聚羧酸系高性能減水劑的合成工藝研究
2006-05-10 00:00
摘 要：通過甲基丙烯磺酸鈉(MAS) 與丙烯酸(AA) 在一定條件下發(fā)生聚合反應(yīng)合成含有羧基(- COOM ) ，磺酸基(-SO3M ) 的高分子主鏈MAS- AA ，然后再與一定分子量的聚乙二醇發(fā)生酯化反應(yīng)合成含有羧基(-COOM ) ，磺酸基(-SO3M ) ，聚氧乙烯鏈(- OC2H4- ) 側(cè)鏈的高性能減水劑PC。該減水劑具有高減水率，通過復(fù)配減水劑摻量為0。08% (固含量) 時(shí)，凈漿流動(dòng)度可達(dá)到260 mm。
關(guān)鍵詞：高性能減水劑PC； MAS- AA； 聚合； 酯化； 凈漿流動(dòng)度
聚羧酸類減水劑是繼以木鈣為代表的普通減水劑和以萘系為代表的高效減水劑之后發(fā)展起來(lái)的第三代高性能化學(xué)減水劑，其綜合性能優(yōu)異，不僅具有高減水率，而且還可以有效的抑制坍落度損失，目前有較好的應(yīng)用前景。日本首先于80 年代初開發(fā)出聚羧酸系高效減水劑，1985 年開始逐漸應(yīng)用于混凝土工程。1995 年以后，聚羧酸鹽系減水劑在日本的使用量超過了萘系減水劑。目前國(guó)內(nèi)對(duì)萘系、三聚氰胺系等高效減水劑的研究和應(yīng)用已日趨完善，不少科研機(jī)構(gòu)已開始轉(zhuǎn)向?qū)埕人嵯蹈咝阅軠p水劑的開發(fā)與研究。
聚羧酸系減水劑的合成一般采用先酯化合成大分子單體聚乙二醇單丙烯酸酯，然后再與一些含有活性基團(tuán)的單體共聚，得到此類減水劑。大分子聚乙二醇單丙烯酸酯單體的合成是關(guān)鍵性問題之一，但目前聚乙二醇單丙烯酸酯的合成工藝還不成熟，直接影響了此類減水劑的工業(yè)化。通過不同以往的方法，先用含有活性基團(tuán)的單體合成高分子主鏈，之后再酯化接枝聚乙二醇側(cè)鏈。本路線對(duì)合成條件要求不高，控制難度大為降低，適合工業(yè)化生產(chǎn)。
1 實(shí) 驗(yàn)
1. 1 原料
聚乙二醇(PEG)1000，工業(yè)級(jí)，江蘇海安石油化工廠； 丙烯酸(AA ) ： 工業(yè)級(jí)，北京東方化工廠； 甲基丙烯磺酸鈉(MAS) ： 工業(yè)級(jí)，山東星之聯(lián)化工有限公司； 引發(fā)劑和酯化催化劑均為工業(yè)級(jí)； 雙鍵濃度的測(cè)定、酯化酸值的測(cè)定所用試劑均為分析純?cè)噭Ｋ鄡魸{實(shí)驗(yàn)所用水泥為小野田52.5 級(jí)硅酸鹽水泥、拉法基52. 5 級(jí)硅酸鹽水泥、南昌萬(wàn)里青42.5級(jí)早強(qiáng)硅酸鹽水泥、華新42. 5 級(jí)硅酸鹽水泥、華新32. 5 礦渣鋼渣水泥。
1. 2 試驗(yàn)過程
1. 2. 1 PC 減水劑的合成
將丙烯酸、引發(fā)劑緩慢滴加(1～ 1.5 h 滴完) 到溫度為(80±2)℃條件下的甲基丙烯磺酸鈉溶液中，攪拌讓其反應(yīng)7 h，生成一定分子量的主鏈MA S2AA。在制得的聚合物MA S2AA 中加入聚乙二醇與酯化催化劑，在溫度為(100±5)℃條件下攪拌讓其反應(yīng)10 h，待反應(yīng)完成后，加入適量水溶解，用氫氧化鈉中和到pH =7，得到一定濃度(30% ) 的聚羧酸系減水劑溶液。
1. 2. 2 不飽和單體含量測(cè)定
在溴化鈉飽和的甲醇溶液中，加入溴后即得到三溴絡(luò)合物(溴合溴化鈉) ，在過量的三溴絡(luò)合物中，加入碘化鉀釋出碘，用硫代硫酸鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定釋出的碘，從而可以計(jì)算樣品含雙鍵的濃度。
在丙烯酸與甲基丙烯磺酸鈉聚合過程中，取少量的溶液測(cè)定不飽和單體的余留濃度。
1. 2. 3 酯化酸值的測(cè)定
在MAS-AA 與聚乙二醇酯化過程中通過測(cè)定單位質(zhì)量酯化反應(yīng)物消耗標(biāo)準(zhǔn)NaOH 溶液的體積來(lái)確定酯化反應(yīng)物中H+ 的濃度，從而說明酯化進(jìn)行的程度。
1. 2.4 水泥凈漿流動(dòng)度及流動(dòng)度損失
稱取水泥300g，量取水87g，采用截錐圓模( 
上= 36 mm ，
下= 64 mm ，h= 60 mm ) 測(cè)定摻減水劑的凈漿流動(dòng)度及60min 的凈漿流動(dòng)度損失。減水劑的摻入量均以固含量計(jì)算。
上= 36 mm ，下= 64 mm ，h= 60 mm ) 測(cè)定摻減水劑的凈漿流動(dòng)度及60min 的凈漿流動(dòng)度損失。減水劑的摻入量均以固含量計(jì)算。1. 2. 5 紅外光譜分析
樣品以丙酮與異丙醇沉淀聚合物，過濾干燥后用KBR 晶片涂膜制樣，采用PE580B 型紅外光譜儀測(cè)定。
2 結(jié)果與討論
2.1 溫度對(duì)聚合反應(yīng)中雙鍵余留濃度的影響
高性能減水劑的分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)趨向是在高分子主鏈或側(cè)鏈上引入強(qiáng)極性基團(tuán)羧基、磺酸基、聚氧化乙烯基等。第1 步丙烯酸與甲基丙烯磺酸鈉聚合過程中最主要是合成高分子主鏈，同時(shí)引入強(qiáng)極性基團(tuán)羧基、磺酸基。共聚過程中溫度對(duì)體系達(dá)到平衡所用時(shí)間及雙鍵的平衡濃度有很大的影響。而雙鍵余留濃度越高，極性基團(tuán)的接枝率越低； 反之極性基團(tuán)的接枝率越高。如圖1 所示當(dāng)溫度為70℃時(shí)，反應(yīng)8h達(dá)到平衡，平衡時(shí)雙鍵余留濃度0。0.43 mmol/g；當(dāng)然溫度升高為80℃時(shí)，反應(yīng)7h 可以達(dá)到平衡，平衡時(shí)雙鍵余留濃度降低為0.025 mmol/g ，當(dāng)溫度升高到90℃時(shí)，反應(yīng)平衡時(shí)間大約為6h，平衡時(shí)雙鍵余留濃度仍為0.025 mmol/g； 如果溫度較低，引發(fā)劑引發(fā)效率低，反應(yīng)速度慢，達(dá)到平衡所用時(shí)間長(zhǎng)，雙鍵余留濃度較高，聚合轉(zhuǎn)化率較低，極性基團(tuán)的接枝率亦低； 溫度過高反應(yīng)劇烈，不易控制； 綜合考慮溫度控制在80℃左右比較適合。
1. 2 酯化反應(yīng)中聚乙二醇投入量對(duì)水泥凈漿流動(dòng)度的影響
高性能減水劑的分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)趨向通過調(diào)節(jié)極性基與非極性基團(tuán)比例和聚合物分子量增大減水性。通過酯化反應(yīng)在MAS-AA 上接枝聚乙二醇側(cè)鏈時(shí)，聚乙二醇的用量對(duì)水泥凈漿流動(dòng)度有很大的影響。圖2 為第2 步酯化聚乙二醇與第一步聚合丙烯酸的摩爾比與水泥凈漿流動(dòng)度的關(guān)系。當(dāng)聚乙二醇用量較少時(shí)，酯化接枝聚乙二醇側(cè)鏈較少，聚乙二醇側(cè)鏈不能有效的發(fā)揮立體位阻作用而提高分散性； 當(dāng)聚乙二醇用量較多時(shí)，聚乙二醇不能完全反應(yīng)，減水劑中含有較多過量的聚乙二醇，降低減水劑的有效成份，影響減水劑的性能； 綜合考慮聚乙二醇與丙烯酸的摩爾比為0.5 比較合適。
2.3 酯化溫度、時(shí)間對(duì)酯化反應(yīng)物酸值的影響
第2 步酯化反應(yīng)中，聚乙二醇的OH 與MAS-AA 主鏈上的COOH 在酸性催化劑的作用下酯化脫水。在反應(yīng)中，COOH 過量，聚乙二醇的2 個(gè)OH 有可能同時(shí)酯化，導(dǎo)致減水劑分子結(jié)構(gòu)破壞。為了提高酯化率，防止雙酯的生成，應(yīng)該嚴(yán)格控制溫度和反應(yīng)時(shí)間。如圖3 所示，當(dāng)溫度80℃左右時(shí)，反應(yīng)速度較慢，反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，12h 才能達(dá)到平衡，且平衡時(shí)H+ 濃度較高約為1.1mmol/g； 當(dāng)溫度為100℃時(shí)，10h 能達(dá)到平衡，且平衡濃度約為1.0 mmol/g；溫度為120℃反應(yīng)6 h 以后會(huì)交聯(lián)，且不溶于水，聚乙二醇形成雙酯分子量過高。綜合考慮，在100℃反應(yīng)10h 比較合適。
1.4 意大利X404、萘系FDN、PC 減水劑對(duì)不同水泥的凈漿流動(dòng)度
意大利X404、萘系FDN、PC 減水劑對(duì)不同水泥的凈漿流動(dòng)度見表1。
從表1 中可以看出，合成的PC 減水劑通過復(fù)配具有很高的減水性能，已經(jīng)達(dá)到了國(guó)外X404 的水平，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了萘系FDN ，并且對(duì)水泥有一定的適應(yīng)性。
1. 5 中間產(chǎn)物及PC 減水劑的結(jié)構(gòu)表征
利用傅立葉紅外光譜技術(shù)對(duì)中間產(chǎn)物MASAA與PC 減水劑的紅外光譜見圖4。在MAS- AA圖譜中可以看出第一步聚合反應(yīng)中各單體打開雙鍵行進(jìn)了聚合反應(yīng)，形成了含有磺酸基、羧基的高分子主鏈。在PC 減水劑圖譜上可以發(fā)現(xiàn)聚氧烷基(2500～3 300cm - 1)、磺酸基團(tuán)(1039cm - 1、619cm - 1 )、羧基(1577cm - 1、1 248cm - 1 )、羥基(1099 cm - 1 )等官能團(tuán)的特征振動(dòng)，表明合成得到聚合物結(jié)構(gòu)與分子設(shè)計(jì)預(yù)期的結(jié)果相符。
3 結(jié) 論
(1) 甲基丙烯磺酸鈉(MAS)與丙烯酸(AA) 在一定條件下發(fā)生聚合反應(yīng)合成高分子主鏈MA SAA，然后與一定分子量的聚乙二醇發(fā)生酯化反應(yīng)可以合成含有羧基(-COOM )，磺酸基(-SO 3M ) ，聚乙二醇側(cè)鏈(- OC2H4- ) 的聚羧酸系減水劑PC。
(2) 第1 步聚合反應(yīng)在80℃左右反應(yīng)7h 比較合適，第2 步酯化反應(yīng)在100℃反應(yīng)10h 比較合適。
(3) 酯化反應(yīng)中聚乙二醇的用量為丙烯酸用量的0.5(物質(zhì)的量) 時(shí)減水劑的分散性能最佳。
(4) 合成的減水劑具有高分散性能，通過復(fù)配，減水劑摻量為0.08% (固含量) 時(shí)，凈漿流動(dòng)度可達(dá)到260mm ，達(dá)到了國(guó)外同類產(chǎn)品水平。
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