CN106478895B

CN106478895B - 一种氧化石墨烯复合型聚羧酸减水剂及其制备方法

Info

Publication number: CN106478895B
Application number: CN201610880103.0A
Authority: CN
Inventors: 张芳; 陈亚兵
Original assignee: Wuhan Institute of Technology
Current assignee: WUHAN STAR WATERPROOF MATERIALS Co.,Ltd.
Priority date: 2016-10-09
Filing date: 2016-10-09
Publication date: 2019-02-01
Anticipated expiration: 2036-10-09
Also published as: CN106478895A

Abstract

本发明公开了一种氧化石墨烯复合型聚羧酸减水剂，其特征在于原料组分如下：氧化石墨烯、甲基烯丙基聚氧乙烯醚、丙烯酸、马来酸酐、水以及氧化剂过硫酸铵与还原剂亚硫酸氢钠，按原料组分按质量分数计为：氧化石墨烯0.1％～2％、甲基烯丙基聚氧乙烯醚25％～40％、丙烯酸1.5％～4％、马来酸酐2％～5.4％、水50％～70％以及氧化剂0.4％～1％、还原剂0.1％～0.2％，将单体甲基烯丙基聚氧乙烯醚、丙烯酸、马来酸酐与氧化石墨烯均匀混合，在氧化剂和还原剂的引发作用下发生聚合反应，从而得到氧化石墨烯复合型聚羧酸减水剂。本发明能有效改善氧化石墨烯在混凝土的应用中的分散性，在达到同等的强度提升效果的同时能减少氧化石墨烯在混凝土应用中的用量，并进一步提高混凝土的力学性能。

Description

一种氧化石墨烯复合型聚羧酸减水剂及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种氧化石墨烯复合型聚羧酸减水剂及其制备方法，属化工领域。

背景技术

在一些特殊要求的施工建设中需要用到抵抗恶劣环境或超高强度的高性能混凝土，如高层建筑、地下工程、大跨度桥梁以及海洋设施等。这些混凝土工程施工难度大，使用环境恶劣、维修困难，因此要求混凝土不但施工性能要好，尽量在浇筑时不产生缺陷，更要耐久性好,使用寿命长。而聚羧酸减水剂作为混凝土配制过程的化学外加剂对混凝土的高性能化有了较大促进。

聚羧酸减水剂是一种长链的高分子聚合物，由三种及以上的单体通过聚合作用生成，因其上含有很多活性基团能对水泥颗粒起作用，达到改善混凝土拌合物工作性能的作用。聚羧酸作为第三代混凝土高效减水剂，其掺量低、减水率高、分子结构设计性强，并且没有有害物质的产生，清洁环保，目前已成为混凝土外加剂中的主流产品。

氧化石墨烯是二维纳米片层结构，表面带有丰富的含氧基团，其本身具有超高的弹性模量，将其应用于混凝土中由于其片状结构，能调控水泥石的结晶，减少针状钙矾石的生成，从而提高混凝土的性能。现有方法是将氧化石墨烯溶液与减水剂混合均匀后通过超声作用使氧化石墨烯分散于减水剂中后，再将混合溶液用于混凝土试配过程。但是，这种方法仍然出现氧化石墨烯分散性不够均匀的问题，而且超声过程有可能会破坏减水剂长链分子结构，特别是当主链含有季碳原子时，从而影响减水剂的性能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足而提供一种氧化石墨烯复合型聚羧酸减水剂及其制备方法，有效改善氧化石墨烯在混凝土的应用中的分散性，一方面在达到同等的强度提升效果的同时能减少氧化石墨烯在混凝土应用中的用量，另一方面能进一步提高混凝土的力学性能。

本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案为：

一种氧化石墨烯复合型聚羧酸减水剂，其主要原料组分如下：氧化石墨烯、甲基烯丙基聚氧乙烯醚、丙烯酸、马来酸酐、水以及氧化剂与还原剂。

进一步地，上述氧化石墨烯复合型聚羧酸减水剂，其主要原料组分按质量百分比计如下：氧化石墨烯0.1％～2％、甲基烯丙基聚氧乙烯醚25％～40％、丙烯酸1.5％～4％、马来酸酐2％～5.4％、水50％～70％以及氧化剂0.4％～1％、还原剂0.1％～0.2％。

优选地，所述氧化石墨烯由改进的hummer法制备，片层直径为400～800nm，厚度为1～8层。

优选地，所述甲基烯丙基聚氧乙烯醚分子量为2200～2600g/mol。

优选地，本发明所选引发体系为氧化还原体系，氧化剂为过硫酸铵或过硫酸钾等过硫酸盐，还原剂为亚硫酸氢钠等亚硫酸盐。

本发明所述氧化石墨烯复合型聚羧酸减水剂的制备方法：按上述配比，将单体甲基烯丙基聚氧乙烯醚、丙烯酸、马来酸酐与氧化石墨烯均匀混合，在氧化剂和还原剂的引发作用下发生聚合反应，从而得到氧化石墨烯复合型聚羧酸减水剂。其更为具体的步骤如下：

(1)按原料规格和配比，称取各原料组分，并将单体甲基烯丙基聚氧乙烯醚、丙烯酸、马来酸酐、还原剂和氧化石墨烯分别配制成一定浓度的水溶液；

(2)将甲基烯丙基聚氧乙烯醚溶液、氧化剂以及氧化石墨烯溶液混合均匀后，升温至80±2℃，在搅拌状态下滴加丙烯酸与马来酸酐溶液的同时滴加还原剂溶液；

(3)待步骤(2)中滴加完毕后，将所得反应体系于65～75℃保温熟化1.5～2.5h，然后调节其pH至中性，即得到氧化石墨烯复合型聚羧酸减水剂。

按上述方案，所述步骤(2)中，丙烯酸与马来酸酐溶液的滴加时间持续2.5～3h，还原剂溶液的滴加时间持续3～4h。

按上述方案，所述步骤(3)中，pH调节剂为碱液，常用质量浓度为30％的氢氧化钠溶液。

优选地，所述甲基烯丙基聚氧乙烯醚溶液质量浓度为30％～50％，丙烯酸溶液的质量浓度为40％～50％，马来酸酐溶液的质量浓度为30％～50％。

优选地，所述还原剂溶液的质量浓度为0.4％～1％。

优选地，所述氧化石墨烯溶液的质量浓度为2％～5％。

本发明所述的复合型减水剂是利用带有双键的甲基烯丙基聚氧乙烯醚大单体与同样带有双键的丙烯酸以及马来酸酐通过双键的断裂与聚合来合成减水剂；同时，在聚合体系中引入氧化石墨烯是由于氧化石墨烯表面有大量的羟基与羧基等基团，这些基团与减水剂单体间存在比较强的缔合氢键作用从而使减水剂单体在石墨烯片层结构上发生聚合作用从而增大氧化石墨烯片层之间的层间距，这样氧化石墨烯的分散性会更好。在混凝土的适配过程中，这些石墨烯片层结构会随着减水剂分子的吸附作用而分散开来，从而达到氧化石墨烯在混凝土中良好分散的效果。

合成过程中加料顺序采用的是先加甲基烯丙基聚氧乙烯醚、氧化剂和氧化石墨烯的混合溶液，将温度升至80℃左右后一边开始滴加丙烯酸以及马来酸酐单体，一边滴加还原剂溶液，其目的是提高减水剂的产率。由于丙烯酸聚合活性比较高，若先加入聚合体系，再加入引发剂后会有比较高的自聚从而减小减水剂的产率，影响产物的性能；而后加入还原剂的目的是由于双引发体系中氧化剂的量相对于还原剂要过量，以后滴加的方式可以始终保持氧化剂的量为过量。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明利用氧化石墨烯上连带的含氧基团与减水剂单体丙烯酸、马来酸酐上的羧基通过键合作用，使三种单体在氧化石墨烯片层结构上聚合，从而修饰氧化石墨烯的表面，减小石墨烯片层之间的范德华力，得到氧化石墨烯分散性更好的氧化石墨烯复合型聚羧酸减水剂。

2、本发明中氧化石墨烯与减水剂分子的复合作用使得氧化石墨烯在混凝土试配过程中均匀分散，一方面应用于混凝土中明显提高了混凝土的工作性、力学性能；另一方面由于氧化石墨烯的分散更均匀，相较于与减水剂混合、超声后用于混凝土的方法，本发明中所述复合减水剂中氧化石墨烯的用量相对更少。本发明中，应用时，氧化石墨烯的含量为水泥质量的0.00104％～0.0096％，相较于现有技术使用方法中氧化石墨烯的用量0.016％，氧化石墨烯的用量最多可以减少93.5％。

3、本方法中，由于氧化石墨烯同时含有极性亲水基与疏水结构，其中亲水基为羟基、羧基等含氧基团，疏水结构为sp2杂化的石墨片层结构，因此提高了减水剂的表面活性效应，对减水剂的减水性能有一定的提升作用。在掺量等同的情况下，对于不含氧化石墨烯的聚羧酸减水剂，其净浆流动度实验中，净浆直径最大为238mm，而本发明所述的复合型减水剂最大可为265mm。

4、本发明所述产品合成工艺简单，所选合成原料都安全无毒，生产过程亦无有害物质释放，安全环保。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明不仅仅局限于下面的实施例。

下述实施例中，所述氧化石墨烯由改进的hummer法制备，片层直径为400～800nm，厚度为1～8层；所述甲基烯丙基聚氧乙烯醚分子量为2200～2600g/mol。

实施例1

一种氧化石墨烯复合型聚羧酸减水剂，其原料组分按质量分数计如下：氧化石墨烯0.72％(0.54g)、甲基烯丙基聚氧乙烯醚32.27％(24g)、丙烯酸1.94％(1.44g)、马来酸酐2.64％(1.96g)、水61.81％(45.98g)以及氧化剂过硫酸铵0.51％(0.38g)与还原剂亚硫酸氢钠0.11％(0.084g)

上述氧化石墨烯复合型聚羧酸减水剂的制备方法，具体的步骤如下：

(1)取24g甲基烯丙基聚氧乙烯醚配制成质量浓度50％的水溶液并加入0.38g过硫酸铵；取0.54g氧化石墨烯配制成质量浓度5％的水溶液；取1.44g丙烯酸配制成质量浓度50％的水溶液；取1.96g顺丁烯二酸酐配制成质量浓度50％的水溶液；取0.084g亚硫酸氢钠配制成质量浓度为1％的水溶液；

(2)将甲基烯丙基聚氧乙烯醚溶液(其中包括氧化剂过硫酸铵)与氧化石墨烯溶液倒入反应器中加热至温度为80℃，然后在搅拌状态下滴加丙烯酸与马来酸酐溶液的同时滴加还原剂溶液，其中丙烯酸溶液与顺丁烯二酸酐溶液滴加时间持续3h，还原剂滴加持续时间3.5h；

(3)待步骤(2)中滴加完毕后，将所得反应体系于70℃保温熟化2小时，然后用30％的氢氧化钠溶液调节其pH至7，即得到氧化石墨烯复合型聚羧酸减水剂。

实施例2

一种氧化石墨烯复合型聚羧酸减水剂，其原料组分按质量分数计如下：氧化石墨烯0.70％(0.54g)、甲基烯丙基聚氧乙烯醚31.65％(24g)、丙烯酸2.85％(2.16g)、马来酸酐2.60％(1.96g)、水61.59％(46.69g)以及氧化剂过硫酸铵0.50％(0.38g)与还原剂亚硫酸氢钠0.11％(0.084g)。

(1)取24g甲基烯丙基聚氧乙烯醚配制成质量浓度50％的水溶液并加入0.38g过硫酸铵；取0.54g氧化石墨烯配制成质量浓度5％的水溶液；取2.16g丙烯酸配制成质量浓度50％的水溶液；取1.96g顺丁烯二酸酐配制成质量浓度50％的水溶液；取0.084g亚硫酸氢钠配制成质量浓度为1％的水溶液；

实施例3

一种氧化石墨烯复合型聚羧酸减水剂，其原料组分按质量分数计如下：氧化石墨烯1.2％(1g)、甲基烯丙基聚氧乙烯醚28.71％(24g)、丙烯酸1.72％(1.44g)、马来酸酐2.35％(1.96g)、水65.47％(54.72g)以及氧化剂过硫酸铵0.45％(0.38g)与还原剂亚硫酸氢钠0.1％(0.084g)。

(1)取24g甲基烯丙基聚氧乙烯醚配制成质量浓度50％的水溶液并加入0.38g过硫酸铵；取1g氧化石墨烯配制成质量浓度5％的水溶液；取1.44g丙烯酸配制成质量浓度50％的水溶液；取1.96g顺丁烯二酸酐配制成质量浓度50％的水溶液；取0.084g亚硫酸氢钠配制成质量浓度为1％的水溶液；

实施例4

一种氧化石墨烯复合型聚羧酸减水剂，其原料组分按质量分数计如下：氧化石墨烯0.15％(0.1g)、甲基烯丙基聚氧乙烯醚35.81％(24g)、丙烯酸3.22％(2.16g)、马来酸酐2.92％(1.96g)、水57.2％(38.34g)以及氧化剂过硫酸铵0.57％(0.38g)与还原剂亚硫酸氢钠0.13％(0.084g)。

(1)取24g甲基烯丙基聚氧乙烯醚配制成质量浓度50％的水溶液并加入0.38g过硫酸铵；取0.1g氧化石墨烯配制成质量浓度5％的水溶液；取2.16g丙烯酸配制成质量浓度50％的水溶液；取1.96g顺丁烯二酸酐配制成质量浓度50％的水溶液；取0.084g亚硫酸氢钠配制成质量浓度为1％的水溶液；

为了证明本发明所述的氧化石墨烯复合型聚羧酸减水剂的性能，用上述实施例中合成的减水剂按照GBT 8077-2012《混凝土外加剂匀质性试验方法》进行水泥净浆流动度实验。试验结果如表1所示。实验中对比例1为利用不加氧化石墨烯的情况下所合成的聚羧酸减水剂时测得的结果；对比例2为试验过程中不加减水剂测得的结果。

表1水泥净浆流动度测试结果

由表1可知：本发明合成的氧化石墨烯复合型聚羧酸减水剂减水效果较好，0.5h后的损失也比较小；当氧化石墨烯的含量很少时(0.13％，实施例4)净浆流动度为248mm，与不掺氧化石墨烯的聚羧酸减水剂(对比例1)结果238mm相比，有略微提升。随着氧化石墨烯掺量增多净浆流动度也会随着提升，最大可达265mm；当氧化石墨烯用量的增多，掺量为1.2％时(实施例3)，减水剂性能略有下降，但仍然在正常范围内，这是由于二维纳米氧化石墨烯片层结构比表面积大所产生的。

为了证明本发明所述的氧化石墨烯复合型聚羧酸减水剂对水泥胶砂力学性能的作用，用上述实施例中合成的减水剂按照GB/T17671-1999《水泥胶砂强度检验方法》进行力学性能试验。试验结果如表2所示。其中，所用水泥为华新42.5标号水泥，水灰比为0.3；减水剂掺量为1％；对比例3为使用一般减水剂所得的结果；对比例4为使用一般减水剂并掺入氧化石墨烯使用时得到的结果。

表2水泥胶砂抗压强度测试结果

由表2可知：本发明所述的氧化石墨烯复合型减水剂能提高混凝土的力学性能。早期强度与28天强度都有提高，当氧化石墨烯的掺量为水泥质量的0.0096％时(实施例3)，早期强度相较与对比例提高了29％，后期强度提高39.9％。虽然对比例4能达到几乎同等的强度提升效果，但是氧化石墨烯用量确比实施例多很多，约为实施例的20倍。

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，这些都属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种氧化石墨烯复合型聚羧酸减水剂的制备方法，其特征在于主要步骤如下：

（1）原料组分按质量百分比计为：氧化石墨烯0.1%～2%、甲基烯丙基聚氧乙烯醚25%～40%、丙烯酸1.5%～4%、马来酸酐2%～5.4%、水50%～70%以及氧化剂0.4%～1%、还原剂0.1%～0.2%；按原料规格和配比，称取各原料组分，并将单体甲基烯丙基聚氧乙烯醚、丙烯酸、马来酸酐、还原剂和氧化石墨烯分别配制成水溶液；

（2）将甲基烯丙基聚氧乙烯醚溶液、氧化剂以及氧化石墨烯溶液混合均匀后，升温至80±2℃，在搅拌状态下滴加丙烯酸与马来酸酐溶液的同时滴加还原剂溶液；

（3）待步骤（2）中滴加完毕后，将所得反应体系于65～75℃保温熟化1.5～2.5h，然后调节其pH至中性，即得到氧化石墨烯复合型聚羧酸减水剂。

2.根据权利要求1所述的一种氧化石墨烯复合型聚羧酸减水剂的制备方法，其特征在于所述氧化石墨烯的片层直径为400～800nm，厚度为1～8层；所述甲基烯丙基聚氧乙烯醚分子量为2200～2600g/mol。

3.根据权利要求1所述的氧化石墨烯复合型聚羧酸减水剂的制备方法，其特征在于所述步骤（2）中，丙烯酸与马来酸酐溶液的滴加时间持续2.5～3h，还原剂溶液的滴加时间持续3～4h。

4.根据权利要求1所述的氧化石墨烯复合型聚羧酸减水剂的制备方法，其特征在于所述单体甲基烯丙基聚氧乙烯醚溶液质量浓度为30%～50%；所述氧化石墨烯溶液的质量浓度为2%～5%。

5.根据权利要求1所述的氧化石墨烯复合型聚羧酸减水剂的制备方法，其特征在于丙烯酸小单体溶液的质量浓度为40%～50%，马来酸酐小单体溶液的质量浓度为30%～50%。

6.根据权利要求1所述的氧化石墨烯复合型聚羧酸减水剂的制备方法，其特征在于所述还原剂溶液的质量浓度为0.5%～1%。

7.根据权利要求1所述的氧化石墨烯复合型聚羧酸减水剂的制备方法，其特征在于所述氧化剂为过硫酸盐，还原剂为亚硫酸盐。