脂肪族減水劑的合成工藝分析

2021-12-25  來自: 安陽協聯金屬表面技術有限公司 瀏覽次數:89

目前市場上對減水劑的需求量仍有不斷增大的趨勢。其中脂肪族減水劑是應用范圍廣,需求量大的非萘系減水劑,其有效的避免了萘系減水劑生產過程的環境污染問題。自上世紀80 年代被研發出來以后,就迅速成為替代或改善萘系減水劑的主要減水劑之一,它具有減水率高、含氣量低、硫酸鈉含量低、原材料來源廣、摻量小、與水泥適應性好、和性價比優于萘系產品等優點,正越來越受到社會的青賴。脂肪族減水劑是以羰基化合物為主要原料,在堿性條件下通過碳負離子的生產而縮合得到的一種脂肪族高分子鏈,并且通過亞硫酸鹽對羰基的加成從而在分子鏈上引進親水的磺酸基團,使得分子形成具有表面活性的一種高分子減水劑。

與其他減水劑得合成機理不同,脂肪族減水劑的合成機理較為復雜,且不同的生產工藝所獲得的產品性能有所差異,為此研究一種較好的生產合成工藝就顯得很有必要。

一、脂肪族減水劑的一般生產方式從目前脂肪族減水劑的生產工藝現狀來看,一般所采取的生產方式主要有兩種,即連續式生產方式和間歇式生產方式。

其中連續式生產方式的操作較為簡單且工藝參數容易控制,所生產出來的產品質量也較為穩定,能夠實現較好的自動化。其生產流程主要有原材料均布器、催化劑填料塔、恒溫塔、干燥塔等四個工藝階段,但是連續式生產工藝對生產設備的性能要求較高,且相關的管線、泵以及其他輔助性設備數量較多,需要有較大的投資形成規模后才能實現。因此我國的脂肪族減水劑生產企業目前一般不采取這種生產工藝。而是多采用間歇式生產方式。

間歇式生產方式不需要太大規模的設備,也不需要投入過多的資金就可以實現脂肪族減水劑產品的生產,其生產流程是先將甲醛通入罐再通過干燥塔即可獲得脂肪族減水劑,生產工藝非常簡單,但是對生產工藝參數卻很難進行有效控制,生產能力較低,產品性能不穩定,質量較差。因此也不是一種經濟實用的優良生產工藝,只是因為成本低、容易實現生產而備受中小型企業的青睞。

可以說,當前常用的兩種脂肪族減水劑生產工藝都不是特別理想,因此在其生產工藝上的改進空間還很大,我們仍然需要不斷的研究摸索,研發一種更加優良的脂肪族防水劑合成工藝。

二、脂肪族減水劑的反應機理

要想研究出更好的脂肪族減水劑生產工藝方式,首先要對其生產過程中產生的化學反應進行詳細了解,掌握其反應機理。而脂肪族減水劑的反應機理相對來講較為復雜,在經歷基礎反應之后還要進行的聚合反應。其具體的反應機理分別如下所示:

1.基礎反應

在基礎反應中有個反應占有主要地位一個是堿性條件下的羥醛縮合反應,另一個是和甲醛同亞硫酸氫鈉的加成反應。并且在基本反應中會產生許多能進行縮合反應的復雜單體,如反應中產生的一縮甲醛,它是主要的縮合單體,對鏈增長的貢獻大再如所產生的4-羥基-4-甲基-2-戊酮和磺化反應產生的單體,等等。但磺化反應產生的單體只有個羥基,不能參與鏈增長,因此它們是主要的鏈終止劑。

2.縮合反應

基礎反應的產物是能進行縮合反應的多羥基化合物,這些多羥基化合物在堿性、高溫條件下失水縮合,形成磺化甲醛縮合物(分子質量為5000 左右)。該反應是縮聚機理,即第一步反應產生的多羥基化合物在堿性、高溫條件下失水縮合,形成磺化/甲醛縮合三、脂肪族減水劑合成中的主要影響因素

1.加料方式

目前不同廠家在生產脂肪族減水劑時采用的加料方式各有不同,主要可以分為種,如表所示。其各自生成的減水劑性能如表所示。表15 種有代表性的加料方式

2不同加料方式下生成的減水劑性能

由表1、表可以看出,不同加料方式下所獲得的減水劑性能是有很大差異的。其中第一種是性能差的,這是因為其采取滴加氫氧化鈉的方式進行加料,使得各個物質之間都同時進行化學反應,從而放熱較為集中且劇烈,所有基礎物質的反應速率都很快,使得熱量在反應前期就完全釋放出來,容易出現安全事故,因此不宜采取第一種加料方式。第二種和第三種是目前國內企業常采用的加料方式,其主要是在反應中期放熱,但基礎物質間的反應會貫穿整個生產過程,因此生產參數相對容易控制。而第四種與第五種則是在甲醛量超標的情況下進行反應,會增大分子支鏈的長度而縮短主鏈的長度,這樣就會使所獲得的減水劑減水性能與保坍性較差。

2. 反應溫度

由于脂肪族減水劑的反應分為基礎反應和縮合反應兩大階段,而基礎反應發生時會產生較大的熱量,縮合反應卻幾乎不產生熱量,因此對兩個反應階段的反應溫度控制也各不相同。一般為了控制基礎反應的反應參數,避免物料受損過大,一般將基礎反應的滴加溫度控制在60℃左右。而聚合反應的反應溫度多控制在95℃左右,以提高反應溫度,使反應速率加快。

3. 反應時間

從長期的生產實踐來看,脂肪族減水劑的性能高低會隨著反應時間的變化而發生變化。在早期其減水率會隨著時間延長而不斷增大,但達到峰值后,就會隨著時間延長而不斷減小。因此將反應時間控制在峰值處所得到的減水劑產品減水率是高的。在不同的加料方式下,反應時間長短也存在差異,這是因為加料方式不同,反應中分子質量變化不同,對反應時間的要求也有所不同。一般認為要想控制減水率大小,就要求分子質量不可過大也不可過小,而是要控制在合理范圍內,此時反應時間多需要控制在1. 5-2. 5h之內。三、一種較易實行的脂肪族減水劑合成工藝1. 工藝流程將甲醛和焦亞硫酸鈉在預攪拌罐中混合溶解后,泵入加料罐和液堿按比例泵入5t 的反應釜中,在攪拌下升溫至設定溫度后恒溫,開始滴加甲醛和焦亞硫酸鈉的混合物,控制加料速度在預定時間內滴完升溫至70-100℃,恒溫1. 5-2. 5h,加水調節濃度,降溫出料,泵入成品罐,完成生產。

2. 實施效果

經過對所生產的產品進行性能鑒定后表明,該工藝生產的減水劑性能優異,符合標準GB8076。重復試驗表明,產品性能穩定。并且在大規模的生產應用后也可以證明,該工藝生產操作簡單,參數易控制,生產過程無廢物排放,產品性能穩定。是一種非??尚星覂灹嫉纳a工藝。


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