一种低温快速制备高减水型聚羧酸减水剂的方法
技术领域
本发明属于化学建材技术领域,涉及一种低温快速制备高减水型聚羧酸减水剂的方法。
背景技术
聚羧酸减水剂是现代混凝土中广泛应用的第三代高性能减水剂。目前,市场上出售的聚羧酸减水剂普遍采用热引发方式生产,常用的引发剂体系有过硫酸铵、过硫酸钾、双氧水、“双氧水—维生素C”等,一般都需要锅炉或电加热,聚合温度在40~60℃,生产周期4~6h。另外,还需要长时间的冷却降温。生产周期长、能源消耗大是聚羧酸减水剂绿色发展所面临的重要问题之一。低温生产工艺的开发,能够简化生产设备,降低生产成本,对促进节能减排、绿色低碳社会的发展具有十分重要的意义。
然而,随着生产温度的降低,采用普通引发体系会导致反应速率减慢,聚合过程延长,并影响聚羧酸减水剂性能的稳定性。例如,申请公布号为CN104371073A的中国专利提出了一种聚羧酸减水剂的常温制备方法,该方法在“双氧水—维生素C”氧化还原引发剂下,将甲基烯基聚氧乙烯醚和另外三种单体在水溶液中共聚,最后用碱性溶液中和制得。该专利申请公布的技术方案中聚合反应能在常温下进行,虽解决了反应能耗的问题,但需要长时间滴加单体溶液(2.8~3.2h)和链转移剂溶液(3.4~3.6h)才能完成,无法实现聚羧酸减水剂在更低温度条件下的生产。
在上述专利申请之后,申请公布号为CN104945568A的中国专利申请提出了一种马来酸酐后加法低温聚羧酸减水剂的制备方法,该方法首先将一定比例的甲基烯丙基聚氧乙烯醚/异戊烯醇聚氧乙烯醚和水加入到反应釜中,搅拌溶解后在5~15℃下,一次性加入氧化剂和引发剂,然后分别滴加适当比例的还原剂、引发剂和链转移剂的混合溶液及共聚单体溶液,1~4h滴完;在共聚单体溶液滴加0.5~2h后加入马来酸酐溶液,0~2h滴完;最后熟化1~2h,加入碱性溶液。该方法降低了生产温度,但仍存在生产周期长、操作步骤繁琐等缺点,另外,减水剂性能是否稳定还不确定。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术存在的不足而提供一种低温快速制备高减水型聚羧酸减水剂的方法,不需要加热,反应过程易于控制,生产周期短,生产的聚羧酸减水剂具有减水率高、掺量敏感性低、浆体包裹性好等特点。
本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案为:
一种低温快速制备高减水型聚羧酸减水剂的方法,以Fenton试剂为引发剂,控制反应体系在弱酸性条件下,并加入引发促进剂引发反应体系中的反应单体发生聚合反应,在低温条件下快速制备得到性能优良的高减水型聚羧酸减水剂。
按上述方案,所述的弱酸性条件为pH为4~6。
按上述方案,所述的聚合反应的温度为5~25℃。
按上述方案,所述Fenton试剂为H2O2与催化剂Fe2+构成的氧化体系。优选地,所述的Fenton试剂中Fe2+和H2O2的物质的量比为1:50~1:100。
按上述方案,所述的Fenton试剂中Fe2+可以来自于硝酸亚铁、草酸亚铁、氯化亚铁、硫酸亚铁七水合物、乙酰丙酮亚铁、葡萄糖酸亚铁、硫酸亚铁铵等亚铁盐中的一种或多种按任意比例的混合物,Fe2+用量为聚醚大单体物质的量的0.1%~0.4%。
按上述方案,所述引发促进剂为亚硫酸钠、亚硫酸氢钠或硫代硫酸钠等中的一种或几种按任意比例的混合物。
按上述方案,所述反应单体包括不饱和聚醚大单体、二元羧酸和丙烯酸单体。
按上述方案,所述不饱和聚醚大单体为甲基烯丙基聚氧乙烯醚、异戊烯醇聚氧乙烯醚、4-羟丁基乙烯基聚氧乙烯醚中的任意一种。
按上述方案,所述二元羧酸为马来酸、马来酸酐、衣康酸中的一种或几种的混合物。
上述低温快速制备高减水型聚羧酸减水剂的方法,具体包括以下步骤:
(1)将不饱和聚醚大单体和二元羧酸溶于去离子水中,配制成固含量为50wt%~60wt%的溶液,并加入适量分子量调节剂搅拌均匀;
(2)将步骤(1)所得溶液的用pH调节剂调整pH为4~6,随后加入Fenton试剂,在5~25℃分别同时滴加丙烯酸单体溶液和pH调节剂,反应过程中维持反应体系的pH为4~6,滴加时间控制在30~50min,滴加完毕一次性加入引发促进剂并搅拌十几分钟,即可得到高减水型聚羧酸减水剂。
按上述方案,所述步骤(1)中二元羧酸的质量为不饱和聚醚大单体质量的1.3%~2.7%,分子量调节剂的质量为不饱和聚醚大单体质量的0.30%~3.0%;步骤(2)中丙烯酸单体的质量为聚醚大单体质量的5.0%~13%,丙烯酸单体可以直接滴加也可以配置成15%~30%的水溶液。
按上述方案,所述分子量调节剂为巯基乙酸、巯基丙酸、甲基丙烯磺酸钠、巯基乙醇等中的一种或几种按任意比例的混合物。
按上述方案,所述pH调节剂为碱或者碱的水溶液,如氨水或者质量含量为20%的氢氧化钠、氢氧化钾水溶液等。
按上述方案,所述引发促进剂的加入量为不饱和聚醚大单体质量的0.1%~0.5%。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
1.传统生产聚羧酸减水剂需要安装加热设备,并消耗大量热能,本发明不需要额外加热,节省设备安装费和能源消耗费,且反应过程易于控制;
2.通常加热方法制备聚羧酸减水剂的生产时间长达3.5~4h,聚合结束还需要较长时间的冷却过程,而本发明生产过程仅需要0.5~1h,能够明显缩短生产周期,效率明显提高;
3.本发明制得的聚羧酸减水剂与现有同类产品相比,具有减水率高、掺量敏感性低、浆体包裹性好等特点。
具体实施方式
为了更好的理解本发明,下面结合实施例进一步阐明本发明的内容,但本发明的内容不仅仅局限于以下实施例。
实施例1
一种低温快速制备高减水型聚羧酸减水剂的方法,具体包括以下步骤:
1)向1L四口烧瓶中加入固体片状甲基烯丙基聚氧乙烯醚(分子量2400)382.2g、马来酸酐7.8g和去离子水390.0g搅拌均匀,待单体全部溶解后,加入分子量调节剂巯基乙酸3.0g搅拌均匀;
2)将步骤1)所得溶液中滴加30%NaOH溶液14g调整pH为4~5,随后加入Fenton试剂6.5g(由质量分数1%的硝酸亚铁水溶液4.0g、质量分数30%的双氧水2.5g组成),搅拌均匀后在25℃下,分别滴加由43.8g丙烯酸和131.0g去离子水配成的A溶液,以及26.0g20%NaOH配成的B溶液,其中A溶液0.5h滴加完毕,B溶液3min滴1次控制反应体系的pH为4~5;
3)将步骤(3)所得溶液中加入0.5g促进剂亚硫酸钠和112g去离子水,搅拌10min即可得到高减水型聚羧酸减水剂。
实施例2
一种低温快速制备高减水型聚羧酸减水剂的方法,具体包括以下步骤:
1)向1L四口烧瓶中加入固体片状异戊烯醇聚氧乙烯醚(分子量2400)380.0g、衣康酸10.3g和去离子水319.0g搅拌均匀,待单体全部溶解后,加入分子量调节剂巯基丙酸1.5g,搅拌均匀;
2)将步骤1)所得溶液中滴加30%NaOH溶液15g,调整pH为5~6,随后加入Fenton试剂(由质量分数1%的草酸亚铁3.9g,质量分数1%的七水合硫酸亚铁7.4g,质量分数30%的双氧水3.0g组成),搅拌均匀后在20℃下,分别滴加由22.0g丙烯酸和99.0g去离子水配成的A溶液,以及25.0g20%氨水配成的B溶液,其中A溶液40min滴加完毕,B溶液3min滴1次控制反应体系的pH为4~5;
3)将步骤(3)所得溶液中加入1.2g促进剂亚硫酸氢钠和162g去离子水搅拌10min即可得到高减水型聚羧酸减水剂。
实施例3
一种低温快速制备高减水型聚羧酸减水剂的方法,具体包括以下步骤:
1)向1L四口烧瓶中加入固体片状4-羟丁基乙烯基聚氧乙烯醚(分子量2400)380.0g、马来酸9.2g和去离子水254.8g搅拌均匀,待单体全部溶解后,加入分子量调节剂巯基乙醇1.3g搅拌均匀;
2)将步骤1)所得溶液中滴加30%NaOH溶液12g,调整pH为4~5,随后加入Fenton试剂(由质量分数1%的硫酸亚铁铵13.6g,质量分数27%的双氧水3.5g组成),搅拌均匀后在10℃下,分别滴加由48.0g丙烯酸和130.0g去离子水配成的A溶液,以及20.0g30%KOH配成的B溶液,其中A溶液50min滴加完毕,B溶液3min滴1次控制反应体系的pH为4~5;
3)将步骤(3)所得溶液中加入1.9g促进剂硫代硫酸钠和26g去离子水,搅拌10min即可得到高减水型聚羧酸减水剂。
实施例4
一种低温快速制备高减水型聚羧酸减水剂的方法,具体包括以下步骤:
1)向1L四口烧瓶中加入固体片状4-羟丁基乙烯基聚氧乙烯醚(分子量2400)382.2g、马来酸酐5.0g、衣康酸3.7g和去离子水391.0g搅拌均匀,待单体全部溶解后,加入分子量调节剂甲基丙烯磺酸钠10.0g搅拌均匀;
2)将步骤1)所得溶液中滴加30%NaOH溶液18g,调整pH为5~6,随后加入Fenton试剂(由质量分数1%的葡萄糖酸亚铁6.7g,质量分数2%的硫酸亚铁2.7g,质量分数27%的双氧水3.5g组成),搅拌均匀后在5℃下,分别滴加由44.0g丙烯酸和130.0g去离子水配成的A溶液,以及25.0g20%NaOH配成的B溶液,其中A溶液50min滴加完毕,B溶液3min滴1次控制反应体系的pH为5~6;
3)将步骤(3)所得溶液中加入0.5g亚硫酸钠,0.25g硫代硫酸钠和118g去离子水,搅拌10min即可得到高减水型聚羧酸减水剂。
对比例
下面按照传统的加热合成方法制备聚羧酸减水剂,并和本发明方法制备的减水剂进行对比。
对比例1
向装有搅拌器和温度计的四口烧瓶中加入固体片状异戊烯醇聚氧乙烯醚(分子量2400)368.0g,去离子水200.0g,搅拌溶解均匀。待温度升高至60℃时,加入30%双氧水2.0g,在搅拌下滴加由35.0g丙烯酸和24.0g水组成的A溶液,同时滴加由1.0g巯基丙酸、0.5gVC和112.0g水组成的B溶液,A溶液滴加3h,B溶液滴加3.5h。滴加完毕后,保温1h,随后降温。当温度降至室温后加入氢氧化钠溶液调节pH为6~8,得到无色透明的聚羧酸减水剂。
对比例2
向装有搅拌器和温度计的四口烧瓶中加入固体片状异戊烯醇聚氧乙烯醚(分子量2400)350.0g,去离子水295.0g,搅拌溶解均匀。待温度升高至60℃时,加入30%双氧水2.0g,在搅拌下滴加由40.5g丙烯酸,4.5g甲基丙烯磺酸钠和125.0g水组成的A溶液,同时滴加由1.2g巯基乙酸、0.6gVC和138.0g水组成的B溶液,A溶液滴加3h,B溶液滴加3.5h。滴加完毕后,保温1h,随后降温。当溶液温度降至室温后加入氢氧化钠溶液调节pH为6~8,得到无色透明聚羧酸减水剂。
应用例
(1)净浆流动度试验
为评价本发明制备的聚羧酸减水剂的分散性能和分散保持性能,并跟对比例相比较,参照《混凝土外加剂匀质性试验方法》(GB/T8077-2000)测定了相同掺量下样品的净浆流动度,水泥300g,W/C=0.29,聚羧酸减水剂掺量(折固)为0.15%。试验结果见表1。
表1不同聚羧酸减水剂样品的净浆流动度测试结果
表1试验结果说明:相同掺量下,采用本发明制备的聚羧酸减水剂的水泥净浆初始流动度均达到275mm及以上,120min保持在265mm以上;传统的热聚合工艺制备的聚羧酸减水剂(对比例1和2)初始净浆流动度在260mm左右,120min后流动度降低至230mm以下,说明本发明制备的产品在净浆初始分散性及保持性能方面有较明显的优势。这可能因为采用本发明引发剂及其控制条件下,聚合效率更高,单体之间反应更加充分。另外,低温条件下也更加有利于聚合物分子量的增长,提高其综合性能。
(2)混凝土试配试验
为了评价本发明制备的聚羧酸减水剂在混凝土中的工作性能,并跟对比例相比较,按照《混凝土外加剂》GB8076-2008的相关规定,测定混凝土减水率;参照《混凝土泵送剂》JC473-2001相关规定测定了坍落度及扩展度;通过调整用水量,控制混凝土初始坍落度在(210±10)mm,测试初始和60min的坍落度、扩展度,判断聚羧酸减水剂的性能。试验水泥为重龙山P·O42.5水泥,粉煤灰为II灰,机制砂(细度模数为2.7),碎石(10~20mm占60%),减水剂掺量为胶凝材料用量的1.8%。结果如表2所示。
表2混凝土试配结果
由试验结果表2可知,相同掺量下,采用本发明制备的高减水型聚羧酸减水剂的减水率均在24.4%以上,高于常规工艺的减水率22.2%;且本发明采用低温工艺制备的聚羧酸减水剂配制的混凝土60min的坍落度/扩展度值均在180/350mm以上,优于常规工艺最高值175/340mm,故采用本发明制备的高减水型聚羧酸减水剂的减水效果好且具有优良的保坍性能。另外,试配过程中还发现掺实施例的混凝土与掺对比例的混凝土相比,铁铲翻料时更加轻松,浆体对骨料的包裹性更好。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明创造构思的前提下,还可以做出若干改进和变换,都属于本发明的保护范围。