CN102115516A - 梳形共聚物水泥分散剂的制备方法、所用单体及所得梳形共聚物水泥分散剂 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及梳形共聚物水泥分散剂的制备方法、所用单体及所得梳形共聚物水泥分散剂,所述梳形共聚物水泥分散剂的制备方法为,由单体a和b在水性介质中发生自由基共聚反应,其中单体a用通式(I)表示:单体b用通式(II)表示。优选单体a和b的摩尔比为1∶(1~10)。上述制备方法所得的梳形共聚物水泥分散剂的结构式如(VI)所示。本发明在梳型共聚物水泥分散剂中引入新的单体a,该单体分子结构中具有不饱和活性双键和两条支化聚氧化烯长链,能极大增强水泥颗粒之间的空间位阻作用,提高水泥的分散稳定性。该分散剂制备方法简单,生产操作方便,同时所得梳形水泥分散剂具有掺量低、分散性好、减水率高、坍落度损失小、本体含气量低的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种梳形共聚物水泥分散剂的制备方法、所用单体及所得梳形共聚物水泥分散剂,属于混凝土外加剂技术领域。
背景技术
近年来,梳形高分子共聚物已被广泛用作于水泥分散剂,成为继木质素磺酸盐、萘磺酸盐之后的第三代高性能混凝土减水剂。新一代的梳形共聚物水泥分散剂化学结构可调性强、掺量低、减水率高、新拌混凝土的流动性和流动性保持性好、收缩低、增强效果显著,对于混凝土的综合性能有质的提高,已成功应用于许多重大工程。
梳形共聚物水泥分散剂主要是由不饱和羧酸和不饱和活性聚醚大单体经自由基共聚而制备所得,其基本结构特点是主链为脂肪族的烷烃类,分布着一种或多种离子基团,如磺酸基、羧酸基、磷酸基和季胺基,侧链由亲水性的聚氧化烯(氧化乙烯和/或氧化丙烯)组成。梳形共聚物发挥分散作用,主要是由于其吸附到水泥颗粒表面后,离子基团使得水泥颗粒之间相互产生了静电斥力,同时侧链发挥空间位阻斥力,使水泥颗粒絮凝结构解体,粒子间难以彼此靠近,从而提高了水泥颗粒的分散性及其稳定性。
不少研究报道了采用各种方法合成不同结构的活性大单体,并用于梳形共聚物水泥分散剂的制备。此类梳形共聚物在一定程度上改善了新拌混凝土的流动性及坍落度保持性,但存在的不足在于,活性大单体的基本结构均为含双键的单一聚氧化烯长链,其经共聚后在共水泥分散剂中发挥空间位阻作用的能力有限,因而,该类型的梳形共聚物一般需要比较高的掺量才能有效的提高混凝土新拌性能。
专利CN1314614报道了一种聚羧酸系混凝土减水剂及其制备方法。该制备方法分两步合成,第一步:以甲苯作为溶剂,浓硫酸为催化剂,用聚乙二醇和丙烯酸进行酯化反应。反应完成后,抽出甲苯和水,制得不饱和活性聚醚大单体聚乙二醇丙烯酸酯;第二步:在制得的活性大单体中加入甲基丙烯磺酸钠和丙烯酸,用过硫酸铵或过硫酸钠为引发剂,巯基乙醇作为链转移剂,在水溶液中进行聚合,最后再用氢氧化钠中和得聚羧酸减水剂溶液。这种制备方法步骤繁琐,需要先酯化制备活性聚醚大单体,再进行共聚合。酯化中用到了大量的有机溶剂甲苯,不仅增加了成本,而且对环境造成污染;另外,制备过程中以聚乙二醇和丙烯酸进行酯化,会生成大量副产物聚乙二醇双丙烯酸酯,严重影响后续聚合反应的质量。
专利CN101186460报道了以不同分子量的烯丙醇聚乙二醇为活性聚醚大单体,水溶液中,以过硫酸铵为引发剂,与马来酸酐和丙烯酸甲酯进行共聚,制备了聚羧酸系减水剂。该减水剂需要有较高的掺量才能有较好的净浆流动度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种梳形共聚物水泥分散剂的制备方法,所得梳形共聚物水泥分散剂掺量低,可有效提高水泥分散性及其稳定性。
本发明还提供上述制备方法中使用的单体。
本发明还提供上述制备方法所得的于梳形共聚物水泥分散剂。
所述梳形共聚物水泥分散剂的制备方法为,由单体a和b在水性介质中发生自由基共聚反应,其中
单体a用通式(I)表示:
式中R1为H或-CH3;X为连接基团,为-CH2-、-CH2CH2-、-OCH2CH2-、-OCH2CH2CH2CH2-或m、n均为重复单元数,m+n=10~120的自然数,链段(CH2CHR2O)m为均聚、无规共聚或嵌段共聚结构;R2代表H和/或-CH3;
单体b用通式(II)表示:
式中R3为氢原子或-COOM;R4为氢原子或甲基;M表示氢原子、碱金属离子、碱土类金属离子、铵离子或有机胺基团。
本领域的普通技术人员可根据实际需要,经实验确定单体a、b的用量。优选单体a和b的摩尔比为1∶(1~10)。
单体a的制备方法为:
(1)由式(III)所示的化合物c与缩水甘油进行开环加成反应,得到式(IV)所示的中间体d;
(2)以中间体d为起始剂,与式(V)所示的环氧化物e进行烷氧基化反应,经后处理后得到单体a;
其中Y为Na或K,Y1、Y2独立地为H或Y。
所述开环加成和烷氧基化反应均为常见反应,本领域技术人员可以经试验确定较优的实验条件。
环氧化合物为环氧乙烷(EO)、环氧丙烷(PO)中的一种或两种的混合物,其能够单独或以任意比例混合聚合到中间体分子上,以便产生烷氧基聚醚的均聚物、嵌段共聚物或无规共聚物,通过调整环氧化物的用量和加料方式,可以制备不同分子量和结构的支化活性大单体。
制备单体a的过程中所涉及的化学反应方程式举例如下(Y=Na):
结构式(III)所示化合物可以由CH2=C(R1)-X-OH去质子化得到,所述去质子化所用的试剂可以采用金属钠或金属钾的单质、氢化物中的任意一种,用量优选为与CH2=C(R1)-X-OH的摩尔比为1∶1。当以下反应易于发生时,
可以仅用少量的去质子化试剂与CH2=C(R1)-X-OH反应,部分质子化的产物(即结构式(III)所示化合物c)先与缩水甘油进行开环加成反应,开环加成产物与CH2=C(R1)-X-OH发生交换反应,使余下的CH2=C(R1)-X-OH质子化,直至所有的CH2=C(R1)-X-OH质子化为结构式(III)所示化合物并与缩水甘油进行开环加成反应。当X为CH2或时,即符合前述情况。当然,这种情况下,虽然看起来参与反应的为CH2=C(R1)-X-OH、c和缩水甘油,但由前述描述可知,实际仍是由c和缩水甘油发生了的步骤(1)所述反应。
所述与缩水甘油的开环加成反应是为了引入两个羟基,步骤(1)中式(III)所示的化合物c与缩水甘油的摩尔比优选为1∶1,优选的具体操作方法为:将所述缩水甘油缓慢滴加入式(III)所示的化合物c中,滴加温度为80~120℃,滴加时间为4~10h。
除了上述交换反应,化合物c与缩水甘油的加成产物IX在分子内也会发生交换反应,如下所示:
因此,最后的加成产物如通式(IV)所示。
所得步骤(2)中烷氧基化反应为相关领域人员所熟知的化学反应过程。由于中间体d本身具有较强的碱性,可无需外加催化剂即可进行烷氧基化反应。烷氧基化的反应温度优选为100~150℃,更优选为110~140℃;反应压力优选为0.1~0.8MPa,更优选为0.3~0.5MPa。
所述反应完后产物的后处理为保持产物温度在80~100℃之间,先采用无机酸进行中和,然后过滤分离产生的无机盐,收集滤液。中和所用无机酸优选为磷酸、硫酸。
单体b含有通式(II)所表示物质中的至少一种物质,优选的,单体b选自丙烯酸、甲基丙烯酸、马来酸、富马酸或它们的一价金属盐、二价金属盐、铵盐、有机胺盐中的至少一种。这些单体单独使用或以两种或两种以上成分的任意比例混合物形式使用,其羧酸基团在水泥分散剂中提供吸附点和静电斥力。
共聚反应的引发剂是常规的自由基水溶性引发剂,包括单独的过硫酸盐,过硫酸盐与亚硫酸氢盐、亚硫酸盐、硫代硫酸盐、焦亚硫酸盐或亚铁盐的组合物,过氧化物与L-抗坏血酸或金属离子的组合物,引发剂占单体a+b总摩尔数的0.5%~10%,其中组合物中两者的摩尔数比为2~6∶1。
共聚反应中可以加入水溶性的链转移剂以调节共聚物的分子量。水溶性链转移剂优选为硫醇类链转移剂,如2-巯基丙酸、3-巯基丙酸、2-巯基丙醇、3-巯基丙醇、巯基乙酸、巯基乙醇中的至少一种或其任意比例的混合物。链转移剂在聚合过程中的用量为单体a+b总摩尔数的0.5%~5%。
共聚反应中总的单体重量浓度优选为20%~60%之间,反应温度为30~95℃,它主要与所用的引发剂有关。单体和引发剂溶液采取分开同时滴加的方式来控制共聚物链节分布的均匀性和聚合反应的稳定性。单体和引发剂溶液滴加时间控制在1.0~6.0小时。为了提高单体的转化率,需要在单体和引发剂滴加完后继续保温,保温时间优选为2.0~8.0小时。
共聚反应结束后,可直接用作于水泥分散剂的主成分使用,更优选为进一步用碱性物质中和后使用,以增强产品的储存稳定性。所使用的碱性物质包括一价金属和/或二价金属的氢氧化物、氧化物或碳酸盐,氢氧化铵,有机胺。碱性物质的用量以调节反应产物的pH值为6~8为宜。
上述制备方法所得的梳形共聚物水泥分散剂的结构式如(VI)所示,
其中,A用通式(VII)表示:
B用通式(VIII)表示:
x、y分别代表共聚物中A、B结构单元的摩尔百分数,优选x∶y=1∶(1~10)。
本发明所述的梳形共聚物水泥分散剂的重均分子量控制在20,000~50,000,如果分子量太大或太小,都会减弱对水泥的分散效果。
本发明所述的梳形共聚物水泥分散剂在使用时的常规掺量为总胶凝材料重量的0.1%~0.6%,最优掺量为0.12%~0.25%。掺量过低,则对水泥的分散效果不能令人满意;掺量过高,造成经济上的浪费,而分散效果并未进一步增长。工程人员可根据实际情况在此范围内优选。
本发明在梳型共聚物水泥分散剂中引入新的单体a,该单体分子结构中具有不饱和活性双键和两条支化聚氧化烯长链,将其与其它单体进行自由基水溶液共聚反应,具有较高的共聚活性(为与其余的普通单体相区别,以下将单体a称为支化活性大单体),得到了具有梳形支化结构的共聚物,该共聚物分子结构中分布着一定比例的羧基基团和支化的亲水性聚醚侧链。该共聚物用作水泥分散剂时,能极大增强水泥颗粒之间的空间位阻作用,提高水泥的分散稳定性。该分散剂制备方法简单,生产操作方便,不使用有机溶剂,不需要经过繁琐的酯化反应,同时所得梳形水泥分散剂具有掺量低、分散性好、减水率高、坍落度损失小、本体含气量低的优点。
附图说明
图1是支化活性大单体1的GPC谱图;
图2是支化活性大单体1的FT-IR谱图;
图3是实施例1所制备共聚物的GPC谱图。
具体实施方式
支化活性大单体的制备
将58g烯丙醇置于带有回流冷凝管、温度计、氮气导管和搅拌器的四口烧瓶中,加入23g金属钠,持续向反应瓶中通氮气鼓泡排气,常温下搅拌至溶解,然后升温至120℃,缓慢滴加74g缩水甘油,滴加6h,保温2h,冷却,即得中间体1。
将33g中间体1置于2L干燥的不锈钢高压反应釜中,密封反应釜。将反应釜抽空后,用氮气置换釜内空气三次,升温至120℃,同时保持反应釜连续抽真空30min后停止,然后连续缓慢通入990g环氧乙烷,保持温度120℃,0.2MPa的压力下,反应至压力不再下降,抽真空至-0.08MPa,维持30min后,冷却降温至90℃,出料,用磷酸中和至pH=7.5,趁热抽滤分离无机盐,收集滤液得到支化活性大单体1。
支化活性大单体2~8的制备方法与支化活性大单体1的制备过程基本一致。其中环氧化合物的无规共聚采用环氧乙烷(EO)和环氧丙烷(PO)提前混合均匀后一起通料进行反应;嵌段共聚采用EO和PO先后依次通料进行反应;交替共聚采用EO和PO分别反复通料进行反应。
支化活性大单体的分子量及结构表征分别采用凝胶渗透色谱(GPC)和傅里叶变换红外光谱(FT-IR)进行。如图1所示为支化活性大单体1的GPC谱图,通过谱图与聚乙二醇标准物谱图对照计算得到支化活性大单体1的重均分子量为3980。图2所示为支化活性大单体1的FT-IR谱图,谱图中证实了支化活性大单体1分子结构中官能团的特征吸收峰。
其中GPC的测试条件为:
凝胶柱:Shodex SB806+803两根色谱柱串联;
柱温:40℃;
洗提液:0.1M NaNO3水溶液;
流速:1.0ml/min;
进样量:20μl 0.5%样品的水溶液;
检测器:Shodex RI-71型示差折光检测器;
标准曲线制作用标准物:聚乙二醇GPC标样(Sigma-Aldrich,分子量1010000,478000,263000,118000,44700,18600,6690,1960,628,232)。
单链大单体的制备
将14.5g烯丙醇置于2L干燥的不锈钢高压反应釜中,加入0.6g甲醇钠为催化剂,搅拌混合均匀,密封反应釜。将反应釜抽空后,用氮气置换釜内空气三次,升温至120℃,同时保持反应釜连续抽真空30min后停止,然后连续缓慢通入990g环氧乙烷,保持温度120℃,0.2MPa的压力下,反应至压力不再下降,抽真空至-0.08MPa,维持30min后,降温至90℃,出料,用磷酸中和至pH=7.5,趁热抽滤分离无机盐,收集滤液得到平均分子量为3970的单链大单体1。
单链大单体2的制备方法与单链大单体1的制备过程基本一致。
具体所选用的末端含羟基的不饱和化合物、环氧化合物及其总加成数,以及实验测得所制备支化活性大单体的羟值和平均分子量见下表:
表1.支化活性大单体的基本结构
梳形共聚物水泥分散剂的制备
实施例中所述共聚物的分子量及支化活性大单体的转化率采用凝胶渗透色谱法(GPC)进行测定,测试条件如前所述,以聚乙二醇为标准物质绘制标准曲线。如图3所示为实施例1所制备的共聚物的GPC谱图,其中,左峰为共聚物的洗脱峰,经标准曲线计算其重均分子量为37600;右峰为支化大单体的洗脱峰,经标准曲线计算其重均分子量为3970。
支化活性大单体的转化率根据GPC谱图中左右峰的积分面积并由以下公式计算而得:
大单体转化率(%)=(1-I1×W0/I0×Wa)×100%
式中:I1为右峰的积分面积;
I0为左右峰总的积分面积;
W0为单体a和单体b的总质量;
Wa为单体a的质量。
梳形共聚物水泥分散剂对水泥的分散性能及坍落度保持能力的测试,参照国家标准GB 8076-2008《混凝土外加剂》相关规定执行。
[实施例1]
在装有温度计、搅拌器、滴液漏斗和氮气导管的1L玻璃反应器中,加入300g水,加入200g支化活性大单体1,搅拌升温溶解,并用氮气吹扫反应容器,升温至90℃,然后将17.4g马来酸、0.22g 3-巯基丙酸和80g水混合搅拌制成均匀的单体水溶液,将其匀速滴加至反应器中,滴加时间为4h,同时匀速滴加80g含有1.62g过硫酸钾的引发剂水溶液,滴加时间为4.5h,全部溶液滴加完毕后继续保温8h,然后降温至50℃,加入氢氧化钠中和至pH=7.5,得到固含量为32.2%的透明液体,共聚物分子量为37,600,支化活性大单体1的转化率为90.2%。
[实施例2]
在装有温度计、搅拌器、滴液漏斗和氮气导管的1L玻璃反应器中,加入200g水,加入200g支化活性大单体2,搅拌升温溶解,并用氮气吹扫反应容器,升温至95℃,然后将24.8g丙烯酸、1.61g 2-巯基丙酸和80g水混合搅拌制成均匀的单体水溶液,将其匀速滴加至反应器中,滴加时间为2h,同时匀速滴加50g含有4.33g过硫酸铵的引发剂水溶液,滴加时间为2.5h,全部溶液滴加完毕后继续保温4h,然后降温至50℃,加入氢氧化钾中和至pH=7.5,得到固含量为42.5%的透明液体,共聚物分子量为22,300,支化活性大单体2的转化率为93.3%。
[实施例3]
在装有温度计、搅拌器、滴液漏斗和氮气导管的1L玻璃反应器中,加入400g水,加入200g支化活性大单体3,搅拌升温溶解,并用氮气吹扫反应容器,升温至80℃,然后将36.8g丙烯酸钠、1.36g巯基乙酸和110g水混合搅拌制成均匀的单体水溶液,将其匀速滴加至反应器中,滴加时间为5h,同时匀速分别滴加含有1.02g过硫酸钾的120g水溶液和含有0.16g亚硫酸氢钠的120g水溶液,滴加时间为5.5h,全部溶液滴加完毕后继续保温6h,然后降温至50℃,加入氢氧化铵中和至pH=7,得到固含量为24.8%的透明液体,共聚物分子量为33,500,支化活性大单体3的转化率为92.6%。
[实施例4]
在装有温度计、搅拌器、滴液漏斗和氮气导管的1L玻璃反应器中,加入100g水,加入200g支化活性大单体4和1.25g质量分数为27.5%的双氧水,搅拌升温溶解,并用氮气吹扫反应容器,升温至45℃,然后将25.8g甲基丙烯酸、0.18g巯基乙醇、0.12g3-巯基丙酸和30g水混合搅拌制成均匀的单体水溶液,将其匀速滴加至反应器中,滴加时间为1h,同时匀速滴加30g含有0.48gL-抗坏血酸的水溶液,滴加时间为1.5h,全部溶液滴加完毕后继续保温3h,加入三乙醇胺中和至pH=6.5,得到固含量为59.6%的透明液体,共聚物分子量为47,500,支化活性大单体4的转化率为94.5%。
[实施例5]
在装有温度计、搅拌器、滴液漏斗和氮气导管的1L玻璃反应器中,加入100g水,加入200g支化活性大单体7,搅拌升温溶解,并用氮气吹扫反应容器,升温至60℃,然后将18.8g丙烯酸钠、15.1g马来酸,1.06g 3-巯基丙醇和50g水混合搅拌制成均匀的单体水溶液,将其匀速滴加至反应器中,滴加时间1.5h,同时分别匀速滴加60g溶有6.32g过硫酸铵的水溶液和60g溶有0.87g亚硫酸钠的水溶液,滴加时间为2h,全部溶液滴加完毕后继续保温2h,然后降温至50℃,加入碳酸钠中和至pH=8,得到固含量为46.1%的透明液体,共聚物分子量为28,700,支化活性大单体7的转化率为92.8%。
[实施例6]
在装有温度计、搅拌器、滴液漏斗和氮气导管的1L玻璃反应器中,加入200g水,加入200g支化活性大单体8和3.66g质量分数为27.5%的双氧水,搅拌升温溶解,并用氮气吹扫反应容器,升温至30℃,然后将18g丙烯酸、12.4g甲基丙烯酸钾,1.56g巯基乙醇和80g水混合搅拌制成均匀的单体水溶液,将其匀速滴加至反应器中,滴加时间为3h,同时匀速滴加90g含有1.52g七水硫酸亚铁的水溶液,滴加时间为3.5h,全部溶液滴加完毕后继续保温3h,加入氢氧化钠中和至pH=8,得到固含量为38.5%的透明液体,共聚物分子量为30,200,支化活性大单体8的转化率为95.6%。
[比较例1]
将实施例1中加入的200g支化活性大单体1,换成加入200g单链大单体1,其它合成条件不变,得到固含量为32.5%的棕色透明液体,共聚物分子量经GPC测试为38,800,单链大单体1的转化率为92.1%。。
[比较例2]
将实施例5中加入的200g支化活性大单体7,换成加入200g单链大单体2,其它合成条件不变,得到固含量为45.1%的棕色透明液体,共聚物分子量经GPC测试为29,800,单链大单体2的转化率为93.6%。
评价实施例1~6及比较例1~2中合成的梳形共聚物水泥分散剂对水泥的分散性能及坍落度保持能力,参照国家标准GB 8076-2008《混凝土外加剂》相关规定执行。试验在25℃环境下进行,试验水泥采用江南小野田52.5 P.II水泥,固定用水量,调整分散剂用量使新拌混凝土初始坍落度为21.0±1cm,采用相同的消泡剂调整混凝土含气量为3%左右。水泥分散剂的掺量以水泥的重量为基准计。试验结果见下表:
表2.本发明所述梳形共聚物水泥分散剂用于新拌混凝土的性能比较
从表2所示结果可以看出,与使用比较例1和比较例2水泥分散剂的混凝土样品相比,使用实施例1~6的本发明的水泥分散剂的混凝土样品以较小的掺入量均能使混凝土获得特定的坍落度及扩展度,显示出优良的对水泥分散的性能。另外,使用实施例1~6的本发明的水泥分散剂的混凝土样品在60分钟和90分钟后都表现出较小的坍落度和扩展度损失,说明该样品具有较好的水泥分散性及分散性保持能力。
Claims (16)
2.如权利要求1所述的梳形共聚物水泥分散剂的制备方法,其特征在于,单体a和b的摩尔比为1∶(1~10)。
4.如权利要求3所述的梳形共聚物水泥分散剂的制备方法,其特征在于,步骤(1)中式(III)所示的化合物c与缩水甘油的摩尔比为1∶1,将所述缩水甘油缓慢滴加入式(III)所示的化合物c中,滴加温度为80~120℃,滴加时间为4~10h。
5.如权利要求3所述的梳形共聚物水泥分散剂的制备方法,其特征在于,步骤(2)中烷氧基化的反应温度为100~150℃,反应压力为0.1~0.8MPa。
6.如权利要求5所述的梳形共聚物水泥分散剂的制备方法,其特征在于,步骤(2)中烷氧基化的反应温度为110~140℃,反应压力为0.3~0.5MPa。
7.如权利要求1或2所述的梳形共聚物水泥分散剂的制备方法,其特征在于,单体b含有通式(II)所表示物质中的至少一种物质。
8.如权利要求7所述的梳形共聚物水泥分散剂的制备方法,其特征在于,单体b为丙烯酸、甲基丙烯酸、马来酸、富马酸或它们的一价金属盐、二价金属盐、铵盐、有机胺盐中的至少一种。
9.如权利要求1或2所述的梳形共聚物水泥分散剂的制备方法,其特征在于,共聚反应的引发剂是自由基水溶性引发剂,引发剂占单体a+b总摩尔数的0.5%~10%。
10.如权利要求9所述的梳形共聚物水泥分散剂的制备方法,其特征在于,共聚反应中总的单体重量浓度控制在20~60%,反应温度为30~95℃,单体和引发剂溶液采取分开同时滴加的方式,单体和引发剂溶液滴加时间均控制在1.0~6.0小时。
11.如权利要求10所述的梳形共聚物水泥分散剂的制备方法,其特征在于,单体和引发剂滴加完后继续保温,保温时间为2.0~8.0小时。
12.如权利要求1或2所述的梳形共聚物水泥分散剂的制备方法,其特征在于,共聚反应中添加聚合链转移剂控制分子量,聚合链转移剂在聚合过程中的用量为单体a+b总摩尔数的0.5%~5.0%。
13.如权利要求1或2所述的梳形共聚物水泥分散剂的制备方法,其特征在于,梳形水泥共聚物分散剂的分子量为20,000~50,000。
16.如权利要求15所述的梳形共聚物水泥分散剂,其特征在于,x∶y=1∶(1~10)。
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