CN108249802A - 一种用于高浓度聚合硫酸铝溶液的增溶稳定剂及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于建筑用化学品领域，公开了一种用于高浓度聚合硫酸铝溶液的增溶稳定剂，包括下列质量份数的原料：水100份，交联稳定剂5～35份，无定形分散剂10～45份，酸性pH调节剂10～45份，配位络合剂1～10份。本发明的增溶稳定剂中不仅含有配位络合剂和酸性pH调节剂还含有交联稳定剂和无定形分散剂，对高浓度聚合硫酸铝溶液具有良好的增溶和稳定效果，可以用于制备高铝氧化铝含量的液态无碱速凝剂。

Description

一种用于高浓度聚合硫酸铝溶液的增溶稳定剂及其制备方法

技术领域

本发明属于建筑用化学品领域，具体涉及一种用于高浓度聚合硫酸铝溶液的增溶稳定剂及其制备方法。

背景技术

速凝剂是一种水泥外加剂，它可以缩短混凝土浆料凝聚的时间，水泥中需要加入较多的铝酸盐才能达到较快的凝结速度。现有的普通速凝剂含有大量碱性物质，碱性物质的引入会对混凝土造成碱骨料破坏，氯含量也会增加钢筋腐蚀的可能性，而无碱无氯的速凝剂可以显著提高混凝土的前期强度，还能改善混凝土的耐久性。

在混凝土液态无碱速凝剂领域，常常会制备高浓度聚合硫酸铝溶液，但在常温下，聚合硫酸铝在水中的溶解度有限，且饱和的聚合硫酸铝溶液随着温度或其他储存环境的变化，极易形成硫酸铝的结晶沉淀，导致溶液出现分层、析晶、沉淀或凝胶固化现象，这往往会在化工工艺或产品实际应用中带来干扰，因此，溶液中聚合硫酸铝的增溶和稳定技术对于生产装置的功能保持、产品储存应用均具有重要意义。

相关研究表明，对于聚合硫酸铝增溶和稳定的常用技术是络合法，即使用诸如次氮三乙酸及其盐类等无机或有机的络合剂将铝离子络合屏蔽起来，以限制铝离子与硫酸根离子的结晶生长。然而，采用络合方法也有明显弊端，络合剂的增溶和稳定效果只有在低浓度的聚合硫酸铝溶液时才较为明显，随着聚合硫酸铝浓度增加，仍然会有结晶或固态凝胶出现，且对于环境温度变化的稳定性明显变差。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明提供一种既能提高聚合硫酸铝溶解度也能改善高浓度聚合硫酸铝溶液稳定性的増溶稳定剂。

本发明的技术方案为：一种用于高浓度聚合硫酸铝溶液的增溶稳定剂，包括下列质量份数的原料：水100份、交联稳定剂5～35份、无定形分散剂10～45份、酸性pH调节剂10～45份、配位络合剂1～10份。

本技术方案提供的一种用于高浓度聚合硫酸铝溶液的增溶稳定剂，可以用于生产制备质量百分比为45％～65％的高浓度聚合硫酸铝溶液，所述原料中除了采用络合剂的配位作用外，还采用了交联稳定剂和无定形分散剂；所述交联稳定剂会形成稳定的三维立体网状空间结构，处于该结构中的水分子与交联稳定剂分子形成氢键，保证水分不会被硫酸铝结晶带走，而且可以让聚合硫酸铝均匀分散于三维网状空间中，不再相互凝聚而形成沉淀；所述无定形分散剂溶解于水后，形成大量的无定形的胶态分散凝胶结构，穿插于交联网状结构中，增加液体粘度，使硫酸根和铝离子的结晶阻力大大增加，从而达到增溶和稳定效果；采用配位络合剂进一步提高聚合硫酸铝的溶解度，采用酸性pH调节剂可以有效抑制铝离子的水解反应，还能使铝的络合物更稳定。总之本方案中各种原料之间相互配合促进，使高浓度聚合硫酸铝溶液具有良好的储存稳定性，不会出现分层、析晶、沉淀或凝胶固化现象。高浓度聚合硫酸铝溶液可以用于无碱速凝剂，可以显著加快混凝土的凝结速度，还可以提高混凝土的前期强度并改善混凝土的耐久性。

优选地，一种用于高浓度聚合硫酸铝溶液的增溶稳定剂，包括下列质量份数的原料：水100份、交联稳定剂15～25份、无定形分散剂20～35份、酸性pH调节剂20～35份、配位络合剂3～6份。本方案优化了各原料的比例使交联稳定剂能形成更稳定致密的三维立体网络空间结构，且无定形分散剂形成的无定形的胶态分散凝胶结构能够均匀穿插在三维立体网络结构中，使所述的高浓度聚合硫酸铝溶液的增溶稳定剂具有更好的增溶和稳定效果。

优选地，所述的交联稳定剂为木质素纤维、羟丙基甲基纤维素、羧甲基纤维素中的至少一种。本方案优选了交联稳定剂的种类，优选的交联稳定剂无毒、无害、无污染，还具有成本更低、分散性好、化学稳定性好等优点，所述交联稳定剂中含有大量的羟基、羧基可以与水形成氢键，且更容易形成稳定的三维立体网络空间结构，对聚合硫酸铝的增溶稳定效果更好。

优选地，所述的无定形分散剂为氟硅酸镁、偏硅酸钠或模数小于等于3的硅酸钠中的一种。本方案优选了无定形分散剂的种类，优选了几种金属硅酸盐的无定形分散剂，成本低，能均匀分散于交联网状结构中，并在其中与水形成大量的硅-氧无定形的胶态分散凝胶结构。

优选地，所述的酸性pH调节剂为浓硫酸、磷酸、乙酸或甲酸中的至少一种。本方案优选了酸性pH调节剂的种类，优选的酸性pH调节剂不含有氯离子，中和高浓度聚合硫酸铝溶液中的碱性物质后，还能使铝的络合物更稳定，使高浓度聚合硫酸铝溶液的稳定性更好。

优选地，所述的配位络合剂为乙二胺四乙酸、乙二胺四乙酸二钠、柠檬酸、酒石酸中的至少一种。本方案优选了配位络合剂，优选的几种配位络合剂自身的稳定性好，不易水解，且与铝的配位络合在高浓度聚合硫酸铝溶液中的稳定性好，对高浓度聚合硫酸的增溶和稳定效果较好。

优选地，所述的水为去离子水。本优化方案使用去离子水，可以避免水中微量离子对铝和配位络合剂的干扰，可以进一步提高溶液的稳定性。

本发明还提供了上述一种用于高浓度聚合硫酸铝溶液的增溶稳定剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)、交联稳定体系制备：将所述的水加入容器中，在30～40℃温度下边低速搅拌(转速小于400r/min)边缓慢加入所述交联稳定剂，待所述交联稳定剂分散后，高速搅拌((转速大于400r/min))使所述交联稳定剂充分分散至形成一定粘度的流体；

(2)、胶态分散凝胶制备：将容器温度升高到60～80℃后，将所述无定形分散剂投入容器中，高速搅拌至容器中液体粘度迅速提高，逐渐形成具有流动性的胶态分散凝胶；

(3)、稳定性调节：将容器温度降低至35～45℃后，将所述配位络合剂和所述酸性pH调节剂同时投入容器中，高速搅拌保温，随后自然冷却至室温，即制备出用于高浓度聚合硫酸铝溶液的增溶稳定剂。

本发明的制备方法中，在水中先加入交联稳定剂，通过在较低温度下缓慢加入交联稳定剂，并且采用先低速搅拌再高速搅拌的方式，这样可以控制交联反应的速度，使之形成均匀的三维立体网状空间结构。

将容器温度升高到60～80℃后，加入无定形分散剂并采用高速搅拌可以使无定形分散剂快速分散均匀，在交联网络中与水形成胶态分散凝胶结构。

在35～45℃，将所述配位络合剂和所述酸性pH调节剂一起加入，可以使配位络合剂的稳定性更高，不易水解。

优选地，步骤(1)、(2)、(3)所述高速搅拌的转速均为900～1000r/min；步骤(1)中所述低速搅拌的转速为200～300r/min，所述高速搅拌的搅拌时间为10～15min；步骤(2)中，所述高速搅拌的搅拌时间为30～50min；步骤(3)中所述高速搅拌的搅拌时间为20～30min。此优选方案中的搅拌速度和时间合理搭配，既可以保证搅拌物料分散均匀，也可以节约时间，提高生产效率。

本发明采用电加热、油浴、水浴等调节容器温度，优选使用水浴。使用水浴加热使受热均匀，提高生产的稳定性。

本发明一种用于高浓度聚合硫酸铝溶液的增溶稳定剂的原料易得到，制备方法及生产工艺简单，易于产业化。

综上所述，本发明相对现有技术的有益效果为：采用交联稳定剂和无定形分散剂配合形成稳定的三维立体网状空间结构和穿插于交联网状结构中无定形的胶态分散凝胶结构，一方面可以使硫酸根和铝离子的结晶阻力大大增加，另一方面可以让聚合硫酸铝均匀分散在三维网状空间中，且水分子与交联稳定剂分子形成氢键，保证水分不会被硫酸铝结晶带走，聚合硫酸铝不再相互凝聚而形成沉淀，达到良好的增溶和稳定效果；另外还加入配位络合剂和酸性pH调节剂进一步提高高浓度聚合硫酸铝的溶解度和稳定性，使其不会出现分层、析晶、沉淀或凝胶固化现象。本发明产品可以用于无碱无氯速凝剂，可提高速凝剂的稳定性，原料易得到、成本低，制备方法及生产工艺简单，易于产业化。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。

实施例1

本实施例的一种用于高浓度聚合硫酸铝溶液的增溶稳定剂，包括下列质量份数的原料：100份的水、5份的木质素纤维、10份的氟硅酸镁、10份的浓硫酸和1份的乙二胺四乙酸。

本实施例一种用于高浓度聚合硫酸铝溶液的增溶稳定剂的制备方法，包括如下步骤：

(1)、交联稳定体系制备

将容器放置于水浴锅内，投入称量好的水，温度设置为30～40℃；将高速搅拌器的搅拌桨伸入水中开始搅拌，转速设置为200～300r/min；缓慢投入称量好的木质素纤维，待其在水中分散后，将高速搅拌器转速设置为900～1000r/min；搅拌10～15min，使其充分分散，形成具有一定粘度的流体。

(2)、胶态分散凝胶制备

将水浴锅温度设置为60～80℃，待温度升高至预设温度后，将氟硅酸镁投入容器中，高速搅拌器转速保持在900～1000r/min，充分搅拌30～50min，容器中液体粘度逐渐提高，逐渐形成具有流动性的胶态分散凝胶。

(3)、稳定性调节

将水浴锅温度设置为(35～45)℃，待温度降低至预设温度后，将乙二胺四乙酸和浓硫酸同时投入容器中，高速搅拌器转速保持在900～1000r/min，保温20～30min，随后自然冷却至室温，即制备出用于高浓度聚合硫酸铝溶液的增溶稳定剂。

本实施例所制备的增溶稳定剂用于混凝土液体无碱速凝剂时，其配比按如下质量百分比计量：十八水合硫酸铝45％，本实施例増溶稳定剂30％，水25％。

使用方法，包括如下步骤：将容器放置于水浴锅内，投入称量好的水，温度设置为60～80℃；将高速搅拌器的搅拌桨伸入水中开始搅拌，转速设置为200～300r/min；投入称量好的所制备的増溶稳定剂，待其在水中充分分散后，将称量好的硫酸铝盐缓慢投入容器中，搅拌2～5h，随后自然冷却，形成具有一定粘度的流体，即为液体无碱速凝剂。

实施例2

本实施例的一种用于高浓度聚合硫酸铝溶液的增溶稳定剂，各组分的质量比为：100份的水、35份的羧甲基纤维素、45份的偏硅酸钠、45份的磷酸和10份的柠檬酸，制备方法与实施例1基本相同，仅替换了各原料的种类和比例，工艺流程和参数都相同。

本实施例所制备的增溶稳定剂用于混凝土液体无碱速凝剂时，其配比按如下质量百分比计量：十八水合硫酸铝60％，本实施例増溶稳定剂20％，水20％。

实施例3

一种用于高度浓聚合硫酸铝溶液的增溶稳定剂，各组分的质量比为：100份的水、20份的羟丙基甲基纤维素、30份的偏硅酸钠、25份的磷酸和5份的酒石酸，制备方法与实施例1基本相同，仅替换了各原料的种类和比例，工艺流程和参数都相同。

本实施例所制备的增溶稳定剂用于混凝土液体无碱速凝剂时，其配比按如下质量百分比计量：十八水合硫酸铝50％，本实施例増溶稳定剂30％，水20％。

实施例4

一种用于高度浓聚合硫酸铝溶液的增溶稳定剂，各组分的质量比为：100份的水、15份的羟丙基甲基纤维素和5份木质素纤维、10份的偏硅酸钠和35份模数小于等于3的硅酸钠、25份的磷酸和35份乙酸，制备方法与实施例1基本相同，仅替换了各原料的种类和比例，工艺流程和参数都相同。

本实施例所制备的增溶稳定剂用于混凝土液体无碱速凝剂时，其配比按如下质量百分比计量：十八水合硫酸铝65％，本实施例増溶稳定剂20％，水15％。

对比例1

与实施例3相比，羟丙基甲基纤维素加量为40份、偏硅酸钠为5份，其它与实施例3相同。

本实施例所制备的增溶稳定剂用于混凝土液体无碱速凝剂时，其配比按如下质量百分比计量：十八水合硫酸铝50％，本实施例増溶稳定剂30％，水20％。

对比例2

与实施例3相比，羟丙基甲基纤维素加量为3份、偏硅酸钠为47份，其它与实施例3相同。

本实施例所制备的增溶稳定剂用于混凝土液体无碱速凝剂时，其配比按如下质量百分比计量：十八水合硫酸铝50％，本实施例増溶稳定剂30％，水20％。

对比例3

与实施例3相比，不添加偏硅酸钠，其它与实施例3相同。

本实施例所制备出的增溶稳定剂用于混凝土液体无碱速凝剂时，其配比按如下质量百分比计量：十八水合硫酸铝50％，本实施例増溶稳定剂30％，水20％。

对比例4

与实施例3相比，不添加羟丙基甲基纤维素，其它与实施例3相同。

本实施例所制备出的增溶稳定剂用于混凝土液体无碱速凝剂时，其配比按如下质量百分比计量：十八水合硫酸铝50％，本实施例増溶稳定剂30％，水20％。

对比例5

与实施例3相比，不添加偏硅酸钠和羟丙基甲基纤维素，其它与实施例3相同。

本实施例所制备出的增溶稳定剂用于混凝土液体无碱速凝剂时，其配比按如下质量百分比计量：十八水合硫酸铝50％，本实施例増溶稳定剂30％，水20％。

将实施例1到4以及对比例1到5制得的无碱速凝剂分别密封室温保存1天、7天、30天并观察是否出现分层、析晶、沉淀或凝胶固化现象。结果表明保存30天后实施例1-4均未出现分层、析晶、沉淀或凝胶固化现象。对比例1和对比例2在7天后就分别出现少量凝胶固化物和沉淀物，30天后均出现分层。对比例3和对比例4在1天后就分别出现大量凝胶固化物和沉淀物，7天后均出现分层。对比例5在第1天出现较多沉淀、析晶及凝胶固化和部分分层现象，第7天已经严重分层。

从实验结果可以看出本发明实施例的增溶稳定剂对十八水合硫酸铝含量为45％-65％质量百分比的高浓度聚合硫酸铝具有良好的增溶和稳定效果，可以用于制备高氧化铝含量的液态无碱速凝剂。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种用于高浓度聚合硫酸铝溶液的增溶稳定剂，其特征在于：包括下列质量份数的原料：水100份，交联稳定剂5～35份，无定形分散剂10～45份，酸性pH调节剂10～45份，配位络合剂1～10份。

2.根据权利要求1所述的一种用于高浓度聚合硫酸铝溶液的增溶稳定剂，其特征在于，包括下列质量份数的原料：水100份，交联稳定剂15～25份，无定形分散剂20～35份，酸性pH调节剂20～35份，配位络合剂3～6份。

3.根据权利要求1所述的一种用于高浓度聚合硫酸铝溶液的增溶稳定剂，其特征在于，所述的交联稳定剂为木质素纤维、羟丙基甲基纤维素、羧甲基纤维素中的至少一种。

4.根据权利要求1所述的一种用于高浓度聚合硫酸铝溶液的增溶稳定剂，其特征在于，所述的无定形分散剂为氟硅酸镁、偏硅酸钠、模数小于等于3的硅酸钠中的至少一种。

5.根据权利要求1所述的一种用于高浓度聚合硫酸铝溶液的增溶稳定剂，其特征在于，所述的酸性pH调节剂为浓硫酸、磷酸、乙酸、甲酸中的至少一种。

6.根据权利要求1所述的一种用于高浓度聚合硫酸铝溶液的增溶稳定剂，其特征在于，所述的配位络合剂为乙二胺四乙酸、乙二胺四乙酸二钠、柠檬酸、酒石酸中的至少一种。

7.根据权利要求1所述的一种用于高浓度聚合硫酸铝溶液的增溶稳定剂，其特征在于，所述的水为去离子水。

8.如权利要求1所述的一种用于高浓度聚合硫酸铝溶液的增溶稳定剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)、交联稳定体系制备：将所述的水加入容器中，在30～40℃温度下边低速搅拌边缓慢加入所述交联稳定剂，待所述交联稳定剂分散后，高速搅拌使所述交联稳定剂充分分散至形成一定粘度的流体；(2)、胶态分散凝胶制备：将容器温度升高到60～80℃后，将所述无定形分散剂投入容器中，高速搅拌至容器中液体粘度迅速提高，逐渐形成具有流动性的胶态分散凝胶；(3)、稳定性调节：将容器温度降低至35～45℃后，将所述配位络合剂和所述酸性pH调节剂同时投入容器中，高速搅拌保温，随后自然冷却至室温，即制备出用于高浓度聚合硫酸铝溶液的增溶稳定剂。

9.根据权利要求8所述的一种用于高浓度聚合硫酸铝溶液的增溶稳定剂的制备方法，其特征在于，步骤(1)、(2)、(3)所述高速搅拌的转速均为900～1000r/min；步骤(1)中所述低速搅拌的转速为200～300r/min，所述高速搅拌的搅拌时间为10～15min；步骤(2)中，所述高速搅拌的搅拌时间为30～50min；步骤(3)中所述高速搅拌的搅拌时间为20～30min。

10.根据权利要求8所述的一种用于高浓度聚合硫酸铝溶液的增溶稳定剂的制备方法，其特征在于，所述容器温度通过水浴调节。