CN103193410B - 一种减缩型聚羧酸减水剂及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种减缩型聚羧酸减水剂的制备方法，将甲基丙烯磺酸钠、烯丙基聚乙二醇、甲基丙烯酸及二乙二醇二甲基单丁醚马来酸酐单酯和水按适宜比例配比，在引发剂过硫酸铵引发下，在50～100℃下保持恒温反应3～7h，反应产物冷却后用NaOH溶液调节pH为6～8，得到高分子共聚物的水溶液，即减缩型聚羧酸减水剂。本发明还公开了一种新型的减缩型聚羧酸减水剂。本发明的减缩型聚羧酸减水剂，原材料来源丰富，合成工艺简单，易于操作，掺量较低时具有很好的减水减缩功能，并能适当引气，具有较好的市场前景和经济效益。

Description

一种减缩型聚羧酸减水剂及其制备方法

技术领域

本发明涉及聚羧酸减水剂技术领域，特别涉及一种减缩型聚羧酸减水剂及其制备方法。

背景技术

基于对现代化建筑的高要求，现代混凝土逐渐朝着高强、高性能方向发展。然而，由于混凝土的脆性，混凝土过大的收缩一直成为影响混凝土工程质量的一个重要因素。收缩引起混凝土内部出现的裂缝，不仅降低了其强度，加快混凝土的劣化过程且增加了其它有害物质进入混凝土内部的通道，易使混凝土发生钢筋锈蚀、碱骨料反应等耐久性的问题。如果能减少混凝土的收缩，就能有效地控制混凝土内部缺陷的发生并降低开裂的风险。聚羧酸系减水剂由于具有减水率高、流动度保持性好、绿色环保及结构可设计等优点，是现代混凝土组成中重要部分，已被工程界广泛接受。具有较好减缩功能的聚羧酸系减水剂，由于在聚羧酸减水剂分子结构的侧链上接枝上减缩基团，从而在具备高减水率的同时具有良好的减缩效果。因此研制出一种具有减缩功能的聚羧酸系减水剂对改善混凝土材料和结构的体积稳定性，防治开裂，进而提高混凝土材料和结构的耐久性具有重要的意义。

Sugiyama T等在聚羧酸减水剂分子结构侧链上接枝二乙二醇二丙二醇单丁醚类减缩官能团，合成的减缩型减水剂掺量仅为0.3%时，比同类聚羧酸减水剂减少收缩20％以上，并且具有与同类聚羧酸减水剂相当的减水率、分散性能及保坍性能。Nakanishi H和Tamaki S合成的一种聚羧酸减水剂也能减少混凝土20％左右的干缩。Yamada K等研制的减缩增强型聚羧酸减水剂，掺量只需0.8%，其减缩能力与复掺0.8%聚羧酸减水剂和2.0%减缩剂的减缩性能相差无异。Sugamata T等合成的减缩功能型聚羧酸减水剂能明显地降低自收缩，也能降低干燥收缩，但是却降低抗压强度1-5MPa。CN200510057130采用丙烯酸、丙乙烯和引发剂混合并搅拌均匀，制备出单体混合液，再在有氮气保护的环境下进行聚合反应，最后在所得聚合物溶液中加入一定量的聚乙二醇和催化剂酯化反应得到聚丙烯类减缩剂。CN200710190130则是利用马来酸酐和一缩二乙二醇二丙二醇单丁醚酯化制得具有减缩功能团的单体，然后再氮气保护下同时滴加引发剂、烯丙醇醚、甲基丙烯酸及减缩单体。该减水剂不仅具有较高的减水率和分散性能，还可以较好地降低混凝土的干燥收缩，且成本不是很高，但此方法中各种反应物的反应程度还有待提高，一缩二乙二醇二丙二醇单丁醚国内不多，且整个反应时间过长。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明的目的在于提供一种减缩型聚羧酸减水剂，掺量较低时具有很好的减水减缩功能，并能适当引气。

本发明的另一目的在于提供上述减缩型聚羧酸减水剂的制备方法，制备工艺简单原材料来源丰富，合成工艺简单，易于操作。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种减缩型聚羧酸减水剂，其相对分子质量为10000～50000，分子结构如下：

式中，X、Y、Z、W均为5～50的整数；减缩基团为马来酸酐酯基团。

上述减缩型聚羧酸减水剂的制备方法，包括以下步骤：

（1）称量单体及引发剂过硫酸铵，所述过硫酸铵的质量为单体质量的1%～5%；所述单体由烯丙基聚乙二醇、二乙二醇二甲基单丁醚马来酸酐单酯、甲基丙烯酸和甲基丙烯磺酸钠组成，烯丙基聚乙二醇、二乙二醇二甲基单丁醚马来酸酐单酯、甲基丙烯酸和甲基丙烯磺酸钠的摩尔比为：0.5～1.2:0.8～3:0.8～3:0.1～0.4；

（2）在甲基丙烯磺酸钠和蒸馏水的混合液中通入氮气，除去混合液中的氧气，加热并搅拌至反应温度50～100℃；

（3）然后开始以2～10ml/mim的速度滴加烯丙基聚乙二醇、甲基丙烯酸及二乙二醇二甲基单丁醚马来酸酐单酯的混合水溶液，同时，一边以2～10ml/mim的速度滴加引发剂过硫酸铵水溶液；滴加完后，再保持温度为50～100℃反应1～4h；

（4）反应结束后，冷却至20～30℃，在反应液中滴入质量百分比浓度为20%～55%氢氧化钠溶液，调节pH=6～8，得到高分子共聚物的水溶液，即减缩型聚羧酸减水剂。

所述二乙二醇二甲基单丁醚马来酸酐单酯的分子式如下：

所述二乙二醇二甲基单丁醚马来酸酐单酯的制备方法如下：

将马来酸酐加热至40～65℃使其全部熔化后，再加入二乙二醇单丁醚和催化剂对甲苯磺酸继续加热到为80～140℃，恒温酯化3～6h后，冷却出料，再通过真空抽滤提纯即得到二乙二醇单丁醚马来酸酐单酯；所述马来酸酐与二乙二醇单丁醚摩尔比为2～4:0.5～1.5，催化剂对甲苯磺酸为二乙二醇二甲基单丁醚质量的2%～5%。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

（1）本发明首次将二乙二醇二甲基单丁醚马来酸酐单酯（DGMA）应用于减缩型聚羧酸减水剂的制备，克服了醇类、氨基醇类、聚氧乙烯类以及醚类等制备的减缩型聚羧酸减水剂长期减缩效果不够理想、成本较高、与引气组分相容性差等缺点。

（2）本发明所制备的聚羧酸减水剂的分子结构中主要基团有醚基、羧酸基、酮基、甲基和亚甲基等，在聚合过程能与MAS、APEG、MAA发生反应，聚合后产生较大的物理空间阻碍效应，显著提高了减水效果，同时具有良好的减缩功能。

（3）本发明所制备的聚羧酸减水剂，具有优良的性能如低掺入量，高减水率，高减缩率，适当引气等，同时，可以通过调整原料的分子量以及相互之间的摩尔比，来满足不同水泥的应用要求。在混凝土中掺入量一般为胶材总重量的0.2%～0.3%左右，具有良好的减水率和减缩率。减水率最高可达27%，砂浆3d收缩率减少30%以上，28d收缩率减少约为35%以上。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

（1）二乙二醇二甲基单丁醚马来酸酐单酯（DGMA）的制备

在装有温度计、搅拌器和回流冷凝管的三口烧瓶中加入2mol马来酸酐（MAD），加热至40℃使其全部熔化后，再加入1.5mol二乙二醇单丁醚（DGBE）和0.03mol（二乙二醇二甲基单丁醚质量的2%）催化剂对甲苯磺酸（p-TSA）继续加热到80℃，恒温酯化3h后，冷却出料，再通过真空抽滤提纯即得到二乙二醇单丁醚马来酸酐单酯（DGMA），其分子式如下：

（2）以二乙二醇二甲基单丁醚马来酸酐单酯（DGMA）为原料制备减缩型聚羧酸减水剂

在装有温度计、机械搅拌器、冷凝回流装置及四口瓶烧瓶的实验装置中，往四口瓶中加入0.1mol的甲基丙烯磺酸钠（MAS）和5.5mol蒸馏水的混合液，通入氮气除去其中的氧气，在恒温水浴上加热并搅拌至反应温度50℃。然后开始缓慢滴加0.5mol单体烯丙基聚乙二醇（APEG）、0.8mol甲基丙烯酸（MAA）及0.8mol二乙二醇二甲基单丁醚马来酸酐单酯（DGMA）混合水溶液的同时，一边缓慢滴加0.06mol（单体质量的1%）引发剂过硫酸铵（APS）水溶液；大约3h滴加完后，再保持恒温反应1h。反应结束后，冷却至20℃左右，取出倒入指定容器中，滴入质量百分比浓度为20%氢氧化钠溶液，调节pH=6，得到高分子共聚物的水溶液，即减缩型聚羧酸减水剂，具有以下分子结构：

式中，X、Y、Z和W分别为12、25、22和50。

实施例2

（1）二乙二醇二甲基单丁醚马来酸酐单酯（DGMA）的制备

在装有温度计、搅拌器和回流冷凝管的三口烧瓶中加入3mol马来酸酐（MAD），加热至65℃使其全部熔化后，再加入0.8mol二乙二醇单丁醚（DGBE）和0.02mol（二乙二醇二甲基单丁醚质量的3%）催化剂对甲苯磺酸（p-TSA）继续加热到140℃，恒温酯化6h后，冷却出料，再通过真空抽滤提纯即得到二乙二醇单丁醚马来酸酐单酯（DGMA）。

（2）以二乙二醇二甲基单丁醚马来酸酐单酯（DGMA）为原料制备减缩型聚羧酸减水剂

在装有温度计、机械搅拌器、冷凝回流装置及四口瓶烧瓶的实验装置中，往四口瓶中加入0.3mol的甲基丙烯磺酸钠（MAS）和5.5mol蒸馏水的混合液，通入氮气除去其中的氧气，在恒温水浴上加热并搅拌至反应温度70℃。然后开始缓慢滴加0.6mol单体烯丙基聚乙二醇（APEG）、1mol甲基丙烯酸（MAA）及1mol二乙二醇二甲基单丁醚马来酸酐单酯（DGMA）的混合水溶液的同时，一边缓慢滴加0.14mol（单体质量的2%）引发剂过硫酸铵（APS）水溶液；大约2h滴加完后，再保持恒温反应4h。反应结束后，冷却至30℃左右，取出倒入指定容器中，滴入质量百分比浓度为55%氢氧化钠溶液，调节pH=8，得到高分子共聚物的水溶液，即减缩型聚羧酸减水剂，具有以下分子结构：

式中，X、Y、Z、W分别为14、50、26和12。

实施例3

（1）二乙二醇二甲基单丁醚马来酸酐单酯（DGMA）的制备

在装有温度计、搅拌器和回流冷凝管的三口烧瓶中加入4mol马来酸酐（MAD），加热至55℃使其全部熔化后，再加入0.5mol二乙二醇单丁醚（DGBE）和0.02mol（二乙二醇二甲基单丁醚质量的5%）催化剂对甲苯磺酸（p-TSA）继续加热到135℃，恒温酯化5h后，冷却出料，再通过真空抽滤提纯即得到二乙二醇单丁醚马来酸酐单酯（DGMA）。

（2）以二乙二醇二甲基单丁醚马来酸酐单酯（DGMA）为原料制备减缩型聚羧酸减水剂

在装有温度计、机械搅拌器、冷凝回流装置及四口瓶烧瓶的实验装置中，往四口瓶中加入0.4mol的甲基丙烯磺酸钠（MAS）和11mol蒸馏水的混合液，通入氮气除去其中的氧气，在恒温水浴上加热并搅拌至反应温度90℃。然后开始缓慢滴加0.6mol单体烯丙基聚乙二醇（APEG）、1mol甲基丙烯酸（MAA）及3mol二乙二醇二甲基单丁醚马来酸酐单酯（DGMA）的混合水溶液的同时，一边缓慢滴加0.47mol（单体质量的5%）引发剂过硫酸铵（APS）水溶液；大约2.5h滴加完后，再保持恒温反应3.5h。反应结束后，冷却至30℃左右，取出倒入指定容器中，滴入质量百分比浓度为35%氢氧化钠溶液，调节pH=6.8，得到高分子共聚物的水溶液，即减缩型聚羧酸减水剂，具有以下分子结构：

式中，X、Y、Z、W分别为5、44、50和32。

实施例4

（1）二乙二醇二甲基单丁醚马来酸酐单酯（DGMA）的制备

在装有温度计、搅拌器和回流冷凝管的三口烧瓶中加入3.5mol马来酸酐（MAD），加热至50℃使其全部熔化后，再加入1.2mol二乙二醇单丁醚（DGBE）和0.045mol（二乙二醇二甲基单丁醚质量的4%）催化剂对甲苯磺酸（p-TSA）继续加热到100℃，恒温酯化6h后，冷却出料，再通过真空抽滤提纯即得到二乙二醇单丁醚马来酸酐单酯（DGMA）。

（2）以二乙二醇二甲基单丁醚马来酸酐单酯（DGMA）为原料制备减缩型聚羧酸减水剂

在装有温度计、机械搅拌器、冷凝回流装置及四口瓶烧瓶的实验装置中，往四口瓶中加入0.3mol的甲基丙烯磺酸钠（MAS）和11mol蒸馏水的混合液，通入氮气除去其中的氧气，在恒温水浴上加热并搅拌至反应温度85℃。然后开始缓慢滴加380g单体烯丙基聚乙二醇1.2mol、3mol甲基丙烯酸（MAA）及1mol二乙二醇二甲基单丁醚马来酸酐单酯（DGMA）的混合水溶液的同时，一边缓慢滴加0.4mol（单体质量的3%）引发剂过硫酸铵（APS）水溶液；大约3h滴加完后，再保持恒温反应4h。反应结束后，冷却至30℃左右，取出倒入指定容器中，滴入质量百分比浓度为25%氢氧化钠溶液，调节pH=7.2，得到高分子共聚物的水溶液，即减缩型聚羧酸减水剂，具有以下分子结构：

式中，X、Y、Z、W分别为11、24、42和25。

实施例5

（1）二乙二醇二甲基单丁醚马来酸酐单酯（DGMA）的制备

在装有温度计、搅拌器和回流冷凝管的三口烧瓶中加入4mol马来酸酐（MAD），加热至50℃使其全部熔化后，再加入1.5mol二乙二醇单丁醚（DGBE）和0.04mol（二乙二醇二甲基单丁醚质量的4%）催化剂对甲苯磺酸（p-TSA）继续加热到140℃，恒温酯化5.5h后，冷却出料，再通过真空抽滤提纯即得到二乙二醇单丁醚马来酸酐单酯（DGMA）。

（2）以二乙二醇二甲基单丁醚马来酸酐单酯（DGMA）为原料制备减缩型聚羧酸减水剂

在装有温度计、机械搅拌器、冷凝回流装置及四口瓶烧瓶的实验装置中，往四口瓶中加入0.4mol的甲基丙烯磺酸钠（MAS）和11mol蒸馏水的混合液，通入氮气除去其中的氧气，在恒温水浴上加热并搅拌至反应温度80℃。然后开始缓慢滴加0.5mol单体烯丙基聚乙二醇（APEG）、3mol甲基丙烯酸（MAA）及3mol二乙二醇二甲基单丁醚马来酸酐单酯（DGMA）的混合水溶液的同时，一边缓慢滴加0.19mol（单体质量的2%）引发剂过硫酸铵（APS）水溶液；大约3h滴加完后，再保持恒温反应4.5h。反应结束后，冷却至30℃左右，取出倒入指定容器中，滴入质量百分比浓度为20%氢氧化钠溶液，调节pH=6.8，得到高分子共聚物的水溶液，即减缩型聚羧酸减水剂，具有以下分子结构：

式中，X、Y、Z、W分别为13、36、22和19。

下面对实施例1～5所制备的减水剂进行的性能进行测试：

一、净浆流动度测试

对以上5个实施例制备的减缩型聚羧酸减水剂根据GB/T8077-2000《混凝土外加剂匀质性实验方法》进行了水泥净浆流动度测定。减水剂固掺量为减水剂固体含量与胶凝材料质量百分比，固定其水灰比0.29，减水剂掺量为0.3%，测定水泥新拌浆体及1小时后浆体流动度。水泥为广州粤秀水泥厂生产的P.Ⅱ42.5R水泥，测试结果如表1所示：

表1实施例1～5制备的减缩型聚羧酸减水剂的水泥净浆流动度

样品	0h净浆流动度(mm)	0.5h净浆流动度(mm)	1h净浆流动度(mm)
				实施例1	255	268	246
实施例2	245	255	238
				实施例3	242	250	235
实施例4	250	258	240
				实施例5	245	254	240

二．干缩测试

参照国标JC/T603-2004《水泥胶砂干缩试验方法》测定掺有所制备的减水剂和空白样的水泥砂浆干缩率，在砂浆收缩试验中应保持水泥、砂的配合比不变，减水剂掺量为0.3%，保持砂浆的流动度在140±5mm。

表2掺有实施例1～5制备的减缩型聚羧酸减水剂的水泥砂浆和空白样干缩率

样品	3d收缩率比(%)	28d收缩率比(%)
			空白样	100	100
实施例1	35.0	38.8
			实施例2	33.4	36.5
实施例3	31.8	35.7
			实施例4	32.2	36.2
实施例5	33.5	37.6

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种减缩型聚羧酸减水剂，其特征在于，其相对分子质量为10000～50000，分子结构如下：

式中，X、Y、Z、W均为5～50的整数；减缩基团为马来酸酐酯基团。

2.权利要求1所述减缩型聚羧酸减水剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)称量单体及引发剂过硫酸铵，所述过硫酸铵的质量为单体质量的1％～5％；所述单体由烯丙基聚乙二醇、二乙二醇二甲基单丁醚马来酸酐单酯、甲基丙烯酸和甲基丙烯磺酸钠组成，烯丙基聚乙二醇、二乙二醇二甲基单丁醚马来酸酐单酯、甲基丙烯酸和甲基丙烯磺酸钠的摩尔比为：0.5～1.2:0.8～3:0.8～3:0.1～0.4；

(2)在甲基丙烯磺酸钠和蒸馏水的混合液中通入氮气，除去混合液中的氧气，加热并搅拌至反应温度50～100℃；

(3)然后开始以2～10ml/mim的速度滴加烯丙基聚乙二醇、甲基丙烯酸及二乙二醇二甲基单丁醚马来酸酐单酯的混合水溶液，同时，一边以2～10ml/mim的速度滴加引发剂过硫酸铵水溶液；滴加完后，再保持温度为50～100℃反应1～4h；

(4)反应结束后，冷却至20～30℃，在反应液中滴入质量百分比浓度为20％～55％的氢氧化钠溶液，调节pH＝6～8，得到高分子共聚物的水溶液，即减缩型聚羧酸减水剂。

3.根据权利要求2所述减缩型聚羧酸减水剂的制备方法，其特征在于，所述二乙二醇二甲基单丁醚马来酸酐单酯的分子式如下：

4.根据权利要求3所述减缩型聚羧酸减水剂的制备方法，其特征在于，所述二乙二醇二甲基单丁醚马来酸酐单酯的制备方法如下：

将马来酸酐加热至40～65℃使其全部熔化后，再加入二乙二醇单丁醚和催化剂对甲苯磺酸继续加热到为80～140℃，恒温酯化3～6h后，冷却出料，再通过真空抽滤提纯即得到二乙二醇单丁醚马来酸酐单酯；所述马来酸酐与二乙二醇单丁醚摩尔比为2～4:0.5～1.5，催化剂对甲苯磺酸为二乙二醇二甲基单丁醚质量的2％～5％。