CN107892736B - 复合型氧化还原引发体系生产聚羧酸高性能减水剂的方法 - Google Patents

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Abstract

复合型氧化还原引发体系生产聚羧酸高性能减水剂的方法，本发明属于聚羧酸系减水剂的技术领域，采用水溶液自由基聚合法合成，以甲基烯丙基聚氧乙烯醚、丙烯酸和丙烯磺酸钠为单体，用双氧水、过硫酸铵、维生素C和硫代硫酸钠复合引发，加入链转移剂，采用水溶液自由基聚合法合成聚羧酸高性能减水剂。本发明方法操作简单，反应过程温和稳定，反应易控制，得到的聚羧酸高性能减水剂具有更好的减水性、保坍性、分散性及和易性。

Description

复合型氧化还原引发体系生产聚羧酸高性能减水剂的方法
技术领域
本发明属于聚醚类聚羧酸系减水剂的技术领域，涉及聚羧酸高性能减水剂的生产方法，具体涉及复合型氧化还原引发体系生产聚羧酸高性能减水剂的方法。本发明方法操作简单，反应过程温和稳定，反应易控制，得到的聚羧酸高性能减水剂具有更好的减水性、保坍性、分散性及和易性。
背景技术
随着混凝土技术的发展，高性能减水剂已成为混凝土使用过程中不可或缺的组分之一。聚羧酸系减水剂从20世纪80年代以来，以其掺量低减水率高、保坍性好、可赋予混凝土材料各种有益性能、分子设计性强、绿色环保等优势，得到人们的青睐，成为近些年减水剂技术的发展热点和方向。
聚醚类聚羧酸系减水剂具有很高的减水率和保坍能力，在我国高铁和高速公路建筑工程中的引用越来越广泛。经过几十年的发展，市场上已出现多种具有不同分子结构及性能特点的聚羧酸系减水剂，在各个工程中得到了广泛的应用。
发明内容
本发明为实现节能降耗、提高产品性能，提供了一种新型复合型氧化还原引发体系生产聚羧酸高性能减水剂的方法，本发明方法可实现常温下合成，制得的聚羧酸系减水剂性能优异，减水率高，保坍性好，且生产工艺简单，生产能耗低，无三废排放，具有市场竞争力，有利于大规模生产和应用。
本发明为实现其目的采用的技术方案是：
复合型氧化还原引发体系生产聚羧酸高性能减水剂的方法，采用水溶液自由基聚合法合成，以甲基烯丙基聚氧乙烯醚、丙烯酸和丙烯磺酸钠为单体，用双氧水、过硫酸铵、维生素C和硫代硫酸钠复合引发，加入链转移剂，采用水溶液自由基聚合法合成聚羧酸高性能减水剂。
甲基烯丙基聚氧乙烯醚、丙烯酸和丙烯磺酸钠的摩尔比为1.0:（3.5-4.5）:（0.3-0.8）。
过硫酸铵的用量为甲基烯丙基聚氧乙烯醚质量的0.2-1.0%，双氧水的用量为甲基烯丙基聚氧乙烯醚质量的0.5-2.0%，维生素C和硫代硫酸钠的用量均为双氧水质量的15-45%。
所述的链转移剂选自巯基丙酸，巯基乙酸，巯基乙醇，亚硫酸氢钠或者甲基丙烯磺酸钠，用量为甲基烯丙基聚氧乙烯醚质量的0.4-2.0%。
水溶液的温度为20-30℃，聚合反应时间为3-4h。
将甲基烯丙基聚氧乙烯醚加去离子水制备成底溶液，去离子水的用量为甲基烯丙基聚氧乙烯醚用量的0.7-1.2倍；将双氧水、过硫酸铵用水溶解后分别加入到底溶液中，水用去离子水，用量为双氧水或过硫酸铵质量的1.5-3倍；将丙烯酸和丙烯磺酸钠加去离子水制备成单体溶液匀速滴加到底溶液中，去离子水用量为丙烯酸和丙烯磺酸钠质量和的1.5-2.5倍；将维生素C和硫代硫酸钠、链引发剂分别溶解然后混合在一起作为混合溶液匀速滴加到底溶液中。
滴加时间均为2-2.5h。
本发明的有益效果是：
1、本发明所用甲基烯丙基聚氧乙烯醚的相对分子质量是2400，所得的减水剂的结构为带羧基及环氧乙烯基的共聚物，减水剂的分子量为1万-10万之间。
2、本发明的方法采用常温工艺，节约能源，反应时间缩短，并且获得的产品性能优越，减水率较高，保坍性能较高。
3、本发明采用了2种氧化剂、2种还原剂为复合引发剂，相对于现有的复合引发剂（如两2种氧化剂、1种还原剂或者1种氧化剂、1种还原剂或1种氧化剂、2种还原剂等形式），获得的产品性能更为稳定，减水率更高。而一种还原剂的产品性能不太稳定，质量差异较大，很难提高产品的稳定性，质量的均一性。
4、大单体甲基烯丙基聚氧乙烯醚是起主要减水作用，利用长链的空间构型，丙烯酸利用羧基的锚固作用，起减水作用，丙烯磺酸钠起减水和保坍作用。
5、控制甲基烯丙基聚氧乙烯醚、丙烯酸和丙烯磺酸钠的摩尔比1.0:（3.5-4.5）:（0.3-0.8）是为了提高减水剂的性能，大于或小于该比例则影响减水能力。
6、本发明要控制过硫酸铵的用量为甲基烯丙基聚氧乙烯醚质量的0.2-1.0%，双氧水的用量为甲基烯丙基聚氧乙烯醚质量的0.5-2.0%，维生素C和硫代硫酸钠的用量均为双氧水质量的15-45%，因为维生素C和硫代硫酸钠的用量太大分子量会太小，维生素C和硫代硫酸钠的用量太小，会造成转化率降低，无法全部参与反应或者产物分子量太大。
7、链转移剂直接影响减水剂分子量的长短，链转移剂量越多，分子量越小，链转移剂量越少，分子量越大，减水能力都会变差，因此需要严格控制链转移剂的用量。
此外，本发明还具有以下优势：
本发明聚羧酸高性能减水剂在常温下合成，通过单体的复配和复合引发剂的搭配，使得在不同季节均实现无热源聚合，降低了能耗，节约了生产成本。通过引发剂复合，选择双氧水、过硫酸铵两种氧化剂和维生素C、硫代硫酸钠两种还原剂共同作用，大大提高了产品的转化率，控制了聚羧酸减水剂的分子质量分布，提高了减水率和适应性。
本发明采用了维生素C和硫代硫酸钠两种还原剂，通过两种还原节的结构不同，之间相互辅助，使降低自由基生成活化能程度和生成自由基结构更好，对反应体系中自由基活性和数量的控制具有积极作用，从而实现对所得减水剂结构和性能的优化。
本发明所用的双氧水、过硫酸铵、维生素C和硫代硫酸钠复合引发体系，是合成温度低至20-30℃，减少了工业生产中的能源消耗，节约成本。该温度的控制和实现不是常规所能得到的，在研究中我们采用甲基烯丙基聚氧乙烯醚、丙烯酸和丙烯磺酸钠为单体复配，虽然三者复配可取得更好的效果如减水率、分散性等，但是也是由于这三种复配单体，它们反应聚合的温度高（＞60℃），这样不仅造成能耗、成本的增加，最主要的是反应不易控制，易出现暴聚、长侧链和短侧链不合理的问题，为此，我们经过了一系列的分析和探索，通过选用双氧水、过硫酸铵、维生素C和硫代硫酸钠复合引发体系，并控制用量，使得在采用甲基烯丙基聚氧乙烯醚、丙烯酸和丙烯磺酸钠为单体的情况下，实现了常温聚合反应，解决了高温反应的一系列问题和缺陷。
本发明采用甲基烯丙基聚氧乙烯醚、丙烯酸和丙烯磺酸钠为单体，通过三者的比例控制，使所得的减水剂长侧链和短侧链搭配合理，依靠长侧脸的空间位阻和短侧链提供的静电斥力相结合，对水泥颗粒起到分散和分散保持作用。
通过控制甲基烯丙基聚氧乙烯醚的相对分子质量，在分子中引入对水具有良好亲和性的聚醚性长侧链，醚的氧原子与水分子形成强有力的氢键，使所得长侧链密度大，在水泥颗粒表面形成一层连续薄膜保护，水化层稳定性好，减缓了水解水化过程中的离子扩散，再通过羧酸基的络合作用，使液相中钙离子浓度降低，水泥水化进程减慢，对水泥水化的抑制作用时间较长，水泥凝结时间相对延长。
引发剂的用量对反应的转化率和流动性有着很大的影响，引发剂用量多，会使反应过快，引起反应体系的粘度增大甚至凝胶，容易引发暴聚，引发剂用量多还会引起分子量分布变宽，分子量低；引发剂用量少，则产物的相对分子质量较大，从而得不到相对分子质量大小合适的聚合产物，起不到引发自由基的作用，引发剂用量少还会造成反应的转化率降低，使净浆流动度减小。
链转移剂的用量的控制至关重要，本发明链转移剂用量可以实现延长自由基的寿命，对剑减水剂的合成有积极作用，链转移剂用量小，则减水剂主链过长，不能很好的在水中伸展开，影响对水泥粒子的吸附效果，砂浆流动性差；用量大，主链长度太小，不能完全包裹水泥粒子，砂浆流动性也不好。
附图说明
图1是本发明聚羧酸高性能减水剂的红外光谱图。
图2是本发明聚羧酸高性能减水剂的凝胶色谱图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明。
一、具体实施例
实施例1
将1mol甲基烯丙基聚氧乙烯醚加去离子水制备成底溶液，将双氧水（浓度30%）、过硫酸铵用水溶解后分别加入到底溶液中；将3.8mol丙烯酸和0.5mol丙烯磺酸钠加去离子水制备成单体溶液匀速滴加到底溶液中，滴加时间为2h；将维生素C和硫代硫酸钠、链引发剂分别溶解然后混合在一起作为混合溶液匀速滴加到底溶液中，滴加时间为2h。
过硫酸铵的用量为甲基烯丙基聚氧乙烯醚质量的0.2%，双氧水的用量为甲基烯丙基聚氧乙烯醚质量的0.5%，维生素C和硫代硫酸钠的用量均为双氧水质量的30%。所述的链转移剂为巯基丙酸，用量为甲基烯丙基聚氧乙烯醚质量的2.0%。
实施例2
将1mol甲基烯丙基聚氧乙烯醚加去离子水制备成底溶液，将双氧水（浓度30%）、过硫酸铵用水溶解后分别加入到底溶液中；将3.5mol丙烯酸和0.8mol丙烯磺酸钠加去离子水制备成单体溶液匀速滴加到底溶液中，滴加时间为2.1h；将维生素C和硫代硫酸钠、链引发剂分别溶解然后混合在一起作为混合溶液匀速滴加到底溶液中，滴加时间为2.3h。
过硫酸铵的用量为甲基烯丙基聚氧乙烯醚质量的1.0%，双氧水的用量为甲基烯丙基聚氧乙烯醚质量的2.0%，维生素C和硫代硫酸钠的用量均为双氧水质量的45%。所述的链转移剂为巯基丙酸，用量为甲基烯丙基聚氧乙烯醚质量的0.4%。
实施例3
将1mol甲基烯丙基聚氧乙烯醚加去离子水制备成底溶液，将双氧水（浓度30%）、过硫酸铵用水溶解后分别加入到底溶液中；将4.5mol丙烯酸和0.3mol丙烯磺酸钠加去离子水制备成单体溶液匀速滴加到底溶液中，滴加时间为2.3h；将维生素C和硫代硫酸钠、链引发剂分别溶解然后混合在一起作为混合溶液匀速滴加到底溶液中，滴加时间为2.5h。
过硫酸铵的用量为甲基烯丙基聚氧乙烯醚质量的0.5%，双氧水的用量为甲基烯丙基聚氧乙烯醚质量的0.8%，维生素C和硫代硫酸钠的用量均为双氧水质量的15%。所述的链转移剂为巯基丙酸，用量为甲基烯丙基聚氧乙烯醚质量的1.0%。
实施例4
将1mol甲基烯丙基聚氧乙烯醚加去离子水制备成底溶液，将双氧水（浓度30%）、过硫酸铵用水溶解后分别加入到底溶液中；将3.7mol丙烯酸和0.6mol丙烯磺酸钠加去离子水制备成单体溶液匀速滴加到底溶液中，滴加时间为2.2h；将维生素C和硫代硫酸钠、链引发剂分别溶解然后混合在一起作为混合溶液匀速滴加到底溶液中，滴加时间为2.4h。
过硫酸铵的用量为甲基烯丙基聚氧乙烯醚质量的0.7%，双氧水的用量为甲基烯丙基聚氧乙烯醚质量的1.5%，维生素C和硫代硫酸钠的用量均为双氧水质量的20%。所述的链转移剂为巯基丙酸，用量为甲基烯丙基聚氧乙烯醚质量的1.5%。
实施例5
将1mol甲基烯丙基聚氧乙烯醚加去离子水制备成底溶液，将双氧水（浓度30%）、过硫酸铵用水溶解后分别加入到底溶液中；将4.2mol丙烯酸和0.4mol丙烯磺酸钠加去离子水制备成单体溶液匀速滴加到底溶液中，滴加时间为2.3h；将维生素C和硫代硫酸钠、链引发剂分别溶解然后混合在一起作为混合溶液匀速滴加到底溶液中，滴加时间为2.5h。
过硫酸铵的用量为甲基烯丙基聚氧乙烯醚质量的0.8%，双氧水的用量为甲基烯丙基聚氧乙烯醚质量的1.7%，维生素C和硫代硫酸钠的用量均为双氧水质量的40%。所述的链转移剂为巯基丙酸，用量为甲基烯丙基聚氧乙烯醚质量的1.8%。
二、性能试验
1、水泥净浆流动度
按照GB/T8077-2012《混凝土外加剂匀质性试验方法》进行测试，减水剂折固掺量为0.16%。净浆流动度 结果如下表1。
表1
2、混凝土性能实验
按GB8076-2008《混凝土外加剂》测试新拌混凝土的初始、1h坍落度、扩展度及硬化混凝土的抗压强度。减水剂掺入量为0.2%，结果见下表2。
表2
3、减水率测试结果
表3
4、减水剂于不同水泥中的适应性研究
表4
5、红外光谱分析
取充分干燥的本发明聚羧酸高性能减水剂的样品，采用傅立叶红外光谱仪（美国Nicolet公司Avatar 360型），通过KBr压片进行红外光谱分析，参见图1。
由图1可知，3458㎝-1处出现了一个宽的吸收峰，为O-H的振动吸收峰，这是减水剂分子中聚氧乙烯醚与水形成的氢键缔合而成的伸缩振动峰，2883㎝-1处为C-H的伸缩振动峰，是聚氧乙烯醚（-CH2CH2O-)与水形成氢键而缔合的伸缩振动峰，1574㎝-1和1716㎝-1的吸收峰分别为羧基中C=O的特征伸缩振动峰，1242㎝-1和1157㎝-1为聚氧乙烯基长链中-C-O-C-吸收峰，表明减水剂中含有聚乙二醇的侧链。
6、凝胶色谱分析
采用Waters GPC1515测试减水剂的分子质量，结果参见图2。
由图2可知，标准宽度的大峰为标样峰，对于这个样品，检测器LS可以观察到一宽一窄两个峰，对照检测器标准样可知，宽峰为主要信号峰，窄峰为小分子物质（分子尺寸很小）。分子量分布较窄，共聚物峰面积较大，而单体峰面积较小，说明转化率较高。

Claims (5)

1.复合型氧化还原引发体系生产聚羧酸高性能减水剂的方法，采用水溶液自由基聚合法合成，其特征在于，以甲基烯丙基聚氧乙烯醚、丙烯酸和丙烯磺酸钠为单体，用双氧水、过硫酸铵、维生素C和硫代硫酸钠复合引发，加入链转移剂，采用水溶液自由基聚合法合成聚羧酸高性能减水剂；
甲基烯丙基聚氧乙烯醚、丙烯酸和丙烯磺酸钠的摩尔比为1.0:（3.5-4.5）:（0.3-0.8）；
过硫酸铵的用量为甲基烯丙基聚氧乙烯醚质量的0.2-1.0%，双氧水的用量为甲基烯丙基聚氧乙烯醚质量的0.5-2.0%，维生素C和硫代硫酸钠的用量均为双氧水质量的15-45%。
2.根据权利要求1所述的复合型氧化还原引发体系生产聚羧酸高性能减水剂的方法，其特征在于，所述的链转移剂选自巯基丙酸，巯基乙酸，巯基乙醇，亚硫酸氢钠或者甲基丙烯磺酸钠，用量为甲基烯丙基聚氧乙烯醚质量的0.4-2.0%。
3.根据权利要求1所述的复合型氧化还原引发体系生产聚羧酸高性能减水剂的方法，其特征在于，水溶液的温度为20-30℃，聚合反应时间为3-4h。
4.根据权利要求1所述的复合型氧化还原引发体系生产聚羧酸高性能减水剂的方法，其特征在于，将甲基烯丙基聚氧乙烯醚加去离子水制备成底溶液，将双氧水、过硫酸铵用水溶解后分别加入到底溶液中；将丙烯酸和丙烯磺酸钠加去离子水制备成单体溶液匀速滴加到底溶液中；将维生素C和硫代硫酸钠、链引发剂分别溶解然后混合在一起作为混合溶液匀速滴加到底溶液中。
5.根据权利要求4所述的复合型氧化还原引发体系生产聚羧酸高性能减水剂的方法，其特征在于，滴加时间均为2-2.5h。
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复合型氧化还原引发体系聚羧酸高性能减水剂的常温合成;管梦芹;《新型建筑材料》;20140825;第64-67页 *

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