一种引气型酯类聚羧酸减水剂的制备方法

技术领域

本发明属于建筑外加剂技术领域，具体涉及一种引气型酯类聚羧酸减水剂的制备方法。

背景技术

随着国家大规模基础设施、核电、水利、桥梁和各种大型工程的建设，对混凝土各方面性能要求不断的提高,特别是一些重大工程对混凝土的强度、耐久性、和易性等方面都提出了很高的要求。

虽然聚羧酸减水剂优异的减水性能已被业界广泛认可，但目前由于聚羧酸减水剂本身引气效果差，应用在混凝土中常常因为粘度大、引气低导致混凝土的和易性较差，出现泵送难的问题。目前解决引气差的问题常采用复配引气剂来提高引气性能，但引气剂用量小，在实际施工中较难控制，如果用量过大，则会使混凝土中引入的空气量太大，导致混凝土强度降低；如果用量过小，其作用弱，难以改善混凝土和易性差的问题，影响施工性能，导致混凝土对气候变化及对化学侵蚀的抵抗能力增加的不多，对混凝土耐久性改善也比较轻微。

专利CN 106380554 A公开了一种酯类降粘型聚羧酸减水剂的制备方法，公开日为2017年02月08日，采用聚乙二醇单甲醚与甲基丙烯酸甲酯进行酯化制备酯化产物，将酯化产物与不饱和磺酸、交联单体、阳离子单体在乳化剂和引发剂、链转移剂作用下进行聚合反应，然而该方案中所涉及的减水剂虽然具有较好的分散性、降粘、抗泥性能，但并未具有较好的引气和稳泡性能。

目前对于引气型聚羧酸减水剂的研究较少，因此开发一种引气型酯类聚羧酸减水剂，无需再复配引气剂，从而直接改善混凝土的引气性能具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种引气型酯类聚羧酸减水剂的制备方法，所述方法包括如下步骤：

1)共聚反应：将酯化产物、酯类大单体、乳化剂加入第二反应容器中混合，再分别滴加引发剂溶液、链转移剂溶液、丙烯酸、稳泡功能单体和不饱和磷酸酯混合溶液，在常温下进行反应0.5～5h；

2)中和反应：反应结束后，加入10％～50％的碱液，调节pH至6～7，即得到引气型酯类聚羧酸减水剂；

其中所述酯化产物包括具有酰胺、双羟基的单体与不饱和酸的酯化产物，所述稳泡功能单体为具有双键、酯基和磺酸根的单体。

任选，在共聚反应结束后，保温一段时间，如0.5～2h。

在步骤1)的共聚反应中，优选反应时间为1～3h，在步骤2)的中和反应中，所用碱液为本领域常用的任意碱液，如NaOH水溶液、KOH水溶液等，其浓度优选为10％～40％，更优选为20％～40％。

在一个优选的实施方案中，所述具有酰胺、双羟基的单体为以下化合物A：

其中，R为CH

所述具有酰胺、双羟基的单体与不饱和酸的酯化产物通过以下方法制备：

将不饱和酸、所述化合物A加入第一反应容器中混合，在氮气条件下，加入催化剂、阻聚剂，并将温度调节至50～200℃，优选80-120℃，反应0.5～10h，优选4～6h，即得到具有酰胺、双羟基的单体与不饱和酸的酯化产物。

优选，所述不饱和酸为丙烯酸、马来酸酐或富马酸。

优选，所述催化剂选自硫酸铈、三氧化二锑、对甲苯磺酸及其组合。

优选，所述阻聚剂选自4-羟基哌啶醇氧自由基、4-叔丁基邻苯二酚、甲基对苯二酚及其组合。

所述不饱和酸和化合物A的摩尔比可为1～5:1，优选为1～2.5:1。

所述催化剂的用量可为不饱和酸和化合物A总质量的0.1％～10％，优选0.5％-3.5％。

所述阻聚剂的用量可为不饱和酸和化合物A总质量的0.1％～10％，优选0.3％～2％。

在另一个优选的实施方案中，所述具有双键、酯基和磺酸根的稳泡功能单体为油酰羟乙磺酸钠。

在还另一个优选的实施方案中，所述酯类大单体的分子量为500～15000，优选为600～5000，并且为聚丙二醇二(甲基)丙烯酸酯、聚乙二醇聚丙二醇二(甲基)丙烯酸酯、聚丁二醇单甲基丙烯酸酯或聚乙二醇单甲醚甲基丙烯酸酯。

在还另一个优选的实施方案中，所述不饱和磷酸酯为2-甲基丙烯酰氧乙基磷酸酯、2-甲基丙烯酰氧丙基磷酸酯、丙烯酰氧乙基磷酸酯或丙烯酰氧丙基磷酸酯。

在还另一个优选的实施方案中，所述乳化剂选自十二烷基苯磺酸钠、二乙二醇单月桂酸酯及其组合，优选乳化剂为十二烷基苯磺酸钠和二乙二醇单月桂酸酯的组合，且十二烷基苯磺酸钠和二乙二醇单月桂酸酯的质量比为1:10～10:1，优选1:5～5:1，更优选1:2。

在还另一个优选的实施方案中，所述引发剂选自过硫酸铵、亚硫酸氢钠、双氧水、次磷酸钠、抗坏血酸及其组合，优选引发剂包含2种引发剂，例如过硫酸铵+亚硫酸氢钠、双氧水+次磷酸钠或双氧水+抗坏血酸，且一种引发剂与另一种引发剂的质量比为1:10～10:1，优选为1:2～5:1。

在还另一个优选的实施方案中，所述链转移剂为含巯基链转移剂，优选巯基乙酸、巯基丙酸或正丁硫醇。

在还另一个优选的实施方案中，所述酯化产物、酯类大单体、丙烯酸、稳泡功能单体和不饱和磷酸酯的质量比为1～5:100:5～12:0.5～3:1.5～4。

在还另一个优选的实施方案中，所述乳化剂用量为酯化大单体总质量的0.9％-1.8％，所述引发剂用量为酯化大单体总质量的0.5％-5％，所述链转移剂用量为酯化大单体总质量的1％-2.5％。

在本发明的制备方法中，优选所采用的酯化产物为具有酰胺、双羟基的单体与不饱和酸的酯化产物，更优选所采用的酯化产物为具有酰胺、双羟基的单体与不饱和酸的酯化产物，且在具有酰胺、双羟基的单体化合物A中，R为C

本发明的另一个目的在于提供一种通过本发明的制备方法制备的酯化产物。

本发明的有益效果是：

1、本发明的制备方法利用椰油酸二乙醇酰胺与不饱和酸进行酯化制备酯化产物，具有成本低廉、操作简便的优点，该酯化产物中含有单羟基酯化或双羟基酯化制得的混合物，所制得的酯化产物参与下一步共聚反应，使聚羧酸减水剂主链上带有酰胺、羟基等亲水基团，所制备的聚羧酸减水剂具有较好的引气和稳泡性能，提高混凝土的和易性。对于部分双羟基酯化后得到的单体为交联单体，在聚合过程中实现部分交联，增加体系空间和位阻效应，在水泥的碱性条件下，交联结构的水解较慢于含有酯基、酸酐等基团的单体共聚得到的减水剂，随着时间的延长，逐渐水解而不断释放出对减水效果有贡献的羧酸基团，从而补偿了损失的减水率，达到保持坍落度的效果；

2、本发明的制备方法通过引入稳泡功能单体，使得聚羧酸减水剂分子主链中带有油酰羟乙磺酸钠，该单体为阴离子表面活性剂，能够降低聚羧酸减水剂的表面张力，在水中与周围的水偶极子作用，发生水化，将气泡膜中的水保留，使得气泡稳定而不破裂。大量微小且独立气泡的引入，在混凝土中形成润滑作用，因此大大改善了混凝土的和易性。而且磺酸基团的引入使得制备的聚羧酸减水剂具有优异的分散性。

3、本发明的制备方法通过引入不饱和磷酸酯单体共聚，使得减水剂中带上两个负电荷的磷酸根，从而提高了水泥颗粒前期的分散能力，在水泥的碱性条件下，不饱和磷酸酯中的酯键不断的发生水解，释放出羧酸基团、游离的磷酸根和含两个羟基的小分子二醇，大量的羧酸基团继续起到分散作用，游离的磷酸根和含两个羟基的小分子二醇能够阻碍水泥水化作用的进行，从而起到了保坍的作用，使得制备的聚羧酸减水剂具有优异的分散性和保坍性。

具体实施方式

以下通过实施例对本发明进行进一步的说明和描述。

实施例1

(1)酯化产物制备：按重量份计，将30份丙烯酸、100份椰油酸二乙醇酰胺加入第一反应容器中混合，在氮气条件下，加入0.65份硫酸铈、2.6份4-羟基哌啶醇氧自由基，并调节温度至80℃，反应6h，即得到具有酰胺、双羟基的单体与不饱和酸的酯化产物；

(2)共聚反应：按重量份计，先将1份步骤(1)制得的酯化产物、100份分子量2400的聚丙二醇二(甲基)丙烯酸酯、0.3份十二烷基苯磺酸钠、0.6份二乙二醇单月桂酸酯和114份水，加入第二反应容器中搅拌均匀，1.8份过硫酸铵与20份水混合均匀于第一滴加装置中；2份亚硫酸氢钠、1份巯基乙酸与20份水混合均匀于第二滴加装置中；8份丙烯酸、3份油酰羟乙磺酸钠、3份丙烯酰氧丙基磷酸酯与20份水混合均匀于第三滴加装置中；常温下向第二反应容器中依次开始滴加第一滴加装置、第二滴加装置和第三滴加装置中的物料，于1.5h分别滴加完第三滴加装置、第二滴加装置、第一滴加装置中的物料，保持反应0.5h；

(3)中和反应：加入重量份为15份32％质量浓度的氢氧化钠，即得到浓度为40％的所述引气型酯类聚羧酸减水剂。

实施例2

(1)酯化产物制备：按重量份计，将61.5份马来酸酐、100份椰油酸二乙醇酰胺加入第一反应容器中混合，在氮气条件下，加入2.42份三氧化二锑、0.48份4-叔丁基邻苯二酚，并调节温度至90℃，反应5h，即得到具有酰胺、双羟基的单体与不饱和酸的酯化产物；

(2)共聚反应：按重量份计，先将2.5份步骤(1)制得的酯化产物、100份分子量3000的聚乙二醇聚丙二醇二(甲基)丙烯酸酯、0.6份十二烷基苯磺酸钠、1.2份二乙二醇单月桂酸酯和114份水，加入第二反应容器中搅拌均匀，2份双氧水与20份水混合均匀于第一滴加装置中；3份次磷酸钠、1.5份巯基丙酸与20份水混合均匀于第二滴加装置中；5份丙烯酸、2份油酰羟乙磺酸钠、4份丙烯酰氧乙基磷酸酯与20份水混合均匀于第三滴加装置中；常温下向第二反应容器中依次开始滴加第一滴加装置、第二滴加装置和第三滴加装置中的物料，于1.5h分别滴加完第三滴加装置、第二滴加装置、第一滴加装置中的物料，保持反应0.5h；

(3)中和反应：加入重量份为15份32％质量浓度的氢氧化钠，即得到浓度为40％的所述引气型酯类聚羧酸减水剂。

实施例3

(1)酯化产物制备：按重量份计，将60份富马酸、100份椰油酸二乙醇酰胺加入第一反应容器中混合，在氮气条件下，加入5.6份对甲苯磺酸、1.3份甲基对苯二酚，并调节温度至110℃，反应4h，即得到具有酰胺、双羟基的单体与不饱和酸的酯化产物；

(2)共聚反应：按重量份计，先将3.5份步骤(1)制得的酯化产物、100份分子量3000的聚丁二醇单甲基丙烯酸酯、0.45份十二烷基苯磺酸钠和0.9份二乙二醇单月桂酸酯和116份水，加入第二反应容器中搅拌均匀，2份双氧水与20份水混合均匀于第一滴加装置中；0.5份抗坏血酸、2.5份正丁硫醇与20份水混合均匀于第二滴加装置中；12份丙烯酸、1份油酰羟乙磺酸钠、1.5份2-甲基丙烯酰氧丙基磷酸酯与20份水混合均匀于第三滴加装置中；常温下向第二反应容器中依次开始滴加第一滴加装置、第二滴加装置和第三滴加装置中的物料，于2h分别滴加完第三滴加装置、第二滴加装置、第一滴加装置中的物料，保持反应0.5h；

(3)中和反应：加入重量份为15份32％质量浓度的氢氧化钠，即得到浓度为40％的所述引气型酯类聚羧酸减水剂。

实施例4

(1)酯化产物制备：按重量份计，将62.7份丙烯酸、100份椰油酸二乙醇酰胺加入第一反应容器中混合，在氮气条件下，加入3.25份硫酸铈、1.95份4-叔丁基邻苯二酚，并调节温度至120℃，反应5h，即得到具有酰胺、双羟基的单体与不饱和酸的酯化产物；

(2)共聚反应：按重量份计，先将5份步骤(1)制得的酯化产物、100份分子量5000的聚乙二醇单甲醚甲基丙烯酸酯、0.5份十二烷基苯磺酸钠和1份二乙二醇单月桂酸酯和119份水，加入第二反应容器中搅拌均匀，1.5份过硫酸铵与20份水混合均匀于第一滴加装置中；3份亚硫酸氢钠、1.5份巯基丙酸与20份水混合均匀于第二滴加装置中；10份丙烯酸、0.5份油酰羟乙磺酸钠、2份2-甲基丙烯酰氧乙基磷酸酯与20份水混合均匀于第三滴加装置中；常温下向第二反应容器中依次开始滴加第一滴加装置、第二滴加装置和第三滴加装置中的物料，于2h分别滴加完第三滴加装置、第二滴加装置、第一滴加装置中的物料，保持反应0.5h；

(3)中和反应：加入重量份为15份32％质量浓度的氢氧化钠，即得到浓度为40％的所述引气型酯类聚羧酸减水剂。

对比例1：

(1)共聚反应：按重量份计，先将100份分子量2400的聚丙二醇二(甲基)丙烯酸酯、0.3份十二烷基苯磺酸钠、0.6份二乙二醇单月桂酸酯和114份水，加入第二反应容器中搅拌均匀，1.8份过硫酸铵与20份水混合均匀于第一滴加装置中；2份亚硫酸氢钠、1份巯基乙酸与20份水混合均匀于第二滴加装置中；8份丙烯酸、3份油酰羟乙磺酸钠、3份丙烯酰氧丙基磷酸酯与20份水混合均匀于第三滴加装置中；常温下向第二反应容器中依次开始滴加第一滴加装置、第二滴加装置和第三滴加装置中的物料，于1.5h分别滴加完第三滴加装置、第二滴加装置、第一滴加装置中的物料，保持反应0.5h；

(3)中和反应：加入重量份为15份32％质量浓度的氢氧化钠，即得到浓度为40％的聚羧酸减水剂。

对比例2：

(1)酯化产物制备：按重量份计，将30份丙烯酸、100份椰油酸二乙醇酰胺加入第一反应容器中混合，在氮气条件下，加入0.65份硫酸铈、2.6份4-羟基哌啶醇氧自由基，并调节温度至80℃，反应6h，即得到具有酰胺、双羟基的单体与不饱和酸的酯化产物；

(2)共聚反应：按重量份计，先将1份步骤(1)制得的酯化产物、100份分子量2400的聚丙二醇二(甲基)丙烯酸酯、0.3份十二烷基苯磺酸钠、0.6份二乙二醇单月桂酸酯和108份水，加入第二反应容器中搅拌均匀，1.8份过硫酸铵与20份水混合均匀于第一滴加装置中；2份亚硫酸氢钠、1份巯基乙酸与20份水混合均匀于第二滴加装置中；8份丙烯酸、3份丙烯酰氧丙基磷酸酯与20份水混合均匀于第三滴加装置中；常温下向第二反应容器中依次开始滴加第一滴加装置、第二滴加装置和第三滴加装置中的物料，于1.5h分别滴加完第三滴加装置、第二滴加装置、第一滴加装置中的物料，保持反应0.5h；

(3)中和反应：加入重量份为15份32％质量浓度的氢氧化钠，即得到浓度为40％的聚羧酸减水剂。

对比例3：

(1)酯化产物制备：按重量份计，将30份丙烯酸、100份椰油酸二乙醇酰胺加入第一反应容器中混合，在氮气条件下，加入0.65份硫酸铈、2.6份4-羟基哌啶醇氧自由基，并调节温度至80℃，反应6h，即得到具有酰胺、双羟基的单体与不饱和酸的酯化产物；

(2)共聚反应：按重量份计，先将1份步骤(1)制得的酯化产物、100份分子量2400的聚丙二醇二(甲基)丙烯酸酯、0.3份十二烷基苯磺酸钠、0.6份二乙二醇单月桂酸酯和108份水，加入第二反应容器中搅拌均匀，1.8份过硫酸铵与20份水混合均匀于第一滴加装置中；2份亚硫酸氢钠、1份巯基乙酸与20份水混合均匀于第二滴加装置中；8份丙烯酸、3份油酰羟乙磺酸钠与20份水混合均匀于第三滴加装置中；常温下向第二反应容器中依次开始滴加第一滴加装置、第二滴加装置和第三滴加装置中的物料，于1.5h分别滴加完第三滴加装置、第二滴加装置、第一滴加装置中的物料，保持反应0.5h；

(3)中和反应：加入重量份为15份32％质量浓度的氢氧化钠，即得到浓度为40％的聚羧酸减水剂。

对比例4：

(1)共聚反应：按重量份计，先将100份分子量2400的聚丙二醇二(甲基)丙烯酸酯、0.3份十二烷基苯磺酸钠、0.6份二乙二醇单月桂酸酯和107份水，加入第二反应容器中搅拌均匀，1.8份过硫酸铵与20份水混合均匀于第一滴加装置中；2份亚硫酸氢钠、1份巯基乙酸与20份水混合均匀于第二滴加装置中；8份丙烯酸、3份丙烯酰氧丙基磷酸酯与20份水混合均匀于第三滴加装置中；常温下向第二反应容器中依次开始滴加第一滴加装置、第二滴加装置和第三滴加装置中的物料，于1.5h分别滴加完第三滴加装置、第二滴加装置、第一滴加装置中的物料，保持反应0.5h；

(2)中和反应：加入重量份为15份32％质量浓度的氢氧化钠，即得到浓度为40％的聚羧酸减水剂。

将实施例1～4的引气型酯类聚羧酸减水剂与对比例1～4的减水剂进行比较，采用标准水泥，掺量按水泥质量0.2％(折成固体份)，根据GB 8076-2008《混凝土外加剂》，测其含气量、坍落度、扩展度和混凝土各龄期强度。混凝土配合比为：水泥360kg/m

采用水泥稀浆摇泡法对实施例1～4的引气型酯类聚羧酸减水剂与对比例1～4的减水剂的引泡和稳泡能力进行测定，如表1和表2所示。实验方法如下：

将30mL水、10mL减水剂(质量浓度为10％的溶液)及5g普通硅酸盐水泥相混合，倒入1L量筒内，振荡30次，以产生泡沫，分别记录泡沫体积以及所对应的时间。为了方便定量研究，稳泡速率按如下公式计算：

V＝(V

其中，V为稳泡速率；

t为时间，单位min；

V

V

表1：本发明引气型酯类聚羧酸减水剂与对比例1～4的减水剂的性能对比

表2：稳泡能力和表面张力的测定结果

从表1结果可以看出，本发明制备的引气型酯类聚羧酸减水剂(实施例1～4)相较于对比例，不仅拌制的混凝土含气量高，和易性好，而且初始分散性能和保坍性能较佳，混凝土强度不受影响或略有提高。

从表1和表2结果可以看出，掺入对比例1(无酯化产物)的混凝土虽稳泡性能好，但含气量略低，和易性变差；掺入对比例2(无稳泡功能单体)的混凝土稳泡性能较差，混凝土和易性也变差；掺入对比例3(无不饱和磷酸酯单体)的混凝土虽稳泡性能好，含气量高，但混凝土初始分散性能和保坍性能降低；掺入对比例4(无酯化产物和稳泡功能单体)的混凝土虽初始分散性能和保坍性能好，但是混凝土稳泡性能差，含气量低，导致和易性较差。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明，而非对其限制；尽管参照前述各实施方案和实施例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的范围。