一种使用天然甲壳素制备生物基缓凝高效减水剂的方法技术

本发明专利技术涉及一种使用天然甲壳素制备生物基缓凝高效减水剂的方法，首先，通过对天然甲壳素高聚物进行降解、官能团改造得到带有氨基、羟甲基等官能团的低聚壳聚糖中间体。然后，在碱性条件下苯酚与甲醛发生缩合反应生成酚醛中间体，亚硫酸氢钠和甲醛加成反应在酚醛中间体上引入亲水的磺酸基团。最后，将低聚壳聚糖中间体与磺化酚醛中间体通过羟甲基缩聚反应连接起来，制备出一种具有良好减水和缓凝效果的生物基高效减水剂。甲壳素生物基缓凝高效减水剂除具有原材料成本低、生产过程绿色环保等特点以外，还具有较好的减水和缓凝效果。具有经济和环保双重效益。是一种很有发展前途的新型高效减水剂。

【技术实现步骤摘要】
一种使用天然甲壳素制备生物基缓凝高效减水剂的方法
本专利技术涉及一种采用天然生物质材料制备减水剂的方法，具体涉及一种使用天然甲壳素制备生物基缓凝高效减水剂的方法。
技术介绍
高性能混凝土(HPC)已被广泛使用在土木工程结构中，2016年全世界HPC总产量达113亿m3。HPC具有不离析和易于浇注密实，力学性能和体积稳定性好、韧性高、在恶劣使用条件下使用寿命长等特点。高效减水剂是制备HPC的一个重要组份。掺加高效减水剂到混凝土中能改善水泥颗粒的分散性能，使水泥凝聚体中游离的水释放出来。在保持混凝土工作性能不变情况下，可降低混凝土水灰比、改善混凝土的和易性、减少水泥用量、控制混凝土的坍落度损失，使结构混凝土更加密实、提高混凝土的耐久性能。目前国内外广泛使用的高效减水剂主要包括萘磺酸盐高效减水剂、三聚氰胺高效减水剂、脂肪族高效减水剂、氨基磺酸盐高效减水剂、聚羧酸高效减水剂等几类。萘磺酸盐高效减水剂虽然具有较好减水效果，很低掺量下就能减少混凝土用水量15-20％。但掺加萘系高效减水剂的混凝土塌落度损失较大。萘系高效减水剂不合适制备HPC。三聚氰胺高效减水剂是一种低引气、无缓凝的高效减水剂，该种高效减水剂的减水率略低于萘系高效减水剂，掺三聚氰胺系高效减水剂的混凝土坍落度损失较快，需要与其他成分复合才能使用。脂肪族高效减水剂生产工艺简单，成本较萘系高效减水剂低，但掺加脂肪族高效减水剂的混凝土颜色会发黄，这影响了脂肪族高效减水剂实际工程中的推广应用。氨基磺酸高效减水剂对水泥颗粒有较好的分散效果，可有效地控制坍落度损失，但氨基磺酸盐高效减水剂原材料价格较高，掺加氨基磺酸盐高效减水剂的混凝土易泌水，这影响了其在实际工程中使用。聚羧酸高效减水剂作为一种新型高效减水剂，很小掺量下对水泥颗粒就有较高的分散性能，且具有优良的缓凝保坍作用，但掺聚羧酸高效减水剂的混凝土含气量较高、制备聚羧酸高效减水剂的原材料成本高等缺点限制了聚羧酸高效减水剂在HPC中的广泛使用。同时，上面的几类高效减水剂在制备过程中所使用的原材料多是有毒、有害的石油化工产品，制备过程会对周围环境造成污染和对人的身体健康带来伤害。因此开发出一种使用天然生物质作为原材料，低成本、高减水、高缓凝的混凝土高效减水剂已成为此研究领域的热点。近几年，国内外研究人员尝试使用天然生物质材料，如淀粉和纤维素，来制备混凝土高效减水剂，此类天然生物质高效减水剂的开发可解决传统高效减水剂生产过程中大量使用人工合成化学品和生产过程中环境污染严重等问题。采用天然生物质材料制备高效减水剂拓宽了天然高分子材料的应用领域，生产过程绿色环保，具有很好的应用与发展前景。天然甲壳素是一种高分子聚合物，属于氨基多糖，其化学名为β-(l,4)-2-乙酞氨基-2-脱氧-D-葡萄糖，是一种由N-乙酞基-D-葡萄糖氨通过β-(l,4)苷键连结成的直链状天然高分子多糖，甲壳素聚合物分子链上有大量羟甲基(-CH2OH)和乙酰氨基(-NHCOCH3)官能团。甲壳素聚合物广泛存在于自然界的节肢动物、软体动物、原生动物、腔肠动物、环节动物、海藻、真菌外壳、表皮、骨骼和外壳中。每年天然甲壳素的产量高达千亿吨之多，海洋生物中甲壳素产量达100亿吨以上，是自然界中数量仅次于纤维素的第二大天然生物质材料。
技术实现思路
本专利技术以天然甲壳素聚合物作为原材料，在强氧化试剂作用下使甲壳素聚合物分子的主链骨架发生断裂，将高分子甲壳素降解成小分子甲壳素。然后在强碱、高温环境下使小分子甲壳素发生脱酰基化反应，制得含有羟甲基和氨基等官能团的低聚壳聚糖分子。同时，碱性条件下苯酚与甲醛发生甲基化反应得到酚醛中间体，亚硫酸氢钠和甲醛加成在酚醛中间体上引入亲水性的磺酸基官能团。最后，低聚壳聚糖分子中羟甲基与磺化酚醛中间体进行缩聚反应，制备出一种分子链上含有-SO3H、-OH、-NH2等官能团的天然甲壳素生物基缓凝混凝土高效减水剂。这种生物基高效减水剂制备与开发，不但提高了天然高分子聚合物的利用效率，并且拓展了天然高分子聚合物的应用领域，还减少了高效减水剂制备过程有害化学品的排放，实现生产流程的绿色环保。在此基础上开展甲壳素生物基缓凝高效减水剂在混凝土材料中应用研究，结果表明甲壳素生物基缓凝高效减水剂除具有原材料成本低、生产过程绿色环保等特点以外，甲壳素生物基缓凝高效减水剂还具有较好减水和缓凝效果，是一种很有发展前途的新型高效减水剂。为解决上述技术问题，本专利技术提供的技术方案是：一种使用天然甲壳素制备生物基缓凝高效减水剂的方法，包括以下步骤：1)称取天然甲壳素和水放入装有搅拌器、温度计、滴液漏斗、回流冷凝管的反应容器中，加速搅拌，使天然甲壳素均匀分散到水中，形成均匀的悬浊溶液；2)将悬浊溶液升高温度到60℃，滴加过氧化氢和乙酸混合溶液，在30min内滴加完；在65-70℃温度下搅拌2-3h，得低聚甲壳素半澄清溶液；3)在低聚甲壳素半澄清溶液中加入氢氧化钠溶液，保持体系温度在65-70℃，搅拌16h，低聚甲壳素分子脱乙酰基后完全溶解于水中，形成均一、澄清的低聚壳聚糖溶液；4)向反应容器中加入亚硫酸氢钠、苯酚，快速搅拌1h，使亚硫酸氢钠和苯酚完全溶解于低聚壳聚糖溶液中，形成均一、澄清的溶液；5)保持溶液温度为65-70℃，滴加甲醛溶液，在30-60min加完甲醛溶液；6)加完甲醛溶液后，升高溶液温度到80-85℃反应4-5h，反应后期，加入分子量调节剂反应至终点，自然冷却到环境温度，在反应容器中熟化2-3小时；得pH值为12-13、固含量为13％的白色甲壳素生物基缓凝高效减水剂。步骤1)中，天然甲壳素和水的重量比为1：(5-5.2)。步骤2)中，过氧化氢和乙酸混合溶液中，过氧化氢浓度为50％、乙酸的浓度为99.8％；过氧化氢和乙酸混合溶液总重量为悬浊溶液重量的2.0-2.5％。步骤2)中，滴加过氧化氢和乙酸混合溶液的过程中，控制体系温度不超过60℃；用凝胶渗透色谱分析低聚甲壳素分子量及分子量分布，控制低聚甲壳素半澄清溶液中低聚甲壳素的重均分子量在1.2-8万之间。步骤3)中，氢氧化钠溶液的浓度为：氢氧化钠溶液的浓度为50％；低聚甲壳素半澄清溶液与氢氧化钠溶液的重量比为(1.9-2.1)：1。步骤3)中，测定低聚甲壳素分子脱乙酰基程度，控制低聚甲壳素的酰基化程度低于5％。步骤4)中，低聚壳聚糖、亚硫酸氢钠、苯酚的反应摩尔比为(0.05-0.0502)：(0.95-1.05)：1。步骤5)中，甲醛溶液的浓度为：甲醛溶液的浓度为37％；甲醛、苯酚的反应摩尔比为(1.74-1.76)：1。步骤6)中，所述反应后期，为反应开始后的4-5h。在步骤6)之后，检测不同掺量下甲壳素生物基缓凝高效减水剂的减水率和混凝土性能，并与同掺量下现有萘磺酸系高效减水剂的混凝土进行比较。有益效果：本专利技术制备的天然甲壳素生物基缓凝高效减水剂有如下优点：(1)对天然甲壳素高聚物进行分子降解、脱乙酰基化处理后，通过缩合反应在分子链中引入带有负电的磺酸根基团，水泥颗粒表面的磺酸根基团静电斥力作用减少了水泥颗粒团聚絮凝，并且甲壳素生物基缓凝高效减水剂分子在水泥颗粒表面形成较强的空间位阻作用,使得水泥颗粒相互分散更充分。(2)甲壳素高分子聚合物分子中引入亲水的磺酸基，增强了改性天然甲壳素的水溶本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种使用天然甲壳素制备生物基缓凝高效减水剂的方法，其特征在于：包括以下步骤：1)称取天然甲壳素和水放入装有搅拌器、温度计、滴液漏斗、回流冷凝管的反应容器中，加速搅拌，使天然甲壳素均匀分散到水中，形成均匀的悬浊溶液；2)将悬浊溶液升高温度到60℃，滴加过氧化氢和乙酸混合溶液，在30min内滴加完；在65‑70℃温度下搅拌2‑3h，得低聚甲壳素半澄清溶液；3)在低聚甲壳素半澄清溶液中加入氢氧化钠溶液，保持体系温度在65‑70℃，搅拌16h，低聚甲壳素分子脱乙酰基后完全溶解于水中，形成均一、澄清的低聚壳聚糖溶液；4)向反应容器中加入亚硫酸氢钠、苯酚，快速搅拌1h，使亚硫酸氢钠和苯酚完全溶解于低聚壳聚糖溶液中，形成均一、澄清的溶液；5)保持溶液温度为65‑70℃，滴加甲醛溶液，在30‑60min加完甲醛溶液；6)加完甲醛溶液后，升高溶液温度到80‑85℃反应4‑5h，反应后期，加入分子量调节剂反应至终点，自然冷却到环境温度，在反应容器中熟化2‑3小时；得pH值为12‑13、固含量为13％的白色甲壳素生物基缓凝高效减水剂。

【技术特征摘要】
1.一种使用天然甲壳素制备生物基缓凝高效减水剂的方法，其特征在于：包括以下步骤：1)称取天然甲壳素和水放入装有搅拌器、温度计、滴液漏斗、回流冷凝管的反应容器中，加速搅拌，使天然甲壳素均匀分散到水中，形成均匀的悬浊溶液；2)将悬浊溶液升高温度到60℃，滴加过氧化氢和乙酸混合溶液，在30min内滴加完；在65-70℃温度下搅拌2-3h，得低聚甲壳素半澄清溶液；3)在低聚甲壳素半澄清溶液中加入氢氧化钠溶液，保持体系温度在65-70℃，搅拌16h，低聚甲壳素分子脱乙酰基后完全溶解于水中，形成均一、澄清的低聚壳聚糖溶液；4)向反应容器中加入亚硫酸氢钠、苯酚，快速搅拌1h，使亚硫酸氢钠和苯酚完全溶解于低聚壳聚糖溶液中，形成均一、澄清的溶液；5)保持溶液温度为65-70℃，滴加甲醛溶液，在30-60min加完甲醛溶液；6)加完甲醛溶液后，升高溶液温度到80-85℃反应4-5h，反应后期，加入分子量调节剂反应至终点，自然冷却到环境温度，在反应容器中熟化2-3小时；得pH值为12-13、固含量为13％的白色甲壳素生物基缓凝高效减水剂。2.根据权利要求1所述的使用甲壳素制备生物基缓凝高效减水剂的方法，其特征在于：步骤1)中，天然甲壳素和水的重量比为1：(5-5.2)。3.根据权利要求1所述的使用甲壳素制备生物基缓凝高效减水剂的方法，其特征在于：步骤2)中，过氧化氢和乙酸混合溶液中，过氧化氢浓度为50％、乙酸的浓度为99.8％；过氧化氢和乙酸混合溶液总重量为悬浊溶液重量的2.0-2.5％。4.根据权利要求1所述的使用...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵晖，陈达，廖迎娣，欧阳峰，杜杨，徐海生，
申请(专利权)人：金陵科技学院，
类型：发明
国别省市：江苏,32