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      一種早強(qiáng)型聚羧酸減水劑及其制備方法與流程

      文檔序號(hào):11096646閱讀:658來(lái)源:國(guó)知局

      本發(fā)明涉及一種聚羧酸減水劑,具體為一種用于預(yù)制混凝土中的高減水早強(qiáng)型聚羧酸減水劑。



      背景技術(shù):

      近年來(lái)隨著鐵路、公路、橋梁和地鐵等重大工程的迅猛發(fā)展,對(duì)預(yù)制混凝土的需求量巨大。而預(yù)制混凝土要求混凝土早期強(qiáng)度發(fā)展快速,以提高模板周轉(zhuǎn)速度,加快工程施工進(jìn)度,并滿足低溫條件下的強(qiáng)度發(fā)展,將生產(chǎn)周期延長(zhǎng)至冬季。

      一般實(shí)現(xiàn)早強(qiáng)的技術(shù)途徑有兩種:一是普通減水劑與早強(qiáng)劑復(fù)配。但復(fù)配法存在摻量大和兩者相容性差的問(wèn)題。此外,一些傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)鹽類(lèi)和有機(jī)物類(lèi)的早強(qiáng)劑存在對(duì)建筑材料銹蝕、早強(qiáng)效果不佳或影響后期強(qiáng)度等問(wèn)題,使其應(yīng)用受到限制。

      二是合成本身具有早強(qiáng)功能的聚羧酸系減水劑。聚羧酸系減水劑作為第三代高性能減水劑是綜合性能最優(yōu)的一種高效減水劑,因其減水率高、保坍性能好、摻量低、無(wú)污染、成本低等優(yōu)異性能,成為國(guó)內(nèi)外混凝土外加劑研究開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)。但在具備優(yōu)異性能的同時(shí),也顯著延緩了水泥的水化,影響了早期強(qiáng)度的發(fā)展,限制了其在冬季工程和寒冷環(huán)境下使用。



      技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:

      本發(fā)明的一個(gè)主要目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的至少一種缺陷,提供一種早強(qiáng)型聚羧酸減水劑,包括如下結(jié)構(gòu)單元:

      其中,R1、R3、R4表示氫或甲基;R2表示-CH2-、-CH2CH2-或-O(CH2)4-;R5表示二甲氨基、二乙氨基、二異丙氨基或嗎啉基;M1、M2表示H或Na;m的數(shù)值介于65~115;x、y、z和f表示各結(jié)構(gòu)單元的平均摩爾數(shù)。

      根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施方式,x:y:z:f=1:(2~7):(0.3~1):(0.1~1)。

      根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施方式,所述減水劑聚合物的重均分子量為10000~30000。

      本發(fā)明進(jìn)一步提供了一種早強(qiáng)型聚羧酸減水劑的制備方法,包括將單體A、單體B、單體C及單體D共聚,制得所述聚羧酸減水劑;其中所述單體A、B、C、D的結(jié)構(gòu)式如下:

      其中,R1、R3、R4表示氫或甲基;R2表示-CH2-、-CH2CH2-或-O(CH2)4-;R5表示二甲氨基、二乙氨基、二異丙氨基或嗎啉基;M1、M2表示H或Na;m的數(shù)值介于65~115。

      根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施方式,所述單體A、單體B、單體C、單體D的摩爾比為1:(2~7):(0.3~1):(0.1~1)。

      根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施方式,所述單體A選自甲基烯丙基聚氧乙烯醚、異戊烯基聚氧乙烯醚、乙烯基丁基醚聚氧乙烯醚中的一種或多種;所述單體A的重均分子量為3000~5000。

      根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施方式,所述單體B選自丙烯酸、甲基丙烯酸及它們的鹽類(lèi)中的一種或多種;所述單體C選自烯丙基磺酸、甲基烯丙基磺酸及它們的鹽類(lèi)中的一種或多種。

      根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施方式,所述單體D選自甲基丙烯酸-2-(二甲氨基)乙酯、甲基丙烯酸-2-(二乙氨基)乙酯、甲基丙烯酸-2-(二異丙基氨基)乙酯或甲基丙烯酸-2-嗎啉基乙酯中一種或多種。

      根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施方式,所述早強(qiáng)型聚羧酸減水劑的制備方法包括:

      提供所述單體A的水溶液,并將其保持于20~40℃;

      向所述單體A的水溶液中加入氧化劑,5~10min后,向所述單體A的水溶液中同時(shí)滴加所述單體B與C的混合水溶液以及所述單體D、還原劑與鏈轉(zhuǎn)移劑的混合水溶液;以及

      全部滴完后,反應(yīng)1~2h,將反應(yīng)體系的溫度降至常溫,調(diào)節(jié)體系的pH值至6.5~7.5,制得所述早強(qiáng)型聚羧酸減水劑;

      其中,所述單體B與C的混合水溶液的滴加時(shí)間為2.5~3h,所述單體D、還原劑與鏈轉(zhuǎn)移劑的混合水溶液的滴加時(shí)間為3~3.5h。

      根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施方式,所述氧化劑為過(guò)氧化氫,用量為所述單體A質(zhì)量的0.5~1.5%;所述還原劑為L(zhǎng)-抗壞血酸,用量為所述單體A質(zhì)量的0.3~1.5%;所述鏈轉(zhuǎn)移劑為巰基乙酸和/或巰基丙酸,用量為所述單體A質(zhì)量的0.4~0.8%。

      本發(fā)明一實(shí)施方式的早強(qiáng)型聚羧酸減水劑,相較于普通的聚羧酸減水劑,側(cè)鏈更長(zhǎng),而主鏈相對(duì)較短,降低了具有緩凝效應(yīng)的羧基基團(tuán)的含量;同時(shí),大分子量的聚醚結(jié)構(gòu)單元可使減水劑保持良好的流動(dòng)分散性,具有較高的減水效果。

      具體實(shí)施方式

      體現(xiàn)發(fā)明特征與優(yōu)點(diǎn)的典型實(shí)施例將在以下的說(shuō)明中詳細(xì)敘述。應(yīng)理解的是本發(fā)明能夠在不同的實(shí)施例上具有各種的變化,其皆不脫離本發(fā)明的范圍,且其中的描述在本質(zhì)上是當(dāng)作說(shuō)明之用,而非用以限制本發(fā)明。

      本發(fā)明一實(shí)施方式提供了一種早強(qiáng)型聚羧酸減水劑,該減水劑聚合物的結(jié)構(gòu)式如下:

      上述結(jié)構(gòu)僅用于表示聚合物中的結(jié)構(gòu)單元的種類(lèi)及比例,并不限定其排列順序。其中,R1、R3、R4表示氫或甲基;R2表示-CH2-、-CH2CH2-或-O(CH2)4-;R5表示二甲氨基((CH3)2N-)、二乙氨基((CH3CH2)2N-)、二異丙氨基(((CH3)2CH)2N-)或嗎啉基;M1、M2表示H或Na;m表示環(huán)氧乙烷鏈節(jié)數(shù)的平均加成摩爾數(shù),其值介于65~115之間,可以是65~115的整數(shù),例如70、80、90、100、110等;x、y、z和f表示各結(jié)構(gòu)單元的平均摩爾數(shù)。

      本發(fā)明一實(shí)施方式的早強(qiáng)型聚羧酸減水劑,相較于普通的聚羧酸減水劑,側(cè)鏈更長(zhǎng),而主鏈相對(duì)較短,降低了具有緩凝效應(yīng)的羧基基團(tuán)的含量;同時(shí),大分子量的聚醚結(jié)構(gòu)單元可使減水劑保持良好的流動(dòng)分散性,具有較高的減水效果。另外,減水劑中含有極性基團(tuán)羰基、酯基和具有較大的空間位阻作用的氨基,可以提高水泥的分散性能,加速水泥水化,促進(jìn)早期強(qiáng)度發(fā)展。

      于本發(fā)明一實(shí)施方式中,早強(qiáng)型聚羧酸減水劑聚合物的重均分子量為10000~30000,例如可以是12000、15000、17000、20000、25000等。

      于本發(fā)明一實(shí)施方式中,四種結(jié)構(gòu)單元的摩爾比可以為:x:y:z:f=1:(2~7):(0.3~1):(0.1~1)。

      本發(fā)明一實(shí)施方式進(jìn)一步提供了一種上述早強(qiáng)型聚羧酸減水劑的制備方法,包括通過(guò)將單體A、單體B、單體C及單體D共聚,制得聚羧酸減水劑;其中單體A、B、C、D的結(jié)構(gòu)式如下:

      其中,R1、R3、R4表示氫或甲基;R2表示-CH2-、-CH2CH2-或-O(CH2)4-;R5表示二甲氨基、二乙氨基、二異丙氨基或嗎啉基;M1、M2表示H或Na;m的數(shù)值介于65~115,其可以為介于65~115的整數(shù)。

      本發(fā)明一實(shí)施方式的早強(qiáng)型聚羧酸減水劑的制備方法,采用的具有早強(qiáng)功能的單體具有低毒、活性高、對(duì)環(huán)境污染小的特點(diǎn)。

      于本發(fā)明一實(shí)施方式中,單體A可以為甲基烯丙基聚氧乙烯醚、異戊烯基聚氧乙烯醚(CH2=C(CH3)CH2CH2O(CH2CH2O)mH)、乙烯基丁基醚聚氧乙烯醚(CH2=CHO(CH2)4O(CH2CH2O)mH)中的一種或多種;單體A的重均分子量可以為3000~5000,例如3500、4000、4500等。

      于本發(fā)明一實(shí)施方式中,單體B可以為丙烯酸、甲基丙烯酸及它們的鹽類(lèi)中的一種或多種。

      于本發(fā)明一實(shí)施方式中,單體C可以為烯丙基磺酸、甲基烯丙基磺酸及它們的鹽類(lèi)中的一種或多種。

      于本發(fā)明一實(shí)施方式中,單體D可以為甲基丙烯酸-2-(二甲氨基)乙酯、甲基丙烯酸-2-(二乙氨基)乙酯、甲基丙烯酸-2-(二異丙基氨基)乙酯或甲基丙烯酸-2-嗎啉基乙酯中一種或多種。其中,甲基丙烯酸-2-嗎啉基乙酯的結(jié)構(gòu)如下:

      單體D是一類(lèi)具有一定堿性的多功能不飽和活性單體,分子中因含有N原子,有一對(duì)孤對(duì)電子,很容易與金屬離子發(fā)生絡(luò)合作用,形成較為穩(wěn)定的絡(luò)合物。這些絡(luò)合物在溶液中形成許多可溶區(qū),從而提高了水化產(chǎn)物的擴(kuò)散速率,加速C3S的水化,從而提高早期強(qiáng)度。此外,該分子存在較大的空間位阻作用,可以與聚醚長(zhǎng)側(cè)鏈協(xié)同破壞水泥的團(tuán)聚作用,起到良好的分散作用,在提高混凝土強(qiáng)度的同時(shí),還能提高減水劑的減水率。

      于本發(fā)明一實(shí)施方式中,早強(qiáng)型聚羧酸減水劑的制備方法具體可以包括:

      將單體A和去離子水投于反應(yīng)器中,攪拌至單體A完全溶解,并緩慢升溫至20~40℃的反應(yīng)溫度,一次性加入氧化劑,5~10min后,同時(shí)向反應(yīng)器中滴加單體B與C制成的水溶液和單體D、還原劑與鏈轉(zhuǎn)移劑制成的水溶液;前者2.5~3h滴完,后者3~3.5h滴完;兩者全部滴完后,繼續(xù)攪拌1~2h后,降至常溫,用30wt%的NaOH溶液調(diào)節(jié)體系pH至6.5~7.5,即獲得早強(qiáng)型聚羧酸減水劑。

      本發(fā)明一實(shí)施方式的早強(qiáng)型聚羧酸減水劑的制備方法,采用分罐滴加工藝,使得聚合物轉(zhuǎn)化率高,工藝簡(jiǎn)單。

      本發(fā)明對(duì)所使用的氧化劑、還原劑、鏈轉(zhuǎn)移劑的種類(lèi)沒(méi)有限定,例如氧化劑可以為過(guò)氧化氫,其用量可以為單體A質(zhì)量的0.5~1.5%;還原劑可以為L(zhǎng)-抗壞血酸,其用量可以為單體A質(zhì)量的0.3~1.5%;鏈轉(zhuǎn)移劑可以為巰基乙酸和/或巰基丙酸,其用量可以為單體A質(zhì)量的0.4~0.8%。

      下面,結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明一實(shí)施方式的早強(qiáng)型聚羧酸減水劑及其制備方法做進(jìn)一步說(shuō)明。

      實(shí)施例1

      150g甲基烯丙基聚氧乙烯醚(M=3000,乙氧基的平均摩爾數(shù)m=65)和130g去離子水投于反應(yīng)器中,攪拌至完全溶解,然后向反應(yīng)器中一次性加入0.95g H2O2(30wt%的水溶液),5~10min后,同時(shí)向反應(yīng)器中滴加16.56g丙烯酸、3.95g甲基丙烯磺酸鈉和30g去離子水混合的溶液以及2.35g甲基丙烯酸-2-(二甲氨基)乙酯、0.67g巰基丙酸、0.75gVc和47g去離子水混合的溶液;前者3h滴完,后者3.5h滴完。全部滴完后,繼續(xù)攪拌1h,最后將反應(yīng)器內(nèi)的溫度降至常溫,用30%的NaOH溶液調(diào)節(jié)pH至6.5~7.5,補(bǔ)水至固含量為40wt%,即獲得高減水早強(qiáng)型聚羧酸減水劑,采用多角度激光光散射儀測(cè)得其重均分子量為13600。

      實(shí)施例2

      150g甲基烯丙基聚氧乙烯醚(M=4000,乙氧基的平均摩爾數(shù)m=90)和130g去離子水投于反應(yīng)器中,攪拌至完全溶解,然后向反應(yīng)器中一次性加入1.25g H2O2(30wt%的水溶液),5~10min后,同時(shí)向反應(yīng)器中滴加14.51g甲基丙烯酸、3.24g烯丙基磺酸鈉和30g去離子水混合的溶液以及1.39g甲基丙烯酸-2-(二乙氨基)乙酯、1.12g巰基丙酸、0.92gVc和45g去離子水混合的溶液;前者3h滴完,后者3.5h滴完。全部滴完后,繼續(xù)攪拌1h,最后將反應(yīng)器內(nèi)的溫度降至常溫,用30%的NaOH溶液調(diào)節(jié)pH至6.5~7.5,補(bǔ)水至固含量為40wt%,即獲得高減水早強(qiáng)型聚羧酸減水劑,采用多角度激光光散射儀測(cè)得其重均分子量為20380。

      實(shí)施例3

      150g異戊烯基聚氧乙烯醚(M=3300,乙氧基的平均摩爾數(shù)m=73)和130g去離子水投于反應(yīng)器中,攪拌至完全溶解,然后向反應(yīng)器中一次性加入1.25gH2O2(30wt%的水溶液),5~10min后,同時(shí)向反應(yīng)器中滴加12.31g丙烯酸、3.29g烯丙基磺酸和30g去離子水混合的溶液以及0.96g甲基丙烯酸-2-(二異丙基氨基)乙酯、0.89g甲基丙烯酸-2-嗎啉基乙酯、0.90g巰基乙酸0.92gVc和45g去離子水混合的溶液;前者3h滴完,后者3.5h滴完。全部滴完后,繼續(xù)攪拌1h。最后將反應(yīng)器內(nèi)的溫度降至常溫,用30%的NaOH溶液調(diào)節(jié)pH至6.5~7.5,補(bǔ)水至固含量為40wt%,即獲得高減水早強(qiáng)型聚羧酸減水劑,采用多角度激光光散射儀測(cè)得其重均分子量為24500。

      實(shí)施例4

      150g甲基烯丙基聚氧乙烯醚(M=5000,乙氧基的平均摩爾數(shù)m=115)和130g去離子水投于反應(yīng)器中,攪拌至完全溶解,然后向反應(yīng)器中一次性加入1.51g H2O2(30wt%的水溶液),5~10min后,同時(shí)向反應(yīng)器中滴加11.88g丙烯酸、1.45g甲基丙烯磺酸鈉和30g去離子水混合的溶液以及2.39g甲基丙烯酸-2-嗎琳基乙酯、0.90g巰基乙酸、1.23gVc和45g去離子水混合的溶液;前者3h滴完,后者3.5h滴完。全部滴完后,繼續(xù)攪拌1h。最后將反應(yīng)器內(nèi)的溫度降至常溫,用30%的NaOH溶液調(diào)節(jié)pH至6.5~7.5,補(bǔ)水至固含量為40wt%,即獲得高減水早強(qiáng)型聚羧酸減水劑,采用多角度激光光散射儀測(cè)得其重均分子量為17940。

      對(duì)比例

      150g甲基烯丙基聚氧乙烯醚(M=2400)和130g去離子水投于反應(yīng)器中,攪拌至完全溶解,然后向反應(yīng)器中一次性加入1gH2O2(30wt%的水溶液),5~10min后,同時(shí)向反應(yīng)器中滴加18g丙烯酸、4.90g甲基丙烯磺酸鈉和30g去離子水混合的溶液;0.67g巰基丙酸、0.85gVc和47g去離子水混合的溶液;前者3h滴完,后者3.5h滴完,繼續(xù)攪拌1h。最后降至常溫,用30%的NaOH溶液調(diào)節(jié)pH至6.5~7.5,補(bǔ)水至固含量為40wt%,即獲得聚羧酸減水劑。

      對(duì)實(shí)施例1~4和對(duì)比例制備的聚羧酸減水劑進(jìn)行水泥凈漿流動(dòng)度、混凝土減水率、含氣量、凝結(jié)時(shí)間和抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。其中水泥凈漿流動(dòng)度測(cè)定參照GB/T 8077-2012《混凝土外加劑勻質(zhì)性試驗(yàn)方法》,混凝土減水率、含氣量和凝結(jié)時(shí)間測(cè)定參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 8076-2008《混凝土外加劑》;混凝土試塊制作、養(yǎng)護(hù)級(jí)檢測(cè)等參照GB/T50080-2002《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》;混凝土抗壓強(qiáng)度參照GB/T50081-2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》。試驗(yàn)水泥為海螺PO 42.5,減水劑水泥凈漿實(shí)驗(yàn)固摻0.15%,混凝土實(shí)驗(yàn)固摻0.2%。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1:

      表1各實(shí)施例和對(duì)比例水泥混凝土性能

      由表1可見(jiàn),本發(fā)明實(shí)施例所制得的聚羧酸減水劑具有較高的分散能力,減水率高,含氣量低,凝結(jié)時(shí)間短,可以顯著提高混凝土的早期強(qiáng)度,并且后期強(qiáng)度也有所提高。

      除非特別限定,本發(fā)明所用術(shù)語(yǔ)均為本領(lǐng)域技術(shù)人員通常理解的含義。

      本發(fā)明所描述的實(shí)施方式僅出于示例性目的,并非用以限制本發(fā)明的保護(hù)范圍,本領(lǐng)域技術(shù)人員可在本發(fā)明的范圍內(nèi)作出各種其他替換、改變和改進(jìn),因而,本發(fā)明不限于上述實(shí)施方式,而僅由權(quán)利要求限定。

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