CN105199054A - 一种保坍型聚羧酸系减水剂的合成工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种保坍型聚羧酸系减水剂的合成工艺。具体来说,在合成过程中引入了既具有高减水功能又具有保坍功能的β–羧乙基丙烯酸酯及高减水功能的3-烯丙氧基-2-羟基丙磺酸钠,保坍成分引入了一缩二乙二醇单丙烯酸酯等特殊功能的单体。该合成工艺是于水相中采用氧化-还原引发体系分子量调节剂作用下,将具有减水功能与具有保坍功能的单体,一锅分段接力滴加合成的方式进行产品的合成。经混凝土试验证明,合成产品不仅具有减水性、保坍性,而且使新拌混凝土的和易性得到了极大地改善,降低了减水剂对用水量的敏感性,是一种保坍型聚羧酸系减水剂。

Description

一种保坍型聚羧酸系减水剂的合成工艺
技术领域
本发明涉及混凝土外加剂合成技术领域,更具体地是涉及一种保坍型聚羧酸系减水剂的合成工艺。
背景技术
众所周知,聚羧酸系高性能减水剂具有掺量低,分散性好,减水率高,坍落度保持性强,收缩率低,生产过程无“三废”产生,绿色环保等优点,倍受人们的广泛关注。近年来,聚羧酸系高性能减水剂在国家的重大重点工程中得到了广泛应用,发挥了重要作用。目前发展迅猛,市场需求量巨增,具有很大的发展空间,聚羧酸系高性能减水剂已成为21世纪研究和发展的必然趋势。然而,由于我国地域辽阔,季节温度变化明显,混凝土原材料质量差异大,混凝土原材料资源日益匮乏造成混凝土用的水泥、砂、石及掺合料日益复杂等多方面的原因,使新拌混凝土坍落度损失过快,严重影响工程的正常施工。针对以上问题,人们曾经在减水剂中加入缓凝剂葡萄糖酸钠、蔗糖、酒石酸、柠檬酸、硼酸、三聚磷酸钠等来改善减水剂的保坍能力。但是,缓凝剂的加入从根本上没有解决其保坍能力弱的缺点,如掺量过大反而会使混凝土的凝结时间延长,影响工程的施工进度。
要想解决这些问题,需要开发一种适应性更强的减水剂,尤其是开发出一种保坍型聚羧酸系减水剂。这种减水剂既可单独使用也可与现有聚羧酸减水剂复配使用,用于解决现有聚羧酸减水剂不能解决以上之难题。
我们对合成工艺进行了摸索,开创性地采用将减水组分与保坍组分的单体进行一锅分段接力滴加合成的工艺。同时在原材料选用方面,我们引入了具有特殊功能的单体。最终采用低温节能技术合成出了一种兼顾减水与保坍的减水剂,其对用水量的敏感度低,经济实用。
发明内容
针对现有技术存在的问题,本发明的目的在于提供一种适应性更广,坍落度保持能力更强的保坍型聚羧酸系减水剂的合成工艺。
为实现上述目的,本发明进行了广泛调研和实验,采用一锅分段接力滴加的合成工艺,即将具有减水功能的单体先进行滴加反应,之后再滴加具有保坍功能的单体进行聚合。
第一段反应的产物主要为高减水组分,第二段反应的产物主要为保坍组分,整个反应完成后最终产物为保坍型聚羧酸系减水剂。
合成工艺:将一定量分子量为3900异戊烯醇聚氧乙烯醚大单体和去离子水加入到2000mL四口烧瓶中,升温至30℃搅拌使之溶解。大单体溶解后加入一定量的双氧水搅拌均匀,于30℃用蠕动泵分别滴加A液(由丙烯酸与β-羧乙基丙烯酸酯组成的水溶液),B液(为3-烯丙氧基-2-羟基丙磺酸钠的水溶液)及C液(由维生素C与3-巯基丙酸组成的水溶液)。B液滴完之后,补加一定量的双氧水,立即滴加D液(由分子量1200异戊烯醇聚氧乙烯醚大单体与一缩二乙二醇单丙烯酸酯组成的水溶液),A液(为β-羧乙基丙烯酸酯的水溶液)和C液(由维生素C与3-巯基丙酸组成的水溶液)继续滴加。因为反应为放热反应,滴加过程有升温现象,温度不加控制。待全部滴加结束后,在此温度下继续保温反应一定时间。降温至30℃加入有机碱二异丙醇胺调整pH至5.5,补充去离子水使产品的含固量为40%。
本发明的技术进步在于:
1、本发明在合成减水剂分子结构的设计中,第一段反应应用了大分子量(M=3900)异戊烯醇聚氧乙烯醚、3-烯丙氧基-2-羟基丙磺酸钠及β-羧乙基丙烯酸酯高减水功能的特殊单体,第二段反应应用了小分子量(M=1200)异戊烯醇聚氧乙烯醚、一缩二乙二醇单丙烯酸酯和β-羧乙基丙烯酸酯高保坍功能的特殊单体。
2、本发明工艺是于水相中采用氧化-还原引发体系分子量调节剂作用下,将具有减水功能与具有保坍功能的单体,一锅分段接力滴加的合成方式进行产品合成。在合成过程中二组分合理结合、密切配合、协同作用,使减水剂的分子结构得以优化,性能得以提高。这种工艺合成出的产品具有双重功效即减水性和保坍性,为一种保坍型聚羧酸系减水剂。
3、本发明合成工艺能充分利用反应产生的热能即第一段反应产生的热作为第二段反应的热源,最大限度降低了生产能耗和成本。
4、本发明合成出的产品不仅减水率高、保坍稳定性好,而且降低了对用水量的敏感性,混凝土的和易性明显得以改善。
5、本发明产品用于新拌混凝土从拌合、运输、泵送、浇筑到振捣等全过程,坍落度损失小,具有优良的工作性,能满足各种条件下施工要求。
本发明由于选用一些具有特殊功能的单体,合成出的产品分子结构中含有羧基(-COOH)、磺酸基(-SO3H)、羟基(-OH)、烃氧羰基(-COOR)、聚氧乙烯醚基团(-CH2CH2O-)n等多种功能性基团。各基团对混凝土分别起到不同的作用,如羧基不仅有高分散性、减水性,还有良好的缓释作用;磺酸基有高分散性、减水性和一定抗泥作用;羟基起到浸润作用和缓凝作用;烃氧羰基起到很好的调节各组分在分子结构中的间距,还出色的起到缓释迟放作用即保坍性;聚氧乙烯醚除了具有很好的分散性、保水性,还有保持流动性稳定的作用。因此,在合成减水剂分子结构的设计中,应考虑到共聚单体种类、功能、特性及各嵌段链节的组分比例,以赋予减水剂新的功能和优异的性能。
本发明合成的减水剂产品,经混凝土试验证明,不仅具有减水性、保坍性,而且使混凝土的和易性得到显著改善,大大降低了减水剂对用水量的敏感性,是一种保坍型聚羧酸系减水剂。
具体实施方式
本发明提供了一种保坍型聚羧酸系减水剂的合成工艺。
技术方案如下:
所用主要原材料:异戊烯醇聚氧乙烯醚(分子量=3900和分子量=1200,在后面称之为大单体),丙烯酸(CH2=CHCOOH),β-羧乙基丙烯酸酯或3-烯丙酰氧基丙酸(CH2=CHCOOCH2CH2COOH),3-烯丙氧基-2-羟基丙磺酸钠(CH2=CHCH2OCH2CH(OH)CH2SO3Na),一缩二乙二醇单丙烯酸酯(CH2=CHCOOCH2CH2OCH2CH2OH),双氧水,维生素C,3-巯基丙酸,二异丙醇胺。
其中具有减水功能的单体是:异戊烯醇聚氧乙烯醚、丙烯酸、β-羧乙基丙烯酸酯、3-烯丙氧基-2-羟基丙磺酸钠。具有保坍功能的单体是:异戊烯醇聚氧乙烯醚、β-羧乙基丙烯酸酯、一缩二乙二醇单丙烯酸酯。
另外,双氧水为聚合反应的引发剂、维生素C为聚合反应的还原剂,二者组成氧化-还原体系。3-巯基丙酸为聚合反应的分子量调节剂,二异丙醇胺为聚合反应结束后的中和剂。
合成工艺分两段反应完成,各段反应条件及原料配比分别如下:
第一段反应:在2000mL四口烧瓶中加入250克去离子水,预热至30℃加入430克分子量3900异戊烯醇聚氧乙烯醚大单体搅拌溶解。大单体溶解后加入单体总质量1~2%双氧水搅拌均匀,于30℃用蠕动泵分别滴加A1液(由大单体质量4~6%丙烯酸与大单体质量4~6%β-羧乙基丙烯酸酯组成,固含60%的水溶液)滴加时间2.5h,B液(为大单体质量2~3%3-烯丙氧基-2-羟基丙磺酸钠,固含10%的水溶液)滴加时间2.5h及C1液(由单体总质量0.25%维生素C和单体总质量0.5%3-巯基丙酸组成,固含2.5%的水溶液)滴加时间2.5h。反应为放热反应,滴加过程有升温现象,温度不加控制,温升大约至50℃。此段反应的产物为减水组分。
第二段反应:第一段反应完成后接着进行第二段反应,A1液、B液和C1液滴完后,加入第二段反应单体(第二段反应单体包含有:分子量1200异戊烯醇聚氧乙烯醚大单体,一缩二乙二醇单丙烯酸酯和β-羧乙基丙烯酸酯)总质量1.5%双氧水搅拌均匀,立即滴加D液(由分子量3900异戊烯醇聚氧乙烯醚大单体质量55%分子量1200异戊烯醇聚氧乙烯醚大单体与分子量1200异戊烯醇聚氧乙烯醚大单体质量15%~17%一缩二乙二醇单丙烯酸酯组成,固含60%的水溶液)滴加时间3h,A2液(为分子量1200异戊烯醇聚氧乙烯醚大单体质量4~6%β-羧乙基丙烯酸酯,固含10%的水溶液)滴加时间3h,C2液(由第二段反应单体总质量0.28%维生素C和第二段反应单体总质量0.6%3-巯基丙酸组成,固含2.5%的水溶液)滴加时间3.5h。此段反应也为放热反应,滴加过程同样有升温现象,温度不加控制,温升大约至68℃。此段反应的产物为保坍组分。
全部滴加完之后,在此温度下保温反应1.5h。降温至30℃加入有机碱二异丙醇胺调整pH至5.5,补充去离子水使产品的含固量为40%。
最终得本发明产物保坍型聚羧酸系减水剂。
为了理解本发明,下面结合实施例对本发明提供的合成工艺进行详细描述。
具体实施方式
实施例1
在2000mL四口烧瓶中加入250克去离子水,预热至30℃加入分子量3900异戊烯醇聚氧乙烯醚大单体430克搅拌溶解。大单体溶解后加入4.77克双氧水搅拌均匀,于30℃用蠕动泵分别滴加A1液(由17.2克丙烯酸与21.5克β-羧乙基丙烯酸酯和25.8克去离子水组成的水溶液)滴加时间2.5h,B液(8.6克3-烯丙氧基-2-羟基丙磺酸钠和77.4克去离子水组成的水溶液)滴加时间2.5h及C1液(由1.19克维生素C和2.39克3-巯基丙酸,139.62克去离子水组成的水溶液)滴加时间2.5h。
A1液、B液和C1液滴完后,加入4.26克双氧水搅拌均匀,立即滴加D液(由分子量1200异戊烯醇聚氧乙烯醚大单体236.5克与37.84克一缩二乙二醇单丙烯酸酯和182.89克去离子水组成的水溶液)滴加时间3h,A2液(9.46克β-羧乙基丙烯酸酯和85.14克去离子水组成的水溶液)滴加时间3h,C2液(由0.8克维生素C与1.7克3-巯基丙酸和97.5克去离子水组成的水溶液)滴加时间3.5h。
全部滴完之后在此温度下保温反应1.5h。降温至30℃加入有机碱二异丙醇胺调整pH至5.5,补充去离子水使产品的含固量为40%。此产品为SKX-1。
实施例2
在2000mL四口烧瓶中加入250克去离子水,预热至30℃加入分子量3900异戊烯醇聚氧乙烯醚大单体430克搅拌溶解。大单体溶解后加入7.29克双氧水搅拌均匀,于30℃用蠕动泵分别滴加A1液(由21.5克丙烯酸与23.65克β-羧乙基丙烯酸酯和30.1克去离子水组成的水溶液)滴加时间2.5h,B液(10.75克3-烯丙氧基-2-羟基丙磺酸钠和96.75克去离子水组成的水溶液)滴加时间2.5h及C1液(由1.21克维生素C和2.43克3-巯基丙酸和141.96克去离子水组成的水溶液)滴加时间2.5h。
A1液、B液和C1液滴完后,加入4.26克双氧水搅拌均匀,立即滴加D液(由分子量1200异戊烯醇聚氧乙烯醚大单体236.5克与35.48克一缩二乙二醇单丙烯酸酯和181.32克去离子水组成的水溶液)滴加时间3h,A2液(11.83克β-羧乙基丙烯酸酯和106.47克去离子水组成的水溶液)滴加时间3h,C2液(由0.8克维生素C与1.7克3-巯基丙酸和97.5克去离子水组成的水溶液)滴加时间3.5h。
全部滴完之后在此温度下保温反应1.5h。降温至30℃加入有机碱二异丙醇胺调整pH至5.5,补充去离子水使产品的含固量为40%。此产品为SKX-2。
实施例3
在2000mL四口烧瓶中加入250克去离子水,预热至30℃加入分子量3900异戊烯醇聚氧乙烯醚大单体430克搅拌溶解。大单体溶解后加入6.07克双氧水搅拌均匀,于30℃用蠕动泵分别滴加A1液(由25.8克丙烯酸与17.2克β-羧乙基丙烯酸酯和28.7克去离子水组成的水溶液)滴加时间2.5h,B液(12.9克3-烯丙氧基-2-羟基丙磺酸钠和116.1克去离子水组成的水溶液)滴加时间2.5h及C1液(由1.22克维生素C和2.43克3-巯基丙酸和142.35克去离子水组成的水溶液)滴加时间2.5h。
A1液、B液和C1液滴完后,加入4.35克双氧水搅拌均匀,立即滴加D液(由分子量1200异戊烯醇聚氧乙烯醚大单体236.5克与40.21克一缩二乙二醇单丙烯酸酯和184.47克去离子水组成的水溶液)滴加时间3h,A2液(13.00克β-羧乙基丙烯酸酯和117克去离子水组成的水溶液)滴加时间3h,C2液(由0.81克维生素C与1.74克3-巯基丙酸和99.45克去离子水组成的水溶液)滴加时间3.5h。
全部滴完之后在此温度下保温反应1.5h。降温至30℃加入有机碱二异丙醇胺调整pH至5.5,补充去离子水使产品的含固量为40%。此产品为SKX-3。
实施例4
在2000mL四口烧瓶中加入250克去离子水,预热至30℃加入分子量3900异戊烯醇聚氧乙烯醚大单体430克搅拌溶解。大单体溶解后加入9.7克双氧水搅拌均匀,于30℃用蠕动泵分别滴加A1液(由23.65克丙烯酸与25.8克β-羧乙基丙烯酸酯和25.8克去离子水组成的水溶液)滴加时间2.5h,B液(8.6克3-烯丙氧基-2-羟基丙磺酸钠和77.4克去离子水组成的水溶液)滴加时间2.5h及C1液(由1.22克维生素C和2.44克3-巯基丙酸和142.74克去离子水组成的水溶液)滴加时间2.5h。
A1液、B液和C1液滴完后,加入4.35克双氧水搅拌均匀,立即滴加D液(由分子量1200异戊烯醇聚氧乙烯醚大单体236.5克与39.02克一缩二乙二醇单丙烯酸酯和183.68克去离子水组成的水溶液)滴加时间3h,A2液(14.19克β-羧乙基丙烯酸酯和127.71克去离子水组成的水溶液)滴加时间3h,C2液(由0.81克维生素C与1.74克3-巯基丙酸和99.45克去离子水组成的水溶液)滴加时间3.5h。
全部滴完之后在此温度下保温反应1.5h。降温至30℃加入有机碱二异丙醇胺调整pH至5.5,补充去离子水使产品的含固量为40%。此产品为SKX-4。
本专利产品保坍型聚羧酸系减水剂与市售聚羧酸系减水剂产品进行对比试验。A为市售聚羧酸减水剂,B为市售保坍型聚羧酸减水剂,C为市售聚羧酸保坍剂。SKX-1、SKX-2、SKX-3、SKX-4分别为本专利合成的保坍型聚羧酸系减水剂。
1、本发明产品与市售产品水泥净浆实验对比
水泥为鼎鑫P.O42.5,300g,用水量为87g,慢搅2分钟快搅2分钟后,在平板玻璃上测定水泥净浆流动度。水泥净浆流动度测试经时变化,实验结果见表1。
表1水泥净浆流动度实验结果
由表1试验结果可知,市售聚羧酸减水剂A具有较好的初始流动度,但损失较快;市售保坍型聚羧酸减水剂B初始流动度良好,随时间净浆流动度不断损失;市售聚羧酸保坍剂C有一定初始流动度,随后有释放现象,流动度有增大现象,但随时间延长,保坍性逐渐减弱;本发明产品具有优良的初始流动度,保持性能优异、稳定,损失较慢。从水泥净浆流动度实验结果来看,本发明产品综合性能最优。
2、本发明产品与市售产品混凝土实验对比
水泥为鼎鑫P.O42.5,砂为细度模数M=2.65的中砂,石子粒径为5~25mm连续级配的碎石,粉煤灰为一级。混凝土实验配合比见表2。
表2混凝土实验配合比
混凝土实验测试混凝土的坍落度/扩展度、坍落度/扩展度经时变化、抗压强度(3d、
7d、28d)、混凝土状态以及对用水量的敏感程度。混凝土实验结果见表3。
表3混凝土实验结果
由表3可以看出,市售的聚羧酸减水剂A新拌混凝土起堆、离析、泌水,对用水量敏感,坍损严重,保坍性很差,无法满足长时间(≥2h)的保坍要求;市售保坍型聚羧酸减水剂B新拌混凝土和易性较好,对用水量敏感性一般,轻微泌水、浮浆,1h保坍效果可以,2h损失较大;市售聚羧酸保坍剂C新拌混凝土坍落度和扩展度稍小,保坍性较好;本发明产品新拌混凝土状态良好,不起堆、不离析、不泌水、不浮浆,对用水量不敏感,和易性好,保坍性好,能满足长时间(≥2h)的保坍要求。
注:1.水泥净浆流动度及经时变化测定方法按照国家标准GB/T8077–2012《混凝土外加剂匀质性试验方法》相关规定执行。
2.混凝土实验方法参照国家标准GB8076–2008《混凝土外加剂》,GB/T50080–2011《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》,GB/T50081–2011《普通混凝土力学性能试验方法标准》相关规定执行。

Claims (1)

1.一种保坍型聚羧酸系减水剂的合成工艺,其特征在于,包括以下步骤:
第一段反应:将分子量为3900异戊烯醇聚氧乙烯醚大单体和去离子水混合后升温至30℃,分子量为3900异戊烯醇聚氧乙烯醚大单体以下简称为大单体,搅拌使大单体溶解。大单体溶解后加入大单体质量1~2%双氧水搅拌均匀,于30℃滴加A1液,滴加时间2.5h;滴加B液,滴加时间2.5h;滴加C1液,滴加时间2.5h;反应为放热反应,滴加过程有升温现象,温度不加控制。
A1液是大单体质量4~6%丙烯酸与大单体质量4~6%β-羧乙基丙烯酸酯组成,固含60%的水溶液;B液为大单体质量2~3%3-烯丙氧基-2-羟基丙磺酸钠,固含10%的水溶液;C1液为单体总质量0.25%维生素C和单体总质量0.5%3-巯基丙酸组成,固含2.5%的水溶液;
第二段反应:第一段反应完成后接着进行第二段反应,加入第二段反应单体总质量1.5%的双氧水搅拌均匀,滴加D液,滴加时间3h,滴加A2液,滴加时间3h,滴加C2液,滴加时间3.5h。此段反应也为放热反应,滴加过程同样有升温现象,温度不加控制;全部滴加完之后,在滴加完后的温度下保温反应1.5h。降温至30℃加入有机碱二异丙醇胺调整pH至5.5,补充去离子水使产品的含固量为40%,得到保坍型聚羧酸系减水剂;
第二段反应单体为:分子量1200异戊烯醇聚氧乙烯醚大单体,一缩二乙二醇单丙烯酸酯和β-羧乙基丙烯酸酯;D液为上述分子量3900异戊烯醇聚氧乙烯醚大单体质量55%的分子量1200异戊烯醇聚氧乙烯醚大单体,分子量1200异戊烯醇聚氧乙烯醚大单体质量15%~17%的一缩二乙二醇单丙烯酸酯,固含60%的水溶液;A2液为分子量1200异戊烯醇聚氧乙烯醚大单体质量4~6%β-羧乙基丙烯酸酯,固含10%的水溶液;C2液由第二段反应单体总质量0.28%维生素C和第二段反应单体总质量0.6%3-巯基丙酸组成,固含2.5%的水溶液。
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