CN113248171B - 一种高性能聚羧酸减水剂的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于属于建筑混凝土外加剂技术领域，尤其是一种高性能聚羧酸减水剂的制备方法，本发明利用空间位阻减少泥土对聚羧酸减水剂的吸附，提高聚羧酸减水剂性能，利用纳米二氧化硅分散体溶于碱性溶液特点，将纳米二氧化硅溶液pH值为10~11之间的聚羧酸减水剂里，在混凝土加工使用过程中，由于添加的减水剂量为水量1~3%，添加量较少，迅速降低了体系的pH值，通过搅拌，迅速释放出纳米二氧化硅，均匀的分散在水体中，有效避免的纳米的团聚效应，进而提高了混凝土的综合性能，具有良好的水溶性，可在较长时间内保持混凝土工作性能，减少混凝土拌合物的掺水量，对混凝土具有很好的减水性，且不影响高混凝土后期强度。

Description

一种高性能聚羧酸减水剂的制备方法

技术领域

本发明属于建筑混凝土外加剂技术领域，具体涉及一种高性能聚羧酸减水剂的制备方法。

背景技术

聚羧酸减水剂是一种高性能减水剂，在混凝土制备过程应用较广的一种高效减水剂。聚羧酸减水剂能够针对水泥的特点来对其分子结构进行设计，使其对水泥具有超高分散性，性能明显优于萘系减水剂和木质素磺酸钠类减水剂，是第三代高性能减水剂，其综合性能优异，科技含量最高、应用前景最好、综合性能最优的一种高效减水剂。采用聚羧酸减水剂，混凝土流动性能保持性好、保塌、缓凝，混凝土性能优异，同时符合环保要求，符合混凝土加工工程的需要。聚羧酸减水剂由于其分子构造上设计的自由度大、合成方法多、高性能化的余地很大，因此成为研究人员的研究热点。随着城市化的发展和公共设施的建设，现代社会对砂石的需求量的增加，高品质的砂石越来越少，低品质砂石添加到混凝土里面，对混凝土外加剂的要求越来越高，高效抗泥型聚羧酸减水剂的开发迫在眉睫。CN107603110A公开了一种支链型抑泥聚羧酸减水剂，中国专利CN107586367A公开了一种基于原子转移自由基聚合制备缓释型聚羧酸减水剂的方法，采用卤代化合物引发剂对不饱和酰胺类小单体先进行原子转移自由基聚合制备大单体引发剂，在催化剂与配体的作用下通过大单体引发剂引发不饱和羧酸酯与不饱和羧酸盐小单体以及不饱和聚醚大单体进行原子转移自由基聚合制得减水剂，该方法步骤复杂，产物需多次纯化才能得到稳定的减水剂。对于天然存在砂石表面的粘土，其硅氧晶层表面带有负电荷。聚羧酸减水剂中不能含有与粘土形成强烈相互作用的基团。聚羧酸系减水剂主要通过其显著的空间位阻效应对水泥颗粒进行分散，这是聚羧酸系减水剂减水性能优异的原因是水泥浆体悬浊液中的Ca2+被表面带有负电荷的粘土颗粒吸附后，导致粘土表面带有正电荷，进而促使带有正电荷的粘土颗粒与带有羧酸负电荷的聚羧酸分子形成静电吸引，完成粘土对聚羧酸减水剂的表面吸附。本领域技术人员亟待开发一种新型高性能聚羧酸高效减水剂的制备方法，以满足现有的使用需求和性能要求。

发明内容

针对上述问题，本发明旨在提供一种新型高性能聚羧酸高效减水剂的制备方法。

一种高性能聚羧酸减水剂的制备方法，包括以下步骤：

步骤S1、准备或采用滴加的方法制备大位阻功能基化反应单体；

功能基化反应又称官能团化反应，通过聚合反应合成的分散液含有氯甲基官能团，通过大位阻功能基化反应单体导入并交换基团；

三乙醇胺可以与苯甲酰氯进行反应，分子内含有三个羟基,所以酰氯是和羟基反应生成含有活性氮原子的酯类大位阻反应单体。

进一步的，步骤S1所述的大位阻反应单体为三乙醇胺和对苯甲酰氯按物质的量1∶1反应制备得到的反应产物或三苯基膦、二苯基膦锂、二苯基膦钠、三苯基膦钠、三苯基膦锂中的其中一种或多种，步骤S1反应温度为25℃，所述步骤S2反应温度为40~60℃，所述步骤S3，温度为25~28℃

大位阻反应单体可以与氯甲基进行功能基化反应，例如三苯基膦的季磷化反应或三乙醇胺和对苯甲酰氯的反应产物的季胺化反应，或者如二苯基膦锂等的碱金属取代反应。

步骤S2、丙烯酸、不饱和聚醚、对氯甲基苯乙烯、丙烯酸钠、引发剂、水，十二烷基磺酸钠等按一定重量份数的投料比例进行反应得共聚物乳液；进一步的，所述步骤S2重量份数的投料比为丙烯酸∶不饱和聚醚∶对氯甲基苯乙烯∶丙烯酸钠∶引发剂∶水∶十二烷基磺酸钠为18~20∶180~200∶8~10∶4~5∶1.8~2∶1000~1100∶0.8~1。

引发剂为过硫酸铵或偶氮二异丁脒盐酸盐中的其中一种；过硫酸铵纯度高、稳定性好，便于储存使用方便、安全，偶氮二异丁脒盐酸盐是一种水溶性偶氮引发剂，引发效率高，产品的相对分子质量相对比较高、能进行平滑、稳定、可控制的分解反应，聚合过程不出现残渣和结块；在低温、低浓度下能够高效引发聚合，均可以改善功能基化反应反应过程，聚合反应速率较快。

不饱和聚醚采用不饱和聚醚选自高桥石化GR-130E或GR-110E，其主要用途是作为聚氨酯泡沫塑料稳定剂使用，其烯丙基含量高，质量稳定。

步骤S3、将步骤S1的大位阻反应单体，加入到步骤S2的共聚物乳液中，进行功能基化反应，并形成侧链为刚性立构大基团的聚羧酸共聚物分散液，进一步的，所述共聚物乳液含有的氯甲基与步骤S1制备的产物摩尔比为1∶1~1.1；

步骤S4、准备纳米二氧化硅水溶液，将纳米二氧化硅溶于碱性水溶液里，得到分散纳米二氧化硅碱液；采用的纳米二氧化硅尺度为30~70nm，所用的碱性溶液为硫化钠溶液，pH值控制在10~11之间；

硫化钠别名黄碱、硫化碱，为无机化合物，溶于水，水溶液呈碱性，主要在硫化染料、印染和皮革的脱毛剂中进行应用。其中步骤S4制备的纳米二氧化硅分散体占分散纳米二氧化硅碱液总重的重量比例为5~20%。

纳米二氧化硅分散体可溶于碱性溶液，将纳米二氧化硅溶液pH值为10~12之间的聚羧酸减水剂里，在混凝土加工使用过程中，由于添加的减水剂量为水量1~3%，迅速降低了体系的pH值，通过搅拌，迅速释放出纳米二氧化硅，均匀的分散在水相中，可极大程度上避免的纳米的团聚效应。

纳米二氧化硅颗粒因为一次粒子比表面积大，表面能高，热力学上不稳定，因此易于凝结聚集，导致粒子团聚、增大，大大降低甚至丧失了纳米二氧化硅颗粒在减水剂中的实际应用效果。同时，由于纳米二氧化硅本身的强极性和颗粒的微细化，在混凝土中难以均匀分散，界面上会出现空隙，当空气中的水分进入空隙中，会引起界面处脆化、应力集中，进而导致性能下降。

步骤S5、将步骤S3所得的聚羧酸共聚物分散液和步骤S4得到的分散纳米二氧化硅碱液按质量比1∶2~4相混合，即得所述高性能聚羧酸减水剂。

上述方法制备的高性能聚羧酸减水剂，可应用于高钙水泥、高钙粉煤灰水泥。

本发明制备大位阻功能基化反应可采用以下反应简式进行：

本发明的有益效果：

本发明公开的高性能聚羧酸减水剂的制备方法，功能基化反应利用空间位阻，侧链为刚性立构大基团减弱泥土对聚羧酸减水剂的吸附，提高聚羧酸减水剂性能，利用纳米二氧化硅分散体溶于碱性溶液特点，将纳米二氧化硅溶液pH值为10~12之间的聚羧酸减水剂里，在混凝土加工使用过程中，由于添加的减水剂量为水量1~3%左右，迅速降低了体系的pH值，通过搅拌，迅速释放出纳米二氧化硅，均匀的分散在水体中，有效避免的纳米的团聚效应，进而提高了混凝土的综合性能。其中，功能基化反应可包含碱金属磷化物取代、季鏻化反应、季胺化反应，水泥硬化浆体实际上是由水化硅酸钙凝胶为主凝聚而成的阴级纳米材料。然而，这类所谓的纳米级材料细观结构是粗糙的，总采用纳米二氧化硅能有效地减少水泥硬化浆体中的微孔，使在无宏观缺陷水泥竣化浆体中使孔隙率降低，二氧化硅的掺入能部分夹在凝胶层之间，使两相之间的结合非常牢固；随着纳米纳米二氧化硅掺入，表面能高，表面缺陷多，易与水泥石中的水化产物产生化学键合，凝胶可在纳米SiO₂和纳米表面形成键合，更重要的是在水泥硬化浆体原有网络基础上又建立了一个新的网络，以纳米SiO₂为网络的结点，结合更多纳米级的凝胶，并键合成三维网络结构，可大大地提高水泥硬化浆体的物理力学性能和耐久性，采用含纳米二氧化硅且侧链为刚性立构大基团的减水剂制备水泥净浆，避免团聚，使纳米粉和水泥充分混匀。本发明在实践过程中意外的发现，使用硫化钠水溶液不仅可以调控纳米二氧化硅的团聚效应，而且在水泥浆中进一步降低表界面张力，能起到塑化剂作用，即能降低水泥浆液的粘度，增加流动性，提高可灌性，使灌注浓浆成为可能，灌注浓浆会相应地使浆液凝结时间缩短，抗压强度提高，结石率高，流失量少。本发明在实践过程中发现，制备过程中会有生成的氯化钠等氯盐的副产物，对水泥浆不仅有显著速凝作用，并且提高了固结后的抗压强度，特别是具有早强性质，且制备聚羧酸减水剂过程中的副产物得到了应用，其无需格外添加，降低了聚羧酸减水剂的整体生产成本。

相比现有技术本发明具有如下优点：

本发明利用刚性大位阻分子结构侧链立体结构，致使聚羧酸减水剂的侧链的刚性比传统仅含有聚氧乙烯侧链的聚羧酸减水剂刚性强，吸附在粘土表面的聚羧酸减水剂中的刚性大位阻分子结构侧链将更好地阻止其它聚羧酸分子被粘土颗粒吸附，从而有效的提高聚羧酸减水剂的抗泥性能。同时复配纳米二氧化硅，有效提高混凝土的综合性能，使用纳米二氧化硅分散体溶于碱性溶液特点，将纳米二氧化硅溶液pH值为10~12之间的聚羧酸减水剂里，在混凝土加工使用过程中，由于添加的减水剂量为水量1~3%，迅速降低了体系的pH值，通过搅拌，迅速释放出纳米二氧化硅，均匀的分散在水体中，有效避免的纳米的团聚效应，提高了混凝土的综合性能，具有良好的水溶性，可在较长时间内保持混凝土工作性，减少混凝土拌合物的掺水量，对混凝土具有很好的减水性，不影响高混凝土后期强度。

具体实施方式

下面用具体实施例说明本发明，但并不是对本发明的限制。

实施例一

步骤1、取1摩尔三乙醇胺（149g）加入到1000ml三颈烧瓶里，滴加3摩尔对苯甲酰氯（421.7g）反应，每分钟滴加5克，搅拌速度为60转/分钟,反应温度为25℃；步骤2、反应温度为60℃，取20g丙烯酸、200g不饱和聚醚、10g对氯甲基苯乙烯、5g丙烯酸钠、2g过硫酸铵、1000g水，1g十二烷基磺酸钠，放入2000ml三颈瓶中，在50℃进行反应4小时,得共聚物乳液；步骤3、温度为25℃取步骤1的反应液37g，加入到2的共聚物乳液中，进行季铵化反应，形成侧链为刚性立构大基团，得聚羧酸共聚物分散液，所述共聚物乳液含有的氯甲基与步骤1制备的产物摩尔比为1∶1.1；步骤4、制备纳米二氧化硅水溶液，将取5g纳米二氧化硅溶于100ml硫化钠（3gNa₂S+97gH2O）水溶液里，采用的纳米二氧化硅尺度为30nm，pH值控制在10~11之间，得分散纳米二氧化硅碱液；步骤5、步骤3所得的聚羧酸共聚物分散液和步骤S4得到的分散纳米二氧化硅碱液按质量比1∶4相混合相混合，形成高性能聚羧酸减水剂。不饱和聚醚选自高桥石化GR-130E，。

实施例二

步骤1、准备大位阻反应单体二苯基膦锂；步骤2、取18g丙烯酸、180g不饱和聚醚、8g对氯甲基苯乙烯、4g丙烯酸钠、1.8g偶氮二异丁脒盐酸盐、1100g水、0.8g十二烷基磺酸钠，放入2000ml三颈瓶中，在50℃进行搅拌反应4小时反应温度为60℃，得共聚物乳液；步骤3、温度为28℃，取二苯基膦锂加入到2的反应液中，进行取代反应，形成侧链为刚性立构大基团，形成侧链为刚性立构大基团，得聚羧酸共聚物分散液，所述共聚物乳液含有的氯甲基与二苯基膦锂摩尔比为1∶1；步骤4、制备纳米二氧化硅水溶液，将取5g纳米二氧化硅溶于100ml硫化钠（3g硫化钠+97gH₂O）水溶液里，采用的纳米二氧化硅尺度为70nm，pH值控制在10~11之间，得到分散纳米二氧化硅碱液；步骤5、将步骤3所得的聚羧酸共聚物分散液和步骤4得到的分散纳米二氧化硅碱液按质量比1∶2相混合，即得所述高性能聚羧酸减水剂。

不饱和聚醚选自高桥石化GR-110E，偶氮二异丁脒盐酸盐VA-506，二苯基膦锂制备方法：在100亳升三颈烧瓶中放磁搅拌子，瓶的中间一颈用磨口玻塞塞住，其余两颈分别安装氩气导入管和橡胶隔膜。将装置烤干并抽空，让其冷却。在下述操作过程中自始至终保持氩气正压。用注射器通过隔膜注入30毫升四氢呋喃和5.0毫升（0.0289摩尔）二苯膦。搅拌溶液并用冰浴冷却，用注射器在3分钟内加入15毫升（0.0318摩尔）冷的2.12M正丁基锂一已烷溶液，在继续搅拌下大约30分钟内使红色溶液升温至室温，即得。

试验标准参照 GB8076-2008混凝土外加剂，外加剂折固掺量为水泥用量0.15％，试验结果见表1。

对比例1

本对比例与实施例2相比，在步骤4中，将分散纳米二氧化硅碱液替换为原始的纳米二氧化硅水溶液，除此外的方法步骤均相同。

对比例2

本对比例与实施例2相比，在步骤3中，未进行季铵化反应，除此外的方法步骤均相同。

对比例3

本对比例与实施例2相比，在步骤3中，将碱溶液替换为pH值相同的氢氧化钠溶液，除此外的方法步骤均相同。

将实施例1~2与对比例1~3的减水剂的应用性能进行检测，检测结果见表1

表1施例1~2与对比例1~3的减水剂的应用性能检测结果

注：参照水泥采用GB8076-2008标准附录A规定的水泥；砂符合GB/T14684-2011中11区要求的中砂，但细度模数为2.9，含泥量1%；石子符合GB/T 14685要求的公称粒径为5mn-20mm的碎石或卵石，采用二级配，其中5mm~10mm占40%，10mm~20mm占60%，满足连续级配要求，针片状物质含量小于10%，空隙率小于47%，含泥量小于0.5%。水符合JGJ 63混凝土拌和用水的技术要求；外加剂为需要检测的聚羧酸减水剂；混凝土搅拌采用符合JG 3036要求的公称容量为60L的单卧轴式强制搅拌机。搅拌机的拌合量35L；外加剂为粉状时，将水泥、砂、石、外加剂一次投入搅拌机，干拌均匀，再加入拌合水，一起搅拌2min，外加剂为液体时，将水泥、砂、石一次投入搅拌机，干拌均匀，再加入掺有外加剂的拌合水一起搅拌2min；出料后，在铁板上用人工翻拌至均匀，再行试验。各种混凝土试验材料及环境温度均应保持在23℃，混凝土试件制作及养护按GB/T50080-2016进行，但混凝土预养温度为23℃。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，对本发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效，但都将落入本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种高性能聚羧酸减水剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1、准备或采用滴加的方法制备大位阻功能基化反应单体，所述的大位阻功能基化反应单体为三乙醇胺和对苯甲酰氯按物质的量1∶1反应制备得到的反应产物或三苯基膦、二苯基膦锂、二苯基膦钠、三苯基膦钠、三苯基膦锂中的其中一种或多种；步骤S2、丙烯酸、不饱和聚醚、对氯甲基苯乙烯、丙烯酸钠、引发剂、水，十二烷基磺酸钠按一定重量份数的投料比例进行反应得共聚物乳液，重量份数的投料比为丙烯酸∶不饱和聚醚∶对氯甲基苯乙烯∶丙烯酸钠∶引发剂∶水∶十二烷基磺酸钠为18~20∶180~200∶8~10∶4~5∶1.8~2∶1000~1100∶0.8~1，引发剂为过硫酸铵或偶氮二异丁脒盐酸盐中的其中一种；步骤S3、将步骤S1的大位阻反应单体，加入到步骤S2的共聚物乳液中，进行功能基化反应，并形成侧链为刚性大位阻分子结构侧链立体结构的聚羧酸共聚物分散液；步骤S4、准备纳米二氧化硅水溶液，将纳米二氧化硅溶于碱性水溶液里，得到分散纳米二氧化硅碱液，纳米二氧化硅分散体占分散纳米二氧化硅碱液总重的重量比例为5~20%；步骤S5、将步骤S3所得的聚羧酸共聚物分散液和步骤S4得到的分散纳米二氧化硅碱液按质量比1∶2~4相混合，即得所述高性能聚羧酸减水剂。

2.根据权利要求1所述的高性能聚羧酸减水剂的制备方法，其特征在于，所述步骤S1反应温度为25℃，所述步骤S2反应温度为40~60℃，所述步骤S3温度为25~28℃。

3.根据权利要求1所述的高性能聚羧酸减水剂的制备方法，其特征在于，其中步骤S4采用的纳米二氧化硅尺度为30~70nm，所用的溶液为硫化钠溶液，pH值控制在10~11之间。

4.根据权利要求1所述的制备方法制备的高性能聚羧酸减水剂，其特征在于，可应用于高钙水泥。