一种基于木质素基聚醚单体的聚羧酸减水剂及其制备方法和在混凝土中的应用

技术领域

本发明属于混凝土高效减水剂技术领域，特别涉及一种基于木质素基聚醚单体的聚羧酸减水剂及其制备方法和在混凝土中的应用。

背景技术

聚羧酸系高性能减水剂在现代建筑材料中有着无法替代的地位，它具有低掺量、高减水率、高分散性、高保坍性和生产中无污染等优点，另外聚羧酸分子结构可设计性强，使得广大研究者可以根据所需要的功能设计相应的结构。但是聚羧酸减水剂存在着无法避免的缺点，比如：①聚羧酸系减水剂对胶凝材料的适应性问题，不同厂家、不同批号的聚羧酸系高效减水剂与某些水泥会严重不适应，导致发往工地的混凝土不能正常使用。②聚羧酸系减水剂对砂的含泥量敏感性问题，粘土的存在会降低甚至丧失聚羧酸减水剂对水泥、混凝土的分散能力。当泥掺量达到15％时，聚羧酸减水剂由于泥的存在已无分散作用。③聚羧酸系减水剂与其他外加剂的相容性问题，聚羧酸减水剂对复配组分具有较强的选择性，与萘系减水剂“水火不容”，对于聚羧酸减水剂与常规减水剂不能复合使用的机理尚不清楚，目前也没有良好的解决措施。

木质素磺酸盐作为第一代减水剂，虽然减水率比较低，但是具有较好的引气性、缓凝性、保水性，尤其是经过改性的木质素，具有更加优异的性能，广泛地被用作各类混凝土外加剂。研究表明，聚羧酸减水剂与木质素磺酸盐的相容性良好，在聚羧酸减水剂中引入木质素，可以解决聚羧酸高掺量下泌水、板结的问题，增强聚羧酸的分散性、保水性、保坍性。据文献报道，目前在聚羧酸减水剂中引入木质素的方法主要有两种。一种方法是直接将木质素磺酸盐与聚羧酸复配。但是，聚羧酸减水剂与木质素磺酸盐的复配并不能改变聚羧酸减水剂的分子结构，改性效果难以保证。且当木质素磺酸盐用量较大时，反而会大大降低聚羧酸的分散性能。另一种方法是直接以木质素磺酸盐作为一种大单体，与聚羧酸减水剂的大单体进行聚合反应，得到木质素接枝的聚羧酸减水剂。但木质素磺酸盐中的不饱和双键含量比较低，因此这种方法反应效率低下，也难以达到改性目标。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点与不足，本发明的首要目的在于提供一种基于木质素基聚醚单体的聚羧酸减水剂。

本发明提供的木质素聚醚型聚羧酸是一种结构可调控的聚羧酸，其分子结构可控性强。本发明减水剂中不仅可控制木质素在聚羧酸中的引入量，更关键的在于将木质素结构成功引入到聚羧酸分子结构中，改变了聚羧酸减水剂的结构和性质；所得减水剂具有较好的保水性，且对水泥体系的黏度有一定的降低作用，在控制混凝土初始流动度相同情况下，随着木质素聚醚用量的增多，对水泥浆体的黏度降低效果越明显，有利于在搅拌、泵送过程中降低能耗。

本发明另一目的在于提供上述基于木质素基聚醚单体的聚羧酸减水剂的制备方法。

本发明方法以木质素为原料，通过与不饱和聚醚进行接枝取代反应，首先制备不饱和的木质素聚醚单体；再与聚羧酸单体进行自由基聚合反应，得到木质素聚醚型的聚羧酸减水剂。

本发明首先制备得到的不饱和的木质素聚醚单体，其聚醚接枝量可调控；再与聚羧酸单体反应时，也可通过调整木质素聚醚的用量，从而获得多种不同结构的木质素聚醚型聚羧酸。

本发明再一目的在于提供上述基于木质素基聚醚单体的聚羧酸减水剂在混凝土中的应用。

本发明的目的通过下述方案实现：

一种基于木质素基聚醚单体的聚羧酸减水剂，具体为木质素聚醚聚羧酸，由包括以下质量份的组分通过链转移反应得到：1～40份不饱和的木质素聚醚单体；99～60份不饱和聚氧乙烯醚；9～16份不饱和羧酸；

所述不饱和的木质素聚醚单体由包括以下质量份的组分反应得到：100质量份不饱和聚氧乙烯醚，30～120质量份木质素。

本发明中，所述的不饱和聚氧乙烯醚可为TPEG、HPEG、APEG和VPEG等中的至少一种；分子量可为1000～10000。

所述的不饱和羧酸可为丙烯酸、甲基丙烯酸、马来酸酐、衣康酸、丙烯酸及其羧酸盐等中的至少一种。

所述的木质素可为麦草碱木质素、松木碱木质素、杨木碱木质素和蔗渣碱木质素中的至少一种。

进一步的，所述不饱和的木质素聚醚单体，具体由包括以下步骤方法得到：卤代试剂和不饱和聚氧乙烯醚在40～70℃反应2～3h生成氯代中间体，再与木质素在催化剂作用下，80～100℃反应1～2h，得到不饱和的木质素聚醚单体。

所用氯代试剂的量与不饱和聚氧乙烯醚的摩尔比为：0.1:1～1.2：1。

所述氯代试剂可为环氧氯丙烷、环氧氯乙烷等。

所述催化剂为路易斯酸，可为氯化铝、氯化铁、三氟化硼、五氯化铌等中的至少一种。所述催化剂的用量为催化量即可，可为不饱和聚氧乙烯醚质量的0.5～2％。

所述木质素可先溶于碱液中，得到木质素碱液再用于反应。所述碱液可为氢氧化钠、氢氧化钾和氢氧化钙等中的至少一种溶于水中得到。

所述反应体系中木质素的含量应大于等于25％。

所述碱的用量可为不饱和聚氧乙烯醚质量的5～20％。

所述碱液的用量可为不饱和聚氧乙烯醚质量的1.9～3倍。

本发明中，还含有0.1～1质量份抗氧剂。

本发明的基于木质素基聚醚单体的聚羧酸减水剂的制备方法，具体包括以下步骤：

(1)100质量份不饱和聚氧乙烯醚和30～120质量份木质素反应，得到不饱和的木质素聚醚单体；

(2)将1～40质量份不饱和的木质素聚醚单体；99～60质量份不饱和聚氧乙烯醚；9～16质量份不饱和羧酸混合，在引发剂、链转移剂的作用下，30～80℃搅拌反应2～3h，保温1～2h，中和，得到木质素聚醚聚羧酸。

所述的引发剂为本领域常规引发剂即可，如可为过氧化氢、过硫酸盐、亚硫酸盐、AIBN、过氧化二酰等中的至少一种，优选为30％过氧化氢、过硫酸钾、过硫酸铵、亚硫酸氢钠中的至少一种。

所述引发剂的用量可为2～4质量份。

所述的链转移剂为本领域常规的链转移剂即可，如可为脂肪族硫醇、三氯乙烯、四氯甲烷等中的至少一种。

所述链转移剂的用量可为0.1～1质量份。

所述反应优选在碱液环境中进行，可加入氢氧化钠、氢氧化钾和氢氧化钙等强碱水溶液中的至少一种。

所述碱液的用量可为150～300质量份。所述碱液中碱的用量优选为3～15质量份。

所述反应中还可加入抗氧剂。所述的抗氧剂可为抗坏血酸、亚磷酸盐和亚硫酸氢盐等中的至少一种。所述抗氧剂的用量可为0.1～1质量份。

更具体地，本发明的基于木质素基聚醚单体的聚羧酸减水剂的制备方法，具体包括以下步骤：

(1)将30～120质量份木质素加入碱液中，搅拌溶解，放置置气泡消失，得到木质素碱液；

(2)将100质量份不饱和聚氧乙烯醚、卤代试剂、催化剂混匀，40℃～70℃进行搅拌反应2～3h，加入木质素碱液，升高温度至80～100℃反应1～2小时，得到木质素聚醚；

(3)将1～40质量份不饱和的木质素聚醚单体、99～60质量份不饱和聚氧乙烯醚、9～16质量份不饱和羧酸、引发剂、链转移剂、水混匀，于30℃～80℃搅拌反应2～3h，保温1～2h，中和，得到木质素聚醚聚羧酸。

本发明方法制备得到的基于木质素基聚醚单体的聚羧酸减水剂，具体为木质素聚醚聚羧酸，其结构可调控，分子结构可控性强，所得减水剂具有较好的保水性，且对水泥体系的黏度有一定的降低作用，在控制混凝土初始流动度相同情况下，随着木质素聚醚用量的增多，对水泥浆体的黏度降低效果越明显，有利于在搅拌、泵送过程中降低能耗，可应用于混凝土中。

本发明木质素聚醚聚羧酸减水剂的分散性能高，且能在与无木质素聚羧酸相同的初始流动度情况下，降低水泥浆体的黏度，一定程度上能解决木质素泌水、板结的问题，使得使用本发明木质素聚醚型聚羧酸的混凝土在搅拌、泵送过程中较少能耗，同时便于施工。同时因为木质素低廉的价格，使得所制备的木质素聚醚聚羧酸减水剂能降低10％左右。

本发明木质素聚醚型聚羧酸减水剂控制木质素在聚羧酸中的引入量，更关键的在于对聚羧酸分子结构的调控性，同时制得的木质素聚醚型聚羧酸有较好的保水性，对水泥体系的黏度有一定的降低作用，在混凝土搅拌、泵送的过程中可以大大降低能耗。本发明木质素聚醚型聚羧酸减水剂由于木质素的引入，可大大降低聚羧酸的合成成本，并且可应用于混凝土领域。

附图说明

图1为实施例1与实施例2所制备的木质素聚醚聚羧酸的红外光谱图。

图2为实施例1与实施例2所制备的木质素聚醚聚羧酸的粒径分布图。

图3为实施例A和实施例B不同结构的木质素聚醚的分子结构示意图。

图4为实施例1与实施例5所制备的木质素聚醚聚羧酸的分子结构示意图图。

图5为实施例1与实施例2、对比例1所制备的木质素聚醚聚羧酸的表面张力测试图。

图6为实施例1与实施例2、对比例1所制备的木质素聚醚聚羧酸的起泡性能测试图。

图7为实施例1与实施例2、对比例1所制备的木质素聚醚聚羧酸的净浆流动度测试图。

图8为实施例1与实施例2、对比例1所制备的木质素聚醚聚羧酸的净浆流动度经时损失测试结果图。

图9为实施例1与实施例2、对比例1所制备的木质素聚醚聚羧酸的净浆流空时间测试结果图。

图10为实施例1与实施例2、对比例1所制备的木质素聚醚聚羧酸的保水率测试结果图。

图11为实施例1与实施例2、对比例1所制备的木质素聚醚聚羧酸的净浆流变性能测试结果图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

下列实施例中涉及的物料均可从商业渠道获得。

实施例A：木质素聚醚的制备

取麦草碱木质素120g、15g NaOH、300g水混合，机械搅拌，使木质素全部溶解，然后放置4～8个小时直至气泡消失，得到木质素溶液。将100g相对分子量为2400的不饱和聚醚加热至60℃，使其完全熔化，滴入0.5g三氟化硼-乙醚溶液和4.5g环氧氯乙烷，反应2h后，将木质素碱液全部加入，升高温度至90℃，反应2.5h，得到木质素聚醚。

实施例B：木质素聚醚的制备

取麦草碱木质素30g、5g NaOH、192g水混合，机械搅拌，使木质素全部溶解，然后放置4～8个小时直至气泡消失，得到木质素溶液。将100g相对分子量为2400的不饱和聚醚加热至60℃，使其完全熔化，滴入0.5g三氟化硼-乙醚溶液和4.5g环氧氯乙烷，反应2h后，将木质素碱液全部加入，升高温度至90℃，反应2.5h，得到木质素聚醚。

实施例1：木质素聚醚聚羧酸减水剂的制备

将99g聚烷氧烯基长链不饱和单体(TPEG2400)、1.5g过硫酸铵和实施例A所制备的木质素聚醚1g溶于100g水中，得到聚醚混合液；12.9g丙烯酸溶解在50g水中配成溶液A；0.35g抗坏血酸和0.5g巯基乙醇溶解在40g水中配成溶液B；

将聚醚混合液搅拌均匀，并升温至65℃，然后一次性将2g过硫酸铵加入到反应瓶中，持续机械搅拌，然后分别滴加溶液A和溶液B，溶液A滴加3h，溶液B滴加3.5h，溶液B滴加完成后继续保温1.5h，停止反应，待反应液降温至室温时，用30％的NaOH溶液调节反应液pH至6～7，得到木质素聚醚聚羧酸。

实施例2：木质素聚醚聚羧酸减水剂的制备

将95g聚烷氧烯基长链不饱和单体(TPEG2400)、1.5g过硫酸铵和实施例A所制备的木质素聚醚5g溶于100g水中，得到聚醚混合体；12.4g丙烯酸溶解在50g水中配成溶液A；0.35g抗坏血酸和0.5g巯基乙醇溶解在40g水中配成溶液B；

将聚醚混合液搅拌均匀，并升温至65℃，然后一次性将2g过硫酸铵加入到反应瓶中，持续机械搅拌，然后分别滴加溶液A和溶液B，溶液A滴加3h，溶液B滴加3.5h，溶液B滴加完成后继续保温1.5h，停止反应，待反应液降温至室温时，用30％的NaOH溶液调节反应液pH至6～7，得到木质素聚醚聚羧酸。

实施例3：木质素聚醚聚羧酸减水剂的制备

将90g聚烷氧烯基长链不饱和单体(TPEG2400)、1.5g过硫酸铵和实施例A所制备的木质素聚醚10g溶于100g水中，得到聚醚混合液；11.8g丙烯酸溶解在50g水中配成溶液A；0.35g抗坏血酸和0.5g巯基乙醇溶解在40g水中配成溶液B；

将聚醚混合液搅拌均匀，并升温至65℃，然后一次性将2g过硫酸铵加入到反应瓶中，持续机械搅拌，然后分别滴加溶液A和溶液B，溶液A滴加3h，溶液B滴加3.5h，溶液B滴加完成后继续保温1.5h，停止反应，待反应液降温至室温时，用30％的NaOH溶液调节反应液pH至6～7，得到木质素聚醚聚羧酸。

实施例4：木质素聚醚聚羧酸减水剂的制备

将75g聚烷氧烯基长链不饱和单体(TPEG2400)、1.5g过硫酸铵和实施例A所制备的木质素聚醚25g溶于100g水中，得到聚醚混合液；10.9g丙烯酸溶解在50g水中配成溶液A；0.35g抗坏血酸和0.5g巯基乙醇溶解在40g水中配成溶液B；

将聚醚混合液搅拌均匀，并升温至65℃，然后一次性将2g过硫酸铵加入到反应瓶中，持续机械搅拌，然后分别滴加溶液A和溶液B，溶液A滴加3h，溶液B滴加3.5h，溶液B滴加完成后继续保温1.5h，停止反应，待反应液降温至室温时，用30％的NaOH溶液调节反应液pH至6～7，得到木质素聚醚聚羧酸。

实施例5：木质素聚醚聚羧酸减水剂的制备

将99g聚烷氧烯基长链不饱和单体(TPEG2400)、1.5g过硫酸铵和实施例B所制备的木质素聚醚1g溶于100g水中，得到聚醚混合液；12.8g丙烯酸溶解在50g水中配成溶液A；0.35g抗坏血酸和0.5g巯基乙醇溶解在40g水中配成溶液B；

将聚醚混合液搅拌均匀，并升温至65℃，然后一次性将2g过硫酸铵加入到反应瓶中，持续机械搅拌，然后分别滴加溶液A和溶液B，溶液A滴加3h，溶液B滴加3.5h，溶液B滴加完成后继续保温1.5h，停止反应，待反应液降温至室温时，用30％的NaOH溶液调节反应液pH至6～7，得到木质素聚醚聚羧酸。

实施例6：木质素聚醚聚羧酸减水剂的制备

将95g聚烷氧烯基长链不饱和单体(TPEG2400)、1.5g过硫酸铵和实施例B所制备的木质素聚醚5g溶于100g水中，得到聚醚混合液；12.2g丙烯酸溶解在50g水中配成溶液A；0.35g抗坏血酸和0.5g巯基乙醇溶解在40g水中配成溶液B；

将聚醚混合液搅拌均匀，并升温至65℃，然后一次性将2g过硫酸铵加入到反应瓶中，持续机械搅拌，然后分别滴加溶液A和溶液B，溶液A滴加3h，溶液B滴加3.5h，溶液B滴加完成后继续保温1.5h，停止反应，待反应液降温至室温时，用30％的NaOH溶液调节反应液pH至6～7，得到木质素聚醚聚羧酸。

实施例7：木质素聚醚聚羧酸减水剂的制备

将90g聚烷氧烯基长链不饱和单体(TPEG2400)、1.5g过硫酸铵和实施例B所制备的木质素聚醚10g溶于100g水中，得到聚醚混合液；11.1g丙烯酸溶解在50g水中配成溶液A；0.35g抗坏血酸和0.5g巯基乙醇溶解在40g水中配成溶液B；

将聚醚混合液搅拌均匀，并升温至65℃，然后一次性将2g过硫酸铵加入到反应瓶中，持续机械搅拌，然后分别滴加溶液A和溶液B，溶液A滴加3h，溶液B滴加3.5h，溶液B滴加完成后继续保温1.5h，停止反应，待反应液降温至室温时，用30％的NaOH溶液调节反应液pH至6～7，得到木质素聚醚聚羧酸。

实施例8：木质素聚醚聚羧酸减水剂的制备

将70g聚烷氧烯基长链不饱和单体(TPEG2400)、1.5g过硫酸铵和实施例B所制备的木质素聚醚30g溶于100g水中，得到聚醚混合液；10.2g丙烯酸溶解在50g水中配成溶液A；0.35g抗坏血酸和0.5g巯基乙醇溶解在40g水中配成溶液B；

将聚醚混合液搅拌均匀，并升温至65℃，然后一次性将2g过硫酸铵加入到反应瓶中，持续机械搅拌，然后分别滴加溶液A和溶液B，溶液A滴加3h，溶液B滴加3.5h，溶液B滴加完成后继续保温1.5h，停止反应，待反应液降温至室温时，用30％的NaOH溶液调节反应液pH至6～7，得到木质素聚醚聚羧酸。

对比例1

将100g聚烷氧烯基长链不饱和单体(TPEG2400)、1.5g过硫酸铵溶于100g水中；12.9g丙烯酸溶解在50g水中配成溶液A；0.35g抗坏血酸和0.5g巯基乙醇溶解在40g水中配成溶液B；

将聚醚混合液搅拌均匀，并升温至65℃，然后一次性将2g过硫酸铵加入到反应瓶中，持续机械搅拌，然后分别滴加溶液A和溶液B，溶液A滴加3h，溶液B滴加3.5h，溶液B滴加完成后继续保温1.5h，停止反应，待反应液降温至室温时，用30％的NaOH溶液调节反应液pH至6～7，得到不含有木质素聚醚的聚羧酸。

实施例A和实施例B制备得到的不同木质素聚醚、实施例1和实施例2的不同木质素聚醚聚羧酸的分子结构见图3和图4；为了确定结构，对本发明合成的木质素聚醚聚羧酸进行FTIR、动态光散射等测试，结果分别见图1和图2，另外进行表面张力、净浆流动度、流动度损失、流空时间、流变性能等测试，结果见图5～图11。

由图1中红外光谱的吸收峰可以看出，实施例1与实施例2，所合成的木质素聚醚聚羧酸在650cm^-1～900cm^-1的吸收峰即为苯环的吸收峰，这说明木质素成功引入到聚羧酸之中，1728cm^-1为木质素聚醚聚羧酸的羧基中C＝O吸收峰，1106cm^-1为木质素聚醚聚羧酸的醚键吸收峰。

由图2可以看出实施例1所制备的木质素聚醚聚羧酸的粒径在3nm左右，且分布十分均匀，而实施例2所制备的木质素聚醚聚羧酸的粒径在12nm左右，且分布比较均匀。由此可以看出，所制备的木质素聚醚聚羧酸的粒径会随着木质素聚醚的用量，即木质素的引入量而增大。

由图5中表面张力测试结果可以看出，随着木质素聚醚用量的增多，所制备的木质素聚醚聚羧酸的表面张力越来越低，表面活性逐渐增大，相比对比例1来看，表面活性有很大的提高。

由图6中起泡性能测试结果可以看出，随着木质素聚醚用量的增多，所制备的木质素聚醚聚羧酸的起泡性能越来越好，相比对比例1来看，起泡性能有很大的提高，这有利于木质素聚醚聚羧酸的引起性能的提高，在一定程度上可以减小泌水、离析程度。

由图7实施例1与实施例2、对比例1所制备的木质素聚醚聚羧酸的净浆流动度测试图来看，即使引入木质素聚醚的其依然有非常良好的分散性。

由图8实施例1与实施例2、对比例1所制备的木质素聚醚聚羧酸的净浆流动度经时损失测试结果来看，在水灰比为0.29时，在保持初始流动度为250mm时，实施例1与实施例2、对比例1所制备的木质素聚醚聚羧酸的净浆流动度经时损失十分相似，说明木质素聚醚的使用并不会降低聚羧酸的分散性。

由图9实施例1与实施例2、对比例1所制备的木质素聚醚聚羧酸的净浆流空时间测试结果来看，添加素聚醚聚羧酸的水泥无木质素的聚羧酸的水泥体系具有更低的黏度，流空时间随着聚醚的用量增多而下降，这有利于在混凝土搅拌、泵送的过程中能耗的减少。

由图10实施例1与实施例2、对比例1所制备的木质素聚醚聚羧酸的保水率测试结果来看，添加素聚醚聚羧酸的水泥无木质素的聚羧酸的水泥体系具有更高的保水率，且保水率随着木质素聚醚的用量增多而提高。

由图11实施例1与实施例2、对比例1所制备的木质素聚醚聚羧酸的净浆流变性能测试结果来看，在相同的剪切速率下，添加素聚醚聚羧酸的水泥无木质素的聚羧酸的水泥体系具有更低的剪切应力和剪切粘度，这与流空时间测试结果是相同的，说明使用木质素聚醚制备的聚羧酸在使用时，可以降低水泥体系的表观黏度。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。