CN116217116B - 一种低温合成的聚羧酸减水剂及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及水泥外加剂技术领域，尤其是涉及一种低温合成的聚羧酸减水剂及其制备方法。本发明通过控制聚羧酸减水剂合成过程中亚铁离子浓度仅在0.095mg/L以下，在不影响产品质量的前提下，可有效避免减水剂发黄，生产器皿、管道、储罐等长出难以清理的黄斑，甚至管道堵塞，影响产品质量，诱发安全事故等现象。

Description

一种低温合成的聚羧酸减水剂及其制备方法

技术领域

本发明涉及水泥外加剂技术领域，尤其涉及一种低温合成的聚羧酸减水剂及其制备方法。

背景技术

聚羧酸减水剂的合成技术发展到今天已经相当成熟了，尤其是近年来六碳单体和催化剂的广泛使用，使聚羧酸减水剂的性能得到了明显提升，合成工艺普遍升级为常温工艺。在聚羧酸减水剂合成过程中，通常使用可溶性亚铁盐作为催化剂(如硫酸亚铁)，以促成聚羧酸减水剂的聚合合成，但催化剂的使用也带来了一些问题。

发明人在工程实践中发现，当水中含铁离子量达到0.1-0.3mg/L时，就会影响水的颜色和气味，达到1.0mg/L时，不仅色度增加，而且会有明显的金属味，并且，浓度超过一定限度时还会使器皿、器具上留下黄斑，同时还容易使铁细菌繁殖，堵塞管道，影响安全生产和产品质量。目前大多数使用亚铁离子催化的聚羧酸减水剂合成工艺中，每1kg减水剂对铁离子的使用量都在1g(1％质量浓度)及以上，即铁离子含量达到了10mg/L及以上，所以经常会造成减水剂发黄，生产器皿、管道、储罐等长出难以清理的黄斑，甚至管道堵塞，影响产品质量，诱发安全事故。铁离子超标容易造成铁中毒、诱发严重的疾病等，不允许排放，影响聚羧酸减水剂的环保性。

发明内容

为克服现有技术中的问题，本发明通过控制聚羧酸减水剂合成过程中亚铁离子浓度仅在0.095mg/L以下，在不影响产品质量的前提下，可有效避免以上问题。

为满足亚铁离子超低浓度下聚羧酸减水剂的低温合成，本发明经过大量实验研究，对聚羧酸减水剂合成过程中的底料和AB料进行大量调配，将丙烯酸类不饱和小单体与链转移剂独立开来，将丙烯酸类不饱和小单体进行单独配料，且不使用碱性还原剂，采用抗坏血酸和亚硫酸氢钠作为特定复合还原剂。本发明制备的聚羧酸减水剂具有更优异的分散性能和流动度保持能力。

具体的，本发明低温合成的聚羧酸减水剂，原料重量百分比如下：不饱和聚氧乙烯醚41-47％，不饱和羧酸2.6-4.9％，链转移剂0.09-0.20％，亚铁盐溶液0.07-0.095％，氧化剂0.18-0.40％，抗坏血酸0.03-0.04％，亚硫酸氢钠0.04-0.05％，液碱1-1.5％，水余量。

优选的，所述不饱和聚氧乙烯醚为乙二醇单乙烯基聚乙二醇醚。

优选的，所述不饱和羧酸为丙烯酸、甲基丙烯酸的至少一种。

优选的，所述链转移剂为巯基乙醇、巯基乙酸、巯基丙酸的至少一种。

优选的，所述亚铁盐溶液为质量浓度0.1‰的硫酸亚铁或草酸亚铁，和0.05‰不饱和羧酸的混合溶液。更优选的，所述亚铁盐溶液为质量浓度0.1‰的硫酸亚铁和0.05‰不饱和羧酸的混合溶液。

优选的，所述氧化剂为双氧水。

更优选的，所述双氧水浓度为27.5％。

优选的，所述液碱为质量浓度30％的氢氧化钠溶液。

优选的，所述水为去离子水。

本发明还涉及上述低温合成的聚羧酸减水剂的制备方法，具体的，包括如下步骤：

1)将不饱和羧酸泵入1号配料槽，然后再泵入适量水，搅拌均匀后，泵入滴加罐A，记作A料；在2号配料罐中泵入适量水并开启搅拌，然后依次投入抗坏血酸、亚硫酸氢钠、链转移剂，待完全溶解并混合均匀后，全部泵入滴加罐B，记作B料；向容器中加入可溶性亚铁盐和部分水，加入0.05‰的不饱和羧酸，充分溶解配制得亚铁盐溶液备用；

2)向反应釜中泵入适量水并开启搅拌，然后将不饱和聚氧乙烯醚投入反应釜，搅拌均匀后将不饱和羧酸、亚铁盐溶液和氧化剂依次倒入反应釜中，搅拌，同时滴加A料和B料，控制初始滴加温度为5-15℃，待A料和B料滴加完毕，继续反应，向反应釜中泵入液碱调节pH值，再泵入剩余水稀释，即得。

优选的，所述泵采用防腐蚀的化学泵。

优选的，步骤1)中容器采用聚四氟乙烯容器。

优选的，步骤2)搅拌转速为80-90r/min，A料和B料滴加时间为50-80min，滴加完毕继续反应时间为30-60min，调节pH值为5-7.

优选的，本发明生产过程中泵的控制和滴加控制均由电脑操作PLC控制系统完成。

本发明的主要构思原理为：

1)在聚羧酸减水剂合成过程中，自由基巯基-烯反应主要分为三步基元反应，即链引发过程、聚合或链转移反应过程和链终止反应过程。自由基的巯基-烯加成反应可以经由光、热或自由基引发剂引发。产生的自由基能夺取巯基官能团上的质子，形成巯基自由基碎片，巯基自由基碎片进攻碳碳双键，活性中心发生转移，通过反马氏加成，形成一个新的碳自由基中间体，碳自由基中间体通过链转移反应夺取巯基上的氢原子，再次形成巯基自由基。其中，第二步产生的巯基自由基既可以发生双基终止，也可以引发链增长。

第一步反应：

第二步反应：

第三步反应：

因此，聚羧酸减水剂合成过程中，巯基类链转移剂因其链转移效果好而被广泛使用。本发明的生产方法中，将丙烯酸与巯基类链转移剂独立开来，能够有效避免因车间内光、热(尤其夏季车间温度可达到40℃以上)或污染物带入引发剂导致发生自由基巯基-烯反应(丙烯酸与巯基类链转移剂反应)，引发安全质量事故。

2)一些高效还原剂因其引发效率高而被广泛使用，如E51、吊白块。但此类还原剂在水溶液中偏碱性，会与丙烯酸、巯基乙酸、巯基丙酸等酸性物质反应。本发明仅将丙烯酸单独配制滴加料，且不使用碱性还原剂，可避免因此发生生产质量问题。

3)本发明使用抗坏血酸和亚硫酸氢钠做复合还原剂。因抗坏血酸的还原性强于亚硫酸氢钠，并且抗坏血酸因其自身化学结构容易与氧化物反应而降低自由基的生成活化能，在反应后期由于氧化性物质被大量消耗，依靠氧化还原不能生成自由基，导致聚合反应缓慢。与氧化性较弱的亚硫酸氢钠复合使用，可有效保障聚合反应的效率。并且聚羧酸减水剂合成反应的适宜于在偏酸性条件下引发，而亚硫酸氢钠中含有氢离子，更有利于聚合反应的引发。在反应釜底料中加入部分不饱和酸，能够调节pH，有利于引发剂分解产生自由基(抗坏血酸和亚硫酸氢钠在偏酸性条件下的半衰期更短，更利于分解产生自由基促进反应)，且又能与亚硫酸氢钠协同作用，降低反应体系pH，促进反应引发，另外还能增加底料中活性分子浓度，提高反应效率。

4)过氧化氢、亚铁盐(硫酸亚铁、草酸亚铁等)、还原剂三组份构成氧化还原体系，在反应釜中，过氧化氢将Fe²⁺氧化成Fe³⁺，同时释放出羟基自由基HO·，羟基自由基HO·具有很高的反应活性，能够在常温甚至低温下进行反应，并不断的被消耗；同时还原剂将Fe³⁺还原成Fe²⁺，重新生成的Fe²⁺再次参与和过氧化氢的反应，不断的循环反应释放出羟基自由基HO·，直到过氧化氢耗尽，从而才能在常温甚至低温的条件下合成聚羧酸减水剂。

5)亚铁离子在溶液中很容易被氧化成正三价铁离子，而失去作用。本发明通过加入少量不饱和羧酸可有效防止亚铁离子被氧化。氧化过程可能为以下四步。

a、[Fe]²⁺+O₂＝＝[Fe]³⁺+[O₂]^-

b、[O₂]^-+H₂O＝＝HO·+[HO₂]^-

c、[HO₂]^-+H₂O＝＝2HO·+[OH]^-

d、HO·+[Fe]²⁺＝＝[OH]^-+[Fe]³⁺

在中性或碱性环境中这步反应比较容易，而在酸性溶液中过氧氢根会被质子化为过氧化氢，过氧化氢较不易均裂，所以在酸性环境中可有效抑制亚铁离子被氧化，降低使用量。

具体实施方式

为验证本发明技术效果，合成聚羧酸减水剂并测试实施例和对比例制备的聚羧酸减水剂的性能。其中：

在水泥净浆试验中，流动度的测试参照编号GB/T8077-2012的国标文件《混凝土外加剂匀质性试验方法》进行，其中采用的水泥为桃江南方PO 42.5水泥，每组试验中，水泥用量为300g，水泥制浆用水87g，聚羧酸减水剂折固掺量均为0.11％。

实施例1

低温合成的聚羧酸减水剂，包括如下步骤：

1)将40kg丙烯酸用防腐蚀的化学泵泵入1号配料槽，然后再泵入15kg去离子水，搅拌均匀后，再用防腐蚀的化学泵泵入滴加罐A，记作A料；在2号配料罐中泵入40kg去离子水并开启搅拌，然后依次投入0.32kg抗坏血酸、0.43kg亚硫酸氢钠、1.2kg巯基乙醇，待完全溶解并混合均匀后，全部泵入滴加罐B，记作B料；向聚四氟乙烯容器中加入1g硫酸亚铁和9994g去离子水，加入5g丙烯酸(防止亚铁离子被氧化失效)，充分溶解配制得亚铁盐溶液备用，

2)向反应釜中泵入260kg去离子水并开启搅拌，搅拌器转速控制在85r/min，然后将415kg乙二醇单乙烯基聚乙二醇醚投入反应釜，搅拌均匀后将3kg丙烯酸、0.8kg亚铁盐溶液和2.5kg过氧化氢依次倒入反应釜中，搅拌5min后，通过PLC控制系统控制同时滴加A料和B料，控制滴加时间为60min，控制初始滴加温度为10℃，待A、B料滴加完毕，继续反应50min；向反应釜中泵入12kg液碱调节pH值，再泵入剩余去离子水稀释，即得1t聚羧酸减水剂。

经检测，初始、1h、2h水泥净浆流动度为：268mm，270mm，265mm。

实施例2

低温合成的聚羧酸减水剂，具体过程与实施例1的区别为：

步骤1)中，丙烯酸的质量为35kg。

经检测，初始、1h、2h水泥净浆流动度为：265mm，268mm，260mm。

实施例3

低温合成的聚羧酸减水剂，具体过程与实施例1的区别为步骤1)中，丙烯酸的质量为35kg；亚硫酸氢钠的质量为0.38kg。

经检测，初始、1h、2h水泥净浆流动度为：264mm，266mm，260mm。

实施例4

低温合成的聚羧酸减水剂，具体过程与实施例1的区别为：

步骤1)中，丙烯酸的质量为35kg；亚硫酸氢钠的质量为0.38kg，步骤2)中，控制初始滴加温度为6℃。

经检测，初始、1h、2h水泥净浆流动度为：270mm，275mm，272mm。

对比例1

聚羧酸减水剂，具体过程与实施例1的区别为：

步骤1)中将抗坏血酸全部更换为亚硫酸氢钠。

经检测，初始、1h、2h水泥净浆流动度为：240mm，210mm，200mm。

对比例2

聚羧酸减水剂，具体过程与实施例1的区别为：

步骤1)将亚硫酸氢钠全部更换为抗坏血酸。

经检测，初始、1h、2h水泥净浆流动度为：235mm，208mm，192mm。

对比例3

聚羧酸减水剂，具体过程与实施例1的区别为：

步骤2)将亚铁盐溶液的用量改为1kg。

经检测，初始、1h、2h水泥净浆流动度为：250mm，236mm，210mm。

对比例4

聚羧酸减水剂，具体过程与实施例1的区别为：

步骤2)将初始滴加温度控制在20℃。

经检测，初始、1h、2h水泥净浆流动度为：245mm，230mm，220mm。

最后应说明的是：以上各实施方式仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施方式对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施方式技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种低温合成的聚羧酸减水剂，其特征在于，原料重量百分比如下：不饱和聚氧乙烯醚41-47％，不饱和羧酸2.6-4.9％，链转移剂0.09-0.20％，亚铁盐溶液0.07-0.095％，氧化剂0.18-0.40％，抗坏血酸0.03-0.04％，亚硫酸氢钠0.04-0.05％，液碱1-1.5％，水余量。

2.根据权利要求1所述的低温合成的聚羧酸减水剂，其特征在于，所述不饱和聚氧乙烯醚为乙二醇单乙烯基聚乙二醇醚。

3.根据权利要求1所述的低温合成的聚羧酸减水剂，其特征在于，所述不饱和羧酸为丙烯酸、甲基丙烯酸的至少一种。

4.根据权利要求1所述的低温合成的聚羧酸减水剂，其特征在于，所述链转移剂为巯基乙醇、巯基乙酸、巯基丙酸的至少一种。

5.根据权利要求1所述的低温合成的聚羧酸减水剂，其特征在于，所述亚铁盐溶液为质量浓度0.1‰的硫酸亚铁或草酸亚铁，和0.05‰不饱和羧酸的混合溶液。

6.根据权利要求1所述的低温合成的聚羧酸减水剂，其特征在于，所述氧化剂为双氧水。

7.根据权利要求6所述的低温合成的聚羧酸减水剂，其特征在于，所述双氧水浓度为27.5％。

8.根据权利要求1所述的低温合成的聚羧酸减水剂，其特征在于，所述液碱为质量浓度30％的氢氧化钠溶液。

9.根据权利要求1所述的低温合成的聚羧酸减水剂，其特征在于，所述水为去离子水。

10.根据权利要求1-9任一所述低温合成的聚羧酸减水剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)将不饱和羧酸泵入1号配料槽，然后再泵入适量水，搅拌均匀后，泵入滴加罐A，记作A料；在2号配料罐中泵入适量水并开启搅拌，然后依次投入抗坏血酸、亚硫酸氢钠、链转移剂，待完全溶解并混合均匀后，全部泵入滴加罐B，记作B料；向容器中加入可溶性亚铁盐和部分水，加入0.05‰的不饱和羧酸，充分溶解配制得亚铁盐溶液备用；

2)向反应釜中泵入适量水并开启搅拌，然后将不饱和聚氧乙烯醚投入反应釜，搅拌均匀后将不饱和羧酸、亚铁盐溶液和氧化剂依次倒入反应釜中，搅拌，同时滴加A料和B料，控制初始滴加温度为5-15℃，待A料和B料滴加完毕，继续反应，向反应釜中泵入液碱调节pH值，再泵入剩余水稀释，即得。