新型聚羧酸减水剂反应系统的研制与应用

马保国,戚长亚,肖 佳,谭洪波

(1.武汉理工大学建筑材料硅酸盐国家重点实验室,武汉 430070;

2.中南大学土木工程材料研究所,长沙 410083)

新型聚羧酸减水剂反应系统的研制与应用

马保国1,戚长亚1,肖 佳2,谭洪波1

(1.武汉理工大学建筑材料硅酸盐国家重点实验室,武汉 430070;

2.中南大学土木工程材料研究所,长沙 410083)

根据现有聚羧酸减水剂反应器的缺陷进行了创新研制,开发了一种新型聚羧酸减水剂反应系统。该系统可提高物料100%的扩散速度,物相能够按照设定摩尔比反应,减少了副反应的发生;通过水平机械搅拌和竖直泵送物料的双向循环系统,增大物料分子间碰撞的机率,增加了物料的分散性,使物料可以更快的反应;缩短了大单体的溶解时间和物料反应时间,总共节约22.86%的生产时间;同时,保证了产品的综合性能。

双向循环系统; 搅拌器; 均化; 反应时间; 产品性能

反应釜广泛应用于石油、化工、橡胶、农业、染料、医药、食品行业。聚羧酸系减水剂共聚合成反应大致可分为以下3种:①可聚合单体直接共聚:此法一般先制备具有聚合活性大单体,然后将一定配比的单体混合在一起直接采用溶液聚合而制得;②聚合后功能化法:该方法主要利用现有的聚合物改性,采用已知分子量的聚羧酸,在催化剂作用下与聚醚在较高温度下通过酯化进行接枝;③原位聚合与接枝:该法是为弥补聚合后功能化法的缺陷而开发的,以聚醚为羧酸类不饱和单体的反应介质进行聚合反应[1]。在聚羧酸系减水剂的生产中必须使用反应釜作为容器,反应釜的作用是将反应釜中的各种液体通过搅拌器搅拌,使物料分散均匀,从而充分反应[2]。

聚羧酸减水剂的生产流程是在反应釜中加入大单体(聚醚)、不饱和酸及其他一些有双键的单体,加入引发剂或滴加引发剂,引发聚合反应,3～8 h后可得成品[3,4]。

1 聚合反应釜的缺陷

在聚羧酸减水剂的生产过程中反应釜存在着以下缺陷:①反应过程中由于物料之间粘度差较大,在大单体溶解后,不饱和酸与引发剂加入反应釜后,不能充分扩散到溶液中而漂浮在物料上层,从而使物料无法得到充分的反应而影响反应速度和产品质量;②因为重力的关系,物料会出现分层情况,在各层间由于物料不按设计的物料摩尔比反应导致副反应增多,最终产品质量受到较大的影响;③反应釜中的搅拌器只在水平方向作圆周运动,物料在垂直方向不能很好地接触,这同时也影响了物料之间的充分接触,降低了反应速度[5,6]。现在一般的反应釜均存在以上问题,这一类问题不仅导致了物料反应时间增长,而且增多了物料副反应,进而影响了成品聚羧酸减水剂的综合性能。

2 新型聚羧酸减水剂反应系统的组成和功能

新型聚羧酸减水剂反应系统主要由反应釜、电动搅拌器、竖直泵送系统、保温层等组成。该系统改进了传统聚羧酸反应釜的物料均化性能差和反应速度慢的缺陷,极大地增加了物料分子间的碰撞,缩短了物料的反应时间。

2.1 搅拌器和挡板

在聚羧酸减水剂生产过程中,物料从反应釜上部入料口进入,反应过程中由于物料之间粘度差较大,在大单体溶解后,不饱和酸与引发剂加入反应釜后,不能充分扩散到溶液中而漂浮在物料上层,物料无法得到充分的反应,影响了物料的反应速度和生产产品的质量。搅拌器搅拌物料,釜内物料作同心圆运动,物料不能有效的形成湍流,反应速度较慢。研制了如图1的反应釜示意图。其中,搅拌器为框式搅拌器,搅拌器上部焊上带有不锈钢棒的条形不锈钢板,并在反应釜内壁设置有对称的挡板。不锈钢钢板上焊有的不锈钢棒可以使得上部较粘的物料被充分搅拌,从而不影响滴入物料的扩散,设置挡板,可以使搅拌器旋转过程中形成更多的湍流,加速反应进程。

2.2 双向循环系统

上述2.1中的研制目的是从水平方向来解决聚羧酸减水剂生产过程中物料均化问题,一定程度上提高了物料的反应速度和保证了产品质量。在此基础上,在反应釜外增加了竖直泵送系统,用水平机械搅拌和竖直泵送物料,形成双向循环系统。竖直泵送系统即通过计量泵从釜底抽取物料,经过抽取管,从反应釜上面打入。其中抽取管打入方向与水平方向成60°夹角,并与釜内物料流动方向成反方向,泵的流量可根据生产不同产品来调控。具体示意图可见图2和图3。

3 新型聚羧酸减水剂反应系统的性能

分别使用一般反应釜与该反应系统作为聚羧酸减水剂生产过程中的容器。该次实验用可聚合单体TPEG直接共聚:此法一般先制备具有聚合活性大单体(TPEG),然后将一定配比的单体混合在一起直接采用溶液聚合而制得。用一般反应釜溶解TPEG需要100 min,用该反应系统溶解TPEG需要70 min。下面表中的0 min均为TPEG溶解完成。在生产中比较两种釜内物料的扩散速度、均化程度、反应速率和产品性能。其中,TPEG溶液的p H值为7.80。

3.1 物料扩散速度和物料均化程度

当TPEG溶解后,开始滴加A、B料,按一定时间提取反应釜上下部物料,测定其p H值,得到表1和表2的数据。

表1 一般反应釜上下部p H值

表2 新型聚羧酸减水剂反应系统上下部p H值

由于A、B料具有一定的酸性,当反应釜下部p H值发生变化,说明A料和B料已经扩散到反应釜下部。分析表1和表2可知,新型聚羧酸减水剂反应系统可以加快物料的扩散速度,比一般反应釜的物料扩散速度快一倍,即提高了物料100%的扩散速度。

表3 新型聚羧酸减水剂反应系统上下部p H值与反应时间的关系

表4 一般反应釜中上下部p H值与反应时间的关系

分析表3与表4,表3中反应釜上下部p H差值明显小于表4中p H的差值。说明新型聚羧酸减水剂反应系统用于生产聚羧酸系减水剂时,比一般的反应釜更好地均化物料,提高物料的均化程度,使物料可以更快的反应,反应时间由传统的250 min缩短为200 min,加上TPEG的溶解时间由100 min缩短为70 min,总时间缩短了22.86%的反应时间,并达到保证物质充分反应并更好的保障物质反应的准确性的目的。

3.2 产品性能测试

一般反应釜和新型聚羧酸减水剂反应系统生产的两种聚羧酸减水剂代号分别为PC-1和PC-2。在减水剂的性能测试过程中,原材料采用了普通硅酸盐42.5R水泥、粉煤灰、矿粉、砂石料,自来水及PC-1和PC-2两种减水剂。材料均符合国家标准。通过净浆实验和混凝土实验来测试减水剂产品性能。试验参照《水工混凝土试验规程》和GB 8076—2008混凝土外加剂进行。

表5 C30混凝土配合比

表6 混凝土实验

表7 净浆实验

分析表6和表7,新型聚羧酸减水剂反应系统生产出的聚羧酸减水剂产品综合性能较佳,结合表3和表4的结论,使用新型聚羧酸减水剂反应系统,不仅缩短了生产周期,而且保证了产品性能。

4 结 论

a.新型聚羧酸减水剂反应系统可以加快物料的扩散速度,比一般反应釜提高100%的物料扩散速度,并使物相按照设定摩尔比反应,减少了副反应,保障物质反应的准确性。

b.新型聚羧酸减水剂反应系统可以高效能地溶解和均化大单体,并且缩短聚合反应的时间,缩短22.86%的总反应周期。

c.在缩短总反应周期的基础上,采用新型聚羧酸减水剂反应系统生产的聚羧酸减水剂,比一般反应釜生产的聚羧酸减水剂的综合性能更优。

[1] 肖力光,闫存有.聚羧酸系高效减水剂的合成及机理研究[J].吉林建筑工程学院学报,2010,27(6):1-5.

[2] 曹式黎,吴 镝.改造聚合反应釜节能[J].冶金能源,2013(2):63-64.

[3] 田应凤,朱霞萍,项念念,等.低温合成改性聚醚型聚羧酸减水剂的工艺研究[J].新型建筑材料,2013,40(12):88-92.

[4] 岳鹏飞.混凝土外加剂的发展及生产工艺[J].河北化工,2010(7):26-27.

[5] 齐志伟,齐建辉.聚羧酸系减水剂生产线自动化设计[J].混凝土世界,2013(7):80-85.

[6] 赵文明.聚合反应釜壳体结构优化设计[J].化工设备与管道,2011,48(6):10-11.

Development and Application of A New Reacting System for Polycarboxylate

MA Bao-guo1,QI Chang-ya1,XIAO Jia2,TAN Hong-bo1
(1.State Key Laboratory of Silicate Materials for Architecture,Wuhan 430070,China;
2.Research Institute of Civil Engineering and Material,Central South University,Changsha 410083,China)

This paper developed a polycarboxylate response system based on the problems which existing in the reaction system of polycarboxylate.This new system of polycarboxylate can increase the homogenized rate of 100%of the material,which enabling phase molar ratio can be set in accordance with reduced side effects.Molecule of material greatly increases the probability of collisions,which increase the dispersibility of the material,so that the material can be a faster response.This polycarboxylate response system reducing the dissolved time of macro monomer and the reaction time of the material,compared to the general reaction vessel,a total of 22.86%of the time has been shortened,at the same time,achieving better response and ensuring sufficient material for better protection of reacting the purpose is also to ensure that the overall performance of the product.

circulatory system in both directions; stirrer; material dispersion; reaction time; comprehensive performance of product

2014-06-20.

马保国(1957-),教授.E-mail:851871851@qq.com

10.3963/j.issn.1674-6066.2014.05.005