CN105293970B

CN105293970B - 一种抗蒙脱土的高效两性聚羧酸减水剂及其制备方法

Info

Publication number: CN105293970B
Application number: CN201510725360.2A
Authority: CN
Inventors: 杨锦杰; 钟振声
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2015-10-29
Filing date: 2015-10-29
Publication date: 2017-10-20
Anticipated expiration: 2035-10-29
Also published as: CN105293970A

Abstract

本发明属于混凝土减水剂技术领域，公开了一种抗蒙脱土的高效两性聚羧酸减水剂及其制备方法。所述减水剂由单体A、单体B、单体C在催化剂的作用下制备而成；所述单体A为不饱和羧酸或酸酐，所述单体B为烯醇聚氧乙烯醚，所述单体C为含≡N⁺阳离子的SPB单体，所述SPB单体是由甲基丙烯酸二甲氨乙酯和1,3‑丙磺酸内酯反应制备得到。本发明的减水剂具有高效减水效果同时抗蒙脱土的优点。

Description

一种抗蒙脱土的高效两性聚羧酸减水剂及其制备方法

技术领域

本发明属于混凝土减水剂技术领域，特别涉及一种抗蒙脱土的高效两性聚羧酸减水剂及其制备方法。

背景技术

自从1980s聚羧酸减水剂在日本得到运用后，聚羧酸减水剂凭着掺量少和高效的减水效果成为继木质磺酸盐和萘系减水剂后第三代高效减水剂。然而水泥体系中不同矿物组分显示不同电荷性，硅酸盐矿相C₃S和C₂S以及硅酸钙水化物(C-S-H)表面为负电荷，而铝酸盐矿相C₃A和C₄AF表面是正电荷。传统阴离子型聚羧酸减水剂主要吸附在含正电荷的铝酸盐矿相，而构成水泥主要的硅酸盐矿相C₃S和C₂S对该种聚羧酸减水剂吸附能力较弱，这样水泥很容易达到饱和吸附点，因此，当减水剂掺量进一步增加时，水泥分散性没有得到提高。如何获得环保、高效、制备方法简单的两性聚羧酸减水剂一直成为人们研究的热点之一。

虽然聚羧酸减水剂有着种种优点，但是其对骨料含泥量比木质素磺酸钠、萘系减水剂都敏感。混凝土骨料中粘土种类一般有：高岭土、伊利石、蒙脱土。蒙脱土是一种2:1型的层状硅酸盐，特殊晶层结构导致其容易吸水膨胀或吸附有机物基团进入夹层。所以，聚羧酸减水剂对蒙脱土敏感度远远大于高岭土、伊利石。目前有两种方法解决这个问题：1、利用复配技术，如专利申请CN104446089A公开了一种多离子络合盐絮凝剂，辅以稳定剂、缓蚀剂、增强剂，制备出一种能消除絮凝剂的酸性腐蚀和对影响混凝土早期强度的副作用的混凝土阻泥剂，该阻泥剂辅助聚羧酸减水剂，发挥减水保坍作用；专利申请CN104558369A公开了一种低相对分子质量两性粘土抑制剂的制备方法，通过不饱和羧酸或酸酐、不饱和磺酸或磺酸盐以及阳离子单体共聚，合成了两性黏土抑制剂，与聚羧酸减水剂复配使用，减少粘土对减水剂的消耗；复配技术主要是通过合成外加剂优先吸附在粘土上或减少粘土吸水率来减少粘土对聚羧酸减水剂的效果降低，但是带来成本提高。2、合成一种集抗泥性和减水性一身的聚羧酸减水剂，如专利申请CN104262548A将季铵盐类低聚物与其它不饱和单体进行聚合制备出一种抗泥型聚羧酸系减水剂，该减水剂具有在粘土为3％含量内时表现出较好的分散性，但是季铵盐低聚物需要抽真空蒸馏处理，提高生产成本，不利于工业化生产。

如何通过减水剂自身的改性制备出一种既可以提高传统聚羧酸减水剂的吸附饱和度、提高减水效果，又可以有抗蒙脱土粘土性的聚羧酸减水剂，已成为需要人们去研究和探讨的问题之一，这对聚羧酸减水剂大力推广有着非常重要作用。

发明内容

为了克服现有技术的缺点和不足，本发明的目的在于提供一种抗蒙脱土的高效两性聚羧酸减水剂。本发明的两性聚羧酸减水剂不含氯离子，减水效率高，并且具有一定抗蒙脱土能力。

本发明的另一目的在于提供上述抗蒙脱土的高效两性聚羧酸减水剂的制备方法。

一种抗蒙脱土的高效两性聚羧酸减水剂，由单体A、单体B、单体C在催化剂的作用下制备而成，其中单体A:单体B：单体C的摩尔比为(2.7～1.8)：1：(0.3～1.2)。催化剂的添加量为单体总质量的3％。

所述催化剂为过硫酸铵、过硫酸钾或过硫酸钠。

所述单体A为不饱和羧酸或酸酐；优选为丙烯酸、甲基丙烯酸或马来酸酐中的一种以上。

所述单体B为烯醇聚氧乙烯醚，优选为TPEG-2400(异戊烯醇聚氧乙烯醚，分子量2400)，APEG-2400(丙烯醇聚氧乙烯醚，分子量2400)或HPEG-2400(甲基丙烯醇聚氧乙烯醚，分子量2400)中的一种以上。

所述单体C为含≡N⁺阳离子的SPB单体；所述SPB单体是由甲基丙烯酸二甲氨乙酯和1,3-丙磺酸内酯反应制备得到。

所述含≡N⁺阳离子的SPB单体的合成方法如下：将甲基丙烯酸二甲氨乙酯和1,3-丙磺酸内酯分别加入有机溶剂中，分别得到甲基丙烯酸二甲氨乙酯和1,3-丙磺酸内酯的两种有机溶液；再将1,3-丙磺酸内酯的有机溶液滴加到甲基丙烯酸二甲氨乙酯的有机溶液中，并将反应容器用锡箔纸包裹起来，室温搅拌12～48h，过滤，得到含≡N⁺阳离子的SPB单体；所述甲基丙烯酸二甲氨乙酯的有机溶液中甲基丙烯酸二甲氨乙酯与有机溶剂(丙酮)的体积比为(50～60)mmol：40mL；所述1,3-丙磺酸内酯的有机溶液中1,3-丙磺酸内酯与有机溶剂(丙酮)的摩尔体积比为(50～60)mmol：40mL；所述甲基丙烯酸二甲氨乙酯与1,3-丙磺酸内酯的摩尔比为1:1。

所述抗蒙脱土的高效两性聚羧酸减水剂的制备方法：

(1)将单体B溶于蒸馏水中，得到单体B溶液；将单体A与单体C溶于水中，得到混合单体溶液；将催化剂溶于蒸馏水中配制催化剂溶液；

(2)将单体B溶液进行加热，再将混合单体溶液与催化剂溶液分别同时滴加到加热后的单体B溶液中进行反应，反应结束后调节pH并控制产物的浓度，得到抗蒙脱土的高效两性聚羧酸减水剂。

步骤(2)中所述加热的温度为60～90℃，所述反应时间为4～6h；所述单体B与蒸馏水的摩尔体积比为0.01mol：(20～30)mL；所述单体A和单体C的总摩尔量与水的体积比为0.03mol：(20～30)mL；所述催化剂溶液中的水与混合单体溶液中水的体积比为(20～35)mL：(20～30)mL，所述催化剂的用量为单体总质量的3％；所述混合单体溶液和催化剂溶液的滴加速度0.5～0.7mL/min。所述pH为pH＝7±1，产物的浓度控制为30％。

所述反应氛围为氮气保护。

原理：蒙脱土是2：1型层状硅铝酸盐粘土，结构单元是两层Si-O四面体中间夹一层Al-O八面体，化学组成是M_x(Mg,Al,Fe)₂(OH)₂[SiO₄O₁₀]·nH₂O(M⁺＝Na⁺,K⁺,0.5Mg²⁺or0.5Ca²⁺)。蒙脱土在高pH(pH>7)情况下，粘土矿物棱边Si-OH或Al-OH失去质子，因此粘土矿物棱边带负电。传统阴离子聚羧酸减水剂在含蒙脱土粘土水泥体系中分散性能降低是因为该减水剂的侧链PEO(聚氧乙烯醚侧链)进入夹层中被粘土吸附在层间，因此减水效果受到影响。本发明合成的两性聚酸减水剂，因为聚合单体C含阳离子≡N⁺由于静电作用将被吸附含负电荷的矿物棱边Si-O^-或Al-O^-上，侧链烯醇聚氧乙烯醚不容易进入蒙脱土夹层间，所以该类减水剂不仅有着高效减水效果还有抗蒙脱土的优点。

与现有技术相比，本发明具有如下优点及有益效果：

本发明的抗蒙脱土的高效两性聚羧酸减水剂不受高岭土影响，并且该减水剂的加入量少减水率高(骨料不含粘土，掺量为0.15％时，减水率可达到30％以上)；同时该减水剂添加，对含蒙脱土的粘土水泥体系(骨料中蒙脱土含量为1％时)的流动性几乎没有影响。总之，本发明的减水剂具有高效减水效果同时抗蒙脱土的优点。另外，本发明的阳离子SPB单体不含氯离子，环保，本发明的合成方法简单。

附图说明

图1为实施例1制备的抗蒙脱土的高效两性聚羧酸减水剂对水泥以及添加蒙脱土的水泥的流动性测试柱状图；

图2为实施例2制备的抗蒙脱土的高效两性聚羧酸减水剂对水泥以及添加蒙脱土的水泥的流动性测试柱状图；

图3为实施例3制备的抗蒙脱土的高效两性聚羧酸减水剂对水泥以及添加蒙脱土的水泥的流动性测试柱状图；

图4为实施例4制备的抗蒙脱土的高效两性聚羧酸减水剂对水泥以及添加蒙脱土的水泥的流动性测试柱状图；

图5为市购的聚羧酸减水剂PC-1030对水泥以及添加蒙脱土的水泥的流动性测试柱状图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但是本发明的实施方式不仅限于此。

SPB单体的制备：将60mmol的甲基丙烯酸二甲氨乙酯和60mmol的1,3-丙磺酸内酯分别加入40mL丙酮中，分别得到甲基丙烯酸二甲氨乙酯和1,3-丙磺酸内酯的两种有机溶液；再将1,3-丙磺酸内酯的丙酮溶液滴加到甲基丙烯酸二甲氨乙酯的丙酮溶液中，并将反应容器用锡箔纸包裹起来，室温搅拌48h，过滤，得到含≡N⁺阳离子的SPB单体。

实施例1

(1)将0.01mol单体HPEG-2400溶解于20mL的蒸馏水中，得到HPEG-2400溶液；将0.027mol丙烯酸与0.003molSPB溶于20mL蒸馏水，得到混合单体溶液；将0.80g过硫酸铵溶于24mL蒸馏水，得到催化剂溶液；

(2)将HPEG-2400溶液加热至80℃，再将混合单体溶液和催化剂溶液分别同时滴加到HPEG-2400溶液中，混合单体溶液和催化剂溶液的滴加速度都为0.6mL/min，反应时间为5h，用饱和氢氧化钠溶液调节pH为7±1，产品浓度控制为30％，得到抗蒙脱土的高效两性聚羧酸减水剂。该减水剂的减水率为37％；不含粘土(蒙脱土)的初始流动性为247.5mm，加入1％粘土初始流动性降低3％。

实施例2

(1)将0.01mol单体APEG-2400溶解于20mL的蒸馏水中，得到APEG-2400溶液；将0.018mol丙烯酸与0.012molSPB溶于28mL蒸馏水，得到混合单体溶液；将0.86g过硫酸铵溶于24mL蒸馏水，得到催化剂溶液；

(2)将APEG-2400溶液加热至80℃，再将混合单体溶液和催化剂溶液分别同时滴加到APEG-2400溶液中，混合单体溶液和催化剂溶液的滴加速度都为0.7mL/min，反应时间为4h，用饱和氢氧化钠溶液调节pH为7±1，产品浓度控制为30％，得到抗蒙脱土的高效两性聚羧酸减水剂。该减水剂的减水率为28％，不含粘土的初始流动性为200mm，加入1％粘土初始流动性降低5％。

实施例3

(1)将0.01mol单体TPEG-2400溶解于20mL的蒸馏水中，得到TPEG-2400溶液；将0.024mol甲基丙烯酸与0.006molSPB溶于25mL蒸馏水，得到混合单体溶液；将0.93g过硫酸铵溶于28mL蒸馏水，得到催化剂溶液；

(2)将TPEG-2400溶液加热至90℃，再将混合单体溶液和催化剂溶液分别同时滴加到TPEG-2400溶液中，混合单体溶液和催化剂溶液的滴加速度都为0.5mL/min，反应时间为6h，用饱和氢氧化钠溶液调节pH为7±1，产品浓度控制为30％，得到抗蒙脱土的高效两性聚羧酸减水剂。该减水剂的减水率为34％，不含粘土的初始流动性为230mm，加入1％粘土初始流动性降低4％.

实施例4

(1)将0.01mol单体HPEG-2400溶解于20mL的蒸馏水中，得到HPEG-2400溶液；将0.024mol马来酸酐与0.006molSPB溶于22mL蒸馏水，得到混合单体溶液；将0.77g过硫酸铵溶于20mL蒸馏水，得到催化剂溶液；

(2)将HPEG-2400溶液加热至90℃，再将将混合单体溶液和催化剂溶液分别同时滴加到HPEG-2400溶液中，混合单体溶液和催化剂溶液的滴加速度都为0.5mL/min，反应时间为6h，用饱和氢氧化钠溶液调节pH为7±1，产品浓度控制为30％，得到抗蒙脱土的高效两性聚羧酸减水剂。该减水剂的减水率为30％，不含粘土的初始流动性为224mm，加入1％粘土初始流动性降低19％。

应用实施例1-4：

水泥净浆流动度参照国家标准GB/T8077-2008《混凝土外加剂均匀性试验方法》，以1％钠-蒙脱土取代相应质量的水泥，钠-蒙脱土为广东省四会市飞来峰非金属有限公司提供；水泥为广州石井公司生产的石井P.O42.5R水泥；对比聚羧酸减水剂市购的PC-1030。减水剂掺量都为0.24％(有效成分占凝胶材料的质量百分数)，实验结果见图1-5，图中的1％蒙脱土表示的是1％钠-蒙脱土，其中图1～4分别为实施例1～4所制备的减水剂对水泥及添加蒙脱土的水泥流动性的影响，图5为市购的聚羧酸减水剂PC-1030对水泥及添加蒙脱土的水泥流动性的影响。

从图1-5实验结果看出，本发明所合成两性聚羧酸减水剂比市购的阴离子聚羧酸减水剂PC-1030的抗蒙脱土能力强，并且具有良好分散性。试验中实施例1效果较好。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所做的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims

1.一种抗蒙脱土的高效两性聚羧酸减水剂，其特征在于：由单体A、单体B、单体C在催化剂的作用下制备而成；所述单体B为烯醇聚氧乙烯醚，所述单体C为含≡N⁺阳离子的SPB单体，所述SPB单体是由甲基丙烯酸二甲氨乙酯和1,3-丙磺酸内酯反应制备得到；

所述单体A为丙烯酸、甲基丙烯酸或马来酸酐中的一种以上；

所述单体B为TPEG-2400，APEG-2400或HPEG-2400中的一种以上；

所述含≡N⁺阳离子的SPB单体的具体制备方法为：将甲基丙烯酸二甲氨乙酯和1,3-丙磺酸内酯分别加入有机溶剂中，分别得到甲基丙烯酸二甲氨乙酯和1,3-丙磺酸内酯的两种有机溶液；再将1,3-丙磺酸内酯的有机溶液滴加到甲基丙烯酸二甲氨乙酯的有机溶液中，并将反应容器用锡箔纸包裹起来，室温搅拌12~48h，过滤，得到含≡N⁺阳离子的SPB单体；

所述催化剂为过硫酸铵、过硫酸钾或过硫酸钠；

抗蒙脱土的高效两性聚羧酸减水剂不含氯离子。

2.根据权利要求1所述抗蒙脱土的高效两性聚羧酸减水剂，其特征在于：所述甲基丙烯酸二甲氨乙酯的有机溶液中甲基丙烯酸二甲氨乙酯与有机溶剂的摩尔体积比为（50~60）mmol：40mL；所述1,3-丙磺酸内酯的有机溶液中1,3-丙磺酸内酯与有机溶剂的摩尔体积比为（50~60）mmol：40mL；所述甲基丙烯酸二甲氨乙酯与1,3-丙磺酸内酯的摩尔比为1:1；所述甲基丙烯酸二甲氨乙酯的有机溶液中有机溶剂为丙酮，1,3-丙磺酸内酯的有机溶液中有机溶剂为丙酮。

3.根据权利要求1所述抗蒙脱土的高效两性聚羧酸减水剂，其特征在于：所述单体A:单体B：单体C的摩尔比为（2.7~1.8）：1：（0.3~1.2）；催化剂的添加量为单体总质量的3%。

4.根据权利要求1~3任一项所述抗蒙脱土的高效两性聚羧酸减水剂的制备方法，其特征在于：具体包括以下步骤：

（1）将单体B溶于蒸馏水中，得到单体B溶液；将单体A与单体C溶于水中，得到混合单体溶液；将催化剂溶于水中配制催化剂溶液；

（2）将单体B溶液进行加热，再将混合单体溶液与催化剂溶液分别同时滴加到加热后的单体B溶液中进行反应，反应结束后调节pH并控制产物的浓度，得到抗蒙脱土的高效两性聚羧酸减水剂。

5.根据权利要求4所述抗蒙脱土的高效两性聚羧酸减水剂的制备方法，其特征在于：步骤（2）中所述加热的温度为60~90℃，所述反应时间为4~6h；所述混合单体溶液和催化剂溶液的滴加速度0.5~0.7mL/min；反应氛围为氮气保护。

6.根据权利要求4所述抗蒙脱土的高效两性聚羧酸减水剂的制备方法，其特征在于：步骤（1）中所述单体B与蒸馏水的摩尔体积比为0.01mol：（20~30）mL；所述单体A和单体C的总摩尔量与混合单体溶液的水的体积比为0.03mol：（20~30）mL；所述催化剂溶液中的水与混合单体溶液中水的体积比为（20~35）mL：（20~30）mL，所述催化剂用量为单体总质量的3%。

7.根据权利要求4所述抗蒙脱土的高效两性聚羧酸减水剂的制备方法，其特征在于：步骤（2）中所述pH为7±1，产物的浓度为30%。