新型聚羧酸減水劑反應系統的研制與應用

馬保國,戚長亞,肖 佳,譚洪波

(1.武漢理工大學建筑材料硅酸鹽國家重點實驗室,武漢 430070;

2.中南大學土木工程材料研究所,長沙 410083)

新型聚羧酸減水劑反應系統的研制與應用

馬保國1,戚長亞1,肖 佳2,譚洪波1

(1.武漢理工大學建筑材料硅酸鹽國家重點實驗室,武漢 430070;

2.中南大學土木工程材料研究所,長沙 410083)

根據現有聚羧酸減水劑反應器的缺陷進行了創新研制,開發了一種新型聚羧酸減水劑反應系統。該系統可提高物料100%的擴散速度,物相能夠按照設定摩爾比反應,減少了副反應的發生;通過水平機械攪拌和豎直泵送物料的雙向循環系統,增大物料分子間碰撞的機率,增加了物料的分散性,使物料可以更快的反應;縮短了大單體的溶解時間和物料反應時間,總共節約22.86%的生產時間;同時,保證了產品的綜合性能。

雙向循環系統; 攪拌器; 均化; 反應時間; 產品性能

反應釜廣泛應用于石油、化工、橡膠、農業、染料、醫藥、食品行業。聚羧酸系減水劑共聚合成反應大致可分為以下3種:①可聚合單體直接共聚:此法一般先制備具有聚合活性大單體,然后將一定配比的單體混合在一起直接采用溶液聚合而制得;②聚合后功能化法:該方法主要利用現有的聚合物改性,采用已知分子量的聚羧酸,在催化劑作用下與聚醚在較高溫度下通過酯化進行接枝;③原位聚合與接枝:該法是為彌補聚合后功能化法的缺陷而開發的,以聚醚為羧酸類不飽和單體的反應介質進行聚合反應[1]。在聚羧酸系減水劑的生產中必須使用反應釜作為容器,反應釜的作用是將反應釜中的各種液體通過攪拌器攪拌,使物料分散均勻,從而充分反應[2]。

聚羧酸減水劑的生產流程是在反應釜中加入大單體(聚醚)、不飽和酸及其他一些有雙鍵的單體,加入引發劑或滴加引發劑,引發聚合反應,3～8 h后可得成品[3,4]。

1 聚合反應釜的缺陷

在聚羧酸減水劑的生產過程中反應釜存在著以下缺陷:①反應過程中由于物料之間粘度差較大,在大單體溶解后,不飽和酸與引發劑加入反應釜后,不能充分擴散到溶液中而漂浮在物料上層,從而使物料無法得到充分的反應而影響反應速度和產品質量;②因為重力的關系,物料會出現分層情況,在各層間由于物料不按設計的物料摩爾比反應導致副反應增多,最終產品質量受到較大的影響;③反應釜中的攪拌器只在水平方向作圓周運動,物料在垂直方向不能很好地接觸,這同時也影響了物料之間的充分接觸,降低了反應速度[5,6]。現在一般的反應釜均存在以上問題,這一類問題不僅導致了物料反應時間增長,而且增多了物料副反應,進而影響了成品聚羧酸減水劑的綜合性能。

2 新型聚羧酸減水劑反應系統的組成和功能

新型聚羧酸減水劑反應系統主要由反應釜、電動攪拌器、豎直泵送系統、保溫層等組成。該系統改進了傳統聚羧酸反應釜的物料均化性能差和反應速度慢的缺陷,極大地增加了物料分子間的碰撞,縮短了物料的反應時間。

2.1 攪拌器和擋板

在聚羧酸減水劑生產過程中,物料從反應釜上部入料口進入,反應過程中由于物料之間粘度差較大,在大單體溶解后,不飽和酸與引發劑加入反應釜后,不能充分擴散到溶液中而漂浮在物料上層,物料無法得到充分的反應,影響了物料的反應速度和生產產品的質量。攪拌器攪拌物料,釜內物料作同心圓運動,物料不能有效的形成湍流,反應速度較慢。研制了如圖1的反應釜示意圖。其中,攪拌器為框式攪拌器,攪拌器上部焊上帶有不銹鋼棒的條形不銹鋼板,并在反應釜內壁設置有對稱的擋板。不銹鋼鋼板上焊有的不銹鋼棒可以使得上部較粘的物料被充分攪拌,從而不影響滴入物料的擴散,設置擋板,可以使攪拌器旋轉過程中形成更多的湍流,加速反應進程。

2.2 雙向循環系統

上述2.1中的研制目的是從水平方向來解決聚羧酸減水劑生產過程中物料均化問題,一定程度上提高了物料的反應速度和保證了產品質量。在此基礎上,在反應釜外增加了豎直泵送系統,用水平機械攪拌和豎直泵送物料,形成雙向循環系統。豎直泵送系統即通過計量泵從釜底抽取物料,經過抽取管,從反應釜上面打入。其中抽取管打入方向與水平方向成60°夾角,并與釜內物料流動方向成反方向,泵的流量可根據生產不同產品來調控。具體示意圖可見圖2和圖3。

3 新型聚羧酸減水劑反應系統的性能

分別使用一般反應釜與該反應系統作為聚羧酸減水劑生產過程中的容器。該次實驗用可聚合單體TPEG直接共聚:此法一般先制備具有聚合活性大單體(TPEG),然后將一定配比的單體混合在一起直接采用溶液聚合而制得。用一般反應釜溶解TPEG需要100 min,用該反應系統溶解TPEG需要70 min。下面表中的0 min均為TPEG溶解完成。在生產中比較兩種釜內物料的擴散速度、均化程度、反應速率和產品性能。其中,TPEG溶液的p H值為7.80。

3.1 物料擴散速度和物料均化程度

當TPEG溶解后,開始滴加A、B料,按一定時間提取反應釜上下部物料,測定其p H值,得到表1和表2的數據。

表1 一般反應釜上下部p H值

表2 新型聚羧酸減水劑反應系統上下部p H值

由于A、B料具有一定的酸性,當反應釜下部p H值發生變化,說明A料和B料已經擴散到反應釜下部。分析表1和表2可知,新型聚羧酸減水劑反應系統可以加快物料的擴散速度,比一般反應釜的物料擴散速度快一倍,即提高了物料100%的擴散速度。

表3 新型聚羧酸減水劑反應系統上下部p H值與反應時間的關系

表4 一般反應釜中上下部p H值與反應時間的關系

分析表3與表4,表3中反應釜上下部p H差值明顯小于表4中p H的差值。說明新型聚羧酸減水劑反應系統用于生產聚羧酸系減水劑時,比一般的反應釜更好地均化物料,提高物料的均化程度,使物料可以更快的反應,反應時間由傳統的250 min縮短為200 min,加上TPEG的溶解時間由100 min縮短為70 min,總時間縮短了22.86%的反應時間,并達到保證物質充分反應并更好的保障物質反應的準確性的目的。

3.2 產品性能測試

一般反應釜和新型聚羧酸減水劑反應系統生產的兩種聚羧酸減水劑代號分別為PC-1和PC-2。在減水劑的性能測試過程中,原材料采用了普通硅酸鹽42.5R水泥、粉煤灰、礦粉、砂石料,自來水及PC-1和PC-2兩種減水劑。材料均符合國家標準。通過凈漿實驗和混凝土實驗來測試減水劑產品性能。試驗參照《水工混凝土試驗規程》和GB 8076—2008混凝土外加劑進行。

表5 C30混凝土配合比

表6 混凝土實驗

表7 凈漿實驗

分析表6和表7,新型聚羧酸減水劑反應系統生產出的聚羧酸減水劑產品綜合性能較佳,結合表3和表4的結論,使用新型聚羧酸減水劑反應系統,不僅縮短了生產周期,而且保證了產品性能。

4 結 論

a.新型聚羧酸減水劑反應系統可以加快物料的擴散速度,比一般反應釜提高100%的物料擴散速度,并使物相按照設定摩爾比反應,減少了副反應,保障物質反應的準確性。

b.新型聚羧酸減水劑反應系統可以高效能地溶解和均化大單體,并且縮短聚合反應的時間,縮短22.86%的總反應周期。

c.在縮短總反應周期的基礎上,采用新型聚羧酸減水劑反應系統生產的聚羧酸減水劑,比一般反應釜生產的聚羧酸減水劑的綜合性能更優。

[1] 肖力光,閆存有.聚羧酸系高效減水劑的合成及機理研究[J].吉林建筑工程學院學報,2010,27(6):1-5.

[2] 曹式黎,吳 鏑.改造聚合反應釜節能[J].冶金能源,2013(2):63-64.

[3] 田應鳳,朱霞萍,項念念,等.低溫合成改性聚醚型聚羧酸減水劑的工藝研究[J].新型建筑材料,2013,40(12):88-92.

[4] 岳鵬飛.混凝土外加劑的發展及生產工藝[J].河北化工,2010(7):26-27.

[5] 齊志偉,齊建輝.聚羧酸系減水劑生產線自動化設計[J].混凝土世界,2013(7):80-85.

[6] 趙文明.聚合反應釜殼體結構優化設計[J].化工設備與管道,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.

馬保國(1957-),教授.E-mail:851871851@qq.com

10.3963/j.issn.1674-6066.2014.05.005