具有超支化拓扑结构的降粘剂、其制备方法及应用与流程

1.本发明涉及一种具有超支化拓扑结构的降粘剂、其制备方法及其应用，属建筑材料技术领域。


背景技术：

2.随着高效减水剂和高性能减水剂的问世和发展，(超)高性能混凝土也得到了快速发展，高强度混凝土通常采用很低的水胶比。在由此带来低水胶比体系的高粘度问题，高粘度会导致混凝土搅拌、运输、泵送等一系列问题，进而限制高强度和超高强度混凝土的普及。目前采用的降粘方法主要从化学外加剂和无机掺和料两方面入手，化学外加剂分为利用引入气泡的润滑作用来降低粘度和降黏型羧酸两类，降黏型羧酸有报道通过增加更多亲水基团降低粘性和利用磷酸基团的高亲水、高负电荷降低黏度的。但是大多都在常规水胶比下，其在极低水胶比下的降粘程度有限。利用引入气泡增加润滑的缺点在于带来的(超)高性能混凝土耐久性、强度下降以及混凝土外观问题如何解决又是一大难题。通过掺合料改善级配降黏的报道有粉煤灰、石粉等为主，通过引入滚珠效应带来一定的降黏效果，但是由于掺合料本身也会带来堆积密度的改善，所以实际上对于高强和超高强混凝土粉煤灰的降粘作用有限。
3.针对以上不足之处，一种解决思路就是改变聚羧酸减水剂的拓扑结构，将其通常的线性主链结构变为树状立体的超支化主链结构，一方面同等分子量下超支化链高分子相对于线性链高分子粘度更低，另一方面分子主链的超支化结构使得分子侧链的空间排布改变，这使得在与黏土作用的过程中超支化主链的减水剂的聚乙二醇侧链难以取向为同一朝向，进而影响了其与黏土片层的插层作用，降低了其对黏土的亲和性。关于超支化减水剂的制备，不少专利文献也进行了公开报道。
4.专利文献cn102002134a报道了一种超支化聚羧酸减水剂及其制备方法。该发明以丙烯酸甲酯、乙醇胺、2-溴乙醇、丙二酸为原料合成溴端基超支化聚(胺-酯)，并以其为结构核心，通过含溴端基引发原子转移自由基聚合引入聚羧酸端链，进而得到含超支化结构的聚羧酸系减水剂。该减水剂具有掺量低、减水率高、坍落度损失小、与水泥相容性好、抗冻能力强等优点。但是该减水剂的聚酯结构核心合成复杂，且酯类化合物在高碱的混凝土体系中会逐渐水解，稳定性存在问题。同时后续合成使用的原子转移自由基聚合法成本较高，需要溴化亚铜和2,2-联吡啶等不易保存或有毒的试剂，条件较严苛，影响了其应用潜力。
5.王毅等在《低收缩,降粘型聚羧酸减水剂的合成及其应用》中介绍了一种具有低收缩降黏型的聚羧酸减水剂合成方法和应用，使用马来酸酐、二乙二醇单甲醚、mpeg大单体为主要原料进行自由基聚合，利用了二乙二醇单甲醚的减缩、降黏特性，得到的产品在水胶比0.31的条件下具有较好的降黏效果。
6.plank等在《non-absorbing small molecules as auxiliary dispersants for polycarboxylate superplasticizers》中提出非离子非吸附的小分子多元醇如新戊二醇可以降低空隙溶液的表面张力，增加水泥表面润湿性，有助于未能吸附的减水剂分子吸附
在水泥颗粒表面，从而带来浆体粘度下降，流动度改善的结论。首先多元醇起到润湿助分散功能，其次新戊二醇具有的支链结构插入到空隙液且插入聚羧酸减水剂的支链结构中，利用空间效应以及和聚醚支链之间形成氢键作用阻碍支链间缠结。
7.综上所述，目前针对超支化的聚羧酸减水剂已有深入研究，而具有枝化结构的非离子型产品研究较少。


技术实现要素：

8.目前针对混凝土泵送或者施工过程中由于黏度太大导致的工作性困难，尤其是在低水胶比的条件下，本发明提供了一种原料易得，一类全新的具有超支化拓扑结构的降粘剂、其生产工艺及其应用。
9.本发明的一个目的是提供一种具有超支化拓扑结构的降粘剂。
10.本发明的一个目的是提供一种具有超支化拓扑结构的降粘剂的制备方法，采用常规工艺、原料易得，所得降粘剂具有较好的润湿促分散稳泡及降粘效果。
11.本发明的另一个目的是提供所述具有超支化拓扑结构的降粘剂作为水泥降粘剂的应用。
12.本发明提供了一种具有超支化拓扑结构的降粘剂，所述降粘剂为在体型结构中引入多羟基结构形成，体型结构疏水链段相对集中在内部，而亲水性羟基在分子最外圈。
13.本发明所述降粘剂以具有拓扑结构的多元醇为原始反应基体依次循环通过酯化及酰胺化后得到的一系列具有超支化拓扑结构的产物，所述酯化及酰胺化次数为1-2次；即首先多元醇与第一批次单体r的其中一个羧基发生酯化反应得到酯化产物，之后酯化产物与第一批次二乙醇胺发生酰胺化反应得到具有超支化拓扑结构的产物ⅰ；该产物ⅰ可再与第二批次单体r、第二批次二乙醇胺依次发生酯化及酰胺化反应得到具有超支化拓扑结构的产物ⅱ；本发明所述降粘剂包括上述具有超支化拓扑结构的产物ⅰ和产物ⅱ；
14.所述多元醇为季戊四醇或甘油；
15.所述循环酯化反应各步骤所用单体r均独立的选择具有双羧基结构的单体或者其分子内或分子间脱水形成的酸酐单体；所述单体r包括饱和与不饱和酸及酸酐，选自草酸、丙二酸、1,4-丁二酸，1,4-顺丁烯二酸，戊二酸，戊烯二酸、辛二酸及其酸酐中任意一种；
16.所述降粘剂的重均分子量范围为480～2056。
17.在本发明的另一方面，提供了一种具有超支化拓扑结构的降粘剂的制备方法，包括如下步骤：
18.(1)使季戊四醇或甘油与第一批次单体r发生酯化反应，得到具有超支化结构的共聚物中间体c1；
19.其中季戊四醇脱氢和甘油脱氢分别对应单体a和单体b，其结构式如下
20.[0021][0022]
中间体c1的结构式为通式(1)或(2)中的一种，
[0023][0024]
其中，r1为单体r中去除一个羧基且另外一个羧基与羟基酯化后的残基；
[0025]
当采用季戊四醇时，所述季戊四醇与第一批次单体r的摩尔比为1:(4.2～4.8)；当采用甘油时，所述甘油与第一批次单体r的摩尔比为1:(3.15～3.6)；
[0026]
(2)使中间体c1与第一批次二乙醇胺进行分步酰胺化反应，得到具有超支化拓扑结构的产物ⅰ，其结构式为通式(3)或(4)中一种；
[0027][0028]
所述中间体c1中所含羧基与第一批次二乙醇胺摩尔比为1：1.1～1：1.3；
[0029]
(3)步骤(2)得到的产物ⅰ与第二批次单体r酯化后得到中间体c2，之后再与第二批次二乙醇胺酰胺化得到具有超支化拓扑结构的产物ⅱ；该酯化反应原理与步骤(1)一致，酰胺化反应原理与步骤(2)一致；
[0030]
当产物ⅰ与单体r发生第二次酯化反应时，产物ⅰ中的羟基与第二批次单体r的摩尔比1:1.05～1.2；
[0031]
所述中间体c2中所含羧基与第二批次二乙醇胺摩尔比为1：1.05～1.2。
[0032]
上述具有超支化拓扑结构的产物ⅰ及产物ⅱ即为本发明所述一类具有超支化拓扑结构的降粘剂；
[0033]
所述步骤(1)及步骤(3)中的酯化反应采用的单体r的选择相同或不同。
[0034]
在本发明的一个优选实施方案中，上述具有超支化拓扑结构的降粘剂的具体制备步骤如下：
[0035]
(1)将季戊四醇或甘油和第一批次单体r混合，在催化剂g1存在条件下进行酯化反应，得到酯化产物c1；
[0036]
(2)将步骤(1)制得的酯化产物按照酯化产物c1中羧基和第一批次二乙醇胺摩尔比为1:1～1.3分两步反应，第一步将酯化产物按照羧基和二乙醇胺摩尔比为1:0.5～0.7混合在氮气保护下在100～200℃下发生酰胺化反应，并在反应装置上添加分水器；在上述反应至无水分馏出后，将催化剂g2加入剩余二乙醇胺中并加入反应体系进行第二步酰胺化反应，得到具有超支化拓扑结构的产物ⅰ；
[0037]
(3)步骤(2)得到的产物ⅰ作为中间产品再次与第二批次单体r、第二批次二乙醇胺循环进行步骤(1)～(2)的酯化及酰胺化反应，得到具有超支化拓扑结构的产物ⅰ；
[0038]
步骤(2)及步骤(3)所述具有超支化拓扑结构的产物ⅰ和ⅱ即为本发明所述降粘剂
产物；所述降粘剂产物用丙酮溶液多次萃取除去过量二乙醇胺，酰胺化产率为85％-95％，得到具有超支化拓扑结构的降粘剂产品。
[0039]
步骤(1)中所述催化剂g1为酸性催化剂，所述酯化反应的温度为110～130℃，反应时间为2.5～6h(以无馏出水分或点板无原料点为终点)；所述酸性催化剂用量为当前步骤中反应底物质量占比0.5～2％wt，单体r的用量稍微过量可以提高酯化率。
[0040]
步骤(2)中所述第一步酰胺化的温度为常压或减压条件下100～200℃，反应时间为1～3h；所述第二步酰胺化反应在常压下反应，所述催化剂g2用量为步骤(1)中单体r摩尔用量的3～8％；反应温度在40～110℃，反应时间为1～5h。
[0041]
在本发明的一个优选实施方案中，所述酸性催化剂为浓硫酸或对甲苯磺酸；
[0042]
在本发明的一个优选实施方案中，所述催化剂g2为碱性催化剂，选自苛性钠、苛性钾、甲醇钠、乙醇钠、碳酸钠和碳酸钾中任意一种。
[0043]
根据本发明的第三方面，还提供了所述具有超支化拓扑结构的降粘剂的应用。本发明所述降粘剂作为水泥或混凝土降粘剂使用，所述降粘剂的常规掺量为总胶凝材料质量的0.2％-3％，最优掺量为0.5％-2％，所述掺量为纯固体掺量。掺量过低，对于水泥颗粒的润湿不足，水泥间隙液的释放不够，与减水剂分子之间的协同作用不够，在低水胶比下粘度改善不明显，掺量过高，则容易成本较高，同时在溶液中的作用达到平衡，对于减水剂的促进分散效果和降粘效果无法进一步提高。实际使用中工程人员可根据应用场景在此范围内优选。
[0044]
本发明的有益效果：
[0045]
(1)本发明的所述降粘剂利用在体型结构中引入多羟基结构，体型结构疏水链段相对集中在内部，而亲水性羟基在分子最外圈；因此提高了产品的润湿性能，利于降粘剂分子进入间隙液内释放自由水，同时体型结构可以更好的阻止聚羧酸减水剂聚合物支链间相互缠结；
[0046]
(2)本发明的产品制备方法原料易得、工艺均为成熟工艺，具有量产可行性；
[0047]
(3)本发明所述降粘剂具有水泥适应性好、低水胶比下降黏效果显著的优点。
具体实施方式
[0048]
以下实施例更详细的描述了本发明提供的降粘剂，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，但这些实施例绝不限制本发明的范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
[0049]
实施例
[0050]
实施例1(a+乙酸+二乙醇胺)
[0051]
在装有搅拌器、温度计和分水器的四口烧瓶中加入27.2g季戊四醇(0.2mol)，79.2g草酸(0.88mol)，对甲苯磺酸：0.23g，在搅拌条件下，反应温度为115℃，反应4h后，得到酯化产物c1-1，产率》95％；
[0052]
在装有搅拌器、温度计和分水器的四口烧瓶中加入84.8g酯化产物c1-1，26.2g二乙醇胺，在氮气保护下，减压条件下在100℃，反应时间1h；
[0053]
预先混合好乙醇钠4.85g和26.2g二乙醇胺加入到上步反应体系中，在40℃条件下，反应5h时间，得到最终降粘剂产品
ⅰ‑
1，收率85％。
[0054]
实施例2(1108＝a+辛二酸+二乙醇胺)
[0055]
在装有搅拌器、温度计和分水器的四口烧瓶中加入27.2g季戊四醇(0.2mol)，146.16g辛二酸(0.84mol)，浓硫酸：1.74g，在搅拌条件下，反应温度为110℃，反应6h后，得到酯化产物c1-2，产率》95％；
[0056]
在装有搅拌器、温度计和分水器的四口烧瓶中加入152g酯化产物c1-2，36.7g二乙醇胺，在氮气保护下，减压条件下在120℃，反应时间3h；
[0057]
预先混合好乙醇钠8.08g和15.8g二乙醇胺加入到上步反应体系中，在60℃条件下，反应3h时间，得到最终降粘剂产品
ⅰ‑
2，收率88％。
[0058]
实施例3(b+马来酸酐)
[0059]
在装有搅拌器、温度计和分水器的四口烧瓶中加入18.4g甘油(0.2mol)，70.56g马来酸酐(0.72mol)，对甲苯磺酸：0.45g，在搅拌条件下，反应温度为110℃，反应2.5h后，得到酯化产物c1-3，产率》95％；
[0060]
在装有搅拌器、温度计和分水器的四口烧瓶中加入105.6g酯化产物c1-3，37.4g二乙醇胺，在氮气保护下，油浴加热在160℃，反应时间2.5h；
[0061]
预先混合好碳酸钾8.11g和24.5g二乙醇胺加入到上步反应体系中，在80℃条件下，反应1h时间，得到最终降粘剂产品
ⅰ‑
3，收率92％。
[0062]
实施例4(b+戊二酸)
[0063]
在装有搅拌器、温度计和分水器的四口烧瓶中加入18.4g甘油(0.2mol)，83.16g戊二酸(0.63mol)，浓硫酸：2.03g，在搅拌条件下，反应温度为130℃，反应4.5h后，得到酯化产物c1-4，产率》95％；
[0064]
在装有搅拌器、温度计和分水器的四口烧瓶中加入118.4g酯化产物c1-4(0.2mol)，36.7g二乙醇胺，在氮气保护下，减压油浴加热在200℃，反应时间2h；
[0065]
预先混合好甲醇钠8.11g和2.1g二乙醇胺加入到上步反应体系中，在100℃条件下，反应5h时间，得到最终降粘剂产品
ⅰ‑
4，收率95％。
[0066]
实施例5(a+乙二酸酐+乙二醇胺+乙二酸酐+乙二醇胺)
[0067]
在装有搅拌器、温度计和分水器的四口烧瓶中加入27.2g季戊四醇(0.2mol)，63.36g乙二酸酐(0.44mol)，对甲苯磺酸：0.23g，在搅拌条件下，反应温度为115℃，反应4h后，得到酯化产物c1-5，产率》95％；
[0068]
在装有搅拌器、温度计和分水器的四口烧瓶中加入84.8g酯化产物c1-5，25g二乙醇胺，在氮气保护下，减压条件下在100℃，反应时间1h；
[0069]
预先混合好乙醇钠4.85g和16.64g二乙醇胺加入到上步反应体系中，在40℃条件下，反应5h时间，得到最终降粘剂中间产品
ⅰ‑
5，收率85％；
[0070]
在装有搅拌器、温度计和分水器的四口烧瓶中加入84g降粘剂中间产品
ⅰ‑
5(0.1mol)，126.72g乙二酸酐(0.88mol)，对甲苯磺酸：0.33g，在搅拌条件下，反应温度为115℃，反应4h后，得到酯化产物c2-5，产率》90％；
[0071]
在装有搅拌器、温度计和分水器的四口烧瓶中加入141.6g酯化产物c2-5(0.1mol)，42g二乙醇胺，在氮气保护下，减压条件下在100℃，反应时间1h；
[0072]
预先混合好乙醇钠4.85g和42g二乙醇胺加入到上步反应体系中，在40℃条件下，反应5h时间，得到最终降粘剂中间产品
ⅱ‑
5，收率85％。
[0073]
实施例6(b+戊烯二酸)
[0074]
在装有搅拌器、温度计和分水器的四口烧瓶中加入18.4g甘油(0.2mol)，114.4g戊烯二酸(0.88mol)，对甲苯磺酸：0.34g，在搅拌条件下，反应温度为115℃，反应4h后，得到酯化产物c1-6，产率》95％；
[0075]
在装有搅拌器、温度计和分水器的四口烧瓶中加入85.6g酯化产物c1-6，37.44g二乙醇胺，在氮气保护下，减压条件下在100℃，反应时间1h；
[0076]
预先混合好乙醇钠4.85g和24.96g二乙醇胺加入到上步反应体系中，在40℃条件下，反应5h时间，得到最终降粘剂产品
ⅰ‑
6，收率85％。
[0077]
对比例
[0078]
对比例1
[0079]
在装有搅拌器、温度计和分水器的四口烧瓶中加入18.4g甘油(0.2mol)，83.16g戊二酸(0.63mol)，浓硫酸：2.03g，配套分水器，在搅拌条件下，反应温度为130℃，反应4.5h后，得到酯化产物c1-4，产率》95％；
[0080]
在装有搅拌器、温度计和分水器的四口烧瓶中加入118.4g酯化产物c1-4(0.2mol)，58g二乙醇胺(0.056mol)，在氮气保护下，减压油浴加热在150℃，反应时间6h，得到最终降粘剂产品
ⅰ‑
7，收率45％。
[0081]
对比例2
[0082]
在装有搅拌器、温度计和分水器的四口烧瓶中加入27.2g季戊四醇(0.2mol)，158.1g壬二酸(0.84mol)，浓硫酸：1.84g，，在搅拌条件下，反应温度为110℃，反应6h后，得到酯化产物c1-7，产率》95％；
[0083]
在装有搅拌器、温度计和分水器的四口烧瓶中加入164g酯化产物c1-7，36.7g二乙醇胺，在氮气保护下，减压条件下在120℃，反应时间3h；
[0084]
预先混合好乙醇钠8.08g和15.8g二乙醇胺加入到上步反应体系中，在60℃条件下，反应3h时间，得到最终降粘剂产品
ⅰ‑
8，收率78％。
[0085]
对比例3
[0086]
在装有搅拌器、温度计的四口烧瓶中加入18.4g甘油(0.2mol)，83.16g戊二酸(0.63mol)，浓硫酸：2.03g，在搅拌条件下，反应温度为130℃，反应4.5h后，得到酯化产物c1-8，产率《35％；
[0087]
在装有搅拌器、温度计和分水器的四口烧瓶中加入118.4g酯化产物c1-8(0.2mol)，36.7g二乙醇胺，减压油浴加热在180℃，反应时间2h；
[0088]
预先混合好甲醇钠8.11g和21g二乙醇胺加入到上步反应体系中，在100℃条件下，反应5h时间，得到最终降粘剂产品
ⅰ‑
9，收率25％。
[0089]
应用实施例
[0090]
将上述合成得到的降粘剂产品在混凝土实验中的效果进行验证，实验条件如下：采用小野田p.o 42.5、海螺p.o 42.5、鹤林p.o 42.5水泥；水泥：5.6kg，粉煤灰：2.0kg，石：21.6kg，砂：14.8kg，水胶比分别为0.16/0.22；18％外加剂(15％减水剂+3％糖钠)
[0091]
表1掺入各实施例及对比例降粘剂的混凝土性能
[0092][0093][0094]
注：t500表示，混凝土扩散度为500mm时所需时间
[0095]
从表1中的实验结果可以看出，本发明实施例合成的超支化降粘剂均可以显著加速t500和倒v流出时间，说明超支化降粘剂的加入改善了内部摩擦力，此外对于流动度也有一定提升。本发明所述降粘剂在不同水泥的混凝土中性能差异小，具有水泥适应性好的特点，且可以发现在低水胶比下降粘效果较显著。超支化的多元醇可以通过循环将羟基酯化-酰胺化的形式将支化程度扩大，但是在实施例得到的
ⅱ‑
5中也发现，当分子量多大时，降黏效果开始下降。