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马来酸双聚乙二醇单甲醚酯大单体的合成及其在聚羧酸减水剂制备中的应用

2020-06-07 来源:客趣旅游网
圃 钎癯建蟓 中国科技核心期刊 马来酸双聚乙二醇单甲醚醅大单体的合成 及其在聚羧酸减水剂制备中的应用 曾小君“:,陈燕红 ,申静静 ,王航航- (1.常熟理工学院化学与材料工程学院,江苏常熟215500; 2.常熟理工学院江苏省新型功能材料重点建设实验室,江苏常熟215500) 摘要:在无溶剂存在下,以对甲苯磺酸为催化剂,4A分子筛作脱水剂 以马来酸酐(MAH)和聚7,-醇单甲醚(MPEG)为原料合 成了马来酸双聚乙二醇单甲醚酯(DMPEGMA)。考察了单体摩尔比、催化剂用量、反应温度及反应时间等条件对酯化率的影响。试验 结果表明,当n(MPEG):n(MAH)=2.1:1.0,催化剂用量为聚乙二醇单甲醚和马来酸酐总质量的5%,反应温度为130℃,反应时间为8 h时,酯化率可达到97.2%。以这种大单体合成的聚羧酸系减水剂具有良好的分散性和保塑性,当其掺量为O.3%,水灰比为0.29时, 水泥净浆初始流动度达300 mm。 关键词:聚羧酸减水剂;马来酸双聚乙二醇单甲醚酯;无溶剂;酯化 中图分类号:TU528.042.2 文献标识码-^ 文章编号:1001—702X(2013)01—0023—03 Synthesis of DMPEGMA and its application to preparing polycarboxylate superplasticizer ZENG Xiaojun ,CHEN Yanhong1,SHEN Jingifng ,WANG Hanghang1 (1.School of Chemistry and Material Engineering,Changshu Institute of Technology,Changshu 215500,Jiangsu,China; 2.Jiangsu Laboratory of Advanced Functional Materials,Changshu Institute of Technology,Changshu 215500,Jiangsu・China) Abstract:Maleic acid dipolyethylene glycol mono methyl ether acetate(DMPEGMA)was synthesized by direct esteriifcation without solvent with maleic anhydride(MAH)and polyethylene glycol single methyl ether(MPEG)as raw materials in the presence of p-toluene sulfonic acid as catalyst and 4A molecular sieve as dehydrator.The influence of molra ratio of monomer,amount of catalyst,reaction temperature and reaction time on esteriifcation rate were investigated.The results showed that the optimum reae— tion condition is as follows:the molar ratio of MPEG to MAH is 2.1:1.0,mass fraction of catlayst is 5%to the totla MAH and MPEG,reaction temperature is 130℃and the reaction time is 8 h.Under this condition,the esterifeation rate could reach 97.2%. The polycarboxylate superplasticizer prepared under this condition would have good plasticizing and fluidity.The fluidity of cement paste Can reach 300 mm with O_3%percentage mass content of the polycarboxylate superplastieizer and water-cement ratio(W/C)of 0.29. Key words:polycarboxylate superplasticizer;maleic acid dipolyethylene glycol mono methyl ether acetate;solvent-free ̄ esteriifcati0n 现代建筑工程的快速发展对混凝土减水剂的要求越来越 醇单甲醚酯的合成,主要采用溶剂酯化法【5J,该法使用甲苯 高,聚羧酸系高效减水剂因具有减水率大、保坍性能好、安全 作脱水剂,后处理工艺较复杂,且会给环境带来污染。本实 环保等优点,已经成为减水剂发展的主要方向【 。目前国内 验设计采用无溶剂直接酯化法,以4A分子筛作脱水剂,以 的研究大多数偏向于(甲基)丙烯酸体系,对马来酸酐体系 马来酸酐(MAH)和聚乙二醇单甲醚(MPEG)为原料直接酯 研究不多。而对用于制备减水剂的大单体马来酸双聚L-- 化合成了马来酸双聚L_-醇单甲醚酯(DMPEGMA)。考察了 单体摩尔比、催化剂用量、反应温度及反应时间等条件对酯 收稿日期:2012—07—15;修订日期:2012—08—16 化率的影响,确定了合成DMPEGMA的优化工艺条件。结果 作者简介:曾小君,男,1968年生,江西龙南人,硕士,副教授,主要从 表明,以这种大单体合成的聚羧酸系减水剂具有良好的分散 事精细化工产品的研究与开发。地址:江苏省常熟市南三环路99号, 性和保塑性,掺量为0.3%,水灰比为0.29时,水泥净浆流动 E—mail:zengxiaojun@eslg.edu.an。 度达300mm。 NEW BUI LDING MATERIALS ・23・ 曾小君,等:马来酸双聚乙二醇单甲醚酯大单体的合成及其在聚羧酸减水剂制备中的应用 脱水器;电子天平;电热恒温真空干燥箱;SJ一160双转双速水 泥净浆搅拌机等。 1.2合成工艺 ‘1实验部分 1.1实验原材料及仪器 聚L--醇单甲醚(MPEG一120o),工业级;马来酸酐 AI王)、 向装有温度计、搅拌装置、分子筛脱水器和球型冷凝管的 甲基丙烯酸(MAA),分析纯:对甲苯磺酸,化学纯;甲基丙烯 四口烧瓶中,加入计量好的MPEG,升温到6o℃左右,待 磺酸钠(SMAS)、4A分子筛(钠型),工业级;过硫酸铵、95%L MPEG完全溶解后,搅拌下依次加入计量好的MAH和催化剂 醇、氢氧化钠、浓盐酸、异丙醇、丙酮,分析纯。 对甲苯磺酸,待物料充分溶解后,继续升温到130℃,保温反 h后,冷却至室温,得到大单体马来酸双聚乙二醇单甲醚 水泥,P・042.5海螺水泥;砂、石,均符合GB 8076--2008 应8 《混凝土外加剂》的要求。 酯(DMPEGMA)。其合成技术路线如下: 数显恒温油浴锅;JJ一1型精密定时电动搅拌器;分子筛 一 删 H 一 将制得的大单体马来酸双聚L--醇单甲醚酯、马来酸酐、 其中减水剂掺量为水泥质量的0.3%,水泥采用po042.5海螺 甲基丙烯酸和甲基丙烯酸磺酸钠等按一定比例混合,在水溶液 水泥。 中,以过硫酸铵为引发剂,经自由基聚合,制得聚羧酸减水剂。 g;% s}∞踞{8阱跎 1-3酯化率的测定 2结果与讨论 在马来酸酐与聚乙二醇单甲醚酯化过程中,取一定量 0 C O 一 2.1 单体摩尔比对酯化反应的影响 (0.5一t.0 g)的样品置于250 mL的锥形瓶中,以50 mL 95%乙 ..r 在实验条件为对甲苯磺酸用量为MPEG和MAH总质量 C 醇将样品溶解,以酚酞酒精溶液(1%质量分数)为指示剂,用 H 的5%,采用4A分子筛作脱水剂,反应温度为130℃,反应时 标准氢氧化钠溶液滴定至红色,30 s内不褪色为滴定终点,记 H 间为8 h时,改变MPEG与MAH的摩尔比,研究其对酯化率 录消耗掉的标准氢氧化钠溶液体积 。,这部分类似酸值的测 C H. 的影响,试验结果见图1。 定。然后加入 标准氢氧化钠溶液,在80 83 clC的水浴中加 + 热水解,接冷凝回流,保持2 h(实验证实按此反应温度,1.5 h H 水解已完全),趁热以盐酸标准溶液滴定至红色恰好消失为 止,记录消耗掉标准盐酸体积 。酯化率y按式(1)计算: y= 式中: ,——标准氢氧化钠溶液消耗的体积,表示样品中羧基 的含量; 厂标准盐酸溶液消耗的体积; 图1 MPEG和MAH单体摩尔比对酯化率的影响 c ——标准氢氧化钠溶液的摩尔浓度; 从图1可以看出,随着MPEG和MAH摩尔比的增加,酯 c厂标准盐酸溶液的摩尔浓度; 化率先增大后减小,当n(MPEG): (MAH)为2.1:1.0时,酯化 .,一一水解所用的标准氢氧化钠溶液的体积。 率最大。这是由于,随着MPEG和MAH摩尔比的增加,聚乙 1.4净浆流动度测试 二醇单甲醚在反应体系中的浓度增加,有利于反应向生成物 水泥净浆流动度测试参照GB/T 8077--2000《混凝土外加 的方向移动,同时,在反应体系中聚L-醇单甲醚的沸点较 剂匀质性试验方法》进行,水灰比为0.29,减水剂掺量为水泥 高,其浓度较高时有利于反应温度的升高,但当聚L--醇单甲 质量的0.3%。除不同浆体体系的对比试验外,其余净浆试验 醚的浓度过大时,会降低反应体系中反应物马来酸酐和催化 均采用P・042.5海螺水泥。 剂的浓度,使得酯化率降低。综合考虑,MPEG与MAH的摩尔 1.5混凝土试验 比为2:1:1.0时较为合适。 混凝土试验参照GB 8076--2008《混凝土外加剂》进行, 2.2催化剂用量对酯化反应的影响 ・24・ 新型建筑材料 20]3.1 曾小君,等:马来酸双聚乙二醇单甲醚酯大单体的合成及其在聚羧酸减水剂制备中的应用 在酯化反应中,通常都要加入催化剂来加快反应速度,催 2.4愿璁时间对酯化反应的影响 化剂选用的原则是既能加快反应速度,提高醅化率,且对下0 在酯化反应中,达到一定酯化率所需要的时间是衡量酯 步反应无影响。对甲苯磺酸是一种有机固体酸,具有活性高、 化效率的一项重要指标。在实验条件为n(MPEG):n(MAH)= 对设备腐蚀相对较轻、污染较小的优点,同时无氧化性、无碳 2.1:1.0,对甲苯磺酸用量为MPEG和MAH总质量的5%,采 化作用,对马来酸酐的开环反应有较好的催化效果。因此,在 用4A分子筛作脱水剂,反应温度为130℃时,改变酯化反应 合成DMPEGMA的实验中采用对甲苯磺酸作催化剂。在实验 时间,研究其对酯化率的影响,试验结果见图4。 条件为n(MPEG):n(MAH)=2.1:1.0,采用4A分子筛作脱水 剂,反应温度为130℃,反应时间为8 h时,改变催化剂对甲 驰% ∞踮;昌 ∞ 伯M他 苯磺酸的用量,研究其对酯化率的影响,试验结果见图2。 专讲 船 g;%舛sj∞昭% 眈∞他 图2催化剂用量对酯化率的影响 从图2可以看出,随着催化剂用量增加,酯化率显著增大, 当催化剂的加入量为MPEG和MAH总质量的5%时,酯化率 达到97.2%,再增加催化剂用量,尽管反应速度略有加快,但酯 化率却没有明显变化,并且随着催化剂用量的增加,产品颜色 变深。因此,催化剂用量为MPEG和MAH总质量的5%为宜。 2-3反应温度对酯化反应的影响 尽管提高MPEG与MAH的摩尔比,加入催化剂都能加速 酯化反应,但反应温度对酯化反应速率也有很大影响。在实验 条件为n(MPEG): (MAH)=2.1:1.0,对甲苯磺酸用量为MPEG 和MAH总质量的5%,采用4A分子筛作脱水剂,反应时间为8 h时,改变反应温度,研究其对酯化率的影响,试验结果见图3。 图3反应温度对酯化率的影响 从图3可以看出,反应温度较低时,酯化反应难以进行,随 着反应温度的升高,酯化反应速度和酯化率都有很大的提高, 但温度过高,聚氧化乙烯基长链容易断裂,发生热降解,分子量 减小,影响产物性能。综合考虑,较适合的反应温度为130 oC。 图4反应时间对酯化率的影响 从图4可以看出,随着酯化反应时间延长,酯化率升高, 特别是在反应开始的8 h内升高趋势显著,当再继续延长反 应时间时,升高趋势趋于平缓。从经济角度考虑,酯化反应时 间应限制在一定的范围内,反应时间过长也可能导致副反应 的发生以及副产物的生成。因此,最佳酯化反应时间选择8 h。 3减水剂性能试验 试验用减水剂是以大单体马来酸双聚乙二醇单甲醚酯 (DMPEGMA)经自由基聚合制得。 。 3.1水泥净浆流动度测试(见表1) 表1掺减水剂水泥净浆的流动度 减水剂掺量 水泥净浆流动度/mm /% 初始 1 h O-3 300 295 从表1可以看出,以上述工艺合成的马来酸双聚乙二醇 单甲醚酯(DMPEGMA)制得的减水剂,在掺量较低的情况下, 水泥净浆初始流动度达300 mm,而且1 h后其流动度仍保持 为295 mm,具有良好的分散性和保塑性。 3.2混凝土试验 设计混凝土基准配合比为:m(水泥):m(砂):m(石):m(水) =360:785:959:246,试验结果见表2。 表2混凝土试验结果 减水剂坍落度/mm减水率凝结时间,min含气量抗压强度 Pa 掺量/%初始 1 h ,% 初凝终凝 ,% 1 d 3 d 28 d 0 210 180 — 690 995 0.4 4:8 l1.7 22.1 O.3 210 1 3S 29.O 355 470 3.2 7.O 24.2 43.5 (下转第29页) N EW BUI LDING MATERIALS ・25・ 王景华,等:利用顺酐渣合成聚羧酸减水剂的研究 表2掺PC1和PC2混凝土的减水率和抗压强度对比 分别为单体总质量的6.0%和3.5%,于70-75 oC保温反应1.5 h,75—80 oC继续保温反应2.0 h,中和用碱与顺酐渣摩尔比为 1:1的条件下合成的减水剂分散性最好。 顺酐渣经异构化后再用于减水剂的合成,并不能显著提 高合成减水剂的分散性能,活性炭脱色可小幅度提高合成减水 由表2可以看出,掺PC1和PC2混凝土的减水率及3 d、 PC2时,可达到相似的效果。 剂的分散效果和减轻合成减水剂的色度,但脱色处理过程复 当顺酐渣合成的减水剂以1.1倍替代纯顺酐合成的减水剂 28 d的抗压强度基本相同,表明当PC1以1.1倍掺量替代 杂,成本较高,因而会大大降低所得聚羧酸减水剂的性价比。 3性价比分析 时,混凝土的性能指标基本相当。顺酐渣用于制备减水剂,不 但对保护环境具有积极的意义,而且能够有效提高聚羧酸减 所用的顺酐渣目前市场价为1500元/t,顺酐的市场价按 水剂的性价比。 9000元/t计算。生产1 t减水剂(固含量45%),顺酐用量为 0.07587t,成本682.85元。生产1 t减水剂(固含量45%)顺酐 参考文献: 渣的成本为130.46元,考虑到掺量提高到1.1倍时方可达到 [1】 支 宁,崔洪友,姚德.利用顺酐渣催化异构化制备富马酸[c】,,山东 与采用纯顺酐制得的减水剂同样的效果,成本约增加了50 省教育厅、山东省学位委员会.2007齐鲁研究生学术论坛——化 元。因此,每生产1 t减水剂可降低成本502.39元。按年产1 学工程与技术分论坛.青岛:中国石油大学,2008—08—22. 万t计算,可节约成本502.39万元。 [2】 曾德超.用顺酐生产的副产物制备BOD和丁二酸二酯的方法: 中国,CN10134321 1A[P].2009-01-14. 4结语 [3]王智,孙策,蒋小花,等.马来酸酐在聚羧酸减水剂合成中的应用 将顺酐渣用于聚羧酸减水剂的合成是减少环境污染,提 叨.材料导报,2009,23(3):55—58. 高顺酐渣附加值的有效途径。研究表明,在烯丙基聚氧乙烯醚 [4]韩丽华,康举,张学丽,等.马来酸型聚羧酸减水剂的合成研翘J】 _(APEG)与顺酐渣摩尔比为1.0:3.0(JI ̄l酐渣按有效含量90%、 混凝土,2009(4):77—80. 平均分子质量110计算),引发剂KPS和链转移剂SAS用量 A (上接第25页) 共聚反应,制得的聚羧酸减水剂在掺量为0.3%时,具有良好 从表2可以看出,掺自制减水剂的混凝土综合性能良好。 的分散性和保塑性,水灰比为0.29时,水泥净浆初始流动度 当减水剂的掺量为0.3%时,混凝土的减水率为29.0%,含气 达300 mm,1 h流动度仍保持为295 mm。 量为3.2%,28 d抗压强度从22.1 MPa提高到43.5 MPa。 4结语  -参考文献: 【11l彭雄义,易聪华,张智,等.聚羧酸系减水剂对水泥分散和水化产 (1)当n(MPEG):n(MAH)=2.1:1.0,催化剂用量为聚乙二 物的影响[J].建筑材料学报,2010,13(5):578—583. 醇单甲醚(MPEG)和马来酸酐(MAH)总质量的5%,采用4A 【2]侯珊珊,孔祥明,曹恩祥,等.水泥基体系中聚羧酸系高效减水剂 分子筛作脱水剂,控制反应温度在130℃,反应时间为8 h 的化学结构对其性能的影响叨.硅酸盐学报,2010,38(9):1698— 时,酯化率可达97.2%。 1701. (2)本实验在无溶剂存在下直接进行酯化反应,合成过程 [3]成立强,王文平.水相ATRP法合成聚羧酸类高效减水剂[J].高分 中没有使用共沸溶剂带水,免除了溶剂的后处理步骤,减少了 子材料科学与工程,2010,26(2):29—32. 溶剂对环境造成的污染,同时降低了产品的生产成本。在环境 [4】张智强,余铖,胡向博.一种聚羧酸系高效减水剂的试验研究[J]. 问题日益受到人们广泛关注的今天,无溶剂合成技术具有较 土木建筑与环境工程,2009,31(1):136—140. 好的推广应用前景。 [5]马保国,潘伟,温小栋,等.马来酸双聚乙二醇单甲醚酯合成影响 (3)在此工艺条件下合成的马来酸双聚乙二醇单甲醚酯 因素分析[J】_武汉理工大学学报,2008,30(1):44—47. (DMPEGMA)与马来酸酐、甲基丙烯酸、甲基丙烯磺酸钠进行 A NEW BUI LDlNG MATERIAL5 ・29・ 

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