CN116355106A - 一种淀粉基减水剂的制备方法 - Google Patents

一种淀粉基减水剂的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种淀粉基减水剂的制备方法,淀粉基减水剂的制备原料中包括淀粉水解原料以及环氧芳烃、双官能度环氧基化合物、羟基磷酸酯类化合物。淀粉基减水剂通过首先用环氧芳烃与水解淀粉反应,然后将双官能度环氧基化合物、羟基磷酸酯类化合物反应后产物接枝到水解淀粉上制得,两个反应均减少了强极性羟基的数量,通过环氧芳烃形成的侧链、双官能度环氧基化合物、羟基磷酸酯类化合物反应后产物形成的侧链调控,降低水泥颗粒表面的减水剂吸附膜与水形成的溶剂化水膜远端的稳定性,从而减少水膜的厚度,防止过度缓凝。

Description

一种淀粉基减水剂的制备方法
技术领域
本发明属于减水剂技术领域,具体涉及一种淀粉基减水剂的制备方法。
背景技术
淀粉是地球上的第二大生物质,也是一种可再生的资源,在自然界中储量非常丰富,价格低廉。淀粉是由葡萄糖组成的多糖高分子化合物,基本组成单位为脱氧葡萄糖,主链段为疏水性的葡萄糖环,主链段上含有羟基、羟甲基等亲水性基团,这种结构与减水剂的基本结构框架极为类似,又淀粉分子结构上的糖苷键和羟基化学性质比较活泼,可在此基础上对淀粉进行化学改性,通过在淀粉分子结构上引入多种基团或侧链,将其开发为淀粉基减水剂。如专利CN101462842B公开了磺酸酯缓凝高效减水剂及其应用,制备方法是将摩尔比0.4~1.2∶1硫酸与淀粉投入反应器,同时启动搅拌,在1~3小时内加完后继续反应10~30min,即得到取代度为0.8~2磺化淀粉;在已完成的磺化物基础上均匀投入乙二酸酯化,温度控制在80~120℃,乙二酸与硫酸摩尔比1∶0.4~1.2,反应时间为1~3h,即完成酯化反应;用氢氧化钠中和,PH值调至7~9,即得到浓度为30~40%磺酸酯成品产物;加水调节磺酸酯的浓度为15~25%成为减水剂。专利CN103833255B公开了一种微波辐射法制备生物基减水剂的方法,它是利用微波辐射的特殊热效应,在淀粉分子上引入强极性亲水基团制备出生物基减水剂。该种材料包括淀粉20~75wt%、酯化剂0~25wt%、磺化剂3~30wt%、反应介质0~45wt%、催化剂0~5wt%、蒸馏水30~70wt%和液碱(30%浓度)1~5wt%。专利CN101633700B公开了一种用作混凝土减水剂的氧化-醚化淀粉的制备方法,淀粉加水制成20%~40%的淀粉乳,调pH值9~11,加入淀粉重6%~10%的氧化剂次氯酸钠混合,于35~40℃下搅拌反应3~4h,中和至pH值为7~8,加入氧化剂重量5~15%的亚硫酸氢钠终止反应,再经过滤、洗涤、干燥,制得氧化淀粉;将氧化淀粉分散于无水乙醇中,配成30%~40%的悬浮液,调pH值为9~11,加入环氧乙烷-无水乙醇混合溶液混合,放入密闭反应器中,通氮气保护下,在40~45℃反应16~24h,中和至pH值为7~8,过滤,固体物用无水乙醇洗涤、干燥,即制得氧化-醚化淀粉产品。上述为采用烷基磺酸化、醚化、酯化等手段将淀粉改性为减水剂的技术,不仅成功制备了具有良好减少拌合用水量的减水剂,还提高了淀粉的利用率,具有极高的经济和环保价值。但因淀粉结构中含有大量的羟基,是制备高吸水性树脂的原料之一,上述减水剂制备过程仅磺酸化、醚化、酯化,没有对淀粉中大量的羟基进行处理,导致其具有极好的保水性,水化层厚度较大,对水泥缓凝过度。因此,开发一种既具有良好减水功能、又不会过度缓凝的淀粉基减水剂,对推进淀粉基减水剂的工业化生产具有重要的作用。
发明内容
为解决上述技术问题,本发明提供了一种淀粉基减水剂的制备方法,淀粉基减水剂的制备原料中包括淀粉水解原料以及环氧芳烃、双官能度环氧基化合物、羟基磷酸酯类化合物。淀粉基减水剂通过首先用环氧芳烃与水解淀粉反应,然后将双官能度环氧基化合物、羟基磷酸酯类化合物反应后产物接枝到水解淀粉上制得,两个反应均减少了强极性羟基的数量,通过环氧芳烃形成的侧链、双官能度环氧基化合物、羟基磷酸酯类化合物反应后产物形成的侧链调控,降低水泥颗粒表面的减水剂吸附膜与水形成的溶剂化水膜远端的稳定性,从而减少水膜的厚度,防止过度缓凝。
为实现上述目的,本发明采取以下具体技术方案:
一种淀粉基减水剂的制备方法,包括如下步骤:
1)将淀粉、乙醇、浓盐酸加入反应釜中,搅拌条件下升温并恒温进行反应,反应结束后自然冷却至室温,用碱液中和至中性,真空抽滤,烘干得水解淀粉;
2)将步骤1)所得水解淀粉、催化剂均匀的分散于溶剂中,升温并恒温,搅拌条件下加入环氧芳烃进行反应,反应结束后,减压蒸馏,得环氧芳烃醚化的水解淀粉,备用;
3)将双官能度环氧基化合物、催化剂均匀溶于溶剂中,升温并恒温,搅拌条件下滴加羟基磷酸酯类化合物溶液,滴毕恒温下进行反应,反应结束后,减压蒸馏得中间体;
4)将步骤2)所得环氧芳烃醚化的水解淀粉、催化剂、溶剂加至反应釜中,搅拌至分散均匀,升温并恒温,搅拌条件下加入步骤3)所得中间体进行反应,反应结束后,加沉淀剂至无沉淀再生成,过滤,洗涤,真空干燥即得所述淀粉基减水剂。
步骤1)所述升温为升至50-70℃,所述反应时间为5-8h,所述烘干温度为30-40℃;
步骤2)所述升温为升至80-100℃,所述反应时间为3-5h,所述催化剂的用量为淀粉、环氧芳烃总重的0.5-1.5wt%;
步骤3)所述升温为升至80-100℃,所述羟基磷酸酯类化合物溶液的浓度为10-20wt%,所述羟基磷酸酯类化合物溶液在2-3h内滴毕,所述滴毕后反应时间为1-3h,所述催化剂的用量为双官能度环氧基化合物、羟基磷酸酯类化合物总重的0.5-1.5wt%;
步骤4)所述升温为升至80-100℃,所述反应时间为5-8h,所述催化剂的用量为淀粉、环氧芳烃、双官能度环氧基化合物、羟基磷酸酯类化合物总重的0.5-1.5wt%;所述沉淀剂为丙酮和异丙醇按体积比为1:3-4.5组成的混合溶剂。
所述环氧芳烃、双官能度环氧基化合物、羟基磷酸酯类化合物三者的重量之和占淀粉的40-65wt%,所述环氧芳烃、双官能度环氧基化合物、羟基磷酸酯类化合物三者的摩尔比为2-3:5:4.80-4.94。
所述双官能度环氧基化合物包括含氮双官能度环氧基化合物、不含氮双官能度环氧基化合物中的一种或两种的组合。
双官能度环氧基化合物上含有两个环氧基,利用羟基磷酸酯类化合物,控制反应条件与配比使一个环氧基和羟基反应,制得一端为环氧基另一端为磷酸酯基的中间体,最后利用一端的环氧基与淀粉上的羟基反应得到具有梳型结构的淀粉基减水剂。本发明利用了芳烃侧链和磷酸酯侧链两种不同性质的侧链共同配合作用,降低水泥颗粒表面的减水剂吸附膜与水形成的溶剂化水膜远端的稳定性,从而减少水膜的厚度,防止水泥缓凝过度。
优选的,所述双官能度环氧基化合物为含氮双官能度环氧基化合物、不含氮双官能度环氧基化合物按摩尔比为1:1-3的混合物。
所述环氧芳烃选自氧化苯乙烯、2-苯基-1,2-环氧丙烷、2-(4-异丙基苯基)环氧乙烷、2-(4-甲基苯基)环氧乙烷中的一种或两种及以上的组合。
所述含氮双官能度环氧基化合物选自N,N-二(缩水甘油基)苯胺、N,N-二(2,3-环氧丙基)环己胺、N-(2-甲基苯基)-N-(1,2-环氧丙基)-环氧乙烷基甲胺、N,N-二(2,3-环氧丙基)异丙胺、N,N-二(2,3-环氧丙基)甲胺、N,N-二(2,3-环氧丙基)乙胺、N,N-二(2,3-环氧丙基)丙胺中的一种或两种及以上的组合。
所述不含氮双官能度环氧基化合物的平均分子量为600-800,选自聚乙二醇二缩水甘油醚、聚丙二醇二缩水甘油醚中的一种或两种的组合。
所述羟基磷酸酯类化合物选自羟甲基膦酸二甲酯、羟甲基膦酸二乙酯、1-羟基丁基膦酸二乙酯、2-羟乙基膦酸二甲酯、(3-羟丙基)磷酸二乙酯中的一种或两种及以上的组合。
所述淀粉没有特别的限制,本领域常用即可,可以选自玉米淀粉、 小麦淀粉、马铃薯淀粉、甘薯淀粉中的一种或两种及以上的组合。
所述浓盐酸的浓度为30-40wt%。
所述碱液的浓度为30-50wt%,碱液的种类没有特别的限制,本领域常用即可,可以选自氢氧化钠溶液、氢氧化钾溶液中的一种或两种的组合即可。
所述催化剂为有机碱,选自三乙醇胺、二乙烯三胺、三乙胺中的一种或两种及以上的组合。
所述溶剂选自DMF、DMSO中的一种或两种的组合。
一种淀粉基减水剂,所述淀粉基减水剂通过前述方法制得。
本发明还提供了上述淀粉基减水剂的应用,所述淀粉基减水剂以掺量为0.8-1.2wt%应用于混凝土的制备。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
本发明通过首先用环氧芳烃与水解淀粉反应,然后将双官能度环氧基化合物、羟基磷酸酯类化合物反应后产物接枝到水解淀粉上制得,反应后均减少了淀粉上强极性羟基的数量;本发明通过在淀粉表面接枝两种侧链,即环氧芳烃形成的侧链和磷酸酯侧链,降低水泥颗粒表面的减水剂吸附膜与水形成的溶剂化水膜远端的稳定性,从而减少水膜的厚度,防止过度缓凝。
本发明制备的淀粉基减水剂具有良好的减水率和缓凝性,制备过程绿色环保,适合工业化生产。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明,但并不局限于说明书上的内容。若无特 殊说明,本发明实施例中所述“份”均为重量份。所用试剂均为本领域可商购的试剂。
聚乙二醇二缩水甘油醚购自广州市应泓化工有限公司,以聚乙二醇(PEG600)、环氧氯丙烷和KOH为原料,制得。
聚丙二醇二缩水甘油醚购自江苏省海安石油化工厂,以聚丙二醇(PPG600)、环氧氯丙烷和KOH为原料,制得。
实施例1
1)将100g红薯淀粉、400g乙醇、6g 37wt%浓盐酸加入反应釜中,搅拌条件下升温至60℃并恒温进行反应8h,反应结束后自然冷却至室温,用40wt%氢氧化钠溶液中和至pH=7,真空抽滤,40℃烘干,得水解淀粉;
2)将步骤1)所得水解淀粉、1.05g三乙胺均匀的分散于份250mLDMF中,升温至100℃并恒温,搅拌条件下加入0.045mol氧化苯乙烯进行反应5h,反应结束后,减压蒸馏,得氧化苯乙烯醚化的水解淀粉,备用;
3)将3.90gN,N-二(缩水甘油基)苯胺、40.58g聚乙二醇二缩水甘油醚的复配物、0.55g三乙胺均匀溶于份100mL DMF中,升温至95℃并恒温,搅拌条件下滴加溶有10.23g羟甲基膦酸二甲酯的混合液(溶剂DMF,浓度为15wt%),在3h内滴毕,然后恒温进行反应3h,反应结束后,减压蒸馏得中间体;
4)将步骤2)所得氧化苯乙烯醚化的水解淀粉、1.5g三乙胺、250mLDMF加至反应釜中,搅拌至分散均匀,升温至100℃并恒温,搅拌条件下加入步骤3)所得中间体进行反应8h,反应结束后,加丙酮和异丙醇按体积比为1:4.5组成的沉淀剂至无沉淀再生成,过滤,洗涤,真空干燥即得所述淀粉基减水剂。
实施例2
其余与实施例1相同,不同之处在于步骤3)N,N-二(缩水甘油基)苯胺被等摩尔量的N-(2-甲基苯基)-N-(1,2-环氧丙基)-环氧乙烷基甲胺替代。
实施例3
其余与实施例1相同,不同之处在于步骤3)N,N-二(缩水甘油基)苯胺被等摩尔量的聚乙二醇二缩水甘油醚替代。
实施例4
其余与实施例1相同,不同之处在于步骤3)聚乙二醇二缩水甘油醚被等摩尔量的聚丙二醇二缩水甘油醚替代。
实施例5
其余与实施例1相同,不同之处在于步骤3)聚乙二醇二缩水甘油醚被等摩尔量的N,N-二(缩水甘油基)苯胺替代。
实施例6
其余与实施例1相同,不同之处在于步骤2)中氧化苯乙烯被等摩尔量的2-(4-甲基苯基)环氧乙烷替代。
实施例7
其余与实施例1相同,不同之处在于步骤3)N,N-二(缩水甘油基)苯胺的质量为9.22g、聚乙二醇二缩水甘油醚的质量为32.00g,二者的摩尔比约为1:1。
对比实施例1
1)将100g红薯淀粉、400g乙醇、6g 37wt%浓盐酸加入反应釜中,搅拌条件下升温至60℃并恒温进行反应8h,反应结束后自然冷却至室温,用40wt%氢氧化钠溶液中和至pH=7,真空抽滤,40℃烘干,得水解淀粉;
2)将4.36gN,N-二(缩水甘油基)苯胺、45.39g聚乙二醇二缩水甘油醚的复配物、0.55g三乙胺均匀溶于份100mL DMF中,升温至95℃并恒温,搅拌条件下滴加溶有11.62g羟甲基膦酸二甲酯的混合液(溶剂DMF,浓度为15wt%),在3h内滴毕,然后恒温进行反应3h,反应结束后,减压蒸馏得中间体;
3)将步骤1)所得水解淀粉、1.5g三乙胺、250mLDMF加至反应釜中,搅拌至分散均匀,升温至100℃并恒温,搅拌条件下加入步骤2)所得中间体进行反应8h,反应结束后,加丙酮和异丙醇按体积比为1:6组成的沉淀剂至无沉淀再生成,过滤,洗涤,真空干燥即得所述淀粉基减水剂。
对比实施例2
1)将100份红薯淀粉、400份乙醇、6份37wt%浓盐酸加入反应釜中,搅拌条件下升温至60℃并恒温进行反应8h,反应结束后自然冷却至室温,用40wt%氢氧化钠溶液中和至pH=7,真空抽滤,40℃烘干,得水解淀粉;
2)将步骤1)所得水解淀粉、1.15份三乙胺均匀的分散于份250份DMF中,升温至100℃并恒温,搅拌条件下加入60份氧化苯乙烯进行反应5h,反应结束后,减压蒸馏,得氧化苯乙烯醚化的水解淀粉,得减水剂。
应用例1
将上述实施例1制备的淀粉基减水剂按表1所示混凝土试验配合比(kg/m3)进行以下混凝土制备,淀粉基减水剂掺量:1.2wt%,
水泥:海螺P.O.42.5;
砂:细度模数Mx=2.4-2.8的中砂,人工机制砂,甘肃建投矿业有限公司;
大石:粒径10-25mm,甘肃建投矿业有限公司;
小石:粒径5-10mm,甘肃建投矿业有限公司;
水:自来水,水灰比0.43。
表1 混凝土主要成分重量份数
Figure SMS_1
应用例2-7
其余与应用例1相同,不同之处在于所用淀粉基减水剂分别对应实施例2-6、对比应用例1-2。
应用例8
其余与应用例1相同,不同之处在于所用淀粉基减水剂淀粉基减水剂掺量:0.8wt%。
对比应用例1-2
其余与应用例1相同,不同之处在于所用淀粉基减水剂分别对应对比应用例1-2。
将上述实施例1-7及对比实施例1-2制备的淀粉基减水剂进行以下性能测试:表2
水泥凝结时间:将水泥以标准稠度用水量制成水泥净浆,参照GB/T 1346-2011水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法进行测试。不加减水剂水泥的初凝时间3h:13min、终凝时间4h:31min。
将上述应用例1-8及对比应用例1-2制备的混凝土进行以下性能测试:表3
减水率:参照GB/T 8076-2008 混凝土外加剂标准进行测试。
坍落度:参照GB/T 8076-2008 混凝土外加剂标准试,测试混凝土经时0h、0.5h、1h、2h的坍落度,并分别计算0.5h、1h、2h的坍落度相对于经时0h时坍落度的损失率,损失率越小,说明坍落度的保持性越好。
表2 实施例和对比实施例的凝结性能比较
Figure SMS_2
表3 应用例和对比应用例的减水率以及坍落度损失性能比较
Figure SMS_3
由表2和表3可以看出,本发明制备的淀粉基减水剂具有良好的减水功能和缓凝性能,在环氧芳烃形成的支链与双官能度环氧基化合物、羟基磷酸酯类化合物形成的支链共同作用下减水剂没有出现缓凝过度的情况,初凝时间和终凝时间控制在一个合理的范围内。我们发现,如果对淀粉的接枝改性,只进行环氧芳烃的接枝,或者只进行磷酸酯侧链的接枝,都不能达到有效防止坍落度经时下降的目的。
此外,由实施例1、实施例3与实施例5的坍落度测试看出只有当双官能度环氧基化合物为含氮双官能度环氧基化合物与不含氮双官能度环氧基化合物的组合时混凝土的坍落度保持性较好,若仅为其中一种,坍落度保持性在0.5h以后开始变差,推测为当双官能度环氧基化合物为含氮双官能度环氧基化合物与不含氮双官能度环氧基化合物的组合时减水剂分子结构形成的物理空间阻碍作用能够有效地防止水泥凝聚,由单一类型的双官能度环氧基化合物反应生成的减水剂物理空间阻碍作用差,坍落度保持能力下降。
上述详细说明是针对本发明其中之一可行实施例的具体说明,该实施例并非用以限制本发明的专利范围,凡未脱离本发明所为的等效实施或变更,均应包含于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种淀粉基减水剂的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
1)将淀粉、乙醇、浓盐酸加入反应釜中,搅拌条件下升温并恒温进行反应,反应结束后自然冷却至室温,用碱液中和至中性,真空抽滤,烘干得水解淀粉;
2)将步骤1)所得水解淀粉、催化剂均匀的分散于溶剂中,升温并恒温,搅拌条件下加入环氧芳烃进行反应,反应结束后,减压蒸馏,得环氧芳烃醚化的水解淀粉,备用;
3)将双官能度环氧基化合物、催化剂均匀溶于溶剂中,升温并恒温,搅拌条件下滴加羟基磷酸酯类化合物溶液,滴毕恒温下进行反应,反应结束后,减压蒸馏得中间体;
4)将步骤2)所得环氧芳烃醚化的水解淀粉、催化剂、溶剂加至反应釜中,搅拌至分散均匀,升温并恒温,搅拌条件下加入步骤3)所得中间体进行反应,反应结束后,加沉淀剂至无沉淀再生成,过滤,洗涤,真空干燥即得所述淀粉基减水剂。
2.权利要求1所述淀粉基减水剂的制备方法,其特征在于,所述环氧芳烃、双官能度环氧基化合物、羟基磷酸酯类化合物三者的重量之和占淀粉的40-65wt%,所述环氧芳烃、双官能度环氧基化合物、羟基磷酸酯类化合物三者的摩尔比为2-3:5:4.80-4.94。
3.权利要求1所述淀粉基减水剂的制备方法,其特征在于,所述双官能度环氧基化合物为含氮双官能度环氧基化合物、不含氮双官能度环氧基化合物中的一种或两种的组合。
4.权利要求3所述淀粉基减水剂的制备方法,其特征在于,所述双官能度环氧基化合物为含氮双官能度环氧基化合物、不含氮双官能度环氧基化合物按摩尔比为1:1-3的混合物。
5.权利要求1所述淀粉基减水剂的制备方法,其特征在于,所述环氧芳烃选自氧化苯乙烯、2-苯基-1,2-环氧丙烷、2-(4-异丙基苯基)环氧乙烷、2-(4-甲基苯基)环氧乙烷中的一种或两种及以上的组合。
6.权利要求3所述淀粉基减水剂的制备方法,其特征在于,所述含氮双官能度环氧基化合物选自N,N-二(缩水甘油基)苯胺、N,N-二(2,3-环氧丙基)环己胺、N-(2-甲基苯基)-N-(1,2-环氧丙基)-环氧乙烷基甲胺、N,N-二(2,3-环氧丙基)异丙胺、N,N-二(2,3-环氧丙基)甲胺、N,N-二(2,3-环氧丙基)乙胺、N,N-二(2,3-环氧丙基)丙胺中的至少一种。
7.权利要求3所述淀粉基减水剂的制备方法,其特征在于,所述不含氮双官能度环氧基化合物选自聚乙二醇二缩水甘油醚、聚丙二醇二缩水甘油醚中的至少一种,数均分子量为600-800。
8.权利要求1所述淀粉基减水剂的制备方法,其特征在于,所述羟基磷酸酯类化合物选自羟甲基膦酸二甲酯、羟甲基膦酸二乙酯、1-羟基丁基膦酸二乙酯、2-羟乙基膦酸二甲酯、(3-羟丙基)磷酸二乙酯中的一种或两种及以上的组合。
9.一种淀粉基减水剂,所述淀粉基减水剂通过权利要求1-8任一项所述淀粉基减水剂的制备方法制得。
10.权利要求9所述淀粉基减水剂的应用,所述淀粉基减水剂以掺量为0.8-1.2wt%应用于混凝土的制备。
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