CN104530327B - 一种聚羧酸型水泥外加剂及其合成方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种新型聚羧酸型水泥外加剂及其合成方法。所述聚羧酸型水泥外加剂由含有聚氧乙烯醚基团的大单体和聚合添加料共聚制成；所述大单体为分子量在500‑3000范围内含有聚氧乙烯醚基团的大单体；所述聚合添加料包括共聚单体、引发剂、分子量调节剂、去离子水。本发明还提供了上述聚羧酸型水泥外加剂的合成方法：1)调和大单体；2)调配聚合添加料；3)聚合；4)后处理。本发明提供的聚羧酸型水泥外加剂用不同分子量的大单体混合获得分子量宽分布的大单体，并配以合适的聚合工艺，从而使所合成的聚合物在结构上更分散伸展，从而最大限度发挥聚合物中各个构成单元的功能，并最终在性能上尤其是保塑性和减水性上表现优异。

Description

一种聚羧酸型水泥外加剂及其合成方法

技术领域

本发明属于高分子材料领域，涉及一种用于水泥、砂浆、混凝土搅拌的新型聚羧酸型水泥外加剂及其合成方法。

背景技术

水泥作为目前主要使用的建筑材料之一，随着我国经济发展和工业水平的提高，对其性能的要求也越来越高。通过添加合适的外加剂可以有效提高水泥的性能，从而满足道路桥梁，高楼建筑，大坝电站等许多领域建设的需求。聚羧酸型水泥外加剂是目前广泛使用的一种重要的水泥外加剂。比如聚羧酸系减水剂比萘系减水剂有着更高的减水效率，同时弥补了萘系减水剂混凝土坍落度损失快的不足。通过改变单体种类和配比等还可以制备出聚羧酸型塑性保持剂，缓凝剂，水泥助磨剂等。聚羧酸型外加剂的出现极大地促进了现代混凝土技术的发展。

目前，聚羧酸型外加剂在分子设计上一般都采用梳形结构，即主链由含羧基或磺酸基的碳链构成，侧链则由亲水性的含聚氧乙烯基的柔性长链构成。聚合时通过控制不同单体的配比、添加方式及聚合条件控制聚合物的分子结构，进而提高或改善聚合物在减水、保塑及缓凝等方面的性能。到目前为止，已有大量的文献研究单体种类、配比、聚合条件等对聚羧酸外加剂的分子结构及性能的影响，但是对于单体的分子量分布的影响的研究报道还很少。

从高分子结构与性能关系的普遍原理及聚羧酸添加剂与水泥的作用机理来说，含聚氧乙烯基的长链大单体的长短即分子量分布对聚羧酸添加剂的分子结构和性能会有显著的影响。一方面，大单体的分子量分布会影响聚合物梳形结构的规整性和分子构型。太长的分子链会自发卷曲，进而减弱与水泥的附着力；而太短的分子链则与水泥没有足够的亲和性；另一方面，经过分子设计的不规整的梳形结构有利于聚合物分子呈现理想的伸展状态，从而最大限度实现各个部分(长侧链、可电离基团及疏水的主链)的功能。

发明内容

本发明的目的是提出一种新的聚羧酸型水泥外加剂，通过分子设计，选择的大单体具有理想的伸展状态，从而最大限度实现长侧链、可电离基团及疏水的主链的功能。

本发明的另一个目的是提出一种新的聚羧酸型水泥外加剂的合成方法，即通过混合使用两种或多种不同分子量的大单体来改变大单体的分子量分布，并最终合成出具有优异减水或保塑等性能的水泥外加剂。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提出的用于一种新型聚羧酸型水泥外加剂，由含有聚氧乙烯醚基团的大单体和聚合添加料共聚制成；

其中所述大单体为两种或多种分子量明显不同的含有聚氧乙烯醚基团的大单体；该聚合添加料包括共聚单体、引发剂、分子量调节剂、去离子水；所述分子量明显不同为分子量彼此间差值不小于500。

所述大单体为聚醚型含聚氧乙烯醚基团的分子量在500-3000范围内的聚合物，优选为，烯丙基聚氧乙烯醚，异戊烯醇基聚氧乙烯醚或甲基烯丙基聚氧乙烯醚。

所述的引发剂为过硫酸钾，过硫酸铵，过硫酸钠或双氧水/维生素E的混合物。

所述的共聚单体为丙烯酸、甲基丙烯酸、衣康酸或马来酸。

所述分子量调节剂为甲基丙烯磺酸钠，巯基乙醇，巯基乙酸，巯基丙酸或 2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸。

本发明还提供一种新型聚羧酸型水泥外加剂的合成方法，包括如下步骤：

1)调和大单体：将分子量明显不同的含有聚氧乙烯醚基团的大单体通过简单的搅拌混合混匀；

2)调配聚合添加料：将所述共聚单体，所述引发剂，所述分子量调节剂和部分所述去离子水调和成溶液；

3)聚合：在反应釜中加入所述去离子水和部分或全部调和的所述大单体，然后搅拌升温；待温度恒定后，用泵和流量计组成的输送系统将聚合添加料以恒定的设定速度加入到反应釜中。添加完成后保持反应一段时间，然后降温至室温停止反应；

4)后处理：反应完成后用30％的氢氧化钠溶液将反应釜中的溶液中和到 pH＝7。

第一次投入到反应釜中的调和大单体量为全部大单体质量的20-100％，剩余部分和共聚单体等一起混合后加入反应体系中。

所述的最终反应体系中引发剂浓度为0.01％-5％。

所述的共聚单体含量与大单体比值保持在1：3-3：1摩尔比范围内。

所述的分子量调节剂与大单体比值保持在3：1-1：3摩尔比范围内。

所述反应完毕后聚合物浓度为质量浓度20-60％。

所述聚合反应温度控制在40-80℃，所述聚合添加料滴加时间为1-4小时；所述聚合添加料加入完成后保温反应1-2小时。

本发明的有益效果为：

本发明提出的新型聚羧酸型水泥外加剂及其合成方法，用不同分子量的大单体混合获得分子量宽分布的大单体，并配以合适的聚合工艺，从而使所合成的聚合物在结构上更分散伸展，从而最大限度发挥聚合物中各个构成单元的功能，并最终在性能上尤其是减水性和保塑性上表现优异。同时本发明的产品不易在贮存和使用过程中水解，产品性能稳定

具体实施方式

以下仅以实施例说明本发明可能的实施形态，然并非用以限制本发明所要保护的范围。

实施例1：

(1)调和大单体：

将50g分子量为500，250g分子量为2200的异戊烯醇基聚氧乙烯醚搅拌混合混匀。

(2)调配聚合添加料：

将1.75g过硫酸铵，1.6g巯基丙酸，20g丙烯酸，100g去离子水混合溶解均匀即可。

(3)聚合：

在反应釜中加入150g去离子水和上述调和大单体，然后搅拌升温到60℃。待温度恒定后，用泵和流量计组成的滴加系统将聚合添加料以恒定的速度加入到反应釜中。滴加在3h内完成。滴加完成后保持反应1h。然后降温停止反应。

(4)后处理：

反应完成后用30％的氢氧化钠溶液将反应釜中的溶液中和到pH＝7。

(5)水泥净浆流动度测定产物性能：

测定前将反应聚合物的浓度按常规方法调整至质量浓度为40％。

测定方法如下：将300g水泥，87g水，0.9g反应产物(水泥外加剂)搅拌均匀。用截锥圆模(上下直径分别为10、15cm，高度8cm测定初始流动度和流动度经时损失。根据混凝土外加剂匀质性试验方法，水灰比0.29测水泥净浆流动度。用水平尺调平玻璃板，用湿抹布把玻璃板、截锥圆模、搅拌锅、搅拌叶等均匀擦过，使其表面湿润而不带水迹。把截锥圆模放到玻璃板中央，用湿抹布覆盖，备用。测试时，先把水泥到入搅拌锅内，然后将去离子水和反应母液混合均匀后倒入水泥中，开动搅拌机将其混合均匀。然后迅速将拌好的净浆注入截锥圆模，用刮刀将表面刮平，将截锥圆模垂直提起，任水泥净浆在玻璃板上流动，直至不再流动为止，用直尺量取流淌部分互相垂直的两个最大直径(30 秒后测量)，取其平均值作为此外加剂的净浆流动度。若考察净浆的保塑性，则将水泥净浆刮入保塑缸(500毫升的塑料或玻璃缸)，在水泥水化后55分钟和115分钟时用铁棒将净浆搅拌5分钟，将净浆倒入截锥圆模中，按照水泥净浆流动度停机后的方法测量出流动度即为水泥净浆1小时或2小时的流动度。

通过以上方法测定该反应产物保塑性好，初始流动度为230mm，1小时流动度为210mm。

以下实施例中产物性能验证方法与实施例1中所用方法相同，具体过程不再重复。

实施例2：

(1)调和大单体：将50g分子量为800，250g分子量为2200的异戊烯醇基聚氧乙烯醚搅拌混合混匀。

(2)调配聚合添加料：

将2.0g过硫酸钾，1.8g巯基乙醇，45g甲基丙烯酸，100g去离子水混合溶解均匀即可。

(3)聚合：

在反应釜中加入150g去离子水和上述调和大单体，然后搅拌升温到60℃。待温度恒定后，用泵和流量计组成的滴加系统将聚合添加料以恒定的速度加入到反应釜中。滴加在3h内完成。滴加完成后保持反应1h。然后降温停止反应。

(4)后处理：

反应完成后用30％的氢氧化钠溶液将反应釜中的溶液中和到pH＝7。

(5)水泥净浆流动度测定产物性能：

通过实施例1所用方法测定该反应产物减水性能好，初始流动度为250mm， 1小时流动度为160mm。

实施例3：

(1)调和大单体：

将50g分子量为500，250g分子量为3000的异戊烯醇基聚氧乙烯醚搅拌混合混匀。

(2)调配聚合添加料：

将3.0g双氧水(30wt％)/0.1g维生素E的混合物，1.8g巯基乙酸，45g丙烯酸，100g去离子水混合溶解均匀即可。

(3)聚合：

在反应釜中加入150g去离子水和上述调和大单体，然后搅拌升温到40℃。待温度恒定后，用泵和流量计组成的滴加系统将聚合添加料以恒定的速度加入到反应釜中。滴加在3h内完成。滴加完成后保持反应1h。然后降温停止反应。

(4)后处理：

反应完成后用30％的氢氧化钠溶液将反应釜中的溶液中和到pH＝7。

(5)水泥净浆流动度测定产物性能：

通过实施例1所用方法测定该反应产物减水性能好，初始流动度为230mm， 1小时流动度为200mm。

实施例4：

(1)调和大单体：

将50g分子量为800烯丙基聚氧乙烯醚，250g分子量为2500的异戊烯醇基聚氧乙烯醚搅拌混合混匀。

(2)调配聚合添加料：

将3.0g过硫酸钠，2.5g丙烯磺酸钠，45g衣康酸，100g去离子水混合溶解均匀即可。

(3)聚合：

在反应釜中加入150g去离子水和上述调和大单体，然后搅拌升温到80℃。待温度恒定后，用泵和流量计组成的滴加系统将聚合添加料以恒定的速度加入到反应釜中。滴加在4h内完成。滴加完成后保持反应1h。然后降温停止反应。

(4)后处理：

反应完成后用30％的氢氧化钠溶液将反应釜中的溶液中和到pH＝7。

(5)水泥净浆流动度测定产物性能：

通过实施例1所用方法测定该反应产物减水性能好，初始流动度为220mm， 1小时流动度为180mm。

实施例5：

(1)调和大单体：

将40g分子量为1700的甲基烯丙基聚氧乙烯醚，260g分子量为2500的异戊烯醇基聚氧乙烯醚搅拌混合混匀。

(2)调配聚合添加料：

将5.0g双氧水(30wt％)/0.2g维生素E的混合物，1.0g 2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸，50g衣康酸，100g去离子水混合溶解均匀即可。

(3)聚合：

在反应釜中加入150g去离子水和上述调和大单体，然后搅拌升温到70℃。待温度恒定后，用泵和流量计组成的滴加系统将聚合添加料以恒定的速度加入到反应釜中。滴加在2h内完成。滴加完成后保持反应2h。然后降温停止反应。

(4)后处理：

反应完成后用30％的氢氧化钠溶液将反应釜中的溶液中和到pH＝7。

(5)水泥净浆流动度测定产物性能：

通过实施例1所用方法测定该反应产物减水性能好，初始流动度为230mm， 1小时流动度为170mm。

实施例6：

(1)调和大单体：

将50g分子量为1700的甲基烯丙基聚氧乙烯醚，260g分子量为2200的异戊烯醇基聚氧乙烯醚搅拌混合混匀。

(2)调配聚合添加料：

将4.0g双氧水(30wt％)/0.2g维生素E的混合物，1.5g 2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸，60g马来酸酐，100g去离子水混合溶解均匀即可。

(3)聚合：

在反应釜中加入150g去离子水和上述调和大单体，然后搅拌升温到60℃。待温度恒定后，用泵和流量计组成的滴加系统将聚合添加料以恒定的速度加入到反应釜中。滴加在3h内完成。滴加完成后保持反应2h。然后降温停止反应。

(4)后处理：

反应完成后用30％的氢氧化钠溶液将反应釜中的溶液中和到pH＝7。

(5)水泥净浆流动度测定产物性能：

通过实施例1所用方法测定该反应产物减水性能好，初始流动度为200mm， 1小时流动度为160mm。

实施例7：

(1)调和大单体：

将分子量分别为1700、2200、3000，质量分别为30g、210g、50g的异戊烯醇基聚氧乙烯醚搅拌混合混匀。

(2)调配聚合添加料：

将4.0g双氧水(30wt％)/0.2g维生素E的混合物，1.5g 2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸，30g甲基丙烯酸，100g去离子水混合溶解均匀即可。

(3)聚合：

在反应釜中加入150g去离子水和上述调和大单体，然后搅拌升温到80℃。待温度恒定后，用泵和流量计组成的滴加系统将聚合添加料以恒定的速度加入到反应釜中。滴加在3h内完成。滴加完成后保持反应2h。然后降温停止反应。

(4)后处理：

反应完成后用30％的氢氧化钠溶液将反应釜中的溶液中和到pH＝7。

(5)水泥净浆流动度测定产物性能：

通过实施例1所用方法测定该反应产物保塑性能好，初始流动度为230mm， 1小时流动度为220mm。

将利用本发明的单体混合法制得的外加剂性能和利用单一单体制得的性能进行对比，发现混合单体的性能有显著的提升。在相同的工艺配方条件下，混合单体得到的外加剂初始流动度比单一单体外加剂初始流动度要高 10-20mm，1小时的保持性也要高10mm左右。同时本发明的产品不易在贮存和使用过程中水解，产品性能稳定。因此，本发明提供了一种在不增加生产成本的基础上显著提高外加剂性能的方法。

Claims (1)

1.一种聚羧酸型水泥外加剂的合成方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)调和大单体：将分子量明显不同的含有聚氧乙烯醚基团的大单体通过简单的搅拌混合混匀；

2)调配聚合添加料：将共聚单体，引发剂，分子量调节剂和部分去离子水调和成溶液；

3)聚合：在反应釜中加入去离子水和调和的大单体，然后搅拌升温，待温度恒定后，用泵和流量计组成的输送系统将该聚合添加料在设定的时间内以恒定的速度加入到反应釜中；滴加完成后保持反应一段时间，然后降温至室温停止反应；

4)后处理：反应完成后用30％的氢氧化钠溶液将反应釜中的溶液中和到pH＝7；

其中，所述分子量明显不同的含有聚氧乙烯醚基团的大单体为分子量为500或800的异戊烯醇基聚氧乙烯醚50g、和分子量为2200的异戊烯醇基聚氧乙烯醚250g；

所述的引发剂为过硫酸钾或过硫酸铵；

所述的共聚单体为丙烯酸或甲基丙烯酸；

所述分子量调节剂为巯基乙醇或巯基丙酸。

所述的最终反应体系中引发剂浓度为0.01-5％；所述反应完毕后聚合物浓度为质量浓度20-60％；

所述的共聚单体含量与大单体比值保持在1：3-3：1摩尔比范围内；所述的分子量调节剂含量与大单体比值保持在3：1-1：3摩尔比范围内；

所述聚合反应温度控制在40-80℃；所述聚合添加料滴加时间为1-4小时；所述聚合添加料加入完成后保温反应1-2小时。