CN112661916B - 一种早强型聚羧酸减水剂的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种早强型聚羧酸减水剂的制备方法,包括以下步骤:将聚醚单体溶解于水中,加入双氧水,将反应体系的温度控制在2‑8℃;同时向反应体系中滴加含有丙烯酸、甲基丙烯磺酸钠、丙烯酰胺的水溶液A,含有巯基丙酸、甲醛合次硫酸氢钠的水溶液B及硫酸亚铁水溶液;在反应体系中加入适量的甲基丙烯磺酸钠能有效提升减水剂的早强性能;滴加完毕后,将反应体系升温至40‑50℃保温2~2.5h,然后调节pH至5‑7,即可得到所述早强型聚羧酸减水剂;本发明通过控制减水剂的配方、反应原料滴加时的组合方式、滴加时间、反应温度,使聚醚单体与丙烯酸以及其他功能的小单体在反应时能缓慢均匀聚合,保证合成减水剂分子对水泥的吸附性能与减水性能。
Description
技术领域
本发明属于混凝土外加剂领域,具体涉及一种早强型聚羧酸减水剂的制备方法。
背景技术
目前预制混凝土构件在各种工程领域的应用越来越广泛,但由于预制混凝土构件早期强度不够高,生产模具周转效率低,极大的影响了生产效率,增加了生产成本。同时,在气温较低的冬季施工时,需掺加早强剂以降低施工难度,加快施工进度,节约施工成本。
现有的聚羧酸减水剂为第三代高性能减水剂,其可以有效降低混凝土水灰比,减小混凝土孔隙率,提升混凝土早期强度,但远未达到市场的要求,尚需通过优化减水剂配方,改进减水剂合成工艺,引入具有提升减水剂早强效果的组分,合成出一种减水效果好,早强性能突出的高性能减水剂。
发明内容
本发明的目的在于提供一种早强型聚羧酸减水剂的制备方法,通过采用具有早强效果的功能单体和聚醚单体,同时优化减水剂的配方、反应原料滴加时的组合方式、滴加时间、反应温度等,使聚醚单体与丙烯酸以及早强功能单体在反应时能缓慢均匀聚合,在保证合成减水剂具有较好减水性能的同时,具有优异早强性能。
本发明采取的技术方案为:
一种早强型聚羧酸减水剂的制备方法,其特征在于,所述制备方法包括以下步骤:
(1)将聚醚单体溶解于水中,加入双氧水,将反应体系的温度控制在2-8℃,在此低温下进行反应,可控制反应物的活性,防止反应的过程中发生过度聚合导致减水剂主链长度过长,不利于实现减水剂主链与水泥颗粒之间部分吸附包裹作用,进而影响减水剂早强性能的发挥;
(2)同时向反应体系中滴加含有丙烯酸、甲基丙烯磺酸钠、丙烯酰胺的水溶液A,含有巯基丙酸、甲醛合次硫酸氢钠的水溶液B及硫酸亚铁水溶液;在反应体系中加入适量的甲基丙烯磺酸钠能有效提升减水剂的早强性能;
(3)滴加完毕后,将反应体系升温至40-50℃保温2~2.5h,然后调节pH至5-7,即可得到所述早强型聚羧酸减水剂。
进一步地,所述聚醚单体、丙烯酸、甲基丙烯磺酸钠、丙烯酰胺的物质的量之比为0.1:0.3-0.4:0.015-0.03:0.006-0.012。由于在链式聚合反应过程中,甲基丙烯磺酸钠能使链增长自由基发生自由基转移,形成新的自由基,新的自由基引发单体重新生成活性链再进行链增长,从而起到了链转移剂的作用。如果甲基丙烯磺酸钠掺量过多,会降低合成减水剂的分子量,使减水剂分子主链过短,主链上羧基的吸附能力减弱,难以有效发挥减水剂的吸附分散效果;因此本发明中需要控制聚醚单体、甲基丙烯磺酸钠的物质的量之比在0.1:0.015-0.03的范围。
所述聚醚单体、双氧水、巯基丙酸、甲醛合次硫酸氢钠的质量之比为1:0.002~0.004:0.5-0.8:0.3-0.45。
所述硫酸亚铁水溶液的质量浓度为0.2-0.25%;所述聚醚单体与硫酸亚铁的用量比为0.1mol:0.04~0.08g。
步骤(1)中,所述聚醚单体与水的质量之比为1:1.0~1.2。
步骤(2)中,所述水溶液A中,溶剂与溶质的质量比为4-5:1;
步骤(2)中,所述水溶液B中,溶剂水与溶质的质量比为20-25:1。
步骤(3)中,以20%的氢氧化钠溶液调节体系PH至5-7。
为了使聚醚单体与丙烯酸以及其他功能的小单体在反应时能缓慢均匀聚合,所述水溶液A、水溶液B、硫酸亚铁水溶液的滴加时间分别控制在2.0-3.0h、2.5~3.5h、2.0-3.0h。如果水溶液A的滴加时间低于2.0h,聚合反应速度会明显加快,聚羧酸减水剂分子聚合不够均匀;而如果滴加时间高于3.0h,则不利于聚合反应的持续进行,反应转化率偏低,会降低聚羧酸减水剂的性能。
进一步地,所述聚醚单体可选自甲基烯丙基聚氧乙烯醚、乙二醇乙烯基聚氧乙烯醚、4-羟丁基乙烯基聚氧乙烯醚中的任意一种或者多种。
所述聚醚单体优选自HPEG-4800、EPEG-4800、VPEG-4800中的任意一种或者多种。
所述早强型聚羧酸减水剂的折固掺量为0.1~0.15%,在较小的折固掺量下即可实现较好的减水效果和早强性能。
本发明提供的技术方案中,通过控制合成反应的温度,并在反应的过程中持续加入硫酸亚铁作为合成反应的催化剂,使聚醚单体与丙烯酸以及其他功能的小单体在反应时能持续缓慢均匀聚合,既控制了减水剂分子主链处于较短状态,又保证了合成减水剂分子的吸附分散性能。因为一般情况下单个水泥颗粒需要与多个减水剂分子发生吸附作用,减水剂分子才能将水泥颗粒的表面完全覆盖,但是,水泥颗粒若被减水剂分子完全覆盖,则会阻碍水分子与水泥颗粒的接触,影响了水泥水化进程,不利于水泥早期强度的发挥。本发明在不降低减水剂分子吸附性能的前提下,尽量缩小减水剂的主链长度,则单个水泥颗粒需要更多的减水剂分子对其进行吸附才能实现完全覆盖。由于吸附过程是随机的,通过控制减水剂主链长度,大大降低了水泥颗粒被减水剂完全覆盖的可能性,使大多数水泥颗粒处于半覆盖状态,当这种被部分包裹的水泥颗粒大量存在于混凝土体系中,一方面发挥了较好的分散性能,发挥减水作用,另一方面为水分子与水泥颗粒的结合提供了通道,促进了水泥水化进程,缩短了混凝土的凝结与硬化时间,提升了混凝土早期强度的发挥。
同时,本发明使用平均分子量在4800的聚醚单体,这样合成的聚羧酸减水剂分子侧链较长,在与水泥颗粒吸附后,空间位阻更大,分散性能更好,也在一定程度上弥补了可能由于水泥颗粒吸附不完全造成的分散性能损失。
同时,在该配方体系下,通过对原料的滴加时间及反应温度的控制,进一步严格控制了合成的聚羧酸减水剂分子主链的长度,在滴加各原料时将反应温度控制在2-8℃,并控制好原料的滴加时间,这样在低温环境和缓慢的滴加速度下有利于控制反应稳定进行。在各原料滴加完毕后,反应体系中未反应的原料较少,反应趋于停止,这时通过提升反应温度至40-50℃保温促使剩余原料更为彻底的反应,如果此时的保温温度超出此范围会致使部分产物在少量自由基的作用下进一步聚合,不利于控制减水剂分子主链长度,进而影响减水剂早强和减水性能的发挥。
与现有技术相比,本发明的合成条件简单、聚合速率可控,对混凝土具有更好的早强性能,同时在使用时掺量较低,整体优势较为明显。
附图说明
图1为实施例1制备的早强型聚羧酸减水剂的GPC图;
图2为对比例3制备的早强型聚羧酸减水剂的GPC图;
图3为对比例4制备的早强型聚羧酸减水剂的GPC图;
图4为对比例5制备的早强型聚羧酸减水剂的GPC图;
图5为对比例8制备的早强型聚羧酸减水剂的GPC图;
图6为对比例9制备的早强型聚羧酸减水剂的GPC图;
图7为对比例10制备的早强型聚羧酸减水剂的GPC图。
具体实施方式
下面结合实施例和对比例对本发明进行详细说明。
本发明中的HPEG-4800、EPEG-4800、VPEG-4800的来源如下:
HPEG-4800:宁波海螺新材料科技有限公司生产;
EPEG-4800:宁波海螺新材料科技有限公司生产;
VPEG-4800:宁波海螺新材料科技有限公司生产;
三者的质量计算时,平均分子量均以4800进行计算。
GPC测试的条件为:进样体积20μL,流动相:0.1M硝酸钠水溶液,柱温:40℃。
实施例1
一种早强型聚羧酸减水剂的制备方法,包括以下步骤:
(1)将0.1mol聚醚单体HPEG-4800置于其质量1.0倍的水中搅拌至完全溶解,加入0.3%聚醚单体质量的双氧水,并将反应体系控制在6℃的低温条件下;
(2)将0.4mol的丙烯酸、0.03mol的甲基丙烯磺酸钠、0.009mol的丙烯酰胺组成的混合物溶于占混合物总质量4倍的水中,形成水溶液A;
将0.6%聚醚单体质量的巯基丙酸和0.4%聚醚单体质量的甲醛合次硫酸氢钠组成的混合物溶于占混合物总质量20倍的水中,形成水溶液B;
同时向步骤(1)中滴加水溶液A,水溶液B和质量浓度为0.2%的硫酸亚铁水溶液20mL;并控制水溶液A、水溶液B、硫酸亚铁水溶液的滴加时间分别为3.0h、3.5h、3.0h;
(3)所有原料滴加完毕后,将反应体系升温至40℃保温2h,然后以20%质量浓度的氢氧化钠溶液调节体系PH至6,即可得到所述早强型聚羧酸减水剂,经GPC测试,其数均分子量为20171,重均分子量为29811,转化率为89.33%,GPC谱图如图1所示。本实施例制备得到的早强型聚羧酸减水剂的分子量及其分布与对比例3-5、8-10的对比可以看出,本发明的制备方法制备得到的产物的分子量相对较低,且所得产物的分子量分布均匀,原料的转化率均较高。
实施例2
一种早强型聚羧酸减水剂的制备方法,包括以下步骤:
(1)将0.1mol聚醚单体EPEG-4800置于其质量1.0倍的水中搅拌至完全溶解,加入0.3%聚醚单体质量的双氧水,并将反应体系控制在6℃的低温条件下;
(2)将0.4mol的丙烯酸、0.03mol的甲基丙烯磺酸钠、0.009mol的丙烯酰胺组成的混合物溶于占混合物总质量4倍的水中,形成水溶液A;
将0.8%聚醚单体质量的巯基丙酸和0.4%聚醚单体质量的甲醛合次硫酸氢钠组成的混合物溶于占混合物总质量20倍的水中,形成水溶液B;
同时向步骤(1)中滴加水溶液A,水溶液B和质量浓度为0.2%的硫酸亚铁水溶液20mL;并控制水溶液A、水溶液B、硫酸亚铁水溶液的滴加时间分别为3.0h、3.5h、3.0h;
(3)所有原料滴加完毕后,将反应体系升温至40℃保温2h,然后以20%质量浓度的氢氧化钠溶液调节体系PH至6,即可得到所述早强型聚羧酸减水剂。
实施例3
一种早强型聚羧酸减水剂的制备方法,包括以下步骤:
(1)将0.1mol聚醚单体VPEG-4800置于其质量1.0倍的水中搅拌至完全溶解,加入0.3%聚醚单体质量的双氧水,并将反应体系控制在6℃的低温条件下;
(2)将0.4mol的丙烯酸、0.03mol的甲基丙烯磺酸钠、0.009mol的丙烯酰胺组成的混合物溶于占混合物总质量4倍的水中,形成水溶液A;
将0.7%聚醚单体质量的巯基丙酸和0.4%聚醚单体质量的甲醛合次硫酸氢钠组成的混合物溶于占混合物总质量20倍的水中,形成水溶液B;
同时向步骤(1)中滴加水溶液A,水溶液B和质量浓度为0.2%的硫酸亚铁水溶液20mL;并控制水溶液A、水溶液B、硫酸亚铁水溶液的滴加时间分别为3.0h、3.5h、3.0h;
(3)所有原料滴加完毕后,将反应体系升温至40℃保温2h,然后以20%质量浓度的氢氧化钠溶液调节体系PH至6,即可得到所述早强型聚羧酸减水剂。
对比例1
其他同实施例1,只是将步骤(1)中的HPEG-4800替换为HPEG-2400。
对比例2
其他同实施例1,只是将步骤(1)中对应的反应体系温度替换为25℃。
对比例3
其他同实施例1,只是将步骤(1)中对应的反应体系温度替换为40℃,所得产物经GPC测试,其数均分子量为22409,重均分子量为37998,转化率为94.53%,GPC谱图如图2所示。
对比例4
其他同实施例1,只是将步骤(2)中的水溶液A的滴加时间控制在2h,所的产物经GPC测试,其数均分子量为21171,重均分子量为31949,转化率为89.37%,GPC谱图如图3所示。
对比例5
其他同实施例1,只是将步骤(2)中的水溶液A的滴加时间控制在4h,所得产物经GPC测试,其数均分子量为19446,重均分子量为27290,转化率为75.27%,GPC谱图如图4所示。
对比例6
其他同实施例1,只是将步骤(2)中的甲基丙烯磺酸钠省去。
对比例7
其他同实施例1,只是将步骤(2)中的甲基丙烯磺酸钠的用量替换为0.06mol。
对比例8
其他同实施例1,只是将步骤(2)中的硫酸亚铁水溶液在步骤(1)中与双氧水同时或者依次一次性投加到聚醚单体的水溶液中,所得产物经GPC测试,其数均分子量为22306,重均分子量为33650,转化率为89.48%,GPC谱图如图5所示。
对比例9
其他同实施例1,只是将其中步骤(3)中对应的保温温度替换为35℃以下的室温,所得产物经GPC测试,其数均分子量为19949,重均分子量为28666,转化率为80.76%,GPC谱图如图6所示。
对比例10
其他同实施例1,只是将其中步骤(3)中对应的保温温度替换为60℃,所得产物经GPC测试,其数均分子量为22321,重均分子量为37695,转化率为93.86%,GPC谱图如图7所示。
将上述各实施例和对比例制备的早强型聚羧酸减水剂应用于水泥净浆流动度及水泥胶砂性能的评价。
水泥净浆的配料为:水灰比为0.29,海螺PO42.5水泥300g,减水剂折固掺量为0.14%;
水泥胶砂的配料为:水灰比0.42,海螺PO42.5水泥450g,标准砂1350g,减水剂折固掺量为0.12%。
评价结果如表1所示。
表1
将上述各实施例和对比例制备的早强型聚羧酸减水剂应用于混凝土性能的评价。
C60混凝土配方(1L):水灰比0.405;海螺PO52.5水泥420g,砂子840g,石子920g,水170g,减水剂折固掺量为0.25%。
评价结果见表2。
表2
上述参照实施例对一种早强型聚羧酸减水剂的制备方法进行的详细描述,是说明性的而不是限定性的,可按照所限定范围列举出若干个实施例,因此在不脱离本发明总体构思下的变化和修改,应属本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种早强型聚羧酸减水剂的制备方法,其特征在于,所述制备方法包括以下步骤:
(1)将聚醚单体溶解于水中,加入双氧水,将反应体系的温度控制在2-8℃;
(2)同时向反应体系中滴加含有丙烯酸、甲基丙烯磺酸钠、丙烯酰胺的水溶液A,含有巯基丙酸、甲醛合次硫酸氢钠的水溶液B及硫酸亚铁水溶液;
(3)滴加完毕后,将反应体系升温至40-50℃保温2~2.5h,然后调节pH至5-7,即得到所述早强型聚羧酸减水剂;
所述聚醚单体、丙烯酸、甲基丙烯磺酸钠、丙烯酰胺的物质的量之比为0.1:0.3-0.4:0.015-0.03:0.006-0.012;
所述聚醚单体、双氧水、巯基丙酸、甲醛合次硫酸氢钠的质量之比为1:0.002~0.004:0.5-0.8:0.3-0.45;
所述水溶液A、水溶液B、硫酸亚铁水溶液的滴加时间分别控制在2.0-3.0h、2.5~3.5h、2.0-3.0h;
所述聚醚单体选自HPEG-4800、EPEG-4800、VPEG-4800中的任意一种或者多种。
2.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤(1)中,所述聚醚单体与水的质量之比为1:1.0~1.2。
3.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤(2)中,所述水溶液A中,溶剂与溶质的质量比为4-5:1;所述水溶液B中,溶剂水与溶质的质量比为20-25:1。
4.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述早强型聚羧酸减水剂的折固掺量为0.1~0.15%。
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