CN102826784A - 一种聚羧酸系减水剂及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种混凝土用减水剂及其制备方法，尤其是一种羧酸系减水剂及其制备方法，属于混凝土外加剂技术领域。本发明按质量份计，包括以下组分：甲基烯基聚氧乙烯醚大单体100份，不饱和羧酸、酰胺或酸酐4-18份，不饱和磺酸盐单体1-6份，氧化剂0.5-3份，还原剂0.01-0.5份，氢氧化钠3-15份，水100-200份。本发明通过一次性加料法使产品在低掺量下即表现出高减水、高保坍、与各种水泥和混凝土掺和料适应性好等特点，性价比高，其有益效果是：可进一步降低工业化生产中对生产设备和生产条件的要求，能耗更低，经济环保，利于推广应用。

Description

一种聚羧酸系减水剂及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种混凝土用减水剂及其制备方法，尤其是一种羧酸系减水剂及其一次性加料法制备方法，属于混凝土外加剂技术领域。

背景技术

减水剂是现代混凝土中除水泥、砂、石、水、掺和料外，必不可少的一个组分。采用混凝土减水剂是降低水泥用量、提高工业废渣利用率、实现混凝土耐久性和高性能的技术途径之一，是国内外相关人士研究开发的热点。在混凝土高性能化和功能化发展进程中，以高效减水剂为代表的化学外加剂所起的作用是关键性的。其生产和应用技术水平在很大程度上决定着当今混凝土材料生产技术和施工应用水平，它也是制备高性能混凝土和其它先进水泥基复合材料的关键材料和重要技术手段之一。

聚羧酸减水剂是以木质素磺酸盐为代表的第一代普通减水剂，和萘系、氨基磺酸系和密胺系减水剂为代表的第二代高效减水剂之后，于20世纪80年代得到研发成功并快速发展起来的第三代高性能减水剂产品。聚羧酸(盐)品种较多，如用于水处理剂的的聚马来酸等，用于吸水保水的聚丙烯酸钠等，以及用于织物整理剂的聚羧酸等，其中聚羧酸减水剂是用量最大的聚羧酸系产品。具有应用价值的聚羧酸减水剂是一种由含烯基聚氧乙烯醚或(甲基)丙烯酸聚氧乙烯酯大单体、不饱和羧酸以及其他不饱和单体共聚而成的具有梳状结构的水溶性高分子。原料品种多、分子结构组合自由度大、分子链中具有较多的活性基团、具有高效分散性、适用范围广、高性能化潜力大等是聚羧酸减水剂相对于其他高效减水剂的优点。因此，聚羧酸减水剂是近年来国内外研究和应用最为活跃的高性能减水剂之一。通过各种功能单体的共聚，可在聚合物分子中引入羧基、磺酸基、羟基、胺基等多种官能团，从而实现不同的应用性能。正是由于聚羧酸减水剂无可比拟的应用性能及其多样化的分子结构，近年来获得了越来越广泛的应用。它对于改善混凝土流动性、施工性、提高密实程度及耐久性、控制混凝土的引气、缓凝、泌水等都有重要的作用。目前，聚羧酸系减水剂分酯型（MPEG）和醚型（APEG/TPEG/GPEG）两大类。酯型聚羧酸系减水剂需先合成酯大单体，再与共聚单体共聚制得，但由于酯化生产工艺复杂，酯化温度高，酯化时间长，反应过程带水剂的使用和清除都将增大企业生产成本，产品性能受酯大单体的结构和纯度影响较大，限制了此类减水剂的工业化推广。醚型聚羧酸(PCE)减水剂出现虽然较晚，但从2008年开始生产应用，到目前聚羧酸产品中PCE减水剂已超过70%，发展非常迅速，主要是由于醚型聚羧酸减水剂生产工艺简单，耗能低，性能稳定，对设备要求相对较低，应用推广方便等因素促成，预计未来仍然有较大的发展空间。随着国民经济的快速发展和国家产业政策的陆续出台，给生产和应用都非常环保的聚羧酸系减水剂提供了新的发展契机。

目前，采用氧化还原体系在低温和常温下制备聚羧酸高性能减水剂的研究已多见报道，如公开号为CN102161733，名称为《缓释型聚羧酸系高性能减水剂的制备方法》的中国发明专利，采用不饱和聚氧乙烯醚和氧化剂作为底料溶于水中，在3-4小时内分别滴加还原剂和链转移剂的混合溶液和共聚单体溶液，滴加完毕熟化1-2小时后用碱液中和即得聚羧酸减水剂，由于采用低活化能的氧化还原体系引发单体共聚，常温即可聚合，达到产品无热源法生产；又如公开号为CN101983975，名称为《聚羧酸减水剂的制备方法》的中国发明专利，由甲基烯基聚氧乙烯聚氧丙烯醚，丙烯酸和富马酸在过氧化氢和雕白粉组成的氧化还原体系引发下30-50℃制得，其中聚醚大单体和富马酸溶于水中作为底料，丙烯酸和雕白粉采用双滴加方式加入反应体系中，滴加时间为4-5.5h，熟化时间为1-2h。此类聚羧酸减水剂制备大多是以含烯基聚醚大单体、氧化剂和其他反应性低的共聚单体作为底料，还原剂和反应性高的共聚单体采用双滴加方式，操作时需严格控制滴加速度，以避免活性大的小分子单体如丙烯酸发生自聚副反应，对操作控制和生产设备具有较高要求。公开号为CN 102558455 A，名称为《一种低掺量高减水型聚羧酸系减水剂及其制备方法》的中国发明专利公开了一种“一步一釜法”制备聚羧酸系减水剂，将嵌段型聚氧烯醚单体，不饱和羧酸或不饱和酸衍生物单体，烯基磺酸类单体和偶氮类或过氧类引发剂一次性投入反应釜中，在水溶液中自由基聚合，最后用碱性溶液中和而得；该方法比较滴加法具有工艺简单、操作简便、易于控制等优势，但由于没有选用更加适宜的物料和引发体系，造成反应温度在60-90℃，不仅由于升温降温过程带来的制备时间的延长，还对生产设备提出了更高的要求，也消耗了更多的能源，“一步一釜法”所带来的优势也大打折扣。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对现有技术存在的缺陷，提出一种聚羧酸减水及其制备方法，通过优化单体配比，和选择合适的引发体系，常温下一次性加料即可制得一种掺量低和减水率高的聚羧酸减水剂，工艺简单，对设备要求更低，经济性突出，市场竞争力更具优势。

本发明通过以下技术方案解决技术问题，一种聚羧酸系减水剂，按质量份计，包括以下组分：

甲基烯基聚氧乙烯醚大单体         100份

不饱和羧酸、酰胺或酸酐           4-18份

不饱和磺酸盐单体                 1-6份

氧化剂                           0.5-3份

还原剂                           0.01-0.5份

氢氧化钠                         3-15份

水                               100-200份。

其中，所述甲基烯基聚氧乙烯醚大单体为分子量1000-3000的异丁烯基聚氧乙烯醚或异戊烯聚氧乙烯醚中的至少一种。

所述不饱和羧酸为丙烯酸、甲基丙烯酸、马来酸、衣康酸或富马酸中的至少一种，所述不饱和酰胺为丙烯酰胺，所述不饱和酸酐为马来酸酐。当使用所述丙烯酸等高活性单体时，用量控制在所述大单体摩尔数的100%以内。

所述不饱和磺酸盐单体为乙烯基磺酸钠、烯丙基磺酸钠、甲基丙烯磺酸钠、苯乙烯磺酸钠或2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸钠中的至少一种。

所述氧化剂为过硫酸钾、过硫酸铵或过氧化氢中的至少一种。

所述还原剂为亚硫酸氢钠、抗坏血酸、硫酸亚铁、巯基乙酸或巯基丙酸中的至少一种。

本发明通过以下技术方案制备上述产品，其制备方法包括以下步骤：

步骤一、将所述质量份的以下组分加入反应容器：甲基烯基聚氧乙烯醚大单体，不饱和羧酸、酰胺或酸酐，不饱和磺酸盐单体以及氧化剂，再加入上述物质总质量80%-120%的水，搅拌均匀，保持温度在20-30℃，若室温偏低造成体系温度低于20℃，加热使体系升温至20-30℃；

步骤二、一次性加入还原剂水溶液；

步骤三、在30-45℃下，保温反应3-5h；

步骤四、用20％-50％氢氧化钠溶液调节保温反应后的产物pH值至6-7，即得目标产物。

    值得一提的是，上述步骤中，加入还原剂溶液后反应体系会因聚合放热而升温10-15℃，使后续整个反应过程都无需热源。

由于聚羧酸减水剂是具有不同竞聚率的不饱和单体之间的共聚反应，单体不同的竞聚率造成聚羧酸减水剂分子单元之间连接方式和活性的不同，进而影响分子结构和减水剂性能。竞聚率受物质本身物化性质、反应体系和反应条件等的影响。本发明的特点是（1）通过优化配方和生产工艺，对于丙烯酸类高活性单体，采用较低的用量，可以在较低温度下采用氧化/还原组分的一次性投料，无需控制滴加速度，在较短的反应时间内即可制得与传统工艺性能相近的减水率高、适应性好的聚羧酸减水剂产品，克服了传统工艺上只能靠滴加还原剂才能避免活性大的单体均聚趋势大的缺陷。（2）采用一次性投料，并采用氧化还原引发体系，常温下即可合成，保温过程在聚合放热带来的温升下进行，无需外来热源，反应工艺更加简化，对生产条件要求进一步降低，经济性突出，有利于工业化生产。（3）利用磺酸基提供的高分散性、羧基所具有的保坍性、酰胺基团在水泥颗粒表面吸附性强等特点，加上酸酐基团在强碱性混凝土拌和物中的“缓释”效应，使得本发明所制备的产品，在低掺量下即表现出高减水、高保坍、与各种水泥和混凝土掺和料适应性好等特点，性价比高， 其有益效果是：可进一步降低工业化生产中对生产设备和生产条件的要求，能耗更低，经济环保，利于推广应用。

具体实施方式

本发明实施例中采用的异丁烯聚氧乙烯醚、异戊烯聚氧乙烯醚分别购自浙江皇马化工集团有限公司、辽宁奥克化学股份有限公司和河北国蓬化工有限公司，其他原料均为市售工业级或试剂，实施例中所述百分比（浓度）均为质量百分比（浓度），此处不再赘述。

实施例一

    本实施例的聚羧酸系减水剂按以下步骤制备：

步骤一、将120g分子量为2400的异丁烯聚氧乙烯醚、2.7g衣康酸、10g马来酸酐、1.5g丙烯酸、2g烯丙基磺酸钠和0.8g 30%浓度双氧水倒入三口反应瓶中，再加入120g水，搅拌并加热至25℃；

步骤二、将0.25g抗坏血酸和0.15g巯基丙酸溶于40g水配成还原剂水溶液,并一次性加入反应瓶中，搅拌均匀；

步骤三、控制在30-45℃下反应4h；

步骤四、加入40％氢氧化钠溶液调节保温反应后产物pH值为6-7，即得聚羧酸系减水剂。

实施例二

本实施例的聚羧酸系减水剂按以下步骤制备：

步骤一、将120g分子量为2400的异丁烯聚氧乙烯醚、10g马来酸酐、2.2g甲基丙烯酸、2.5g富马酸、1.2g丙烯酰胺、2.3g甲基烯丙基磺酸钠和1.2g过硫酸铵倒入三口反应瓶中，再加入120g水，搅拌并加热至25℃；

步骤二、将0.2g抗坏血酸和0.01g硫酸亚铁溶于40g水配成还原剂水溶液，并一次性加入反应瓶中，搅拌均匀；

步骤三、控制在30-45℃温度范围下反应3.5h；

步骤四、加入40％氢氧化钠溶液调节产物pH值为6-7，即得聚羧酸系减水剂。

实施例三

本实施例的聚羧酸系减水剂按以下步骤制备：

步骤一、将120g分子量为2400的异戊烯聚氧乙烯醚、12g马来酸、3g富马酸、2.5g乙烯基磺酸钠和1.5g过硫酸铵倒入三口反应瓶中，再加入120g水，搅拌并加热至25℃；

步骤二、将0.2g抗坏血酸和0.2g巯基乙酸溶于40g水配成还原剂水溶液，并一次性加入反应瓶中，搅拌均匀；

步骤三、控制在30-45℃温度范围下反应4h；

步骤四、加入40％氢氧化钠溶液调节产物pH值为6-7，即得聚羧酸系减水剂。

实施例四

    本实施例的聚羧酸系减水剂按以下步骤制备：

步骤一、将120g分子量为2400的异戊烯聚氧乙烯醚、14g富马酸、2g丙烯酸、2.5g甲基烯丙基磺酸钠和1.5g过硫酸钾倒入三口反应瓶中，再加入120g水，搅拌并加热至25℃；

步骤二、将0.25g抗坏血酸和0.1g亚硫酸氢钠溶于40g水配成还原剂水溶液，并一次性加入三口瓶中，搅拌均匀；

步骤三、控制在30-45℃温度范围下反应4.5h；

步骤四、加入40％氢氧化钠溶液调节产物pH值为6-7，即得聚羧酸系减水剂。

实施例五

    本实施例的聚羧酸系减水剂按以下步骤制备：

步骤一、将80g分子量为2400的异丁烯聚氧乙烯醚、40g分子量为2000的异戊烯聚氧乙烯醚、12g马来酸酐、5g苯乙烯磺酸钠和1.2g过硫酸铵倒入三口反应瓶中，再加入120g水，搅拌并加热至25℃；

步骤二、将0.4g巯基丙酸溶于40g水配成还原剂水溶液，一次性加入到反应混合物中，搅拌均匀；

步骤三、控制在30-45℃温度范围下反应3h；

步骤四、加入40％氢氧化钠溶液调节产物pH值为6-7，即得聚羧酸系减水剂。

实施例六

    本实施例的聚羧酸系减水剂按以下步骤制备：

步骤一、将120g分子量为2400的异戊烯聚氧乙烯醚、5g马来酸酐、6g富马酸、2g丙烯酸、3.5g 2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸钠和0.8g 30%双氧水倒入三口反应瓶中，再加入120g水，搅拌并加热至25℃；

步骤二、将0.36g抗坏血酸溶于40g水配成还原剂水溶液,并一次性加入三口瓶中，搅拌均匀；

步骤三、控制在30-45℃温度范围下反应3.5h；

步骤四、加入40％氢氧化钠溶液调节产物pH值为6-7，即得聚羧酸系减水剂。

对比试验

本实施例的聚羧酸系减水剂按以下步骤制备：

步骤一、将120g分子量为2400的异戊烯聚氧乙烯醚、5g马来酸酐、6g富马酸、2g丙烯酸、3.5g 2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸钠和0.8g 30%双氧水倒入三口反应瓶中，再加入120g水，搅拌并加热至30℃；

步骤二、将0.36g抗坏血酸溶于40g水配成还原剂水溶液,1h内均匀滴加入反应体系中；

步骤三、滴加完毕后控制在30-45℃温度范围下反应3h；

步骤四、加入40％氢氧化钠溶液调节产物pH值为6-7，即得聚羧酸系减水剂。

将上述实施例制得的产品作净浆试验和混凝土试验，测试结果如下：a．净浆试验：

采用海螺P.O 42.5水泥，按照GB/T 8077-2000《混凝土外加剂匀质性试验方法》进行，W/C＝0.29，减水剂掺量为折固掺量，试验结果见表1： 

表1 水泥净浆流动度实验结果

由表1数据可以看出，本发明所制得的减水剂，在较低掺量下即可达到良好的流动性，流动性保持能力好。与比较例相比，性能相近，但采用非滴加方法可以节约设备成本，经济性更好，并且操作简便。

b．混凝土试验：

胶凝材料采用海螺P.O 42.5水泥，细集料采用中砂（细度模数2.8，含泥量0.3％），粗集料使用碎石（粒径5-20mm，连续级配，孔隙率40％），按照GB/T 8076-2008的要求进行混凝土试验，控制坍落度为（210±10），试验结果见表2。

表2 混凝土试验结果

从混凝土应用实例可以看出，本发明所制得的减水剂在较低掺量下即可得到高减水率、保坍性好等特点。

上述实施例生产过程为水溶液体系反应，无反应副产物，原料和生产过程中无明显刺激性气味，极大的改善了生产环境条件，无“三废”排放，生产工艺绿色化，环保性更好。

除上述实施外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种聚羧酸系减水剂，按质量份计，包括以下组分：

甲基烯基聚氧乙烯醚大单体         100份

不饱和羧酸、酰胺或酸酐           4-18份

不饱和磺酸盐单体                 1-6份

氧化剂                           0.5-3份

还原剂                           0.01-0.5份

氢氧化钠                         3-15份

水                               100-200份。

2.根据权利要求1所述聚羧酸系减水剂，其特征在于：所述甲基烯基聚氧乙烯醚大单体为分子量1000-3000的异丁烯基聚氧乙烯醚或异戊烯聚氧乙烯醚中的至少一种。

3.根据权利要求1所述聚羧酸系减水剂，其特征在于：所述不饱和羧酸为丙烯酸、甲基丙烯酸、马来酸、衣康酸或富马酸中的至少一种，所述不饱和酰胺为丙烯酰胺，所述不饱和酸酐为马来酸酐。

4.根据权利要求1所述聚羧酸系减水剂，其特征在于：所述不饱和磺酸盐单体为乙烯基磺酸钠、烯丙基磺酸钠、甲基丙烯磺酸钠、苯乙烯磺酸钠或2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸钠中的至少一种。

5.根据权利要求1所述聚羧酸系减水剂，其特征在于：所述氧化剂为过硫酸钾、过硫酸铵或过氧化氢中的至少一种。

6.根据权利要求1所述聚羧酸系减水剂，其特征在于：所述还原剂为亚硫酸氢钠、抗坏血酸、硫酸亚铁、巯基乙酸或巯基丙酸中的至少一种。

7.根据权利要求1所述的聚羧酸系减水剂的制备方法，包括以下步骤：

步骤一、将所述质量份的以下组分加入反应容器中：甲基烯基聚氧乙烯醚大单体，不饱和羧酸、酰胺或酸酐，不饱和磺酸盐单体，以及氧化剂，再加入上述物质总质量80%-120%的水，搅拌均匀，保持反应体系温度20-30℃；

步骤二、向反应体系中一次性加入还原剂水溶液；

步骤三、在30-45℃下，保温反应3-5h；

步骤四、用20％-50％氢氧化钠溶液调节保温反应后的产物pH值至6-7，即得目标产物。

8.根据权利要求7所述聚羧酸系减水剂的制备方法，其特征在于：加入还原剂溶液后，后续整个反应过程无需热源。