CN106587716A - 一种有机硅改性的发泡剂及其在泡沫轻质土中的应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及泡沫轻质土发泡剂的技术领域，具体涉及一种有机硅改性的泡沫轻质土用发泡剂及其制备方法。包括发泡组分、稳泡剂和水，所述稳泡剂由常规稳泡剂、低温稳泡剂、高温稳泡剂三种组分构成，所述常规稳泡剂为醇胺和/或醇类化合物，所述低温稳泡剂为聚硅氧烷，所述高温稳泡剂为聚丙烯酰胺。本发明制备的发泡剂在较宽的温度范围内具有高稳定性，其用于生产泡沫轻质土，当施工温度发生较大波动时，仍能保持生产参数稳定、提高生产效率。

Description

一种有机硅改性的发泡剂及其在泡沫轻质土中的应用

技术领域

本发明涉及泡沫轻质土发泡剂的技术领域，具体涉及一种有机硅改性的泡沫轻质土用发泡剂及其制备方法。

背景技术

铁路工程中应用的泡沫轻质土一般采用物理发泡和快速混合技术，使发泡剂产生的泡沫与一定配合比的水泥浆混合形成轻质浆体，经泵送后进行浇筑作业。这种轻质浆体硬化后得到多孔轻质结构，即为泡沫轻质土，其特点是具有良好的减重和隔热效果，在软土路基填筑、台背回填、基坑回填、桥梁减跨等方面具有显著应用优势。

发泡剂是生产泡沫轻质土的一个关键因素，它的性能直接决定着泡沫轻质土的质量。用于轻质土的发泡剂要求产生的泡沫细腻均匀，可保持长时间稳定，与水泥浆混合时不产生大规模破裂，并在水泥凝结硬化后可形成较均匀气孔。因此，可在实际工程中使用的发泡剂不仅需要适中的发泡倍率以满足泡沫轻质土的低密度要求，还要有良好的泡沫强度和稳定性以保证泡沫轻质土的浇筑高度并可在其初凝前维持自重不塌缩，在水泥水化后泡沫要求极好的完整性以降低泡沫轻质土整体的吸水率。

“文沙”树脂（vinso）是世界上最早出现的发泡剂，1937年由美国人首创并于1938年获得专利。它属于松香类发泡剂，并在世界范围内陆续得以应用。上世纪五十年代，前苏联研究人员研制出石油磺酸铝发泡剂（petroleum aluminium sulfonate foamer），并投入生产。此后，随着科技的发展和工业化程度的提高，人们对材料认识逐步深入，研制出更多种类的发泡剂，包括合成类发泡剂、蛋白质类发泡剂和复合类发泡剂等。这也是目前市场上广泛使用的几种发泡剂类型。

松香类发泡剂的特点是生产工艺简单，成本低廉，但发泡倍数和泡沫稳定性欠佳，一般用于较高密度泡沫轻质土的生产。合成类发泡剂的特点是起泡能力强，但泡沫稳定性较差。蛋白质类发泡剂的特点是泡沫稳定性好，性能优良，如发明专利申请CN102173644 A公开了一种豌豆蛋白混凝土发泡剂，组分组成包括豌豆蛋白发泡剂母液，稳定剂，分散剂，防腐剂；发明专利申请CN102964083 A公开了一种改性大豆蛋白混凝土发泡剂；但蛋白质类发泡剂的发泡能力不及合成类阴离子型发泡剂且易变质失效。复合类发泡剂一般利用复配技术将单一成分发泡剂的优点进行复合和协同，同时获得良好的发泡能力、泡沫稳定性及与水泥材料的相容性，是目前发泡剂产品的发展方向。发明专利申请CN104177118 A公开了一种早强型复合泡沫轻质土发泡剂，该发泡剂是由复合发泡组分、稳泡组分、早强组分和水组成，所述复合发泡组分是由合成表面活性剂类发泡剂和蛋白质发泡剂复合而成。发明专利申请CN103553420 A公开了一种木质素基泡沫轻质土发泡剂，使用造纸制浆的副产品碱木质素为主要原料制备发泡剂，首先以碱木质素与α-氨基酸类化合物进行反应，将碱木质素转化为氨基酸系表面活性剂，在此基础上引入磺酸基，调节水溶液的泡沫形态和起泡性能；进一步，将碱木质素改性产物与适当比例的表面活性剂和稳泡剂复配。

泡沫轻质土发泡剂中通常包含稳泡剂，稳泡剂的性能不仅关系到泡沫在空气中的稳定性，更会对新拌浆体的流动性、浇注体的体积稳定性以及硬化体的密度和强度等性能产生重要影响。发明专利申请CN101224957 A公开了一种土建用的发泡剂，所用的主要成分为阴离子表面活性剂和阳离子表面活性剂，为提高发泡剂的性能，在配料中加入稳泡剂(三乙醇胺、水溶性高分子化合物如阿拉伯胶、明胶、羧甲基纤维素钠、聚丙烯酰胺)和填充剂。发明专利申请CN103288379 A公开了一种新型泡沫轻质土稳泡剂，其目的在于提高泡沫在水泥浆体中的稳定性，制备出具有良好力学性能、体积稳定性和耐久性的泡沫轻质土，其由稳泡共聚物、叔丁醇、多糖胶和水组成，所述稳泡共聚物为全氟烷基乙基丙烯酸酯、N-乙烯基吡咯烷酮及顺丁烯二酸酐形成的共聚物。

发明人在施工实践中发现，现有发泡剂往往温度敏感性较强，当施工温度发生较大波动时，其产泡能力和泡沫稳定性亦会发生波动，从而导致施工质量不稳定，必须对现场施工参数进行调整以满足施工要求。在高温下，发泡剂往往发泡能力较高，但泡沫稳定性欠佳；在低温下，发泡剂往往发泡能力会受到一定影响。如果发泡剂在高、低温下的性质能保持稳定，将给现场施工带来更多的便利。

发明内容

本发明的目的在于解决上述问题，提供一种耐大范围温度波动的高稳定性发泡剂，技术方案如下。

一种耐大范围温度波动的高稳定性发泡剂，包括发泡组分、稳泡剂和水，所述稳泡剂由常规稳泡剂、低温稳泡剂、高温稳泡剂三种组分构成，所述常规稳泡剂为醇胺和/或醇类化合物，所述低温稳泡剂为聚硅氧烷，所述高温稳泡剂为聚丙烯酰胺。

所述聚硅氧烷优选为聚二甲基硅氧烷。

所述聚硅氧烷的HLB值为8~15，优选为10~12。

所述常规稳泡剂为三乙醇胺、十二醇、十六醇、十八醇、聚乙二醇中的一种或多种组成。

所述发泡组分为阳离子表面活性剂、阴离子表面活性剂、非离子型表面活性剂和两性离子型表面活性剂中的一种或多种。

所述发泡剂进一步包括增稠剂，以质量分数计，包括0.1~5%的阳离子表面活性剂、10~22%的阴离子表面活性剂、0.1~5%的非离子型表面活性剂、0.1~5%的两性离子型表面活性剂、0.01~2%的增稠剂、0.01~2%的常规稳泡剂、0.01~2%的低温稳泡剂、0.01~2%的高温稳泡剂。

所述常规稳泡剂、低温稳泡剂、高温稳泡剂的质量比为1 : 0.1~10 : 0.1~10，优选为1 : 0.5~2 : 0.1~1。

所述阳离子表面活性剂为十二烷基三甲基溴化铵、十二烷基三甲基氯化铵、十六烷基三甲基氯化铵、十八烷基三甲基氯化铵中的一种或多种组成；所述阴离子表面活性剂为硬脂酸钠、十二烷基苯磺酸钠、十二烷基磺酸钠、十二烷基硫酸钠、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠、脂肪醇聚氧乙烯醚羧酸钠、α-烯基磺酸钠、木质素磺酸盐中的一种或多种组成；所述非离子型表面活性剂为脂肪醇聚氧乙烯醚、椰子油二乙醇酰胺、烷基酚聚氧乙烯醚中的一种或多种组成；所述两性离子型表面活性剂为十二烷基二甲基氧化胺、十二烷基二甲基甜菜碱、椰子油脂肪酸丙氨酸钠、月桂酰胺丙基甜菜碱、椰油酰胺基丙基甜菜碱、椰油酰胺丙基羟磺基甜菜碱中的一种或多种组成。

所述增稠剂为羧甲基纤维素钠、羟甲基纤维素、羟乙基纤维素、羟丙基纤维素、甲基羟丙基纤维素、聚氨酯、瓜尔胶、温轮胶、黄原胶中的一种或多种组成。

发泡剂的制备方法如下：

将阴离子表面活性剂和水加入到反应釜中，保持物料温度60±5℃，在搅拌条件下使之充分溶解；然后在反应釜中依次加入稳泡剂、非离子型表面活性剂、阳离子型表面活性剂和两性离子型表面活性剂，保持物料温度60±5℃，在搅拌条件下使之充分溶解；再向反应釜中加入增稠剂和剩余的水混合均匀后得到均匀液体，降至室温即得产品。

本发明的一种耐温度波动的高稳定性发泡剂的积极效果是：

常规发泡剂所成泡沫液膜的体相粘度往往随温度升高而降低，在较高温度下使用时会由于体相粘度较低而降低泡沫液膜的膜弹性，从而使其稳定性下降，易出现塌泡等现象；在较低温度下使用时由于Marangoni效应减弱，当液膜受到扰动局部变薄时，周围液体不能及时补充而易导致泡沫发生破裂。本发明中所使用的高温稳泡剂聚丙烯酰胺在低温下呈溶解状态，在高温下可发生分子链间的疏水缔合，提高体相粘度，增强膜弹性，从而提高高温环境下的泡沫稳定性。聚硅氧烷在本领域通常作为消泡剂使用，而发明人意外发现，聚硅氧烷可以提高低温环境下发泡剂的稳定性，其原因可能是在低温下有机硅可增强液膜流动性，使局部变薄的液膜从周围得到及时补充，维持液膜的完整性。通过高温稳泡剂和低温稳泡剂搭配常规稳泡剂使用，所得发泡剂在较宽的温度范围内具有高稳定性，其用于生产泡沫轻质土，当施工温度发生较大波动时，仍能保持稳定的泡沫轻质土质量，从而给现场施工带来更多便利。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步详细的描述。

实施例1：

将20g十二烷基苯磺酸钠和100g水加入到反应釜中，保持物料温度60±5℃，在搅拌条件下使之充分溶解；然后在反应釜中依次加入0.5g聚二甲基硅氧烷（HLB值为10）、0.5g聚丙烯酰胺、1g三乙醇胺、1g椰子油二乙醇酰胺和1g十二烷基三甲基溴化铵，保持物料温度60±5℃，在搅拌条件下使之充分溶解；再向反应釜中加入1g羧甲基纤维素钠混合均匀后得到均匀液体，降至室温即得产品。

实施例2：

将20g十二烷基磺酸钠和100g水加入到反应釜中，保持物料温度60±5℃，在搅拌条件下使之充分溶解；然后在反应釜中依次加入0.8g聚二甲基硅氧烷（HLB值为8）、0.2g聚丙烯酰胺、1g十二醇、1g月桂醇聚氧乙烯醚和1g十二烷基三甲基氯化铵，保持物料温度60±5℃，在搅拌条件下使之充分溶解；再向反应釜中加入1g羟丙基纤维素混合均匀后得到均匀液体，降至室温即得产品。

实施例3：

将20gα-烯基磺酸钠和100g水加入到反应釜中，保持物料温度60±5℃，在搅拌条件下使之充分溶解；然后在反应釜中依次加入0.5g聚二甲基硅氧烷（HLB值为15）、0.5g聚丙烯酰胺、1g聚乙二醇、1g椰子油二乙醇酰胺和1g月桂酰胺丙基甜菜碱，保持物料温度60±5℃，在搅拌条件下使之充分溶解；再向反应釜中加入1g瓜尔胶混合均匀后得到均匀液体，降至室温即得产品。

实施例4：

将20g脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠和100g水加入到反应釜中，保持物料温度60±5℃，在搅拌条件下使之充分溶解；然后在反应釜中依次加入1 g聚二乙基硅氧烷（HLB值为12）、0.1g聚丙烯酰胺、1g十六醇、1g椰子油二乙醇酰胺和1g十二烷基二甲基氧化胺，保持物料温度60±5℃，在搅拌条件下使之充分溶解；再向反应釜中加入1g甲基羟丙基纤维素混合均匀后得到均匀液体，降至室温即得产品。

实施例5：

将20g脂肪醇聚氧乙烯醚羧酸钠和100g水加入到反应釜中，保持物料温度60±5℃，在搅拌条件下使之充分溶解；然后在反应釜中依次加入0.5g聚二甲基硅氧烷（HLB值为13）、0.2g聚丙烯酰胺、1g十八醇、1g月桂醇聚氧乙烯醚和1g十二烷基三甲基氯化铵，保持物料温度60±5℃，在搅拌条件下使之充分溶解；再向反应釜中加入1g羧甲基纤维素钠混合均匀后得到均匀液体，降至室温即得产品。

实施例6：

将20g木质素磺酸盐和100g水加入到反应釜中，保持物料温度60±5℃，在搅拌条件下使之充分溶解；然后在反应釜中依次加入0.8g聚二甲基硅氧烷（HLB值为9）、0.2g聚丙烯酰胺、1g十二醇、1g椰子油二乙醇酰胺和1g椰油酰胺丙基羟磺基甜菜碱，保持物料温度60±5℃，在搅拌条件下使之充分溶解；再向反应釜中加入1g温轮胶混合均匀后得到均匀液体，降至室温即得产品。

对比例1：

将20g十二烷基苯磺酸钠和100g水加入到反应釜中，保持物料温度60±5℃，在搅拌条件下使之充分溶解；然后在反应釜中依次加入1g三乙醇胺、1g椰子油二乙醇酰胺和1g十二烷基三甲基溴化铵，保持物料温度60±5℃，在搅拌条件下使之充分溶解；再向反应釜中加入1g羧甲基纤维素钠混合均匀后得到均匀液体，降至室温即得产品。

对比例2：

将20g脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠和100g水加入到反应釜中，保持物料温度60±5℃，在搅拌条件下使之充分溶解；然后在反应釜中依次加入1g十六醇、1g椰子油二乙醇酰胺和1g十二烷基二甲基氧化胺，保持物料温度60±5℃，在搅拌条件下使之充分溶解；再向反应釜中加入1g甲基羟丙基纤维素混合均匀后得到均匀液体，降至室温即得产品。

对比例3：

将20g十二烷基苯磺酸钠和100g水加入到反应釜中，保持物料温度60±5℃，在搅拌条件下使之充分溶解；然后在反应釜中依次加入0.5g聚丙烯酰胺、1g三乙醇胺、1g椰子油二乙醇酰胺和1g十二烷基三甲基溴化铵，保持物料温度60±5℃，在搅拌条件下使之充分溶解；再向反应釜中加入1g羧甲基纤维素钠混合均匀后得到均匀液体，降至室温即得产品。

对比例4：

将20g脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠和100g水加入到反应釜中，保持物料温度60±5℃，在搅拌条件下使之充分溶解；然后在反应釜中依次加入0.1g聚丙烯酰胺、1g十六醇、1g椰子油二乙醇酰胺和1g十二烷基二甲基氧化胺，保持物料温度60±5℃，在搅拌条件下使之充分溶解；再向反应釜中加入1g甲基羟丙基纤维素混合均匀后得到均匀液体，降至室温即得产品。

对比例5：

将20g十二烷基苯磺酸钠和100g水加入到反应釜中，保持物料温度60±5℃，在搅拌条件下使之充分溶解；然后在反应釜中依次加入0.5g聚二甲基硅氧烷（HLB值为10）、1g三乙醇胺、1g椰子油二乙醇酰胺和1g十二烷基三甲基溴化铵，保持物料温度60±5℃，在搅拌条件下使之充分溶解；再向反应釜中加入1g羧甲基纤维素钠混合均匀后得到均匀液体，降至室温即得产品。

对比例6：

将20g脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠和100g水加入到反应釜中，保持物料温度60±5℃，在搅拌条件下使之充分溶解；然后在反应釜中依次加入1 g聚二乙基硅氧烷（HLB值为12）、1g十六醇、1g椰子油二乙醇酰胺和1g十二烷基二甲基氧化胺，保持物料温度60±5℃，在搅拌条件下使之充分溶解；再向反应釜中加入1g甲基羟丙基纤维素混合均匀后得到均匀液体，降至室温即得产品。

效果说明：

具体表征方法：

（1）测试前，将各种原材料、发泡设备与测试仪器等均置于恒温室中恒温4h后再进行试验，后续试验均在恒温室中进行；

（2）发泡时，各发泡剂的稀释倍率均为60倍；

（3）控制所发泡沫密度在55±5g/L的范围内；

（4）泡沫1h沉降距和1h泌水率的测定方法按照《泡沫混凝土用泡沫剂》（JC/T 2199-2013）中的规定进行。

由实施例1和对比例1结果可知，对比例1中未添加高温稳泡剂和低温稳泡剂，仅添加了常温稳泡剂，其所产生的泡沫在常温下的稳定性与实施例1接近，但高、低温环境下的稳定性明显下降；实施例4和对比例2的结果与此类似。

由实施例1和对比例3结果可知，对比例3中未添加低温稳泡剂，但添加了常温和高温稳泡剂，其所产生的泡沫在常温和高温下的稳定性与实施例1接近，在低温环境下的稳定性明显下降；实施例2和对比例4的结果与此类似。

由实施例1和对比例5结果可知，对比例5中未添加高温稳泡剂，但添加了常温和低温稳泡剂，其所产生的泡沫在常温和低温下的稳定性与实施例1接近，在高温环境下的稳定性明显下降；实施例2和对比例6的结果与此类似。

综上所述，本发明所述的高温稳泡剂聚丙烯酰胺可显著提高泡沫在高温环境下的稳定性；聚硅氧烷可显著提高泡沫在低温环境下的稳定性；适当掺加这二类稳泡剂后，发泡剂所产生泡沫的高、低温稳定性均得到显著提高。

Claims (10)

1.一种耐大范围温度波动的高稳定性发泡剂，包括发泡组分、稳泡剂和水，其特征在于，所述稳泡剂由常规稳泡剂、低温稳泡剂、高温稳泡剂三种组分构成，所述常规稳泡剂为醇胺和/或醇类化合物，所述低温稳泡剂为聚硅氧烷，所述高温稳泡剂为聚丙烯酰胺。

2.根据权利要求1所述的耐大范围温度波动的高稳定性发泡剂，其特征在于：所述聚硅氧烷优选为聚二甲基硅氧烷。

3.根据权利要求1或2所述的耐大范围温度波动的高稳定性发泡剂，其特征在于：所述聚硅氧烷的HLB值为8~15，优选为10~12。

4.根据权利要求1所述的耐大范围温度波动的高稳定性发泡剂，其特征在于：所述常规稳泡剂为三乙醇胺、十二醇、十六醇、十八醇、聚乙二醇中的一种或多种组成。

5.根据权利要求1所述的耐大范围温度波动的高稳定性发泡剂，其特征在于：所述发泡组分为阳离子表面活性剂、阴离子表面活性剂、非离子型表面活性剂和两性离子型表面活性剂中的一种或多种。

6.根据权利要求5所述的耐大范围温度波动的高稳定性发泡剂，其特征在于：还包括增稠剂。

7.根据权利要求6所述的耐大范围温度波动的高稳定性发泡剂，其特征在于：以质量分数计，包括0.1~5%的阳离子表面活性剂、10~22%的阴离子表面活性剂、0.1~5%的非离子型表面活性剂、0.1~5%的两性离子型表面活性剂、0.01~2%的增稠剂、0.01~2%的常规稳泡剂、0.01~2%的低温稳泡剂、0.01~2%的高温稳泡剂。

8.根据权利要求5-7中任一项所述的耐大范围温度波动的高稳定性发泡剂，其特征在于：所述阳离子表面活性剂为十二烷基三甲基溴化铵、十二烷基三甲基氯化铵、十六烷基三甲基氯化铵、十八烷基三甲基氯化铵中的一种或多种组成；所述阴离子表面活性剂为硬脂酸钠、十二烷基苯磺酸钠、十二烷基磺酸钠、十二烷基硫酸钠、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠、脂肪醇聚氧乙烯醚羧酸钠、α-烯基磺酸钠、木质素磺酸盐中的一种或多种组成；所述非离子型表面活性剂为烷基酚聚氧乙烯醚、脂肪醇聚氧乙烯醚、椰子油二乙醇酰胺中的一种或多种组成；所述两性离子型表面活性剂为十二烷基二甲基氧化胺、十二烷基二甲基甜菜碱、椰子油脂肪酸丙氨酸钠、月桂酰胺丙基甜菜碱、椰油酰胺基丙基甜菜碱、椰油酰胺丙基羟磺基甜菜碱中的一种或多种组成。

9.根据权利要求6-7中任一项所述的耐大范围温度波动的高稳定性发泡剂，其特征在于：所述增稠剂为羧甲基纤维素钠、羟甲基纤维素、羟乙基纤维素、羟丙基纤维素、甲基羟丙基纤维素、聚氨酯、瓜尔胶、温轮胶、黄原胶中的一种或多种组成。

10.根据权利要求1-9任一项所述的耐大范围温度波动的高稳定性发泡剂在制备泡沫轻质土中的应用。