CN107722191A - 一种木糖醇改性的聚羧酸系减水剂及其合成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种木糖醇改性的聚羧酸系减水剂及其合成方法，其中木糖醇改性的聚羧酸系减水剂是以丙烯酸木糖醇酯、丙烯酸、甲基烯丙基聚乙二醇和甲基丙烯酸羟乙酯为单体，以双氧水为引发剂，通过聚合反应得到。本发明聚羧酸系减水剂具有让水泥有较长时间的分散保持能力，可减缓混凝土在运输过程中混凝土凝固速率，满足较高的施工要求。

Description

一种木糖醇改性的聚羧酸系减水剂及其合成方法
技术领域
本发明涉及一种减水剂及其制备方法，具体地说是一种木糖醇改性的聚羧酸系减水剂及其合成方法，属于建筑材料技术领域。
背景技术
聚羧酸系减水剂本质上是一种高分子表面活性剂，主要用于改善混凝土的流动性，控制凝结或者硬化时间，提高混凝土强度等。聚羧酸系减水剂具有低掺量、高减水率、缓凝、低坍落度损失、生产环保等优异性能。聚羧酸系减水剂最大优点在于可以通过调换聚合单体种类、改变单体配合比以及调控分子量等方法设计出不同分子结构和性能的产品，因而是一种结构设计灵活度大、性能调控空间大的减水剂品种(段建平,吕生华.聚羧酸系减水剂结构与分散性能研究进展[J],混领土.2011,11:59-66)。该减水剂除适用于普通混凝土外，还适宜配制高强、自密实、清水混凝土等特殊混凝土，广泛应用于国家重点工程，尤其是交通，水利工程等(史才军,何富强,刘慧,等.聚羧酸系高效减水剂的近期研究进展[J],商品混土,2010,2:20-23.荀武举，吴长龙等.聚羧酸系高效减水剂的研究现状与展望[J],当代化工.2011,2:184-185.)。
目前具有梳型结构的聚羧酸系减水剂，是以聚丙烯酸为主链，主链上接枝有磺酸基团(-SO3H)、羧酸基团(-COOH)和聚氧乙烯基团(-(CH2CH2O)-R)等侧基和侧链。聚羧酸高效减水剂分子主链以-C-C-键相连，分子主链基和磺酸基等吸附基团可以吸附在水泥颗粒表面，形成一层有一定厚度的聚合物吸附层；长侧链则可以提供空间位阻。当水泥颗粒相互靠近时，由侧链提供的空间位阻作用会阻止水泥颗粒之间的接近及团聚，从而起到分散水泥颗粒，提高其流动性的作用(寿崇琦，徐磊.超支化星型聚羧酸减水剂的合成及其在硫铝酸盐水泥中的应用[J],新型建筑材料.2011.12:18-23)。如果将空间位阻更大的基团或官能团引入聚羧酸系高效减水剂，或将减水剂引入空间位阻更大的分子结构中可能得到分散效果更为优异的减水剂和引入特定基团获得更好的保坍性能。
发明内容
本发明旨在提供一种木糖醇改性的聚羧酸系减水剂及其合成方法，所要解决的技术问题是通过分子设计遴选合适的小单体以提高聚羧酸系减水剂的保坍性能。
木糖醇分子是含有5个羟基的链状化合物。本发明采用丙烯酸木糖醇酯(AMTC)、丙烯酸(AA)、甲基丙烯酸羟乙酯(HEMA)以及甲基烯丙基聚乙二醇(TPEG)为原料，以双氧水为引发剂，在70℃下反应4h，得到以木糖醇分子为侧链的梳型聚羧酸系减水剂。其结构通式为：
其中a、b、c、d表示聚合度，a＝37-74，b＝1-2，c＝12-14，d＝12-24，所述聚羧酸系减水剂的数均分子量为30000-50000。
本发明木糖醇改性的聚羧酸系减水剂的合成方法，是以丙烯酸木糖醇酯、丙烯酸、甲基烯丙基聚乙二醇和甲基丙烯酸羟乙酯为单体，通过聚合反应得到，包括如下步骤：
将甲基烯丙基聚乙二醇加入三口烧瓶中，加入去离子水加热搅拌溶解，待溶解完全后加入双氧水，随后向反应器中分别同时滴加丙烯酸以及甲基丙烯酸羟乙酯和丙烯酸木糖醇酯混合的去离子水溶液，滴加时间控制为3小时，滴完后保温反应1小时，反应结束后冷却至室温，调pH值6-8，得到固含量40％的聚羧酸系减水剂；
其中甲基烯丙基聚乙二醇、丙烯酸、丙烯酸木糖醇酯和甲基丙烯酸羟乙酯的摩尔比为1：3：(0.2-1.0)：0.7，优选为1：3：1：0.7。
双氧水的添加量为单体总质量的1-2％，优选为2％。
聚合过程的反应温度为70℃。
所述丙烯酸木糖醇酯是按以下方法制备得到：
以DMF作为溶剂，将木糖醇加入反应器中，加入缚酸剂三乙胺，在冰水浴中将丙烯酰氯缓慢滴加到木糖醇溶液中，滴加结束后在常温下继续反应5小时；反应结束后将反应液倒入冰乙醚中，在烧杯底部产生的白色的粘稠液体即为所得产物丙烯酸木糖醇酯。其中木糖醇与丙烯酰氯的摩尔比为1:1，缚酸剂与木糖醇的摩尔比为1:2。
以折固含量为水泥质量的0.2％，水灰比为0.29时测得该减水剂的初始净浆流动度为260mm，一个小时后依然为260mm。
本发明利用木糖醇活性较高的羟基，将其与丙烯酰氯酯化，从而在木糖醇上引入一个双键，然后通过双氧水引发，将丙烯酸、甲基丙烯酸聚乙二醇、丙烯酸木糖醇酯和甲基丙烯酸羟乙酯等单体聚合得到木糖醇改性的聚羧酸系减水剂。该减水剂分子对水泥颗粒的吸附能力具有较强的亲合力，能更大效率的利用减水剂分子的分散功能，使得水泥颗粒间的絮凝结构被破坏，从而使水泥颗粒得到充分分散。另外一方面使用甲基丙烯酸羟乙酯通过聚合反应接入减水剂分子中，在水泥水化的过程中，甲基丙烯酸羟乙酯会通过水化作用慢慢释放出新的羧基又会使得之前在水泥水化过程中的损失的羧基得到不断的补充，这样就让水泥可以一直保持较好的分散性能。
合成的减水剂是具有梳型结构，由于采用了木糖醇改性，木糖醇分子中含有5个羟基，使得减水剂分子对水泥有很好的亲和力，使得水泥可以有较好的分散性能。另外一方面木糖醇是通过与丙烯酸酯化之后通过聚合反应接入减水剂分子中，在水泥水化的过程中，由木糖醇和丙烯酸酯化的脂基就会慢慢的水解释放出大量的羧基和木糖醇分子，新的羧基又会使得之前在水泥水化过程中的损失的羧基得到不断的补充，这样就让水泥可以一直保持较好的分散性能。另外木糖醇分子本身就具有缓凝和减水的性能，正好加强了减水剂的性能。
本发明聚羧酸系减水剂具有让水泥有较长时间的分散保持能力，可减缓混凝土在运输过程中混凝土凝固速率，满足较高的施工要求。
附图说明
图1为丙烯酸木糖醇酯(AGE)的红外谱图。从图1可知：AMTC谱线上1711cm-1处新出现C＝O的伸缩振动峰，1633cm-1处新出现C＝C的伸缩振动峰，表明丙烯酰氯中的羰基和双键被成功引入；2927cm-1处为—CH2的伸缩振动峰，2947cm-1处为＝C—H的伸缩振动峰，3391cm-1处是—OH伸缩振动峰，表明木糖醇与丙烯酰氯成功制备AMTC。
图2为改性的聚羧酸系减水剂的红外谱图。从图2可知：1633cm-1处的C＝C峰消失，表明双键发生聚合。1126cm-1处振动峰的出现，表明PEG链上的C—O—C伸缩振动峰生成；2888cm-1处振动峰的产生，表明引入了聚乙二醇(PEG)侧链C—H的伸缩振动峰；1345cm-1和1486cm-1处产生的峰对应羧酸盐中O—C—O的反对称伸缩振动和对称伸缩振动吸收峰；1725cm-1处是来自AMTC与HEMA中的C＝O的伸缩振动峰；3382cm-1处是O—H的伸缩振动峰。特征吸收峰的变化表明木糖醇聚羧酸减水剂的成功制备。
图3为改性和未改性的聚羧酸减水剂净浆流动度对比，保持所有合成条件不变，合成用木糖醇改性减水剂和未改性减水剂。从图3可以看出，使用木糖醇改性后的聚羧酸减水剂的分散和保持性能明显高于未改性聚羧酸减水剂。这是由于木糖醇分子中含有大量羟基基团，可以在水泥化过程中吸附水分子，形成水化膜，从而提高水泥分散性能。酯基结构保证了改性的聚羧酸减水剂拥有较好的保持性能。
具体实施方式
实施例1：
1、丙烯酸木糖醇酯(AGE)的合成
取10mL DMF作为溶剂，将4.6g木糖醇加入反应器中，加入1.5g缚酸剂三乙胺，将10mL丙烯酰氯与10mL DMF混合后，缓慢滴加到冰水浴中体系下的木糖醇溶液中，滴加时间约为2h；滴加结束后在常温下继续反应5小时，反应结束后将反应液倒入冰乙醚中，在烧杯底部产生的白色的粘稠液体即为所得产物丙烯酸木糖醇酯。其中木糖醇与丙烯酰氯的摩尔比为1:1。
2、聚合反应
将一定量的甲基烯丙基聚乙二醇加入三口烧瓶中，加入去离子水加热搅拌溶解，待溶解完全后加入双氧水，随后向反应器中分别同时滴加丙烯酸以及甲基丙烯酸羟乙酯和丙烯酸木糖醇酯混合的去离子水溶液，滴加时间控制为3小时，滴完后保温反应1小时，反应温度为70℃，反应结束后冷却至室温，调pH值6-8，得到固含量40％的聚羧酸系减水剂；
其中甲基烯丙基聚乙二醇、丙烯酸、丙烯酸木糖醇酯和甲基丙烯酸羟乙酯的摩尔比为1：3：1：0.4；双氧水的添加量为单体总质量的2％。
以折固含量为水泥质量的0.2％，水灰比为0.29时测得该减水剂的初始净浆流动度为260mm，一个小时后为200mm。
实施例2：
1、丙烯酸木糖醇酯(AGE)的合成
制备方法同实施例1。
2、聚合反应
将一定量的甲基烯丙基聚乙二醇加入三口烧瓶中，加入去离子水加热搅拌溶解，待溶解完全后加入双氧水，随后向反应器中分别同时滴加丙烯酸以及甲基丙烯酸羟乙酯和丙烯酸木糖醇酯混合的去离子水溶液，滴加时间控制为3小时，滴完后保温反应1小时，反应温度为70℃，反应结束后冷却至室温，调pH值6-8，得到固含量40％的聚羧酸系减水剂；
其中甲基烯丙基聚乙二醇、丙烯酸、丙烯酸木糖醇酯和甲基丙烯酸羟乙酯的摩尔比为1：3：1：0.5；双氧水的添加量为单体总质量的2％。
以折固含量为水泥质量的0.2％，水灰比为0.29时测得该减水剂的初始净浆流动度为280mm，一个小时后为250mm。
实施例3：
1、丙烯酸木糖醇酯(AGE)的合成
制备方法同实施例1。
2、聚合反应
将一定量的甲基烯丙基聚乙二醇加入三口烧瓶中，加入去离子水加热搅拌溶解，待溶解完全后加入双氧水，随后向反应器中分别同时滴加丙烯酸以及甲基丙烯酸羟乙酯和丙烯酸木糖醇酯混合的去离子水溶液，滴加时间控制为3小时，滴完后保温反应1小时，反应温度为70℃，反应结束后冷却至室温，调pH值6-8，得到固含量40％的聚羧酸系减水剂；
其中甲基烯丙基聚乙二醇、丙烯酸、丙烯酸木糖醇酯和甲基丙烯酸羟乙酯的摩尔比为1：3：1：0.6；双氧水的添加量为单体总质量的2％。
以折固含量为水泥质量的0.2％，水灰比为0.29时测得该减水剂的初始净浆流动度为280mm，一个小时后为268mm。
实施例4：
1、丙烯酸木糖醇酯(AGE)的合成
制备方法同实施例1。
2、聚合反应
将一定量的甲基烯丙基聚乙二醇加入三口烧瓶中，加入去离子水加热搅拌溶解，待溶解完全后加入双氧水，随后向反应器中分别同时滴加丙烯酸以及甲基丙烯酸羟乙酯和丙烯酸木糖醇酯混合的去离子水溶液，滴加时间控制为3小时，滴完后保温反应1小时，反应温度为70℃，反应结束后冷却至室温，调pH值6-8，得到固含量40％的聚羧酸系减水剂；
其中甲基烯丙基聚乙二醇、丙烯酸、丙烯酸木糖醇酯和甲基丙烯酸羟乙酯的摩尔比为1：3：1：0.7；双氧水的添加量为单体总质量的2％。
以折固含量为水泥质量的0.2％，水灰比为0.29时测得该减水剂的初始净浆流动度为280mm，一个小时后为275mm。
实施例5：
1、丙烯酸木糖醇酯(AGE)的合成
制备方法同实施例1。
2、聚合反应
将一定量的甲基烯丙基聚乙二醇加入三口烧瓶中，加入去离子水加热搅拌溶解，待溶解完全后加入双氧水，随后向反应器中分别同时滴加丙烯酸以及甲基丙烯酸羟乙酯和丙烯酸木糖醇酯混合的去离子水溶液，滴加时间控制为3小时，滴完后保温反应1小时，反应温度为70℃，反应结束后冷却至室温，调pH值6-8，得到固含量40％的聚羧酸系减水剂；
其中甲基烯丙基聚乙二醇、丙烯酸、丙烯酸木糖醇酯和甲基丙烯酸羟乙酯的摩尔比为1：3：1：0.8；双氧水的添加量为单体总质量的2％。
以折固含量为水泥质量的0.2％，水灰比为0.29时测得该减水剂的初始净浆流动度为280mm，一个小时后为265mm。
实施例6：
1、丙烯酸木糖醇酯(AGE)的合成
制备方法同实施例1。
2、聚合反应
将一定量的甲基烯丙基聚乙二醇加入三口烧瓶中，加入去离子水加热搅拌溶解，待溶解完全后加入双氧水，随后向反应器中分别同时滴加丙烯酸以及甲基丙烯酸羟乙酯和丙烯酸木糖醇酯混合的去离子水溶液，滴加时间控制为3小时，滴完后保温反应1小时，反应温度为70℃，反应结束后冷却至室温，调pH值6-8，得到固含量40％的聚羧酸系减水剂；
其中甲基烯丙基聚乙二醇、丙烯酸、丙烯酸木糖醇酯和甲基丙烯酸羟乙酯的摩尔比为1：3：1：0.9；双氧水的添加量为单体总质量的2％。
以折固含量为水泥质量的0.2％，水灰比为0.29时测得该减水剂的初始净浆流动度为280mm，一个小时后为250mm。

Claims (10)

1.一种木糖醇改性的聚羧酸系减水剂，其特征在于其结构通式为：
其中a、b、c、d表示聚合度，a＝37-74，b＝1-2，c＝12-14，d＝12-24。
2.根据权利要求1所述的木糖醇改性的聚羧酸系减水剂，其特征在于：
所述聚羧酸系减水剂的数均分子量为30000-50000。
3.一种权利要求1所述的木糖醇改性的聚羧酸系减水剂的合成方法，其特征在于：是以丙烯酸木糖醇酯、丙烯酸、甲基烯丙基聚乙二醇和甲基丙烯酸羟乙酯为单体，以双氧水为引发剂，通过聚合反应得到。
4.根据权利要求3所述的合成方法，其特征在于包括如下步骤：
将甲基烯丙基聚乙二醇加入三口烧瓶中，加入去离子水加热搅拌溶解，待溶解完全后加入双氧水，随后向反应器中分别同时滴加丙烯酸以及甲基丙烯酸羟乙酯和丙烯酸木糖醇酯混合的去离子水溶液，滴加时间控制为3小时，滴完后保温反应1小时，反应结束后冷却至室温，调pH值6-8，得到固含量40％的聚羧酸系减水剂。
5.根据权利要求3或4所述的合成方法，其特征在于：
甲基烯丙基聚乙二醇、丙烯酸、丙烯酸木糖醇酯和甲基丙烯酸羟乙酯的摩尔比为1：3：(0.2-1.0)：0.7。
6.根据权利要求5所述的合成方法，其特征在于：
甲基烯丙基聚乙二醇、丙烯酸、丙烯酸木糖醇酯和甲基丙烯酸羟乙酯的摩尔比为1：3：1：0.7。
7.根据权利要求3或4所述的合成方法，其特征在于：
双氧水的添加量为单体总质量的1-2％。
8.根据权利要求3或4所述的合成方法，其特征在于：
聚合过程的反应温度为70℃。
9.根据权利要求3或4所述的合成方法，其特征在于所述丙烯酸木糖醇酯是按以下方法制备得到：
以DMF作为溶剂，将木糖醇加入反应器中，加入缚酸剂三乙胺，在冰水浴中将丙烯酰氯缓慢滴加到木糖醇溶液中，滴加结束后在常温下继续反应5小时；反应结束后将反应液倒入冰乙醚中，在烧杯底部产生的白色的粘稠液体即为所得产物丙烯酸木糖醇酯。
10.根据权利要求9所述的合成方法，其特征在于：
木糖醇与丙烯酰氯的摩尔比为1:1，缚酸剂与木糖醇的摩尔比为1:2。
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