CN115991580A - 一种水泥助磨剂及其制备方法 - Google Patents

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CN115991580A CN202211631152.2A CN202211631152A CN115991580A CN 115991580 A CN115991580 A CN 115991580A CN 202211631152 A CN202211631152 A CN 202211631152A CN 115991580 A CN115991580 A CN 115991580A
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郑四荣
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Abstract

本发明涉及功能材料制备技术领域，尤其涉及IPC C04B24领域，进一步的，涉及一种水泥助磨剂及其制备方法。按质量份计，其原料包括：聚合多元醇15～35份、增强剂5～20份、减水剂5～15份、保水剂3～10份、乙醇胺3～8份、水50～100份。本发明所制备的水泥助磨剂不含氯离子，无毒，绿色环保，不会对人体和建筑物造成影响；可以提高水泥的早期强度和后期强度，改善水泥细度，改善水泥的流动性，有效加快硬化速度，降低凝结时间。

Description

一种水泥助磨剂及其制备方法
技术领域
本发明涉及功能材料制备技术领域，尤其涉及IPC C04B24领域，进一步的，涉及一种水泥助磨剂及其制备方法。
背景技术
水泥助磨剂是一种改善水泥粉磨效果和性能的化学添加剂，能够提高水泥台时产量，降低粉磨电耗，对水泥各龄期的强度都有提升作用，而且可以改善水泥颗粒分布，减少熟料使用比例，降低水泥的生产成本。
常见的助磨剂组分主要有三乙醇胺、三异丙醇胺、乙二醇、丙二醇、二乙二醇、丙三醇等。目前，醇胺类物质尤其是三乙醇胺由于具有早强作用，因而作为水泥助磨剂的主要有效成分在生产中使用较广泛，大多数助磨剂采用三乙醇胺类物质与其它有机或无机外加剂复配制备的方法。但是，研究发现醇胺类助磨剂对混凝土减水剂相容性有不良影响，有些添加助磨剂的水泥存在着一些适应性问题。
中国专利CN 112159149 A公开了一种水泥助磨剂及其制备方法，其原料包括：改性醇胺、减水剂、钼酸钠、矿物质纤维、甲基叔丁基醚、聚碳酸酯、保水剂、消泡剂和水，此发明使用改性醇胺作为助磨剂的主体表面活性剂，一个分子结构中含有多个氮和多个羟基，且空间位置效应显著，能够起到很好的助磨作用，具有很强的分散性和提高水泥强度能力；但改性醇胺的纯度和分子量并未公开，不知其是否达到市售标准。
中国专利CN 105130259A公开了一种水泥助磨剂及其使用方法，其原料包括：改性纤维素、聚醚多元醇、醇胺类物质、增强剂、多元醇、尿素和水，此技术方案对水泥颗粒粒径具有调节作用，能够增强水泥强度，降低水泥生产过程中的能耗；但由于该配方中添加了氯化钙和尿素，虽然有效果，但是可能会对混凝土性能甚至对人的安全性方面有害。
发明内容
针对上述技术问题，本发明的目的是提供一种绿色环保的高效水泥助磨剂，适应性广、配伍性强，在不影响水泥质量的前提下，提高水泥的早期和后期强度，改善水泥的细度，改善水泥的流动性，降低凝结时间。
本发明第一方面提供了一种水泥助磨剂，按质量份计，其原料包括：聚合多元醇15～35份、增强剂5～20份、减水剂5～15份、保水剂3～10份、乙醇胺3～8份、水50～100份。
在一些优选的实施方式中，所述聚合多元醇选自聚酯多元醇、聚醚多元醇中聚碳酸酯多元醇、多元醇中的一种或多种组合。
优选的，所述聚合多元醇为多元醇、聚酯多元醇和聚醚多元醇的组合。
优选的，所述多元醇、聚酯多元醇和聚醚多元醇的质量比为(2～5)：(1～3)：1。
优选的，所述多元醇、聚酯多元醇和聚醚多元醇的质量比为3：2：1。
优选的，所述多元醇为丙三醇、二甘醇、丙二醇、乙二醇、一缩二乙二醇、季戊四醇、山梨醇、木糖醇中的一种或多种组合。
优选的，所述多元醇为丙三醇和木糖醇。
优选的，所述丙三醇和木糖醇的质量比为(1.2～3):1。
优选的，所述聚酯多元醇选自聚四氢呋喃二醇、聚氧化丙烯二醇、聚己二酸乙二醇酯二醇、聚葵二酸3-甲基-1,5戊二醇酯二醇、三聚丙三醇、聚己内酯二元醇、聚乙二醇二甲基丙烯酸酯、苯酐聚酯多元醇中一种或多种组合。
优选的，所述聚酯多元醇为聚己二酸乙二醇酯二醇和聚乙二醇二甲基丙烯酸酯的组合。
优选的，所述聚酯多元醇为聚己二酸乙二醇酯二醇和聚乙二醇二甲基丙烯酸酯的质量比为1：(0.4～0.8)。
优选的，所述聚己二酸乙二醇酯二醇的羟值为56±3mgKOH/g，重均分子量为2000。
优选的，所述聚乙二醇二甲基丙烯酸酯的重均分子量为400。
优选的，所述聚醚多元醇的羟值为50～200mgKOH/g，重均分子量为500～1500。
优选的，所述聚醚多元醇的羟值为112±4mgKOH/g，重均分子量为1000。
本发明，引入多元醇、聚酯多元醇和聚醚多元醇的组合，尤其控制多元醇、聚酯多元醇和聚醚多元醇的质量比为3：3：1时，可以有效改善水泥的细度，改善水泥的流动性，提高水泥的强度。本申请人猜测：一方面多元醇、聚酯多元醇和聚醚多元醇中含有大量的羟基，极性基团羟基能够屏蔽和吸附水泥颗粒剩余电荷，有效降低水泥颗粒的表面张力和表面能，阻止水泥可逆的团聚，提高水泥颗粒的分散度，改善水泥的流动性，使物料更容易到达粉磨区，延缓水泥粉磨的平衡点，最终达到了良好的效果；部分成分还能够与水泥中的某些成分发生化学反应，进而提高水泥活性和水泥强度；另一方面在此质量比下，体系中的羟值为112±4mgKOH/g，重均分子量为1000的聚醚多元醇、羟值为56±3mgKOH/g，重均分子量为2000的聚己二酸乙二醇酯二醇、重均分子量为400的聚乙二醇二甲基丙烯酸酯、丙三醇和木糖醇能够与乙醇胺之间具有良好的协同作用，明显提高水泥的强度。
在一些优选的实施方式中，所述增强剂选自滑石粉、碳酸钙、二氧化硅、甲酸钙、醋酸钠、硫酸铝、硝酸钙、磷矿石、玻璃纤维中的一种或多种组合。
优选的，所述增强剂为滑石粉、甲酸钙和碳酸钙的组合。
优选的，所述滑石粉、甲酸钙和碳酸钙的质量比为(1～3):1:(1～3)。
优选的，所述滑石粉、甲酸钙和碳酸钙的质量比为1.5：1：2。
优选的，所述滑石粉的白度≥85％，二氧化硅含量≥50％。
优选的，所述碳酸钙的比表面积为10～30m2/g。
优选的，所述碳酸钙的比表面积为23±4m2/g。
本发明中，通过引入增强剂，加快水泥的硬化速度、缩短凝结时间，提高水泥的早期强度。本申请人意外发现，当选用比表面积为23±4m2/g的碳酸钙作为增强剂与滑石粉和甲酸钙共同作用，尤其是控制滑石粉、甲酸钙和碳酸钙的质量比为1.5：1：2时，水泥的凝胶时间明显缩短，硬化速度明显加快；还可以提高水泥的抗压强度。本申请人猜测：比表面积为23±4m2/g的碳酸钙能够与滑石粉和甲酸钙共同作用，有效克服水泥中颗粒的内聚力，降低水泥颗粒的平均粒度和孔隙率，进而提高水泥的抗压强度。
在一些优选的实施方式中，所述减水剂选自木质素磺酸钙、氨基磺酸钠、泥炭、硬脂酸锌、蜜糖中的一种或多种组合。
优选的，所述减水剂选自硬脂酸锌和泥炭组合。
优选的，所述硬脂酸锌的粒径为10～50目。
优选的，所述泥炭的粒径为1～10mm。
优选的，所述硬脂酸锌和泥炭的质量比为(1.5～3):1，在此质量比下的硬脂酸锌和泥炭可以保证水泥具有较高流动性的同时减少用水量。
在一些优选的实施方式中，所述保水剂选自淀粉和/或纤维素。
优选的，所述保水剂为纤维素。
优选的所述纤维素选自甲基纤维素、羟丙基甲基纤维素、羟乙基纤维素或羧甲基纤维素。
在一些优选的实施方式中，所述乙醇胺选自三乙醇胺、三异丙醇胺、N-甲基二乙醇胺、N-丙基二乙醇胺、N-苄基二乙醇胺、叔丁基二乙醇胺、二甲基乙醇胺或N-(2-氰乙基)二乙醇胺、二乙醇单异丙醇中的至少一种。
优选的，所述乙醇胺为二乙醇单异丙醇和三异丙醇胺的组合。
优选的，所述二乙醇单异丙醇和三异丙醇胺质量比为(0.5～2):1。
优选的，所述二乙醇单异丙醇和三异丙醇胺质量比为1：1。
本发明中，通过引入乙醇胺，尤其是引入质量比为1：1的二乙醇单异丙醇胺和三异丙醇胺，能够有效改善水泥的流动性，并且可以提高水泥助磨剂的早期和后期强度。本申请人在实验过程中发现，单独加入三异丙醇胺时，只能对水泥早期的强度有微弱的促进作用，而当选择二乙醇单异丙醇和三异丙醇胺进行复配使用，并且控制其质量比为1：1时，能够有效提高水泥的早期强度和后期强度。本申请人猜测：三异丙醇胺是具有氨基和羟基极性很强的小分子，其极性和独特的分子结构使它在水泥颗粒表面能够很好的吸附，屏蔽剩余电荷，削弱水泥颗粒强度，但其本身分散性强、不易吸附到晶体或颗粒表面，不能促进了水泥矿物的水化；当添加二乙醇单异丙醇后，且控制二乙醇单异丙醇和三异丙醇胺的质量比为1：1时，二乙醇单异丙醇和三异丙醇胺共同作用，改善水泥的水化进程，优化孔隙结构和降低孔隙率，提高水泥的早期和后期强度。
在一些优选的实施方式中，所述聚合多元醇和乙醇胺中的质量比为(3～8)：1。
优选的，所述聚合多元醇和乙醇胺的质量比为6：1。
本发明中，通过控制聚合多元醇和乙醇胺的质量比为6：1，可以与体系中的增强剂、减水剂和保水剂具有良好的相容性，提高水泥的流动性的同时具有合适的凝结时间。本申请人猜测：此质量比下的聚合多元醇和乙醇胺会使水泥的水化反应处于一个合适的速度，进而提高水泥的流动性。若过快的早期水化，一方面会使水泥更快地转化为水化产物，导致水泥浆体过早失去流动度；另一方面生成的水泥水化产物会大量包裹减水剂分子，使水泥浆体液相中的减水剂的相对数量减少，浆体流动性变差。
本发明另一方面提供了一种水泥助磨剂的制备方法，包括以下步骤：按质量份，将聚合多元醇、增强剂、减水剂、保水剂、乙醇胺加入水中，在40～60℃下搅拌30～50min，冷却至室温即得。
有益效果：
1、本发明，引入多元醇、聚酯多元醇和聚醚多元醇的组合，尤其控制多元醇、聚酯多元醇和聚醚多元醇的质量比为3：3：1时，多元醇、聚酯多元醇和聚醚多元醇中的极性基团羟基能够屏蔽和吸附水泥颗粒剩余电荷，有效降低水泥颗粒的表面张力和表面能，阻止水泥可逆的团聚，提高水泥颗粒的分散度，改善水泥的流动性，使物料更容易到达粉磨区，延缓水泥粉磨的平衡点，最终达到了良好的效果；部分成分还能够与水泥中的某些成分发生化学反应，进而提高水泥活性和水泥强度；体系中的的聚醚多元醇、聚己二酸乙二醇酯二醇、聚乙二醇二甲基丙烯酸酯、丙三醇和木糖醇能够与乙醇胺之间具有良好的协同作用，可以有效改善水泥的细度，改善水泥的流动性，提高水泥的强度。
2、本发明中，选用比表面积为23±4m2/g的碳酸钙作为增强剂与滑石粉和甲酸钙共同作用，尤其是控制滑石粉、甲酸钙和碳酸钙的质量比为1.5：1：2时，碳酸钙能够与滑石粉和甲酸钙共同作用，有效克服水泥中颗粒的内聚力，降低水泥颗粒的平均粒度和孔隙率，进而提高水泥的抗压强度，降低水泥的凝结时间，加快硬化速度。
3、本发明中，通过引入质量比为1：1的二乙醇单异丙醇胺和三异丙醇胺，二乙醇单异丙醇和三异丙醇胺共同作用，改善水泥的水化进程，优化孔隙结构和降低孔隙率，提高水泥的早期和后期强度。
4、本发明中，通过控制聚合多元醇和乙醇胺的质量比为6：1，可以与体系中的增强剂、减水剂和保水剂具有良好的相容性，提高水泥的流动性的同时具有合适的凝结时间。
5、本发明所制备的水泥助磨剂不含氯离子，无毒，绿色环保，不会对人体和建筑物造成影响。
具体实施方式
实施例1
实施例1提供了一种水泥助磨剂，按质量份计，其原料包括：聚合多元醇25份、增强剂15份、减水剂10份、保水剂8份、乙醇胺7份、水70份。
所述聚合多元醇为多元醇、聚酯多元醇和聚醚多元醇的组合；所述多元醇、聚酯多元醇和聚醚多元醇的质量比为3：2：1。
所述多元醇为丙三醇和木糖醇，所述丙三醇和木糖醇的质量比为2：1。
所述聚酯多元醇为聚己二酸乙二醇酯二醇和聚乙二醇二甲基丙烯酸酯的组合；所述聚己二酸乙二醇酯二醇和聚乙二醇二甲基丙烯酸酯的质量比为1：0.5。
所述聚己二酸乙二醇酯二醇的羟值为56±3mgKOH/g，重均分子量为2000，购买自山东威尚化工有限公司，型号HY-2020。
所述聚乙二醇二甲基丙烯酸酯的重均分子量为400，购买自武汉江心宇生物科技有限公司。
所述聚醚多元醇的羟值为112±4mgKOH/g，重均分子量为1000，购买自南京凯联化工新材料有限公司，型号：聚醚1000MD。
所述增强剂为滑石粉、甲酸钙和碳酸钙的组合；所述滑石粉、甲酸钙和碳酸钙的质量比为1.5：1：2。
所述滑石粉的的白度为90％，二氧化硅含量为60％，购买自莱州市玉凤矿业有限公司，型号：TC-1。
所述甲酸钙购买自苏州全鼎化工科技有限公司。
所述碳酸钙的比表面积为23±4m2/g，江西华明纳米碳酸钙有限公司，型号：SPTL-1。
所述减水剂为硬脂酸锌和泥炭的组合；所述硬脂酸锌和泥炭的质量比为2：1。
所述硬脂酸锌的粒径为80目，购买自常州可赛成功塑胶材料有限公司，型号：2502。
所述泥炭的粒径为2±1mm，购买自虹均园艺用品实力供应商。
所述保水剂为甲基纤维素(CAS号：9004-67-5)。
所述乙醇胺为二乙醇单异丙醇胺(CAS号：6712-98-7)和三异丙醇胺(CAS号：122-20-3)的组合；所述二乙醇单异丙醇和三异丙醇胺质量比为1：1。
一种水泥助磨剂的制备方法：包括以下步骤：按质量份，将丙三醇、木糖醇、聚己二酸乙二醇酯二醇、聚乙二醇二甲基丙烯酸酯、聚醚多元醇、滑石粉、甲酸钙、碳酸钙、硬脂酸锌、泥炭、甲基纤维素、二乙醇单异丙醇胺和三异丙醇胺加入水中，在50℃下搅拌40min，冷却至室温(25℃)即得。
实施例2
实施例2提供了一种水泥助磨剂，按质量份计，其原料包括：聚合多元醇30份、增强剂18份、减水剂10份、保水剂8份、乙醇胺5份、水70份。
所述聚合多元醇为多元醇、聚酯多元醇和聚醚多元醇的组合；所述多元醇、聚酯多元醇和聚醚多元醇的质量比为3：2：1。
所述多元醇为丙三醇和木糖醇，所述丙三醇和木糖醇的质量比为2：1。
所述聚酯多元醇为聚己二酸乙二醇酯二醇和聚乙二醇二甲基丙烯酸酯的组合；所述聚己二酸乙二醇酯二醇和聚乙二醇二甲基丙烯酸酯的质量比为1：0.5。
所述聚己二酸乙二醇酯二醇的羟值为56±3mgKOH/g，重均分子量为2000，购买自山东威尚化工有限公司，型号HY-2020。
所述聚乙二醇二甲基丙烯酸酯的重均分子量为400，购买自武汉江心宇生物科技有限公司。
所述聚醚多元醇的羟值为112±4mgKOH/g，重均分子量为1000，购买自南京凯联化工新材料有限公司，型号：聚醚1000MD。
所述增强剂为滑石粉、甲酸钙和碳酸钙的组合；所述滑石粉、甲酸钙和碳酸钙的质量比为1.5：1：2。
所述滑石粉的的白度为90％，二氧化硅含量为60％，购买自莱州市玉凤矿业有限公司，型号：TC-1。
所述甲酸钙购买自苏州全鼎化工科技有限公司。
所述碳酸钙的比表面积为23±4m2/g，江西华明纳米碳酸钙有限公司，型号：SPTL-1。
所述减水剂为硬脂酸锌和泥炭的组合；所述硬脂酸锌和泥炭的质量比为2：1。
所述硬脂酸锌的粒径为80目，购买自常州可赛成功塑胶材料有限公司，型号：2502。
所述泥炭的粒径为2±1mm，购买自虹均园艺用品实力供应商。
所述保水剂为甲基纤维素(CAS号：9004-67-5)。
所述乙醇胺为二乙醇单异丙醇胺(CAS号：6712-98-7)和三异丙醇胺(CAS号：122-20-3)的组合；所述二乙醇单异丙醇和三异丙醇胺质量比为1：1。
一种水泥助磨剂的制备方法：包括以下步骤：按质量份，将丙三醇、木糖醇、聚己二酸乙二醇酯二醇、聚乙二醇二甲基丙烯酸酯、聚醚多元醇、滑石粉、甲酸钙和碳酸钙、硬脂酸锌、泥炭、甲基纤维素、二乙醇单异丙醇胺和三异丙醇胺加入水中，在50℃下搅拌40min，冷却至室温(25℃)即得。
实施例3
实施例3提供了一种水泥助磨剂，其具体实施方式同实施例2，不同之处在于，所述乙醇胺的质量份为3份。
实施例4
实施例4提供了一种水泥助磨剂，其具体实施方式同实施例2，不同之处在于，所述聚合多元醇为多元醇和聚酯多元醇的组合；所述多元醇和聚酯多元醇的质量比为3：2。
实施例5
实施例5提供了一种水泥助磨剂，其具体实施方式同实施例2，不同之处在于，所述多元醇、聚酯多元醇和聚醚多元醇的质量比为1：2：1。
实施例6
实施例6提供了一种水泥助磨剂，其具体实施方式同实施例2，不同之处在于，所述聚醚多元醇的羟值为34±2mgKOH/g，重均分子量为5000，购买自南京凯联化工新材料有限公司，型号：聚醚5020。
实施例7
实施例7提供了一种水泥助磨剂，其具体实施方式同实施例2，不同之处在于，所述乙醇胺为三异丙醇胺。
实施例8
实施例8提供了一种水泥助磨剂，其具体实施方式同实施例2，不同之处在于，所述碳酸钙的比表面积为15±4m2/g，江西华明纳米碳酸钙有限公司，型号：SPTL-2。
实施例9
实施例9提供了一种水泥助磨剂，其具体实施方式同实施例2，不同之处在于，所述增强剂为滑石粉和甲酸钙的组合，所述滑石粉和甲酸钙的质量比为2：1。
实施例10
实施例10提供了一种水泥助磨剂，其具体实施方式同实施例2，不同之处在于，所述增强剂为滑石粉和碳酸钙的组合，所述滑石粉和碳酸钙的质量比为1：1。
性能测试
将实施例1～10制备得到的水泥助磨剂掺入水泥(型号：PC42.5)粉磨过程中，助磨剂掺量为0.01wt％，对水泥助磨剂进行如下测试：
1、凝结时间：参照GB/T 1346-2011标准进行测试，结果记录在表1。
2、强度：参照GB/T 17671 1999标准进行测试，结果记录在表1。
3、细度：参照GB/T 8074 2008标准进行测试，结果记录在表1。
测试结果
表1：
Figure BDA0004005749780000091

Claims (10)

1.一种水泥助磨剂，其特征在于，按质量份计，其原料包括：聚合多元醇15～35份、增强剂5～20份、减水剂5～15份、保水剂3～10份、乙醇胺3～8份、水50～100份。
2.根据权利要求1所述的一种水泥助磨剂，其特征在于，所述聚合多元醇选自聚酯多元醇、聚醚多元醇、聚碳酸酯多元醇、多元醇中的一种或多种组合。
3.根据权利要求2所述的一种水泥助磨剂，其特征在于，所述聚酯多元醇选自聚四氢呋喃二醇、聚氧化丙烯二醇、聚己二酸乙二醇酯二醇、聚葵二酸3-甲基-1,5戊二醇酯二醇、三聚丙三醇、聚己内酯二元醇、聚乙二醇二甲基丙烯酸酯、苯酐聚酯多元醇中一种或多种组合。
4.根据权利要求2所述的一种水泥助磨剂，其特征在于，所述聚醚多元醇的羟值为50～200mgKOH/g，重均分子量为500～1500。
5.根据权利要求1所述的一种水泥助磨剂，其特征在于，所述乙醇胺选自三乙醇胺、三异丙醇胺、N-甲基二乙醇胺、N-丙基二乙醇胺、N-苄基二乙醇胺、叔丁基二乙醇胺、二甲基乙醇胺或N-(2-氰乙基)二乙醇胺、二乙醇单异丙醇胺中的一种或多种组合。
6.根据权利要求1所述的一种水泥助磨剂，其特征在于，所述聚合多元醇和乙醇胺的质量比为(3～8):1。
7.根据权利要求1所述的一种水泥助磨剂，其特征在于，所述增强剂选自滑石粉、碳酸钙、二氧化硅、甲酸钙、醋酸钠、硫酸铝、硝酸钙、磷矿石、玻璃纤维中的一种或多种组合。
8.根据权利要求7所述的一种水泥助磨剂，其特征在于，所述碳酸钙的比表面积为10～30m2/g。
9.根据权利要求7所述的一种水泥助磨剂，其特征在于，所述滑石粉、甲酸钙和碳酸钙的质量比为(1～3):1:(1～3)。
10.一种根据权利要求1～9任一项所述的水泥助磨剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：按质量份，将聚合多元醇、增强剂、减水剂、保水剂、乙醇胺加入水中，在40～60℃下搅拌30～50min，冷却至室温即得。
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