CN101638303A - Lc-01型泡沫混凝土发泡剂 - Google Patents

Abstract

LC－01型泡沫混凝土发泡剂，属于混凝土高效引气剂。本发明采用双(或多)亲水基团表面活性剂和稳定剂制备的LC－01型泡沫混凝土发泡剂的发泡倍数，按1∶100稀释，可达5.0～5.6m³/kg，接触水泥、粉煤灰浆料，消泡率＜12％，即每公斤可生产4m³以上的4级泡沫混凝土；按1∶60稀释，发泡倍数≥3.5m³/kg，接触水泥，几乎不消泡，即每公斤可生产不低于3.5～3.8m³的4级泡沫混凝土(含粉煤灰40％)，其4级泡沫混凝土的抗压强度为1.2～1.5MPa。较好地解决了泡沫混凝土发泡剂的发泡倍数及其泡沫与混凝土浆料接触时的稳定性的矛盾，几倍地提高了每公斤发泡剂的泡沫混凝土产量及其抗压强度。

Description

LC-01型泡沫混凝土发泡剂

技术领域

本发明涉及一种泡沫混凝土发泡剂组合物，从广义上讲，属于混凝土高效引气剂，也属于混凝土添加剂。

背景技术

泡沫混凝土，又称发泡水泥，是通过化学或物理的方式根据应用需要将氮气、二氧化碳气、氧气或空气引入混凝土浆体中，经过成型、合理养护，使形成含有大量孔洞并具有一定强度的混凝土制品。泡沫混凝土，常按密度划分等级，即3级为300kg/m³，4级为400kg/m³，……。轻质泡沫混凝土，一般指的是3～6级泡沫混凝土。

泡沫混凝土，20世纪30年代由瑞士人首先提出，同世纪50年代在美、苏等国应用于建筑工程。我国于20世纪90年代开始引进、应用此项技术。轻质泡沫混凝土由于具有质轻、高强、节能、利废、保温、隔音、耐老化、不易燃等性能，因而其开发研究和应用在国内外受到了越来越多的重视。轻质泡沫混凝土生产的关键技术在于发泡剂的研制。所用发泡剂，最早是松香皂，由于其发泡倍数不高，人们又用添加高效表面活性剂如十二烷基苯磺酸钠等的方法对其进行改性，但改来改去，普遍存在与水泥、粉煤灰浆料结合不好，即存在“起灰”问题。当前，人们普遍认为，作为第三代发泡剂，动植物蛋白水解液与水泥、粉煤灰具有良好的结合性，但其存在两个缺陷，一是发泡倍数不高，二是容易变质失效。因此，人们不得不着手开发第四代发泡剂，即复合型发泡剂。

就当前市场流行的、使用效果较好的发泡剂而言，若按其宣传词，一个比一个更厉害，但按施工现场测定结果而言(均按1∶60稀释)，“南京”产品，早期的发泡倍数为1.3m³/kg，1.5kg能生产1m³泡沫混凝土(4级)，放置一段时间还有沉淀生成，影响使用，其新产品虽解决了沉淀问题，但发泡倍数降为0.80m³/kg；“威海”产品，号称由韩国进口原料生产，发泡倍数很高(5.16m³/kg)，但稳定性差，0.67kg能生产1m³泡沫混凝土(4级)，可见接触水泥浆料时，消泡严重。“北京”产品，按1∶30稀释，发泡倍数1.5m³/kg，1kg能生产1.2m³泡沫混凝土(4级)。上述发泡剂，由纯水泥生产的泡沫混凝土产品(即发泡水泥)，其抗压强度尚可，但若掺入40％的粉煤灰，要么塌模、要么抗压强度显著降低。就混凝土结构而言，除“北京”产品制备的泡沫混凝土闭孔率(70％)较高外，“南京”新产品次之，其余几乎都是“棉花状”，这种结构的泡沫混凝土产品，不仅强度较低，而且隔热、隔声的性能也较差。

泡沫混凝土发泡剂的性能，包括发泡倍数及其发泡后所形成的泡沫与水泥、粉煤灰等浆料混合后的稳定性、结合性，是决定泡沫混凝土强度、隔热、隔声、是否开裂等性能的关键因素。然而，到目前为止，仍有很多业内人士，评判发泡剂质量优劣的标准仍停留在发泡倍数、泌水性及泡沫单独存在时的稳定时间长短上。实验事实已经证明，泡沫单独存在时，其半衰期即使可达数天，但不能保证它接触水泥、粉煤灰浆料时不大量破泡，也不能保证它不影响混凝土的凝结。此外，当前人们对发泡剂研究还存在另一个误区，那就是仅在常规的表面活性剂和稳泡剂圈中打转转，而没有考虑水泥、粉煤灰浆料的化学特性，研究时仅把重点放在寻求起泡性能好的表面活性剂和能与之配伍并使泡沫表面黏度增加的稳泡剂上。其结果是泡沫表面黏度小，发泡倍数高，但接触水泥、粉煤灰浆料破泡严重，而破泡后的表面活性剂吸附在水泥、粉煤灰颗粒表面，又严重影响水泥的凝结；泡沫表面黏度大，接触水泥、粉煤灰浆料时虽然很少破泡，但发泡倍数显著降低，单位质量发泡剂的泡沫混凝土产量降低。总之，对泡沫混凝土发泡剂不合理的评判标准以及不正确的思路，致使人们长期未找到一个性能优越的发泡剂。

发明内容

本发明的目的是提供一种新型的泡沫混凝土发泡剂，即LC-01型泡沫混凝土发泡剂。它由起泡剂和稳泡剂两部分组成。

经过大量试验和理论分析，我们找到了一类具有两个亲水基团(羧基)、一个长链疏水基团(烃基)的新型表面活性剂和几种具有两个或多个亲水基团(羧基或能与钙、镁等离子反应的羟基)的稳泡剂。将这种表面活性剂与单亲水基团(羧基、磺酸基或硫酸根)的表面活性剂混用，不但提高了发泡倍数，而且发泡后具有两个羧基的表面活性剂的两个羧基之间的原子链就像“钢筋”一样相互交错形成网络，从而使其泡沫较纯单亲水基团表面活性剂的泡沫更为稳定。新选用的稳泡剂，均为具有能与钙、镁等离子反应的两个或多个羧基或羟基的物质，这类新型表面活性剂和稳定剂形成的泡沫，一旦接触水泥、粉煤灰浆料，泡沫表面的羧基、羟基便与水泥水化析出的钙、镁等离子以及水泥、粉煤灰表面的钙、镁等离子强烈吸附，并最终形成化学键，这样就在泡沫表面形成了一个由水泥、粉煤灰颗粒组成的球形硬壳，其结果是，其泡沫接触水泥、粉煤灰浆料不但不易破泡，反而变得更加稳定。三乙醇胺除具有稳泡作用外，还有促进水泥颗粒水化、加速泡沫混凝土浆料初凝的作用。此外，双羧基表面活性剂本身具备的稳泡性，加上专属稳泡剂的小分子特性，可以显著地降低发泡剂原液的黏度，从而提高了它的施工性能。

LC-01型泡沫混凝土发泡剂的发泡倍数，按1∶100稀释，可达5.0～5.6m³/kg，接触水泥、粉煤灰浆料，消泡率＜12％，即每公斤可生产4m³以上的4级泡沫混凝土；按1∶60稀释，发泡倍数≥3.5m³/kg，接触水泥，几乎不消泡，即每公斤可生产不低于3.5～3.8m³的4级泡沫混凝土(含粉煤灰40％)，其抗压强度是当今流行的永泰企业标准(Q/3201YTJN01-2005)的2倍左右。之所以考察按1∶60稀释时的发泡倍数，是因为现行泡沫混凝土生产所用的发泡机的最大稀释倍数为1∶60。

本发明的工艺流程如图1所示。

本发明LC-01型泡沫混凝土发泡剂的各项理化指标如表1所示。

表1LC-01型泡沫混凝土发泡剂的各项理化指标(20℃)

*：使用效率指的是每公斤发泡剂可生产的4级泡沫混凝土的立方米数

附图说明

工艺流程如图中：原料1为NaOH或碳酸钠，或KOH，或碳酸钾，原料2为硼砂或硅酸钠、或铝酸钠，原料3为丁二酸等小分子二元羧酸，原料4为三乙醇胺，原料5为松香，原料6为AES，或含有磺酸基(包括硫酸根)的表面活性剂，原料7为6501，原料8为双氧水。

工艺条件：以蒸馏水或低硬度水为溶剂，原料1、2、3、4和原料1、5的反应温度及各中间产品搅拌混合的温度均为80～100℃，最佳温度条件为95±3℃(若采用先熔化原料5，后中和的方法时，熔化时的外浴温度可为120～200℃，甚至明火加热，但应防火)。其中原料1与原料原料1与5的摩尔比为0.96～0.98∶1，可得中间产品9、10；室温条件下，把原料7与原料8在高压釜中搅拌混合均匀，而后升温到100～110℃，并保温反应3～4小时，可得中间产品11，即椰子油脂肪酸二羧甲基酰胺[R-CON(CH₂COOH)₂]，冷至室温后出料。80～100℃，先把中间产品10、11混合均匀，而后将该混合物加入到中间产品9的反应器中混合均匀，冷至室温包装即得成品LC-01型泡沫混凝土发泡剂。

具体实施方式

实施例1

原料

(1)NaOH(99.0％，天津)             37.5～38mol

(2)丁二酸(工业品，95％，安徽)     1.8～2.4mol

(3)硼砂(工业品，95％，上海)       1.9～2.1mol

(4)三乙醇胺(工业品，85％，河北邢台)                2～8mol

(5)松香(工业品，二级，广西)                        18～22mol

(6)AES(脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠，70％，吉林)         28～32mol

(7)6501(椰子油脂肪酸二乙醇酰胺(1∶1)，95％，广东)  0～0.1mol

(8)双氧水(27.5％，工业品，山东)                    0～0.1mol

合成方法

按比例将原料1、2、3、4混合，加入一定量的水(软水或蒸馏水，下同)加热溶解，并继续反应1h即得中间产品9。按比例称取原料1、5。将原料1溶解于水。将原料5加热令其全部熔化，而后在搅拌下，先少量、缓慢加入原料1的溶液，待继续加入时反应比较平稳后(此时体系温度降至100℃以下)，可较快地加入剩余溶液。继续反应1～1.5h后，加入原料6再搅拌混合1h即得中间产品10。按比例取原料7、8，搅拌均匀后密封，升温到100～105℃，继续保温反应3h，冷至室温即得中间产品11。把中间产品10、11按比例先行混匀，而后加入到中间产品9的反应器(A)，按产品固含量为30％的要求，用剩余的水洗涤相关容器，并加入到反应器A中，继续搅拌反应1h，即得本发明产品LC-01型泡沫混凝土发泡剂。

实施例2

将实施例1中的原料1改为无水或十水碳酸钠，按其所中和的H+的摩尔数量与氢氧化钠相同的原则计算它们的用量；最后洗涤相关容器的补充水的用量亦应做相应调整。其他原料、数量及工艺条件不变，同样可得本发明产品LC-01型泡沫混凝土发泡剂。与实施例1相比，其优点在于碳酸钠比较便宜，其有效成分易于确定，缺点是中间产品10的生产过程中，应谨慎地加入原料1的溶液，防止“溢锅”。

实施例3

将实施例1中的原料2改为丙二酸或己二酸，加入的摩尔数量与丁二酸相同；最后洗涤相关容器的补充水的用量亦应做相应调整。其他原料、数量及工艺条件不变，同样可得本发明产品LC-01型泡沫混凝土发泡剂。与丁二酸相比，目前丙二酸价格较贵；己二酸需依赖进口，且其价格与丁二酸相当，而相同固含量的产品其效果不如丁二酸。

实施例4

原料与实施例1相同。中间产品10的合成用传统的方法：将原料5砸碎成最大直径≤4mm的颗粒，将原料1制成水溶液，并加热到80～90℃，而后将粉碎后的原料5逐步加入到反应体系中(防溢锅)。加完后继续反应3小时。其他工艺条件同实施例1。该方法的优点是反应温度相对较低，但反应速度慢，操作需谨慎。

实施例5

与实施例1相比，完全不使用中间产品11。只是按照实施例1的方法制备出中间产品9、10，而后仍按实施例1的方法将中间产品9、10搅拌混合，即得产品。其优点是省去了高压反应设备，也节约了时间，发泡倍数也有所提高；缺点是泡沫单独存放时的稳定时间会有所降低，泡沫混凝土产品的抗压强度也稍有降低，但仍高于永泰企业标准。

本发明可用其他不违背本发明主要特征的各种具体形式来描述。例如，用偏铝酸代替硼酸；用其他分子伸展后具有平面结构的三元羧酸、四元羧酸代替丁二酸；用具有两个或三个羧基、一个具有不同长度碳链的烃基代替本发明的中间产品11等。因此，在与本发明的权利要求书相当的含义和范围内的任何改变，都应认为是包括在权利要求书之中的。

Claims (7)

1.一种泡沫混凝土发泡剂组合物，它包括起泡剂和稳泡剂两部分，起泡剂为一类新型表面活性剂；稳泡剂为结构简单的小分子有机或无机物，其特征在于起泡剂由具有两个亲水基团(羧基)、一个长链疏水基团(烃基)的新型表面活性剂和单亲水基团的松香皂及具有磺酸基或硫酸根的常规表面活性剂组成；稳泡剂为具有两个或多个亲水基团(羧基或能与钙、镁等离子反应的羟基)的小分子化合物组成。

2.一种生产泡沫混凝土发泡剂的方法，包括起泡剂和稳泡剂及其混合工艺，其特征在于以蒸馏水或低硬度水为溶剂，通过其用量调整产品的固含量，以氢氧化钠(钾)或碳酸钠(钾)调节产品的pH值，起泡剂和稳泡剂分别制备，并需充分混合均匀，而后在80～100℃的温度条件下，将起泡剂加入到稳泡剂中搅拌混合均匀。

3.根据权利要求1，所述起泡剂中的新型双亲水基团和单亲水基团表面活性剂，其特征在于，前者为椰子油脂肪酸二羧甲基酰胺[R-CON(CH₂COOH)₂]，后者为松香皂、AES或其他含有磺酸基或硫酸根的表面活性剂，其摩尔比依次为0～0.1∶18～22∶28～32。

4.根据权利要求1，所述稳泡剂中的具有两个或多个亲水基团(羧基或能与钙、镁等离子反应的羟基)的小分子化合物，其特征在于，含羧基的稳泡剂为丁二酸或丙二酸、或己二酸、或其他小分子多元有机酸，或它们的组合，含羟基的稳泡剂为硼砂(或硅酸钠、或偏铝酸钠)和三乙醇胺，其摩尔比依次为1.8～2.4∶1.9～2.1(8、8)∶2～8。

5.根据权利要求1，所述的单亲水基团表面活性剂松香皂的制备，其特征在于，先在高于100℃的温度下将松香熔化，而后控温80～100℃，搅拌下依据先慢后快的原则加入含有能与松香等摩尔反应的氢氧化钠(钾)或碳酸钠(钾)溶液，加完后需继续反应1～1.5h。

6.根据权利要求2，所述的以蒸馏水或低硬度水为溶剂，通过其用量调整产品的固含量，以氢氧化钠(钾)或碳酸钠(钾)控制产品的pH值，其特征在于，中间产品合成用水不超过90％，其pH值均应在8以上。

7.根据权利要求2，所述的起泡剂中的双亲水基团表面活性剂，即椰子油脂肪酸二羧甲基酰胺，其特征在于，它需通过6501(1∶1)与双氧水在100～110℃密闭高压反应3～4h制备，其原料的摩尔比为1∶1，其用量在0～0.1mol。