CN103387352A

CN103387352A - 一种螺杆挤出法制备生物质减水剂

Info

Publication number: CN103387352A
Application number: CN2013103153201A
Authority: CN
Inventors: 王万金; 贺奎; 赖振峰; 马强; 李晓飞
Original assignee: Beijing Building Construction Research Institute Co Ltd
Current assignee: Beijing Building Construction Research Institute Co Ltd
Priority date: 2013-07-25
Filing date: 2013-07-25
Publication date: 2013-11-13
Anticipated expiration: 2033-07-25
Also published as: CN103387352B

Abstract

本文公开了一种螺杆挤出法制备生物质减水剂的方法，属于混凝土外加剂技术领域。它通过螺杆挤出反应，在淀粉分子上引入强极性亲水基团制备出生物质减水剂。该种材料包括淀粉20～75wt％、酯化剂0～25wt％、磺化剂3～30wt％、催化剂0～25wt％、蒸馏水30～70wt％和液碱(30％浓度)1～5wt％。优点在于，与现有技术相比，具有操作工艺简便、反应效率高和绿色无污染等特点。通过所述方法制备的生物质减水剂成本低、性能稳定、减水率高、对水泥适应性强，并与萘系、聚羧酸减水剂具有良好的匹配性和协同增效作用。

Description

一种螺杆挤出法制备生物质减水剂

技术领域

本发明属于混凝土外加剂技术领域，特别涉及一种绿色安全的螺杆挤出法制备生物质减水剂的方法。

技术背景

我国建筑业正处于蓬勃发展阶段，随着建筑技术的高速发展，混凝土材料已成为当今世界上用处最广、用量最大的建筑结构材料，混凝土技术的发展推动建筑技术的发展，混凝土质量的好坏直接影响建筑物的质量和施工效率。而混凝土外加剂是混凝土的核心材料。在我国大规模的基础设施建设中，发展绿色减水剂应用关键技术对于提升绿色建筑、耐久建筑和节能建筑有着重大的推动作用。

目前市场上占90％的减水剂是通过石油化工和煤化工来源的化工原材料产生，主要有工业萘、聚醚、甲醛、硫酸、丙烯酸等原材料，这类减水剂在生产过程中消耗大量的化石原料和化石能源，生产过程中能耗大，碳排放较高，特别是萘系减水剂，产品中残余甲醛、杂环等致癌物质，特别是在居住建筑物中，具有居住环境污染性。淀粉是地球上的第二大生物质，也是一种可再生的资源，在自然界中储量非常丰富，具有完全可降解，对环境无污染、价格低廉等优点。在当今普遍面临石化资源日益减少，以及石油化工产品原料成本迅速上涨的压力下，有效地利用淀粉获取混凝土外加剂具有广阔的前景。

现代混凝土技术不仅要求混凝土流动性、和易性、可泵送性能良好，而且硬化混凝土强度高和耐久性能优良，在民用建筑物中，还有绿色环保的要求，这些技术性能的达到很大程度上依赖于不断发展的混凝土外加剂来实现。而生物质高效减水剂本身碱含量低，带人混凝土中的碱含量大大降低；在生产过程中无三废的产出，产品本身又是可再生的淀粉基环保产品，不含甲醛等挥发物质，因此，特别是在居民住宅工程中，更是环保绿色产品。

发明内容

本发明的目的是提供一种原料可再生、制备工艺简单、绿色无污染的生物质减水剂制备方法。按照本制备方法得到的产品成本低，与现有萘系减水剂配伍使用，具有良好的协同增效作用，既可以提高减水率，又能改善和易性。同时它与聚羧酸减水剂复配相容性好，能够降低聚羧酸减水剂敏感性，增加黏聚性，有效解决聚羧酸在混凝土中出现的离析、泌水等问题。

为了达到上述设计目的，本发明采用的技术方案如下：

一种螺杆挤出法制备的生物质减水剂包括：淀粉：20～75wt％；酯化剂：0～25wt％；磺化剂：3～30wt％；催化剂：0～25wt％；蒸馏水：30～70wt％；液碱(30％浓度)：1～5wt％。

针对一种螺杆挤出法制备生物质减水剂的方法，其具体步骤如下：

1、称取20～75wt％淀粉、0～25wt％酯化剂、3～30wt％磺化剂、0～25wt％催化剂，在混合设备中混合均匀；

2、将步骤1得到的共混物，在60～160℃，经螺杆挤出机熔融挤出。螺杆挤出机的加工温度从加料口到出口依次为：60～100℃、80～120℃、90～140℃、100～160℃，螺杆转速60～140r/min，物料在螺筒中停留时间为3～10min：

3、将步骤2得到的挤出熔体置于搅拌罐中，加入30～70wt％蒸馏水，并加入1～5wt％液碱调节pH值至5～7，搅拌10～60min，得到所述的生物质减水剂。

优选地，其具体操作步骤为：

其中，步骤1中的优选范围为：淀粉：20～50wt％，酯化剂：0～15wt％，磺化剂：3～20wt％，催化剂：0～10wt％；

步骤2中的优选范围为：螺杆挤出机的加工温度从加料口到出口依次为：60～90℃、80～110℃、90～120℃、100～150℃，螺杆转速80～120r/min，物料在螺筒中停留时间为3～8min；

步骤3中的优选范围为：蒸馏水：50～70wt％，液碱2～5wt％。

该材料的制备原理为：所述的酯化剂、磺化剂在配方体系中与淀粉分子结构中的羟基进行酯化和磺化反应，从而在淀粉分子中引入强极性亲水基团羧基、磺酸基，提高淀粉的水溶性及其在水泥颗粒表面的吸附能力，起到减水的作用。

本发明的优点在于：

1、选用价格低廉、可再生的淀粉作为主要原材料，采用螺杆反应挤出工艺，制备出的产品属于一种绿色混凝土外加剂。因此，低成本是它的最大竞争优势。

2、通过该方法制备的生物质减水剂，单独作为减水剂使用时，性能稳定、减水率可达15～20％，提高掺量可以适当增加缓凝性。与萘系、聚羧酸减水剂相容性好。它与萘系减水剂具有良好的协同作用，能大大提高混凝土的减水和工作性能。在聚羧酸减水剂中掺入少量的生物质减水剂即可改善混凝土的工作状态，包括其和易性、黏聚性，兼具辅助减水作用。

3、本发明在生产、使用过程中无毒、无味，无三废排放。

具体实施方式

实施例1：

一种螺杆挤出法制备的生物质减水剂包括：玉米淀粉：20wt％；顺丁烯二酸酐：3.5wt％；氨基磺酸：8.3wt％；N，N-二甲基乙酰胺：7.5wt％；尿素：2.5wt％；蒸馏水：55wt％；液碱(30％浓度)：3.2wt％。

1、称取2000g玉米淀粉、350g顺丁烯二酸酐、830g氨基磺酸、750gN，N-二甲基乙酰胺、250g尿素，在高速搅拌混合器中混合均匀；

2、将上述得到的共混物经双螺杆挤出机熔融挤出。螺杆挤出机的加工温度从加料口到出口依次为：70℃、90℃、100℃、120℃，螺杆转速80r/min，物料在螺筒中停留时间为3～5min；

3、将挤出熔体置于搅拌罐中，加入5500g蒸馏水，搅拌30min使之完全溶解，再加入320g液碱(30％浓度)中和，调节pH值至6.5，得到生物质减水剂。

实施例2

一种螺杆挤出法制备的生物质减水剂包括：木薯淀粉：22wt％；丁二酸酐：4.8wt％；氯磺酸：8wt％；对氨基苯磺酸：4.5wt％；蒸馏水：56.5wt％；液碱(30％浓度)：4.2wt％。

1、称取2200g木薯淀粉、480g丁二酸酐、800g氯磺酸、450g对氨基苯磺酸，在高速搅拌混合器中混合均匀；

2、将上述得到的共混物经单螺杆挤出机熔融挤出。螺杆挤出机的加工温度从加料口到出口依次为：80℃、100℃、115℃、130℃，螺杆转速90r/min，物料在螺筒中停留时间为3～6min；

3、将挤出熔体置于搅拌罐中，加入5650g蒸馏水，搅拌30min使之完全溶解，再加入420g液碱(30％浓度)中和，调节pH值至6.8，得到生物质减水剂。

实施例3

一种螺杆挤出法制备的生物质减水剂包括：氧化淀粉：24wt％；乙二酸：4.9wt％；磷酸二氢钠：2.2wt％；氯磺酸：6.5wt％；N，N-二甲基甲酰胺：8.2wt％；蒸馏水：51wt％；液碱(30％浓度)：3.2wt％。

1、称取2400g氧化淀粉、490g乙二酸、220g磷酸二氢钠、650g氯磺酸、820gN，N-二甲基甲酰胺，在高速搅拌混合器中混合均匀；

2、将上述得到的共混物经双螺杆挤出机熔融挤出。螺杆挤出机的加工温度从加料口到出口依次为：80℃、100℃、110℃、120℃，螺杆转速100r/min，物料在螺筒中停留时间为3～5min；

3、将挤出熔体置于搅拌罐中，加入5100g蒸馏水，搅拌30min使之完全溶解，再加入320g液碱(30％浓度)中和，调节pH值至6.4，得到生物质减水剂。

应用实例：

本发明制备的生物质减水剂可以单独使用，也可以与萘系、聚羧酸系减水剂配合使用。单独作为减水剂使用时其性能稳定、对水泥适应性强、与其它添加剂相容性好，水泥净浆流动度可达240mm以上，混凝土减水率可达18～25％，保坍时间为2～4h。按照GB8076-2008《混凝土外加剂》标准中高效减水剂测试要求，测试本发明制备的生物质减水剂的性能。试验材料为琉璃河P.O.42.5水泥，砂为河砂，石子为双级配碎石，试验结果见表1。

表1生物质减水剂的混凝土性能

上述实施例只用以说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种螺杆挤出法制备的生物质减水剂的方法，其特征在于，包括淀粉：20～75wt％；酯化剂：0～25wt％；磺化剂：3～30wt％；催化剂：0～25wt％；蒸馏水：30～70wt％；液碱(30％浓度)：1～5wt％，螺杆挤出法制备生物质减水剂是通过以下步骤实现的：

(1)称取20～75wt％淀粉、0～25wt％酯化剂、3～30wt％磺化剂、0～25wt％催化剂，在混合设备中混合均匀，得到共混物；

(2)将步骤(1)得到的共混物，在60～160℃，经螺杆挤出机熔融挤出。螺杆挤出机的加工温度从加料口到出口依次为：60～100℃、80～120℃、90～140℃、100～160℃，螺杆转速60～140r/min，物料在螺筒中停留时间为3～10min；

(3)将步骤(2)得到的挤出熔体置于搅拌罐中，加入30～70wt％蒸馏水，并加入1～5wt％液碱调节pH值至5～7，搅拌10～60min，得到所述的生物质减水剂。

2.根据权利要求1所述的一种螺杆挤出法制备的生物质减水剂的方法，其特征在于，所述的淀粉是玉米淀粉、木薯淀粉、红薯淀粉、土豆淀粉、小麦淀粉、氧化淀粉、醚化淀粉和糊精中的一种或多种。

3.根据权利要求1所述的一种螺杆挤出法制备的生物质减水剂的方法，其特征在于，所述的酯化剂是丁二酸酐、顺丁烯二酸酐、反丁烯二酸、乙二酸和磷酸二氢钠中的一种或多种。

4.根据权利要求1所述的一种螺杆挤出法制备的生物质减水剂的方法，其特征在于，所述的磺化剂是SO₃、浓硫酸、氯磺酸、氨基磺酸和亚硫酸氢钠中的一种或多种。

5.根据权利要求1所述的一种螺杆挤出法制备的生物质减水剂的方法，其特征在于，所述的催化剂是对甲苯磺酸、尿素、过硫酸铵、碳酸钠、碳酸钾、N，N-二甲基甲酰胺和N，N-二甲基乙酰胺中的一种或多种。

6.根据权利要求1所述的一种螺杆挤出法制备生物质减水剂的方法，其特征在于，所述的螺杆挤出机是单螺杆挤出机或双螺杆挤出机。

7.根据权利要求1所述的一种螺杆挤出法制备生物质减水剂的方法，其特征在于，步骤(1)中所述的淀粉：20～50wt％，酯化剂：0～15wt％，磺化剂：3～20wt％，催化剂：0～10wt％。

8.根据权利要求1所述的一种螺杆挤出法制备生物质减水剂的方法，其特征在于，步骤(2)中所述的螺杆挤出机的加工温度依次为：60～90℃、80～110℃、90～120℃、100～150℃，螺杆转速80～120r/min，物料在螺筒中停留时间为3～8min。

9.根据权利要求1所述的一种螺杆挤出法制备生物质减水剂的方法，其特征在于，步骤(3)中所述的蒸馏水：50～70wt％，液碱2～5wt％。