CN107973536A - 一种低聚型混凝土消泡剂、其制备方法及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低聚型混凝土消泡剂、其制备方法及应用。本发明所述低聚型混凝土消泡剂的制备方法为：先通过平面芳环分子四羟基芘与二溴聚乙二醇进行醚化反应，生成带4条亲水链段的中间体；所述中间体再与长链烷基羧酸进行酯化反应，使中间体带上4条疏水链段（R），制得所述低聚型混凝土消泡剂。本发明所述低聚型混凝土消泡剂，具有比传统的单链型消泡剂更高的表面活性，以及更好的消泡效率，与外加剂相容性好，能够在短时间内抑制新拌混凝土中大气泡的生成，降低混凝土的含气量，从而提高混凝土的硬化强度和耐久性。

Description

一种低聚型混凝土消泡剂、其制备方法及应用
技术领域
本发明涉及一种低聚型混凝土消泡剂、其制备方法及应用，属于混凝土外加剂领域。
背景技术
近年来，随着高性能混凝土的发展，人们对于混凝土的强度和耐久性也日益重视。由于混凝土外加剂(尤其是聚羧酸减水剂)的加入，使得新拌混凝土中引入了过多较大的气泡，含气量偏高，较大的影响了混凝土硬化后的强度和耐久性。这时就需要借助于加入消泡剂以消除气泡，降低混凝土的含气量。消泡剂是以低浓度加入到起泡液体中，能控制泡沫的物质的总称，从作用机理上来说分为抑泡和破泡。从结构上看，消泡剂属于亲水亲油平衡值(HLB)在一定范围内的表面活性剂，目前常使用的消泡剂从组成上大致可分为矿物油型、有机硅型和聚醚型三类，在造纸、涂料、纺织、食品、制药及石油化工等领域已经得到广泛应用(CN 101780383B；CN 103572653B；CN 104480787B；CN 107034727A；CN 106977632A)。近年来，适用于混凝土领域的消泡剂也越来越多的被开发出来(CN 105293990A；CN106336138A)。
然而，现在用于混凝土领域的消泡剂也存在一些不足：一些疏水性较强的消泡剂，其消泡效率较高，但是和其他外加剂水溶液的相容性差，只能通过加入助溶剂来解决，大大增加了成本；而一些相容性较好的消泡剂，它们的消泡效率又不够高。因此，通过分子设计改变传统消泡剂的化学结构，开发同时具备高相容性和消泡效率的新型混凝土用消泡剂是十分必要的。然而由于受到学科交叉的限制，这方面的研究目前很少有人涉及。
发明内容
针对现有技术中，传统的混凝土消泡剂，相容性和消泡效率无法兼具的问题。本发明提供了一种具有全新结构的低聚型混凝土消泡剂及其制备方法和应用。它具有比传统的单链型消泡剂更高的表面活性，以及更好的相容性和消泡效率，能够在短时间内抑制新拌混凝土中大气泡的生成，降低混凝土的含气量，从而使混凝土具有较高的硬化强度和耐久性。
本发明提供了一种低聚型混凝土消泡剂，其结构符合下述通式：
其中，n＝2～5的整数；R为11～17个碳原子的直链烷基。
本发明所述消泡剂，其分子中含有4个疏水链段和4个亲水链段，其中亲水链段为含有3～6个重复单元的聚乙二醇，疏水链段为含有11～17个碳原子的直链烷基(R)，它们之间在靠近亲水链段处通过具有平面芳香环结构的桥接单元共价连接。这种结构相当于将4个单链型消泡剂分子共价绑定在一起的四聚体结构。同时桥接单元中的平面芳香环结构具有很强的π-π堆积作用，使分子能够在气液界面更加紧密有序的排列。这样相比传统的单链型消泡剂，不仅增加了水相的相容性，也大大提高了其表面活性和消泡效率。
本发明所述的低聚型混凝土消泡剂的基本合成路线如下所示:
上述合成路线采用本领域公知的反应类型实现，先通过平面芳环分子四羟基芘与二溴聚乙二醇进行醚化反应，生成带4条亲水链段的中间体，再与长链烷基羧酸进行酯化反应，使中间体带上4条疏水链段(R)。
优选的，本发明所述低聚型混凝土消泡剂的制备方法，包括以下步骤：
(1)中间体的制备：将四羟基芘、二溴聚乙二醇、碱A、丙酮混合，在50～60℃下反应12～24h后，过滤除去碱，滤液蒸馏除去丙酮，粗产物用正己烷重结晶，干燥，得到中间体；
所述碱A为碳酸钾、碳酸钠、氢氧化钾、氢氧化钠中的任意一种；
所述四羟基芘、二溴聚乙二醇、碱A的摩尔比为1：(4～8)：(4～8)；
(2)低聚型混凝土消泡剂的制备：将步骤(1)制得的中间体、长链烷基羧酸、碱B、丙酮混合，在50～60℃下反应6～12h后，过滤除去碱，滤液蒸馏除去丙酮，粗产物用正己烷重结晶，干燥，得到所述低聚型混凝土消泡剂；
所述碱B为碳酸钾、碳酸钠、氢氧化钾、氢氧化钠中的任意一种；
所述中间体、长链烷基羧酸、碱B的摩尔比为1：(4～6)：(4～6)。
所述长链烷基羧酸的结构式为R-COOH。
本发明所述低聚型混凝土消泡剂的亲水亲油平衡值(HLB)应控制在5～10之间，太低会降低水溶性，太高则消泡能力下降，因此所述分子结构中的n值应在2～5之间，R为含有11～17个碳原子的疏水链。
本发明所述低聚型混凝土消泡剂在使用时，与其他混凝土外加剂一起溶解于水中后，加入混凝土中搅拌即可。建议掺量为外加剂水溶液总质量的千分之(0.3～3)。
本发明所述低聚型混凝土消泡剂，具有比传统的单链型消泡剂更高的表面活性，以及更好的消泡效率，与外加剂相容性好，能够在短时间内抑制新拌混凝土中大气泡的生成，降低混凝土的含气量，从而提高混凝土的硬化强度和耐久性。
附图说明
图1：合成实施例1所得低聚型消泡剂A-2-11的1H NMR谱图；
图2：合成实施例2所得低聚型消泡剂A-3-13的1H NMR谱图；
图3：合成实施例3所得低聚型消泡剂A-4-15的1H NMR谱图；
图4：合成实施例4所得低聚型消泡剂A-5-17的1H NMR谱图。
具体实施方式
本发明所用物料皆为商购化产品，其中消泡剂合成所用的所有试剂(分析纯)均购自百灵威科技有限公司，有机溶剂(化学纯)均购自国药集团化学试剂有限公司，聚羧酸减水剂来自江苏苏博特新材料股份有限公司。
合成实施例1
将10mmol四羟基芘、40mmol二溴聚乙二醇(n＝2)、40mmol碳酸钾、50mL丙酮混合，在50℃下反应12h，过滤除去碳酸钾，滤液蒸馏除去丙酮，粗产物用正己烷重结晶，干燥，得到中间体；
将10mmol中间体、40mmol正十二酸、40mmol碳酸钾、50mL丙酮混合，在50℃下反应6h，过滤除去碳酸钾，滤液蒸馏除去丙酮，粗产物用正己烷重结晶，干燥，得到所述低聚型混凝土消泡剂(代号为A-2-11，n＝2，R＝CH3(CH2)10，核磁谱图如图1所示)。
合成实施例2
将10mmol四羟基芘、60mmol二溴聚乙二醇(n＝3)、60mmol碳酸钠、50mL丙酮混合，在50℃下反应16h，过滤除去碳酸钠，滤液蒸馏除去丙酮，粗产物用正己烷重结晶，干燥，得到中间体；
将10mmol中间体、50mmol正十四酸、50mmol碳酸钠、50mL丙酮混合，在50℃下反应8h，过滤除去碳酸钠，滤液蒸馏除去丙酮，粗产物用正己烷重结晶，干燥，得到所述低聚型混凝土消泡剂(代号为A-3-13，n＝3，R＝CH3(CH2)12，核磁谱图如图2所示)。
合成实施例3
将10mmol四羟基芘、80mmol二溴聚乙二醇(n＝4)、80mmol氢氧化钾、50mL丙酮混合，在60℃下反应20h，过滤除去氢氧化钾，滤液蒸馏除去丙酮，粗产物用正己烷重结晶，干燥，得到中间体；
将10mmol中间体、60mmol正十六酸、60mmol氢氧化钾、50mL丙酮混合，在60℃下反应10h，过滤除去氢氧化钾，滤液蒸馏除去丙酮，粗产物用正己烷重结晶，干燥，得到所述低聚型混凝土消泡剂(代号为A-4-15，n＝4，R＝CH3(CH2)14，核磁谱图如图3所示)。
合成实施例4
将10mmol四羟基芘、80mmol二溴聚乙二醇(n＝5)、80mmol氢氧化钠、50mL丙酮混合，在60℃下反应24h，过滤除去氢氧化钠，滤液蒸馏除去丙酮，粗产物用正己烷重结晶，干燥，得到中间体；
将10mmol中间体、60mmol正十八酸、60mmol氢氧化钠、50mL丙酮混合，在60℃下反应12h，过滤除去氢氧化钠，滤液蒸馏除去丙酮，粗产物用正己烷重结晶，干燥，得到所述低聚型混凝土消泡剂(代号为A-5-17，n＝5，R＝CH3(CH2)16，核磁谱图如图4所示)。
对比例1
按照与合成实施例4的第一步反应相同的方法得到中间体，将其作为对比分子(代号为A-5-0，n＝5，无疏水的R基团)。
对比例2
市售的单链型消泡剂十八醇聚氧乙烯醚。
应用实施例1
消泡剂在外加剂溶液中消泡能力测试：配制50g浓度为5％的聚羧酸减水剂溶液，作为空白样品；再分别往空白样中加入50mg合成实施例1～4中制备的低聚型混凝土消泡剂：A-2-11、A-3-13、A-4-15、A-5-17，以及两个对比样消泡剂：A-5-0、市售的十八醇聚氧乙烯醚。利用Krüss DFA100动态泡沫分析仪对各样品进行3分钟的鼓泡(鼓泡速度为0.2L/min)，然后测定溶液的最大泡沫高度，以及完全消泡所需的最短时间。
实验结果如表1所示，从表1中可以看出，相比于不含有疏水链段R的对比分子A-5-0，以及市售的单链型消泡剂十八醇聚氧乙烯醚，本发明所制备的低聚型混凝土消泡剂均能使样品具有更小的最大泡沫高度，以及更短的完全消泡时间，同时与外加剂有很好的相容性。说明本发明的低聚型混凝土消泡剂具有比传统的消泡剂更强的消泡能力以及更好的相容性。
表1不同消泡剂在外加剂溶液中的消泡性能比较
应用实施例2
消泡剂在混凝土中消泡能力测试：测试的消泡剂为合成实施例1～4中制备的低聚型消泡剂：A-2-11、A-3-13、A-4-15、A-5-17，以及两个对比样消泡剂：A-5-0、市售的十八醇聚氧乙烯醚。参照国家标准GB/T 8076-2008《混凝土外加剂》相关规定，进行了混凝土含气量和强度的测定。本发明中所采用的减水剂为浓度20％的聚羧酸减水剂，液掺为73.8g，折固掺量为胶材质量的0.18％；水泥为小野田52.5R.P.II水泥；砂为细度模数为Mx＝2.6的中砂；石子为粒径为5～25mm连续级配的碎石。所用混凝土配合比为：水泥6.6kg，粉煤灰1.6kg，砂14.8kg，大石15.0kg，小石6.4kg，水3.2kg。所有的消泡剂都采用相同的掺量，均为0.75g(减水剂溶液质量的千分之1)。
实验结果如表2所示，从表2中可以看出，相比于不含有疏水链段的对比分子A-5-0，以及市售的单链型消泡剂十八醇聚氧乙烯醚，本发明所制备的低聚型混凝土消泡剂均能使1小时内的新拌混凝土以及7天后的硬化混凝土具有更低的含气量。这说明本发明的低聚型混凝土消泡剂具有比传统的消泡剂更强的消泡能力。通过混凝土强度数据发现，本发明所制备的低聚型混凝土消泡剂能使硬化混凝土试块的不同龄期(3～28天)强度都要明显高于其他两种对比样品的试块强度。这说明本发明的消泡剂能够有效降低混凝土中大气泡的含量，从而提高混凝土的强度。
表2不同消泡剂在混凝土中的性能比较

Claims (5)

1.一种低聚型混凝土消泡剂，其特征在于，其结构符合下述通式：
其中，n＝2～5的整数；R为11～17个碳原子的直链烷基。
2.权利要求1所述的一种低聚型混凝土消泡剂的制备方法，其特征在于，包括：先通过平面芳环分子四羟基芘与二溴聚乙二醇进行醚化反应，生成带4条亲水链段的中间体；再与长链烷基羧酸进行酯化反应，使中间体带上4条疏水链段R，即得所述低聚型混凝土消泡剂。
3.根据权利要求2所述的一种低聚型混凝土消泡剂的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
(1)中间体的制备：将四羟基芘、二溴聚乙二醇、碱A、丙酮混合，在50～60℃下反应12～24h后，过滤除去碱，滤液蒸馏除去丙酮，粗产物用正己烷重结晶，干燥，得到中间体；
所述碱A为碳酸钾、碳酸钠、氢氧化钾、氢氧化钠中的任意一种；
所述四羟基芘、二溴聚乙二醇、碱A的摩尔比为1：(4～8)：(4～8)；
(2)低聚型混凝土消泡剂的制备：将步骤(1)制得的中间体、长链烷基羧酸、碱B、丙酮混合，在50～60℃下反应6～12h后，过滤除去碱，滤液蒸馏除去丙酮，粗产物用正己烷重结晶，干燥，得到所述低聚型混凝土消泡剂；
所述碱B为碳酸钾、碳酸钠、氢氧化钾、氢氧化钠中的任意一种；
所述中间体、长链烷基羧酸、碱B的摩尔比为1：(4～6)：(4～6)；
所述长链烷基羧酸的结构式为R-COOH。
4.根据权利要求3所述的一种低聚型混凝土消泡剂的制备方法，其特征在于，所述低聚型混凝土消泡剂的亲水亲油平衡值(HLB)在5～10之间。
5.权利要求1所述的一种低聚型混凝土消泡剂的应用方法，其特征在于，所述低聚型混凝土消泡剂在使用时，与其他混凝土外加剂一起溶解于水中后，加入混凝土中搅拌即可，其掺量为外加剂水溶液总质量的千分之(0.3～3)。
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