管道、计量系统和搅拌机都需要彻底清洗,否则也会严重影响减水剂使用效果。
通过加入甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵可以与丙烯酸发生反应生成的阳离子聚电解质,阳离子聚电解质可以与萘系高效减水剂中的β-萘磺酸盐甲醛缩合物发生反应,使聚羧酸减水剂与萘系减水剂不再相克,可以相容,发生一定的复配或混合,方便工人操作,增大减水剂的适应性、和易性,以适应于砂石地材中粘土矿物含量较高的情况,提高保坍效果。
本发明进一步设置为:所述引发剂包括过氧化氢、过硫酸铵、过硫酸钾和过硫酸钠中的一种或几种。
通过采用上述技术方案,引发剂是一类容易受热分解成自由基的化合物,可用于引发烯类、双烯类单体的自由基聚合和共聚合反应,也可用于不饱和聚酯的交联固化和高分子交联反应。选用氧化还原体系做为引发剂,可以降低聚合反应的阙能,从而弥补了放应速率的降低,减少能源消耗。
本发明进一步设置为:所述还原剂包括亚硫酸钠、焦亚硫酸钠、L-抗坏血酸钠的一种或多种。
通过采用上述技术方案,还原剂是在氧化还原反应里,失去电子或有电子偏离的物质。还原剂本身具有还原性,被氧化,其产物叫氧化产物。还原与氧化反应是同时进行的,即是说,还原剂在与被还原物进行氧化反应的同时,自身也被氧化,而成为氧化物。所含的某种物质的化合价升高的反应物是还原剂。还原剂与引发剂配合使用,生成氧化还原体系,用以降低聚合反应的阙能,从而弥补了放应速率的降低,减少能源消耗。
本发明进一步设置为:所述磷酸基链转移剂包括次磷酸钠、磷酸二氢钠、三聚磷酸钠中的一种或多种。
通过采用上述技术方案,磷酸基链转移剂可以对磷酸基团起特定作用,进一步提高磷酸酯短支链的接枝率,提高含磷酸酯基的聚羧酸减水剂含量。同时也甲基烯丙基聚氧乙烯醚与丙烯酸酯化接枝反应效率和梳型大单体的产率,使活性中心发生转移,降低聚合度,调节减水剂的分子量分布。
三聚磷酸钠水溶液呈弱碱性(1%水溶液的PH值约为9.7),它在PH为4.3~14范围水)中,形成悬浊液(类似乳化液)的作用,即分散作用。三聚磷酸钠也能使液态、固态微粒更好的溶于液体(如水)介质中,使溶液外观完全透明,好像真溶液一样,这就是增溶作用。三聚磷酸钠可作缓凝剂的存在,可提高水泥的保坍性,减缓水泥凝固。一种聚羧酸系减水剂的制备方法,包括如下步骤:
1)将原料中的丙烯酸等分成三份;
2)按重量份将甲基烯丙基聚氧乙烯醚、引发剂、丙烯酸磷酸酯、磷酸基链转移剂、水,以及步骤1中的1份的丙烯酸,加入到反应容器,进行反应,形成第一混合液;
3)按重量份依次在第一混合液中加入A料和B料,形成第二混合液;A料包括丙烯酸羟乙酯,以及步骤1中的2份丙烯酸;B料包括巯基丙酸和L-抗坏血酸钠;
4)按重量份依次将甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵和浓硫酸加入到第二混合液中,进行反应,形成第三混合液;
5)按重量份加入液碱到第三混合液中,调节第三混合液的pH值,得到液态的聚羧酸系减水剂。
通过采用上述技术方案,步骤2中,加入丙烯酸磷酸酯和磷酸基链转移剂,使丙烯酸磷酸酯中的磷酸酯基可以尽可能多的被引入到到单体中,防止在步骤3中加入A料和B料后,反应更多的是进行甲基烯丙基聚氧乙烯醚与丙烯酸发生的酯化接枝反应,影响磷酸酯基与大单体的接枝共聚,导致聚羧酸减水剂中的磷酸基团含量降低。
步骤3中B料滞于A料加入,防止分解的自由基数目偏多,链终止几率增加,导致分子量过低,减水剂的空间位阻效应减落,分散效能变差。
步骤4中制备阳离子聚电解质,阳离子聚电解质可以与萘系高效减水剂中的β-萘磺酸盐甲醛缩合物发生反应,使聚羧酸减水剂与萘系减水剂不再相克,可以相容,发生一定的复配或混合,方便工人操作,增大减水剂的适应性、和易性,以适应于砂石地材中粘土矿物含量较高的情况,提高保坍效果。
步骤5中,用于调节溶液的pH值,提高减水剂体系的稳定性。
本发明进一步设置为:所述引发剂包括过氧化氢和过硫酸铵,所述过氧化氢占引发剂总量的20-50%,所述过硫酸铵占引发剂总量的50-80%。
通过采用上述技术方案,过氧化氢可在高温和催化剂存在下,产生氢氧根自由基,引发单体进行自由基聚合,但过氧化氢用量会影响反应转化率和产物分子量,进而影响减水剂的分散效果。当过氧化氢的用量小于20%,会使反应的转化率降低,造成产物的有效含量少,分散性差。当过氧化氢的用量大于50%,会导致分解的自由基树木偏多,链终止几率增加,导致分子量过低,减水剂的空间位阻效应减落,分散效能变差。
过硫酸铵易溶于水受热易分解.过硫酸铵在水溶液中能水解成硫酸氢铵和过氧化氢。通过加入有过氧化氢,可以降低过硫酸铵的分解量,提高过硫酸铵在水溶液中的含量,以提高反应转化率和产物分子量。
本发明进一步设置为:所述还原剂包括L-抗坏血酸钠。
通过采用上述技术方案,过硫酸铵与L-抗坏血酸钠所生成的氧化还原体系不仅可以提高反应转化率和产物分子量,还可以使制得的减水剂局有良好的初始净浆流动度,且流动保持性能较好。
本发明进一步设置为:所述磷酸基链转移剂包括三聚磷酸钠。
通过采用上述技术方案,三聚磷酸钠不仅可做为磷酸基链转移剂,用以提高磷酸酯短支链的接枝率,还可以作为缓凝剂的存在,可提高水泥的保坍性,减缓水泥凝固。
综上所述,本发明的有益技术效果为:
1.通过在大单体上引入磷酸酯短支链,与大单体长支链相互交错,增大减水剂的适应性、和易性,以适应于砂石地材中粘土矿物含量较高的情况,提高保坍效果;
2.通过加入甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵可以与丙烯酸发生反应生成的阳离子聚电解质,阳离子聚电解质可以与萘系高效减水剂中的β-萘磺酸盐甲醛缩合物发生反应,使聚羧酸减水剂与萘系减水剂不再相克,可以发生一定的复配或混合,方便工人操作,增大减水剂的适应性、和易性,以适应于砂石地材中粘土矿物含量较高的情况,提高保坍效果;
3.通过将过硫酸铵和过氧化氢进行混合制备引发剂,用以提高反应转化率和产物分子量,还可以使制得的减水剂具有良好的初始净浆流动度,且流动保持性能较好。
附图说明
图1为本发明的工艺流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例,对本发明进行详细描述。
参照图1,一种聚羧酸系减水剂的制备方法,包括如下步骤:
1)将原料中的126份丙烯酸等分成三份;
2)将370份甲基烯丙基聚氧乙烯醚、0.42份过氧化氢、0.78份过硫酸铵、50份丙烯酸磷酸酯、3份三聚磷酸钠、425份水,以及步骤1中的1份的丙烯酸,加入到反应容器,进行反应,形成第一混合液;
3)依次在第一混合液中加入A料和B料,形成第二混合液;A料包括4份丙烯酸羟乙酯,以及步骤1中的2份丙烯酸;B料包括0.9份巯基丙酸和1份L-抗坏血酸钠;
4)依次将15份甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵和3份浓硫酸加入到第二混合液中,进行反应,形成第三混合液;
5)加入质量浓度为40%的液碱30份到第三混合液中,调节第三混合液的pH值,得到液态聚羧酸系减水剂。
实施例2-5与实施例1的区别在于,聚羧酸系减水剂中各物质以重量份计如下表:
实施例6-14与实施例1的区别在于,引发剂包括以下重量百分比计的原料:
实施例17-22与实施例1的区别在于,还原剂包括以下重量百分比计的原料:
实施例 | 亚硫酸钠 | 焦亚硫酸钠 | L-抗坏血酸钠 |
实施例17 | 0 | 100 | 0 |
实施例18 | 100 | 0 | 0 |
实施例19 | 40 | 60 | 0 |
实施例20 | 20 | 0 | 80 |
实施例21 | 0 | 30 | 70 |
实施例22 | 10 | 30 | 60 |
实施例23-27与实施例1的区别在于,磷酸基链转移剂包括以下重量百分比计的原料:
实施例 | 次磷酸钠 | 磷酸二氢钠 | 三聚磷酸钠 |
实施例23 | 100 | 0 | 0 |
实施例24 | 0 | 100 | 0 |
实施例25 | 40 | 60 | 0 |
实施例26 | 30 | 0 | 70 |
实施例27 | 0 | 35 | 65 |
实施例28 | 20 | 25 | 55 |
对比例1-5:
与实施例1比,聚羧酸系减水剂中各物质以重量份计如下表:
对比例6:与实施例1的区别在于,3)按重量份依次在第一混合液中加入B料和A料,形成第二混合液;A料包括丙烯酸羟乙酯,以及步骤1中的2份丙烯酸;B料包括巯基丙酸和L-抗坏血酸钠。
对比例7:采用市场上常见的聚羧酸系减水剂:在本对比例中采用济南天顺通元化工有限公司产的聚羧酸系高效减水剂,型号为66-8。
对比例8:采用市场上常见的萘系减水剂:在本对比例中采用上海云哲新材料科技有限公司产的萘系高效减水剂,型号为FDN-C。
对比例9:将对比例8中的萘系高效减水剂与实施例1中所制备的聚羧酸系减水剂进行复配,萘系高效减水剂与聚羧酸系减水剂之比为1:3。
对比例10:将对比例7中的聚羧酸系高效减水剂和对比例8中的萘系高效减水剂进行复配,萘系高效减水剂与聚羧酸系高效减水剂之比为1:3。
将实施例1、实施例2、实施例5与对比例1-5所制备的减水剂和对比例6-9中的减水剂进行对比,按照GB/T8077对水泥净浆流动度和砂浆减水率测试,测试水泥为海螺水泥42.5R,水灰比0.29,减水剂掺量均为0.6%。混凝土配合比为:水泥330kg/m3、砂742kg/m3、石1113kg/m3(公称粒径为5mm-20mm的碎石,采用二级配,其中5mm-10mm占40%,10mm-20mm占60%)。检测结果见下表:
由上表可知,采用本发明实施例1-2和实施例5中制备的减水剂,其水泥净浆、砂浆减水率和1小时的保塑性皆好于对比例1,说明通过在大单体上引入磷酸酯短支链,可以增大减水剂的减水率和保塑性,提高保坍效果。
对比例1和对比例2相比可知,加入磷酸基链转移剂可以提高磷酸酯短支链的接枝率,提高含磷酸酯基的聚羧酸减水剂含量,从而提高减水剂的减水效果。
对比例6与实施例1比,说明A料滞于B料加入,会使分解的自由基数目偏多,导致链终止几率增加,分子量过低,减水剂的空间位阻效应减落,分散效能变差。
实施例1、对比例7和对比例8相比可知,采用本发明实施例中制备的减水剂,其水泥净浆、砂浆减水率和1小时的保塑性皆好于市面上常用减水剂,说明加入磷酸酯短支链可以提高减水剂的减水率和坍落度保持能力。
对比例9和对比例10相比可知,通过加入甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵可以使聚羧酸减水剂与萘系减水剂不再相克,可以相容,发生一定的复配或混合,方便工人操作,增大减水剂的适应性、和易性,无需在这两个系列减水剂之间更换产品时,将所有的减水剂储存、输送管道、计量系统和搅拌机进行彻底清洗。
本具体实施方式的实施例均为本发明的较佳实施例,并非依此限制本发明的保护范围,故:凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化,均应涵盖于本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种聚羧酸系减水剂,其特征在于:所述聚羧酸系减水剂包含以下重量份原料:甲基烯丙基聚氧乙烯醚300-450份、丙烯酸100-150份、丙烯酸磷酸酯40-60份、丙烯酸羟乙酯2-6份、引发剂0.5-2.0份、还原剂0.5-1.5份、巯基丙酸0.3-1.5份,水300-550份,磷酸基链转移剂1.0-5.0份、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵10-20份、浓硫酸2-4份、液碱10-50份。
2.根据权利要求1所述的聚羧酸系减水剂,其特征在于:所述引发剂包括过氧化氢、过硫酸铵、过硫酸钾和过硫酸钠中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的聚羧酸系减水剂,其特征在于:所述还原剂包括亚硫酸钠、焦亚硫酸钠、L-抗坏血酸钠的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的聚羧酸系减水剂,其特征在于:所述磷酸基链转移剂包括次磷酸钠、磷酸二氢钠、三聚磷酸钠中的一种或多种。
5.如权利要求1-4任一所述的一种聚羧酸系减水剂的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
1)将原料中的丙烯酸等分成三份;
2)按重量份将甲基烯丙基聚氧乙烯醚、引发剂、丙烯酸磷酸酯、磷酸基链转移剂、水,以及步骤1中的1份的丙烯酸,加入到反应容器,进行反应,形成第一混合液;
3)按重量份依次在第一混合液中加入A料和B料,形成第二混合液;A料包括丙烯酸羟乙酯,以及步骤1中的2份丙烯酸;B料包括巯基丙酸和还原剂;
4)按重量份依次将甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵和浓硫酸加入到第二混合液中,进行反应,形成第三混合液;
5)按重量份加入液碱到第三混合液中,调节第三混合液的pH值,得到液态的聚羧酸系减水剂。
6.根据权利要求5所述的聚羧酸系减水剂的制备方法,其特征在于:所述引发剂包括过氧化氢和过硫酸铵,所述过氧化氢占引发剂总量的20-50%,所述过硫酸铵占引发剂总量的50-80%。
7.根据权利要求5所述的聚羧酸系减水剂的制备方法,其特征在于:所述磷酸基链转移剂包括三聚磷酸钠。
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