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聚羧酸高效减水剂的低温合成技术及性能研究
2015-11-30 09:34:15   来源:   评论:0 点击:

1 引 言近年来, 混凝土外加剂的生产已经朝着高性能、 无污染方向发展。以聚羧酸系为代表的第三代高性能减水剂大量应用于大型建设工程。该类减水剂的主要优点是掺量低、 减水率高、 高分散性、 高保坍性、
1 引 言

近年来, 混凝土外加剂的生产已经朝着高性能、 无污染方向发展。以聚羧酸系为代表的第三代高性能减水剂大量应用于大型建设工程。该类减水剂的主要优点是掺量低、 减水率高、 高分散性、 高保坍性、 引气量小、 不泌水等, 是配制高强度、 高耐久性、 大流态等高性能混凝土的首选减水剂, 并被国内外公认为环保型高性能减水剂 , 对此类减水剂的合成研究是当前混凝土外加剂研究领域的最热门课题之一。

目前, 聚羧酸合成技术已经比较成熟、 稳定, 但仍存在着合成温度比较高(60 ~80 ℃), 整个反应时间比较长(5 ~7 h), 生产效率低的问题对于在低温条件下、 高效合成减水剂的工艺罕见报道, 因此开发出一种合成温度低、 反应时间短的合成方法显得尤为重要。本研究从降低聚合反应的温度(20 ~25 ℃)入手,以异戊烯醇聚氧乙烯醚、 甲基丙烯磺酸钠、 丙烯酸、 复合引发剂 E 等为原料, 在较短反应时间内(2 h), 通过自由基共聚合反应合成聚羧酸高效减水剂, 实现一种聚羧酸减水剂的低温合成技术。

2 试 验

2. 1 主要原料和设备

异戊烯醇聚氧乙烯醚(TPEG2400), 工业品;甲基丙烯磺酸钠(SAMS), 化学纯;丙烯酸(AA), 工业品;去离子水, 工业品;氢氧化钠, 分析纯;引发剂 E。

DF- 101S 集热式磁力搅拌(河南智诚仪器有限公司);DW- 1 型电动搅拌器(江苏省金坛市医疗仪器厂);

分析天平(上海精密仪器有限公司);NJ- 160A 水泥净浆搅拌机(无锡市建鼎建工仪器厂);蠕动泵(保定创锐泵业有限公司)。

2. 2 聚羧酸减水剂的制备

一定量的 TPEG2400 单体和 SAMS 置入四口烧瓶中, 加入适量的去离子水, 开启蠕动泵, 于2 h 内匀速滴加引发溶剂 E 及 AA 水溶液, 反应过程中温度保持在 20 ~25 ℃, 滴加完成后, 用 w(NaOH) =40% 的水溶液调节体系 pH 值至中性, 即得聚羧酸产品。

2. 3 产品性能测试

水泥净浆流动度与 1 h 经时流动度的测量, 按照 GB/T 8077- 2012《混凝土外加剂匀质性试验方法》 , 水灰比 0. 29, 减水剂掺量 0. 18%, 分别测定水泥净浆流动度和水泥砂浆减水率。

3 结果与讨论

3. 1 酸醚比对减水剂分散性能的影响

在 25 ℃条件下, 固定甲基丙烯磺酸钠(SAMS)的配比, 引发剂 E 用量为 0. 18% ((相对于所有单体总摩尔量的百分比, 下同), 保持其他操作条件的相同情况下, 考查不同酸醚比 n(AA)∶ n(TPEG2400)对减水剂分散性和分散保持性能的影响, 试验结果见图 1。

由图 1 可知, 随着 n(AA)∶ n(TPEG2400)的增大, 净浆流动度逐渐增大。当 n(AA)∶ n(TPEG2400) = 4时水泥净浆流动度达到280 mm, 1 h 后保持在270 mm。主要是由于减水剂吸附到水泥颗粒表面, TPEG 中的PEO 侧链在水泥颗粒间产生良好的空间阻碍作用, 使水泥颗粒不能彼此靠近, 有效阻碍水泥的絮凝, 且-COOH 与 PEO 侧链的比例适当, 主链上带电荷基团的静电斥力和侧链上的空间位阻效应的协同作用充分发挥,分子结构合理, 各官能团协调作用,使减水剂的分散性及分散保持性最好。当 n(AA)∶ n(TPEG2400)﹥4 时水泥净浆流动度开始明显下降, 可能是因为丙烯酸浓度增大, 丙烯酸的自聚倾向增强 , 很容易形成均聚物, 导致水泥的分散性能及分散保持性能下降。

3. 2 SAMS 用量对减水剂分散性能的影响

在 25 ℃条件下, 固定 n(AA)∶ n(TPEG2400)为 4∶ 1, 引发剂 E 用量为 0. 18%, 保持其他操作条件的不变情况下, 考查不同甲基丙烯磺酸钠对减水剂分散性和分散保持性能的影响, 试验结果见图 2。

由图 2 可知, 随着 SAMS 用量的增加, 水泥的净浆流动度先增大后减小。当 SAMS 用量0. 3 mol 时, 减水剂的初始净浆流动度达到 280 mm, 1 h 后保持在 270 mm。这是因为 SAMS 具有亲水基团- SO 3 H, 具有较好的减水性和缓凝效果, 随着 SAMS 用量的增加, 聚合产物的分散性显著提高, 但其用量过大时, SAMS 具有一定的链转移作用, 会影响减水剂相对分子质量的大小, 易生成不易溶于水的聚合物。

3. 3 引发剂 E 对减水剂分散性能的影响

在 25 ℃条件下, 固定 n(AA)∶ n(TPEG2400)为4∶ 1, SAMS 0. 3 mol, 保持其他操作条件的不变情况下, 考查不同引发剂 E 用量(相对于所有单体总摩尔量的百分比)对减水剂分散性和分散保持性能的影响, 试验结果见图 3。

由图 3 可知, 随着引发剂用量的增加, 水泥的净浆流动度先增大后减小, 当引发剂用量为 0. 18% 时, 水泥净浆初始流动度达到 280 mm, 1 h 后仍保持在 270 mm。当用量继续增加时, 水泥的净浆流动度反而下降。

这是因为, 在聚合反应中, 引发剂不仅能起到引发聚合反应的作用,且具备一定的调节分子量作用。引发剂用量较少时, 所得聚合物的主链聚合度相对较高, 分子量较大, 容易产生絮凝 , 当引发剂用量过高时, 所得聚合物的主链聚合度过低, 分子量较小, 所带的负电基团较少, 静电斥力小, 减水剂的分散性能降低。1

3. 4 反应温度对减水剂分散性能的影响

固定 n(AA)∶ n(TPEG2400)为 4∶ 1, SAMS 的用量 0. 3 mol, 引发剂 E 用量 0. 18%, 在室温下, 采用恒温水浴锅控制反应温度 10 ℃、 15 ℃、 20 ℃、 25 ℃、 30 ℃、 35 ℃进行实验, 考查不同反应温度对减水剂分散性和分散保持性能的影响, 试验结果见图 4。

 

由图 4 可知,减水剂的分散性随着反应温度的升高呈现曲线变化。反应温度在 25 ℃时, 所得减水剂性能最佳, 可使水泥初始静净浆流动度达到 280 mm, 1 h 后保持在 270 mm。当温度高于 25 ℃时, 引发剂 E 分解速率较快, 聚合速度太快, 支链太多, 残余单体数量较多, 聚合反应不完全。当温度低于 20 ℃时, 引发剂 E分解速率降低, 聚合速度变慢, 单体转化率降低。

3. 5 投料方式对减水剂分散性能的影响

根据自由基聚合原理, 投料方式的不同会影响大单体和丙烯酸的共聚倾向及大单体的转化率 。在25 ℃条件下, 固定 n(AA)∶ n(TPEG2400)为4∶ 1, SAMS 的用量0. 3 mol, 引发剂 E 用量0. 18%, 反应时间2 h,此处主要考查了不同投料方式对减水剂分散性能的影响:(1)全混法:将 TPEG、 SAMS、 AA、 引发剂 E 一次性投入三口烧瓶中, 控制温度进行反应 2 h。(2)半混法:将一定配比的 TPEG、 SAMS、 AA 投入三口烧瓶中, 引发剂 E 混合均匀后连续滴加 2 h 进行反应。(3)分别滴加法:将一定配比的 TPEG、 SAMS 投入三口烧瓶中,AA 及引发剂 E 分别同时以滴加加入。试验结果见图 5。

由图 5 可知, 相同条件下, 采用分别滴加法所得减水剂流动度较大, 初始净浆流动度达到 280 mm。主要原因是全混法和半混法反应体系中, 活性较大的单体先行聚合, 剩余活性较小的单体聚合速率较低, 使得产品中有效成分较少, 且分子量不均匀 。而分别滴加法有效的控制了活性较高的单体的加入速率, 所得产品结构合适、 分子量均匀, 其净浆的流动度及保留性比较理想。因此, 试验中采用分别滴加法。
3. 6 反应时间对减水剂分散性能的影响

在 25 ℃条件下, 固定 n(AA)∶ n(TPEG2400)为 4∶ 1, SAMS 的用量 0. 3 mol, 引发剂 E 用量 0. 18%, 保持其他操作条件的相同情况下, 考查不同反应时间对减水剂分散性和分散保持性能的影响, 试验结果见图 6。

在聚合反应中, 自由基聚合反应, 一般不存在中间产物, 反应体系除了生成一定分子量的聚合物, 就是未反应的单体。随着反应时间的增长, 减水剂大分子链上接枝的不同官能团的数目随之增加, 反应程度也随之增加, 所得减水剂的流动度也随之增大。由图 6 可知, 反应时间 2 h 时, 所得减水剂性能最佳, 可使净浆度达到 280 mm。当反应时间超过 2 h, 净浆流动度基本保持不变,因此最佳反应时间为 2 h。

3. 7 采用最佳工艺制得的减水剂性能测定

在25 ℃条件下, n(SAMS)∶ n(AA)∶ n(TPEG2400) =0. 3∶ 4. 0∶ 1. 0, 2 h 内匀速滴加引发剂 E 及共聚单体AA 于 SAMS、 TPEG 混合溶液中, 共聚单体 AA 溶液先于引发剂 E 溶液滴加完毕, 再用 w(NaOH) =40% 的水溶液中和, 制得聚羧酸系减水剂。对此减水剂进行了水泥净浆性能测试, 在水灰比为 0. 29 , 掺量为 0. 18%条件下, 水泥净浆初始流动度为 280 mm, 1 h 经时流动度为 270 mm,减水率达到 29%。合成的聚羧酸减水剂在低掺量下表现出很好的分散性与分散保持性能, 且减水效果较好。

4 结 论

(1)本文研究一种聚羧酸减水剂的低温生产工艺, 通过单因素实验分析, 得到最佳工艺条件:反应温度25 ℃, n(SAMS)∶ n(AA)∶ n(TPEG) =0. 3∶ 4. 0∶ 1. 0,引发剂 E 用量为 0. 18%, 反应时间 2 h;

(2)采用最佳工艺条件合成得到的减水剂, 在水灰比为 0. 29 , 掺量为 0. 18% 条件下水泥净浆初始流动度为 280 mm, 1 h 经时流动度为 270 mm,具有较好的分散性与分散保持性能;

(3)在混凝土中掺加采用最佳工艺制得的聚羧类减水剂, 其减水率可达 27%,且强度越发稳定。与国内目前广泛应用的聚羧酸类减水剂相比,该减水剂减水率高, 保坍性好, 合成工艺简单, 且聚合反应过程在室温下即可完成, 耗能更低, 成本较低, 具有良好的性价比和市场竞争力。

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