CN105330792A

CN105330792A - 一种多功能性高性能聚羧酸类减缩材料及其制备方法

Info

Publication number: CN105330792A
Application number: CN201510769486.XA
Authority: CN
Inventors: 陈宝璠; 卓玲
Original assignee: Liming Vocational University
Current assignee: Liming Vocational University
Priority date: 2015-11-12
Filing date: 2015-11-12
Publication date: 2016-02-17

Abstract

本发明提供了一种多功能性高性能聚羧酸类减缩材料及其制备方法，本发明通过在氮气保护环境下，将2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸溶液升温到55℃～85℃并充分搅拌溶解均匀，将聚乙二醇单甲醚丙烯酸酯、丙烯酸、二甘醇单丁醚马来酸酐单酯混合溶液和引发剂溶液在2～4h内滴加到2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸溶液中，滴加完成后得到一级反应液；将一级反应液在55℃～85℃恒温1～2h后，再加入催化剂，在55℃～100℃反应1～2h后，进行真空抽滤2h，反应结束后冷却到室温，再用碱溶液调节pH＝7出料，得到多功能性高性能聚羧酸类减缩材料。本发明主要合成原料来源丰富、合成工艺简单，具有良好的施工性能、力学性能和体积稳定性能。

Description

一种多功能性高性能聚羧酸类减缩材料及其制备方法

技术领域

本发明属于建筑材料领域，尤其涉及一种多功能性高性能聚羧酸类减缩材料及其制备方法。

背景技术

近些年来，国内外许多专家学者关于聚羧酸类化学外加剂方面进行了大量的研究和探讨，其相关报告也不少，也有许多厂家能够生产出质量相对稳定的产品，并广泛应用于混凝土领域中。聚羧酸类化学外加剂最大优点在于减水率高、保坍性能好，在德国被认为是第三代混凝土化学外加剂。当前，特别是大力推广应用高性能混凝土，混凝土因收缩以及由此产生的开裂现象越来越严重，通过加入普通的聚羧酸类化学外加剂，不但不能解决混凝土因收缩而引发的开裂问题，甚至在混凝土中添加后与空白混凝土相比还是增大了混凝土的收缩，以至于在2010年正式实施的交通行业标准《公路工程聚羧酸系高性能减水剂》(JT/T969—2009)中，已经列入了减缩型聚羧酸系减水剂(PWR-RS)，在基本保留普通聚羧酸系减水剂其他性能的同时，28d收缩率比不大于90％。如何减少混凝土收缩和开裂是工程界和学术界一直关心的问题。

纤维增强和混凝土减缩剂被认为是预防和控制混凝土收缩开裂的最直接、最有效的两个措施。虽然混凝土减缩剂可以明显降低混凝土的收缩，尤其是早期收缩，但是，减缩剂存在着功能单一、不同程度降低混凝土抗压强度、合成工艺较为复杂、工程应用成本较高等诸多问题，从而限制了减缩剂在混凝土结构工程中的大规模推广使用。因此，开发低掺量、低成本、高减水、高保坍、高强度、低收缩、性能稳定的用于混凝土结构工程的多功能性聚羧酸类减缩材料逐渐得到关注和重视。

欧洲专利EP0725043A2报道了一种水泥分散剂，该水泥分散剂具有较好的减缩效果，也有一定的减水效果，与中国专利CN200510057130.X、CN201010532939.4等相似，属于减缩剂范畴，但减水率太低，不能满足高性能混凝土施工性能和力学性能的要求，且掺量大。

文献“聚羧酸减水剂对混凝土收缩性能的影响”介绍了一种聚羧酸减水剂，在混凝土掺入后其收缩量相对较小，但由于没有从分子结构上引入减缩基团，这种减水剂的分子结构与普通聚羧酸减水剂的分子结构相似，收缩量降幅小。

中国专利CN200510037872、CN201010102093.0和CN200610040089合成了在具有较高减水率的同时又具有很好的减缩功能聚羧酸类减水剂，合成经过先酯化后聚合，其合成工艺太过复杂，操作性不强，难以控制。

发明内容

本发明的首要目的在于提供一种多功能性高性能聚羧酸类减缩材料，此多功能性高性能聚羧酸类减缩材料主要合成原料来源丰富、合成工艺简单，具有良好的施工性能、力学性能和体积稳定性能。

本发明的再一目的在于提供上述多功能性高性能聚羧酸类减缩材料的制备方法，以聚乙二醇单甲醚丙烯酸酯、丙烯酸、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸和二甘醇单丁醚马来酸酐单酯在水体系中综合利用原位酯化技术共聚制备了多功能性高性能聚羧酸类减缩材料，所制备的多功能性高性能聚羧酸类减缩材料分子结构上既含有减水基团又含有减缩基团。

本发明是这样实现的，一种多功能性高性能聚羧酸类减缩材料，该材料结构如下所示：

其中，n为10～35的自然数；x为3～5的自然数，y为5～25的自然数，z为10，k为2～8的自然数；

优选地，所述n为23或35。

本发明进一步提供了上述多功能性高性能聚羧酸类减缩材料的制备方法，该方法包括以下步骤：

(1)在氮气保护环境下，将2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸溶液升温到55℃～85℃并充分搅拌溶解均匀，将聚乙二醇单甲醚丙烯酸酯、丙烯酸、二甘醇单丁醚马来酸酐单酯混合溶液和引发剂溶液在2～4h内滴加到2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸溶液中，滴加完成后得到一级反应液；其中，所述聚乙二醇单甲醚丙烯酸酯、丙烯酸、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸和二甘醇单丁醚马来酸酐单酯摩尔比为(0.30～0.50)∶(0.50～2.50)∶(0.25～0.75)∶1；

(2)将一级反应液在55℃～85℃恒温1～2h后，再加入催化剂，在55℃～100℃反应1～2h后，进行真空抽滤2h，反应结束后冷却到室温，再用碱溶液调节pH＝7出料，得到多功能性高性能聚羧酸类减缩材料。

优选地，在步骤(1)中，所述引发剂为过硫酸钾-抗坏血酸复合引发剂，所述过硫酸钾与抗坏血酸质量和为反应单体总质量的5％，所述过硫酸钾与抗坏血酸质量比为13∶10。

优选地，在步骤(2)中，所述催化剂为对甲苯磺酸与浓盐酸复合催化剂，所述甲苯磺酸与浓盐酸质量和为反应单体总质量的6％，所述对甲苯磺酸与浓盐酸质量比为1.5∶1。

优选地，在步骤(2)中，所述碱为质量分数为30％的NaOH溶液。

本发明克服现有技术的不足，提供一种多功能性高性能聚羧酸类减缩材料及其制备方法，本发明以聚乙二醇单甲醚丙烯酸酯、丙烯酸、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸和二甘醇单丁醚马来酸酐单酯在水体系中综合利用原位酯化技术共聚制备了多功能性高性能聚羧酸类减缩材料，该材料主要合成原料来源丰富、合成工艺简单，具有良好的施工性能、力学性能和体积稳定性能；此外，该材料分子结构上既含有减水基团又含有减缩基团。

将本发明多功能性高性能聚羧酸类减缩材料添加到混凝土中时，当其掺量为0.25％时，混凝土早龄期自收缩的平均减缩率达到60％以上，3d和28d养护龄期混凝土干燥收缩的减缩率分别为55.0％和35.0％以上，混凝土初始开裂时间延缓了7.0h以上，单位面积裂缝数量减少了60.0％以上，混凝土减水率可达35.0％以上，在60min内坍落度几乎无损失，28d养护龄期时的抗折、抗压和劈裂抗拉强度比分别为109％、126％和106％以上，混凝土氯离子扩散系数小于1.85×10^-12m²·s^-1(早龄期自收缩和干燥收缩按GB/T50082－2009方法测试，早龄期开裂性能按CECS13∶2009方法测试，减水率和保坍性能试验参照GB/T50080－2002测试，抗折强度、抗压强度以及劈裂抗拉强度试验按照GB/T50081－2002，氯离子扩散系数采用RCM法快速测试)。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

在四口玻璃烧瓶中加入2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸溶液，通氮去氧，升温到55℃～85℃，并充分搅拌溶解，在2～4h内缓慢滴加聚乙二醇单甲醚丙烯酸酯、丙烯酸、二甘醇单丁醚马来酸酐单酯混合溶液和引发剂溶液，滴完后在55℃～85℃恒温1～2h，在加入催化剂在55℃～100℃反应1～2h后进行真空抽滤2h，反应结束后冷却到室温，再用质量分数w(NaOH)＝30％的NaOH溶液调节pH＝7出料，可得一种多功能性高性能聚羧酸类减缩材料。

所述的催化剂为对甲苯磺酸与浓盐酸复合催化剂，其用量为反应单体总质量的6％，对甲苯磺酸与浓盐酸质量比为1.5∶1。

聚乙二醇单甲醚丙烯酸酯、丙烯酸、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸和二甘醇单丁醚马来酸酐单酯摩尔比为0.45∶1∶0.5∶1。

所述的引发剂为过硫酸钾-抗坏血酸复合引发剂，其用量为反应单体总质量的5％，过硫酸钾与抗坏血酸质量比为2∶1。

得到的一种多功能性高性能聚羧酸类减缩材料的分子结构为：

其中，为减水基团，即聚乙二醇单甲醚分子结构；n为23；x为4，y为10，z为10，k为5；

为减缩基团，即二甘醇单丁醚分子结构。

使用时根据需要，将上述减缩材料质量浓度控制在30％。

实施例2

与实施例1基本相同，不同的在于：

在减水基团中，n＝35，x为3，y为5，z为10，k为2。

所述的催化剂为对甲苯磺酸与浓盐酸复合催化剂，其用量为反应单体总质量的9％，对甲苯磺酸与浓盐酸质量比为1.4∶1。

聚乙二醇单甲醚丙烯酸酯、丙烯酸、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸和二甘醇单丁醚马来酸酐单酯摩尔比为0.35∶1∶0.30∶1。

所述的引发剂为过硫酸钾-抗坏血酸复合引发剂，其用量为反应单体总质量的4％，过硫酸钾与抗坏血酸质量比为1∶2。

实施例3

与实施例1基本相同，不同的是：

在减水基团中，n＝10，x为5，y为25，z为10，k为8。

所述的催化剂为对甲苯磺酸催化剂，其用量为反应单体总质量的9％。

聚乙二醇单甲醚丙烯酸酯、丙烯酸、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸和二甘醇单丁醚马来酸酐单酯摩尔比为0.50∶2.5∶0.75∶1。

所述的引发剂为过硫酸钾引发剂，其用量为反应单体总质量的10％。

实施例4

与实施例1基本相同，不同的是：

在减水基团中，n＝11。

所述的催化剂为对甲苯磺酸与浓盐酸复合催化剂，其用量为反应单体总质量的9％，对甲苯磺酸与浓盐酸质量比为1.5∶1。

实施例5

与实施例1基本相同，不同的是：

在减水基团中，n＝13。

所述的催化剂为对甲苯磺酸与浓盐酸复合催化剂，其用量为反应单体总质量的6％，对甲苯磺酸与浓盐酸质量比为2∶1。

实施例6

与实施例1基本相同，不同的是：

在减水基团中，n＝15。

所述的催化剂为对甲苯磺酸与浓盐酸复合催化剂，其用量为反应单体总质量的4％，对甲苯磺酸与浓盐酸质量比为3∶1。

实施例7

与实施例1基本相同，不同的是：

在减水基团中，n＝15。

所述的催化剂为对甲苯磺酸与浓盐酸复合催化剂，其用量为反应单体总质量的3％，对甲苯磺酸与浓盐酸质量比为2∶1。

实施例8

与实施例1基本相同，不同的是：

在减水基团中，n＝17。

所述的催化剂为对甲苯磺酸与浓盐酸复合催化剂，其用量为反应单体总质量的2％，对甲苯磺酸与浓盐酸质量比为1∶1。

实施例9

与实施例1基本相同，不同的是：

在减水基团中，n＝19。

所述的催化剂为对甲苯磺酸催化剂，其用量为反应单体总质量的3％。

实施例10

与实施例1基本相同，不同的是：

在减水基团中，n＝21

所述的催化剂为对甲苯磺酸催化剂，其用量为反应单体总质量的4％。

实施例11

与实施例1基本相同，不同的是：

在减水基团中，n＝25。

所述的催化剂为对甲苯磺酸催化剂，其用量为反应单体总质量的7％。

实施例12

与实施例1基本相同，不同的是：

在减水基团中，n＝27。

所述的催化剂为对甲苯磺酸催化剂，其用量为反应单体总质量的8％。

相比于现有技术的缺点和不足，本发明具有以下有益效果：本发明主要合成原料来源丰富、合成工艺简单，具有良好的施工性能、力学性能和体积稳定性能。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种多功能性高性能聚羧酸类减缩材料，其特征在于，该材料结构如下所示：

其中，n为10～35的自然数；x为3～5的自然数，y为5～25的自然数，z为10，k为2～8的自然数。

2.如权利要求1所述的多功能性高性能聚羧酸类减缩材料，其特征在于，所述n为23或35。

3.权利要求1或2所述的多功能性高性能聚羧酸类减缩材料的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

4.如权利要求3所述的多功能性高性能聚羧酸类减缩材料的制备方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述引发剂为过硫酸钾-抗坏血酸复合引发剂，所述过硫酸钾与抗坏血酸质量和为反应单体总质量的5％，所述过硫酸钾与抗坏血酸质量比为13∶10。

5.如权利要求4所述的多功能性高性能聚羧酸类减缩材料的制备方法，其特征在于，在步骤(2)中，所述催化剂为对甲苯磺酸与浓盐酸复合催化剂，所述甲苯磺酸与浓盐酸质量和为反应单体总质量的6％，所述对甲苯磺酸与浓盐酸质量比为1.5∶1。

6.如权利要求5所述的多功能性高性能聚羧酸类减缩材料的制备方法，其特征在于，在步骤(2)中，所述碱为质量分数为30％的NaOH溶液。