CN114015028B - 一种线型减水剂及其制备方法 - Google Patents

一种线型减水剂及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种线型减水剂及其制备方法，以重量份数计，线型减水剂的制备原料包括磺基二酸200份；扩链剂60～200份。本发明通过对抗泥型减水剂的分子结构进行设计，磺基二酸的羧基和扩链剂的羟基以缩聚的方式合成得到一种线性主链的线型减水剂，依靠磺基二酸中的磺酸基作为锚固基团，使线型减水剂既具有脂肪族减水剂类似的结构和性能，又能避免自身颜色过深的问题。

Description

一种线型减水剂及其制备方法
技术领域
本发明涉及建筑外加剂技术领域，特别涉及一种线型减水剂及其制备方法。
背景技术
聚羧酸减水剂因其减水率高、保坍性能好、结构可设计性强以及生产工艺简单、产品绿色环保得到了快速的发展，但在使用过程中，聚羧酸减水剂的长侧链结构容易与混凝土原材料中的黏土杂质发生吸附和插层作用，随着混凝土含泥量的增加，聚羧酸减水剂的分散性能、流动性和保持性能都明显降低，导致混凝土的工作性能大幅下降。
而抗泥性能好的脂肪族减水剂经羟醛缩合而得到，脂肪族减水剂中有双键共轭体系，双键共轭体系对光有吸收作用，从而使得制得的脂肪族减水剂颜色深，导致将脂肪族减水剂掺入到混凝土拌合物中，脂肪族减水剂出现易渗色的问题，因此限制了脂肪族减水剂的进一步的发展和应用。
发明内容
基于此，本发明提供一种抗泥性能好且颜色浅的线型减水剂及其制备方法。
一种线型减水剂，以重量份数计，所述线型减水剂的制备原料包括：
磺基二酸200份；以及
扩链剂60～200份。
优选地，以重量份数计，所述线型减水剂的制备原料还包括：
催化剂0.1-0.5份。
优选地，以重量份数计，所述线型减水剂的制备原料还包括：
水300～600份。
优选地，所述催化剂包括对甲苯磺酸和浓硫酸中的一种及以上。
优选地，所述磺基二酸包括磺基琥珀酸、2-磺基戊二酸和2-磺基己二酸中的任意一种。
优选地，所述扩链剂包括乙二醇、1，3-丙二醇、1，4-丁二醇、1，5-戊二醇、乙二胺、1，3-丙二胺、2-羟基乙胺、2-氨基苯酚-4-磺酸和对苯二酚中的一种及以上。
优选地，所述线型减水剂的缩聚度为10-30。
本发明提供一种线型减水剂的制备方法，包括步骤：
以重量份数计，将200份磺基二酸、60～200份扩链剂加入反应器中，并加热搅拌发生缩聚反应，反应结束后即线型减水剂。
优选地，所述线型减水剂的制备方法包括步骤：
以重量份数计，将200份磺基二酸、60～200份扩链剂和0.1-0.5份催化剂加入反应器中，并加热搅拌发生缩聚反应，反应结束后得到含有线型减水剂的混合液；
待所述含有线型减水剂的混合液的温度降到70-80℃后，向所述含有线型减水剂的混合液中加入碱溶液调节所述含有线型减水剂混合液的pH值至7-8，即得所述线型减水剂。
所述的线型减水剂的制备方法还包括步骤：
在所述线型减水剂中加入水以得到特定含固量的线型减水剂。
与现有方案相比，本发明具有以下有益效果：
本发明通过将磺基二酸的羧基和扩链剂的羟基以缩聚的方式合成得到具有线性主链的线型减水剂，由于线型减水剂不具有长侧链，不易被砂石中的泥和粉插层吸附，因此，线型减水剂具有好的抗吸附性能和抗泥性能。
由于本发明制备的线型减水剂不具有双键共轭体系，因此本发明制得的线型减水剂的颜色浅。
此外，磺基二酸中的磺酸基作为锚固基团，当将本发明制得的减水剂应用于混凝土中时，锚固基团通过离子键、氢键以及范德华力等相互作用紧紧地吸附于混凝土中的水泥颗粒表面，使得制得的线型减水剂具有良好的分散性能。
本发明制备的线型减水剂以缩聚方式增加线型减水剂的主链长度，不采用传统脂肪族减水剂以甲醛扩联缩合的方式增加减水剂主链的长度，因此，本申请中不使用到甲醛，本发明制备的线型减水剂更加绿色环保。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。下述实施例中所用的试验材料和试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径获得。以下实施例中的定量试验，均设置三次重复实验，数据为三次重复实验的平均值或平均值±标准差。
另外，全文中的“和/或”包括三个方案，以A和/或B为例，包括A技术方案、B技术方案，以及A和B同时满足的技术方案；另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
本发明提供了一种线型减水剂，以重量份数计，线型减水剂的制备原料包括：
磺基二酸200份；以及
扩链剂60～200份。
本发明通过将磺基二酸的羧基和扩链剂的羟基以缩聚的方式合成得到具有线性主链的线型减水剂，由于线型减水剂不具有长侧链，不易被砂石中的泥和粉插层吸附，因此，线型减水剂具有好的抗吸附性能和抗泥性能。
由于本发明制备的线型减水剂不具有双键共轭体系，因此本发明制得的线型减水剂的颜色浅。
此外，磺基二酸中的磺酸基作为锚固基团，当将本发明制得的减水剂应用于混凝土中时，锚固基团通过离子键、氢键以及范德华力等相互作用紧紧地吸附于混凝土中的水泥颗粒表面，使得制得的线型减水剂具有良好的分散性能。
本发明制备的线型减水剂以缩聚方式增加线型减水剂的主链长度，不采用传统脂肪族减水剂以甲醛扩联缩合的方式增加减水剂主链的长度，因此，本申请中不使用到甲醛，本发明制备的线型减水剂更加绿色环保。
在一些实施例中，以重量份数计，线型减水剂的制备原料还包括：
催化剂0.1-0.5份。
具体地，催化剂能降低磺基二酸和扩链剂缩聚反应的反应活化能，以提高磺基二酸和扩链剂缩聚反应的反应速度。
在一些实施例中，磺基二酸包括磺基琥珀酸、2-磺基戊二酸和2-磺基己二酸中的任意一种。
具体地，磺基二酸是指分子式中含有一个磺酸基和两个羧基的脂肪酸。
具体地，由于磺基二酸中的亚甲基(-CH2-)越多，磺基二酸与扩链剂的反应难度越大，因此，磺基二酸优选为亚甲基(-CH2-)少的磺酸琥珀酸。
在一些实施例中，以重量份数计，线型减水剂的制备原料还包括：
水 300～600份。
可以向线型减水剂中加入水，以得到特定含固量的线型减水剂。
在一些实施例中，催化剂包括对甲苯磺酸和浓硫酸中的一种及以上。
在一些实施例中，扩链剂包括乙二醇、1，3-丙二醇、1，4-丁二醇、1，5-戊二醇、乙二胺、1，3-丙二胺、2-羟基乙胺、2-氨基苯酚-4-磺酸和对苯二酚中的一种及以上。
具体地，由于扩链剂中的亚甲基(-CH2-)越多，磺基二酸与扩链剂的反应难度越大，因此，扩链剂优选为亚甲基(-CH2-)少的乙二醇、乙二胺、对苯二酚以及2-氨基苯酚-4-磺酸。
乙二醇的化学式为OHCH2CH2OH。
1，3-丙二醇的化学式为OHCH2CH2CH2OH。
1，4-丁二醇的化学式为OHCH2(CH2)2CH2OH。
1，5-戊二醇的化学式为OHCH2(CH2)3CH2OH。
乙二胺的化学式为NH2CH2CH2NH2。
1，3-丙二胺的化学式为NH2CH2CH2CH2NH2。
2-羟基乙胺的化学式为OHCH2CH2NH2。
对苯二酚的化学式为
Figure BDA0003403921260000041
2-氨基苯酚-4-磺酸的化学式为
Figure BDA0003403921260000051
在一些实施例中，线型减水剂的缩聚度为10-30。
具体地，当线型减水剂的缩聚度过大时，制得线型减水剂的分子量过大，会导致将线型减水剂应用于混凝土中时，线型减水剂与水泥的配合效果差，因此，通过将缩聚度设定为上述数值，以提高线型减水剂的作用效果。
本发明还提供一种线型减水剂的制备方法，包括步骤：
以重量份数计，将200份磺基二酸、60～200份扩链剂加入反应器中，并加热搅拌发生缩聚反应，反应结束后即线型减水剂。
磺基二酸的羧基和扩链剂的羟基在加热的条件下以缩聚的方式合成得到具有线性主链的线型减水剂。
具体地，当磺基二酸选定为磺基琥珀酸、当扩链剂选为乙二醇时，磺基琥珀酸与扩链剂的反应式为：
Figure BDA0003403921260000052
其中a的取值范围为10-30的整数。
其中，
Figure BDA0003403921260000053
为磺基琥珀酸；
Figure BDA0003403921260000054
为乙二醇；
Figure BDA0003403921260000055
为制得的线型减水剂。
在一些实施例中，缩聚反应的反应温度为100-130℃。
具体，当反应温度过低是，缩聚反应的速度很慢、反应效率低，当反应时间过高时，会导致缩聚反应的部分反应物(扩链剂)蒸发，以及，当催化剂选定为浓硫酸时，当反应温度过高时会导致反应物以及产物碳化，从而使得缩聚反应的反应效率低。因此通过缩聚反应的反应温度设定为上述数值，可以达到提高反应效率的效果。
在一些实施例中，缩聚反应的反应时间为3-8h。
具体地，在3-8h内，缩聚反应的反应效率最高。
在一些实施例中，线型减水剂的制备方法包括步骤：
S100，以重量份数计，将200份磺基二酸、60～200份扩链剂和0.1-0.5份催化剂加入反应器中，并加热搅拌发生缩聚反应，反应结束后得到含有线型减水剂的混合液。
具体地，磺基二酸的羧基和扩链剂的羟基在加热的条件下以缩聚的方式合成得到具有线性主链的线型减水剂。
在一些实施例中，磺基二酸优选为能溶解在扩链剂中的，以使缩聚反应更充分。
催化剂能降低磺基二酸和扩链剂缩聚反应的反应活化能，以提高磺基二酸和扩链剂缩聚反应的反应速度。
S200，待含有线型减水剂的混合液的温度降到70-80℃后，向含有线型减水剂的混合液中碱溶液调节含有线型减水剂混合液的pH值至7-8，即得线型减水剂。
具体地，加入碱溶液会与过量的磺基二酸以及催化剂反应，加碱溶液调节混合液的pH值至7-8会使得制得的线型减水剂更稳定。
碱溶液中含有水，磺基二酸和扩链剂缩聚反应中有少量的可逆反应，在高温条件下，向混合液中直接加入碱溶液，会使得磺基二酸和扩链剂缩聚反应向反方向进行，即进行水解反应，因此需要将含有线型减水剂的混合液冷至70-80℃后，再向含有线型减水剂的混合液中加入碱溶液。
所述的线型减水剂的制备方法还包括步骤：
S401，在所述线型减水剂中加入水以得到特定含固量的线型减水剂。
具体的，在一些实施例中，可以向线型减水剂中加入水后再加碱溶液，以得到特定含固量的线型减水剂，以避免加水对溶液的pH造成影响。
在一些实施例中，碱溶液的质量浓度为10～50％。
在一些实施例中，碱溶液包括氢氧化钠溶液、氢氧化钾溶液和氢氧化钙溶液中的任意一种。
在一些实施例中，碱溶液的质量浓度优选为32％。
实施例1
以重量份数计，将200份磺基琥珀酸，65份乙二醇和0.2份浓硫酸加入反应瓶中，搅拌加热到110℃，在该温度下搅拌发生缩聚反应，反应5h，反应结束后后得到混合液；
待混合液的温度冷却降温到80度，向混合液中加入400份的水，用质量浓度为32％的氢氧化钠溶液调节混合液的pH值至8，即得到含固量为40％的线型减水剂。
实施例2
以重量份数计，将200份磺基琥珀酸，62份乙二胺和0.2份浓硫酸加入反应瓶中，搅拌加热到105℃，在该温度下搅拌发生缩聚反应，反应5h，反应结束后，后得到混合液；
待混合液的温度冷却降温到80度，向混合液中加入400份的水，用质量浓度为32％的氢氧化钾溶液调节混合液的pH值至8，即得到含固量为40％的线型减水剂。
实施例3
以重量份数计，将200份磺基琥珀酸，63份2-羟基乙胺和0.2份浓硫酸加入反应瓶中，搅拌加热到110℃，在该温度下搅拌发生缩聚反应，反应6h，反应结束后得到混合液；
待混合液的温度冷却降温到80度，向混合液中加入400份的水，用质量浓度为32％的碱溶液调节混合液的pH值至8，即得到含固量为40％的线型减水剂。
实施例4
以重量份数计，将200份磺基琥珀酸，195份2-氨基苯酚-4-磺酸和0.4份浓硫酸加入反应瓶中，搅拌加热到125℃，在该温度下搅拌发生缩聚反应，反应8h，反应结束后得到混合液；
待混合液的温度冷却降温到80度，向混合液中加入600份的水，用质量浓度为32％的碱溶液节混合液的pH值至8，即得到含固量为40％的线型减水剂。
对比例1
常规的脂肪族减水剂。
对比例2
常规的减水型聚羧酸减水剂。
线型减水剂的性能测试实验
首先，将对比例1的常规的脂肪族减水剂、对比例2的常规的减水型聚羧酸减水剂及实施例1-4中的线型减水剂分别加入到6组混凝土中，并将各组加入了减水剂的混凝土存储起来，其中，除减水剂类型以外，各组混凝土的配合比均相同，配比如表1所示，水泥采用南方P.O42.5R水泥，煤灰为II级煤灰，矿粉为S95矿粉，细砂为细度模数为1.2的细砂，机制砂为细度模数为3.0的机制砂，碎石为粒径为5～25的连续级配的碎石；减水剂掺量为胶材(包括水泥、煤灰、矿粉、细砂、机制砂、碎石及水在内)的质量的0.25％、0.30％(折成固体份)。
根据GB8076-2008《混凝土外加剂》和GBT 50081-2002《普通混凝土力学性能实验方法》，检测其不同的性能指标，结果如表2所示。
表1.C30混凝土配合比
水泥 煤灰 矿粉 细砂 机制砂 碎石 水 外加剂
P.O42.5 II级 S95 1.2 3.0 5-25 自来水 折固
250 50 60 305 520 950 175 0.25％
表2不同减水剂性能测试结果
Figure BDA0003403921260000081
表2实验结果表明，本发明实施例1-4制得的线型减水剂与对比例1的常规的脂肪族减水剂相比较，可以从表中数据看出，由混凝土减水率的数据可以看出，本申请制得的线型减水剂的减水率大幅提高，因此，本申请制得的线型减水剂相对于常规的脂肪族减水剂具有更好的减水性能。
实施例1-4制得线型减水剂与比对比例1常规的脂肪族减水剂相比，从表中扩展度的数据可以看出，本申请实施例1-4制得的线型减水剂的扩展度更高，因此，本申请制得的线型减水剂相对于常规的脂肪族减水剂具有良好的分散性能保坍性能。
实施例1-4制得线型减水剂与比对比例2常规的聚羧酸减水剂相比，在抗泥性能方面，从掺量变化所对应的扩张度变化值中可以看出，本发明的线型减水剂远远高于常规的聚羧酸减水剂，说明本发明的线型减水剂还具有适应好、敏感性低、抗干扰能力强的性质，因此本申请制得的线型减水剂具有良好的抗泥性能。
因此，本申请制得的线型减水剂不仅具有良好的分散性能、保坍性能、适应好、敏感性低、抗干扰能力强以及抗泥性能，且不含有甲醛颜色浅的新一代材料的绿色产品。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (3)

1.一种线型减水剂，其特征在于，以重量份数计，所述线型减水剂的制备原料包括：
磺基二酸 200份；
扩链剂 60～200份；
催化剂 0.1-0.5份；以及
水 300～600份；
所述磺基二酸包括磺基琥珀酸、2-磺基戊二酸和2-磺基己二酸中的任意一种；
所述扩链剂包括乙二醇、1，3-丙二醇、1，4-丁二醇、1，5-戊二醇、乙二胺、1，3-丙二胺、2-羟基乙胺、2-氨基苯酚-4-磺酸和对苯二酚中的一种及以上；
所述线型减水剂的缩聚度为10-30。
2.根据权利要求1述的线型减水剂，其特征在于，所述催化剂包括对甲苯磺酸和浓硫酸中的一种及以上。
3.一种如权利要求1~2任意一项所述的线型减水剂的制备方法，其特征在于，包括步骤：
以重量份数计，将200份磺基二酸、60～200份扩链剂和0.1-0.5份催化剂加入反应器中，并加热搅拌发生缩聚反应，反应结束后得到含有线型减水剂的混合液；
待所述含有线型减水剂的混合液的温度降到70-80℃后，向所述含有线型减水剂的混合液中加入碱溶液调节所述含有线型减水剂混合液的pH值至7-8，加入水以得到特定含固量的线型减水剂。
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WO2021027174A1 (zh) * 2019-08-14 2021-02-18 科之杰新材料集团有限公司 一种保水型聚羧酸减水剂及其制备方法
CN112778468A (zh) * 2021-01-18 2021-05-11 深圳市正强混凝土有限公司 一种抗泥型聚羧酸减水剂及其制备方法

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