CN106519121B - 一种增强型抗泥剂及其制备方法 - Google Patents

一种增强型抗泥剂及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种式(I)所示化合物结构通式的增强型抗泥剂，本发明还公开了所述抗泥剂的制备方法，是将环糊精酯化得到星形引发剂，引发阳离子单体(甲基)丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵和亲水性单体(甲基)丙烯酸羟基乙酯的原子转移自由基聚合，得到(甲基)丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵和(甲基)丙烯酸羟基乙酯的共聚物，进一步处理后得到固含量为20％的抗泥剂。本发明制备的抗泥剂与工业聚羧酸减水剂复配，可有效提高减水剂对泥土的适应性，满足较高的施工要求。

Description

一种增强型抗泥剂及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种抗泥剂及其制备方法，尤其涉及一种增强型抗泥剂及其制备方法，属于建筑材料中混凝土外加剂技术领域。
背景技术
聚羧酸减水剂具有掺量低、减水率高、保坍性能好、分子结构可调性强、高性能化潜力大等优点，成为第三代高性能混凝土减水剂。但是，聚羧酸减水剂在实际应用中也面临许多技术难题，其中对粘土的高度敏感性最为突出。为避免集料含泥量高对混凝土造成的负效应，目前常用的解决措施主要是对含泥量高的集料进行冲洗或超量掺加减水剂。但是，冲洗时会损害集料级配，还会增加工序，影响施工工期；超掺减水剂通常会使混凝土初始出现泌水和离析，且增加成本。
沙石材料中的泥土主要为蒙脱石土和高岭土，具有较高的比表面积和层状结构，使其优先于水泥吸附减水剂和自由水，从而导致混凝土的坍落度损失大、流变性差、耐久性和强度下降等问题。水泥水化颗粒表面主要带正电荷，而泥土颗粒表面带负电荷，因此在聚羧酸减水剂中掺加含阳离子的组分，通过静电吸附，可形成对泥土颗粒的“包覆”作用，起到良好的抗泥效果，与小分子阳离子化合物相比，阳离子聚合物作为抗泥剂具有独特优势。
抗泥剂本身的分子构型对抗泥效果的影响也受到广泛关注。星形聚合物的分子内含有大量的短支链，分子间缠绕少，分子间作用力小，其特性粘度远小于线性分子；星形聚合物具有三维球状结构，且分子间无缠绕，因此空间体积较同分子量的线性聚合物更大，具有更强的空间位阻作用，具有星形结构的抗泥剂有较高的适应性和“分散”作用。
将空间位阻较大的分子或基团引入抗泥剂可对泥土层间产生有效的“阻隔”作用，可以有效减少聚羧酸减水剂和抗泥剂进入泥土层间的量，也可较好地解决聚羧酸减水剂对泥土的适应性问题。β-环糊精(β-CD)分子结构略呈锥形，锥腔外存在大量羟基而显亲水性，锥腔内呈疏水性，其分子量为1135，空间直径为0.8nm，空穴深度约为0.7～0.8nm，具有显著的空间位阻效应。将环糊精作为功能性基团引入抗泥剂可产生良好效果。但目前检索的结果是：大多数专利描述的抗泥剂主要通过调节自身组分含量或与聚羧酸减水剂复配达到抗泥效果，很少有通过分子结构设计改变聚合物结构或采用新的聚合方法实现其优良应用性能的。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明要解决的问题是提供一种增强型抗泥剂及其制备方法。
本发明所述增强型抗泥剂，其特征在于：该抗泥剂是式(I)所示结构通式的化合物：
其中：
R1，R2，R3或R4＝H或CH3；
m表示聚合度，x，y表示单体的摩尔百分数，x＝70～100％，y＝0～30％。
本发明所述增强型抗泥剂的制备方法，是将β-环糊精酯化得到星形引发剂，引发阳离子单体(甲基)丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵和亲水性单体(甲基)丙烯酸羟基乙酯的原子转移自由基聚合，得到(甲基)丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵和(甲基)丙烯酸羟基乙酯的共聚物，进一步处理后得到固含量为20％的抗泥剂。其具体步骤如下：
(1)星形引发剂的制备：将β-环糊精与卤代酰卤在冰水浴下混合搅拌反应60～120min后，在室温下再搅拌反应24小时，反应结束后将反应液在石油醚中沉淀，即得星形引发剂，其中β-环糊精与卤代酰卤的摩尔比为1:(7～15)，卤代酰卤为2-溴异丁酰溴、2-溴丙酰溴或溴乙酰溴；
(2)抗泥剂的制备：将步骤(1)得到的星形引发剂与(甲基)丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵和(甲基)丙烯酸羟基乙酯溶于二甲基亚砜(DMSO)中，除氧后再加入催化剂和配体，在氮气气氛下于60～90℃反应5～10h；透析除去残留的单体和其它杂质，得到星形(甲基)丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵和(甲基)丙烯酸羟基乙酯共聚物，并调节固含量为20％，即制得增强型抗泥剂；
其中，所述的星形引发剂、(甲基)丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、(甲基)丙烯酸羟基乙酯、催化剂和配体的摩尔比为1:(50～300):(10～100):(1～15):(1～15)；所述催化剂为CuBr(溴化亚铜)或CuCl(氯化亚铜)；所述配体为PMDETA(五甲基二乙烯三胺)、Me6TREN(三[2-(二甲氨基)乙基]胺)或bpy(联吡啶)。
上述增强型抗泥剂的制备方法中：步骤(2)所述的星形引发剂、(甲基)丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、(甲基)丙烯酸羟基乙酯、催化剂和配体的摩尔比优选为1:(60～100):(10～50):(1～10):(1～10)。进一步的，所述星形引发剂、(甲基)丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、(甲基)丙烯酸羟基乙酯、催化剂和配体的摩尔比最优选1:80:20:7:7。
上述增强型抗泥剂的制备方法中：步骤(2)所述催化剂优选CuBr(溴化亚铜)；所述配体优选PMDETA(五甲基二乙烯三胺)。
本发明以环糊精酯化产物为引发剂，利用活性聚合技术制备分子结构可控的增强型抗泥剂，提供了一种制备抗泥剂的新方法，与工业聚羧酸减水剂复配，可有效提高聚羧酸减水剂对泥土的适应性，满足较高的施工要求，具有良好的应用前景。
本发明的有益效果是：
1.本发明采用ATRP技术，得到的抗泥剂结构规整，分子量可控，分子量分布窄；
2.本发明制备的抗泥剂为星形拓扑结构，可提高抗泥剂自身的分散性和对泥土的吸附能力；其中阳离子组分对泥土颗粒的包覆作用形成“保护层”，可有效抑制泥土对聚羧酸减水剂的吸附，提高混凝土的分散性；
3.与小分子相比，β-环糊精本身具有较大空间位阻，通过“阻隔”作用，使以β-环糊精为核的抗泥剂很难进入泥土的层间，同时对泥土层间形成“封堵”作用，有效抑制泥土对的聚羧酸减水剂的吸附，进一步提高了减水剂对泥土的适应性。
具体实施方式
下面通过给出的具体实施例可以进一步理解本发明，但下述实施例并不是对本发明保护范围的限定。
实施例1：
(1)星形引发剂的制备
将β-环糊精(11.35g，0.01mo)溶于60mL无水N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中，加入到100mL三口瓶中，然后加入三乙胺(7.07g，0.07mol)作为质子吸收剂。氮气气氛下在冰水浴中搅拌0.5h。将2-溴异丁酰溴(16.1g，0.07mol)溶于10mL无水DMF，然后加入恒压滴液漏斗中，逐滴滴加到三口瓶中。滴加完毕后，氮气气氛下于室温反应24h。反应结束后将反应液过滤，将滤液置于分液漏斗中，先用饱和碳酸氢钠溶液洗涤除去残留的三乙胺盐，再用去离子水洗至中性，通过旋蒸除去大部分溶剂后滴加至冷乙醚中沉淀，过滤、洗涤、溶解、再沉淀、再过滤、再洗涤，重复三次，50℃下真空干燥过夜，即得到含端基溴的星形引发剂。
(2)抗泥剂的制备
将步骤(1)得到的星形引发剂(0.01mol)、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(0.8mol)和甲基丙烯酸羟基乙酯(0.2mol)，溶于二甲亚砜(DMSO)中，混合搅拌均匀。在氮气保护下，经过冷冻-抽气-融化循环三次除氧，再加入PMDETA0.07mol和CuBr 0.07mol，使星形引发剂、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、甲基丙烯酸羟基乙酯、配体、催化剂的摩尔比为1:80:20:7:7，70℃下反应10h。将反应产物置于透析袋中，用去离子水中透析36小时(每隔12h换水一次)。将透析袋中剩余溶液浓缩，得到固含量为20％的抗泥剂，命名为P1。
(3)减水率测试
参照GB8077-2000《混凝土外加剂匀质性试验方法》，市售聚羧酸减水剂固掺量为水泥质量的0.1％、水灰比为0.29时，净浆流动度为273mm(表1)。
市售聚羧酸减水剂固掺量为水泥质量的0.1％、蒙脱土含量为水泥质量的1％、水灰比为0.29时，净浆流动度为0mm(表1)。
市售聚羧酸减水剂固掺量为水泥质量的0.1％时外加0.05％的本实施例得到的抗泥剂，蒙脱土含量为水泥质量的1％、水灰比为0.29时，净浆流动度为210mm(表1)。
实施例2：
本实施例按照实施例1相同的方式制备抗泥剂P2，区别仅在于步骤(2)中甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵的量为1.0mol。
本实施例按照实施例1相同的方式测试减水率，测试结果见表1。
实施例3：
本实施例按照实施例1相同的方式制备抗泥剂P3，区别仅在于步骤(2)中甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵的量为1.0mol，甲基丙烯酸羟基乙酯的量为0。
本实施例按照实施例1相同的方式测试减水率，测试结果见表1。
实施例4：
本实施例按照实施例1相同的方式制备抗泥剂P4，区别仅在于步骤(2)中甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵的量为0.6mol。
本实施例按照实施例1相同的方式测试减水率，测试结果见表1。
实施例5：
本实施例按照实施例1相同的方式制备抗泥剂P5，区别仅在于步骤(2)中甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵的量为0.7mol。
本实施例按照实施例1相同的方式测试减水率，测试结果见表1。
实施例6：
本实施例按照实施例1相同的方式制备抗泥剂P6，区别仅在于步骤(2)中聚合反应温度为80℃，反应时间为7h。
本实施例按照实施例1相同的方式测试减水率，测试结果见表1。
实施例7：
本实施例按照实施例1相同的方式制备抗泥剂P7，区别仅在于步骤(2)中催化剂为氯化亚铜(0.07mol)、配体为联吡啶(0.07mol)。
本实施例按照实施例1相同的方式测试减水率，测试结果见表1。
实施例8：
本实施例按照实施例1相同的方式制备抗泥剂P8，区别仅在于步骤(1)中2-溴异丁酰溴的量为23.0g(0.105mol)。
本实施例按照实施例1相同的方式测试减水率，测试结果见表1。
表1不同实施例状态下水泥净浆流动度测试结果
注：参照GB8077-2000《混凝土外加剂匀质性试验方法》，掺加市售聚羧酸减水剂后的净浆流动度系聚羧酸减水剂固掺量为水泥质量的0.1％、水灰比为0.29时测定结果；掺加市售聚羧酸减水剂、蒙脱土后净浆流动度系聚羧酸减水剂固掺量为水泥质量的0.1％、蒙脱土含量为水泥质量的1％、水灰比为0.29时测定结果；掺加市售聚羧酸减水剂、蒙脱土和抗泥剂后净浆流动度系聚羧酸减水剂固掺量为水泥质量的0.1％时外加0.05％的本实施例得到的抗泥剂，蒙脱土含量为水泥质量的1％、水灰比为0.29时测定结果。

Claims (5)

1.一种增强型抗泥剂，其特征在于：所述抗泥剂是式(I)所示结构通式的化合物：
其中：
R1，R2，R3或R4＝H或CH3；
m表示聚合度，x，y表示单体的摩尔百分数，x＝70～100％，y＝0～30％。
2.权利要求1所述增强型抗泥剂的制备方法，步骤是：
(1)星形引发剂的制备：将β-环糊精与卤代酰卤在冰水浴下混合搅拌反应60～120min后，在室温下再搅拌反应24小时，反应结束后将反应液在石油醚中沉淀，即得星形引发剂，其中β-环糊精与卤代酰卤的摩尔比为1:(7～15)，卤代酰卤为2-溴异丁酰溴、2-溴丙酰溴或溴乙酰溴；
(2)抗泥剂的制备：将步骤(1)得到的星形引发剂与(甲基)丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵和(甲基)丙烯酸羟基乙酯溶于二甲基亚砜(DMSO)中，除氧后再加入催化剂和配体，在氮气气氛下于60～90℃反应5～10h；透析除去残留的单体和其它杂质，得到星形(甲基)丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵和(甲基)丙烯酸羟基乙酯共聚物，并调节固含量为20％，即制得增强型抗泥剂；
其中，所述的星形引发剂、(甲基)丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、(甲基)丙烯酸羟基乙酯、催化剂和配体的摩尔比为1:(50～300):(10～100):(1～15):(1～15)；所述催化剂为CuBr(溴化亚铜)或CuCl(氯化亚铜)；所述配体为PMDETA(五甲基二乙烯三胺)、Me6TREN(三[2-(二甲氨基)乙基]胺)或bpy(联吡啶)。
3.根据权利要求2所述增强型抗泥剂的制备方法，其特征在于：步骤(2)所述的星形引发剂、(甲基)丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、(甲基)丙烯酸羟基乙酯、催化剂和配体的摩尔比为1:(60～100):(10～50):(1～10):(1～10)。
4.根据权利要求3所述增强型抗泥剂的制备方法，其特征在于：步骤(2)所述的星形引发剂、(甲基)丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、(甲基)丙烯酸羟基乙酯、催化剂和配体的摩尔比为1:80:20:7:7。
5.根据权利要求2、3或4所述增强型抗泥剂的制备方法，其特征在于：步骤(2)所述催化剂为CuBr(溴化亚铜)；所述配体为PMDETA(五甲基二乙烯三胺)。
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