脂肪族高效减水剂的合成工艺分析
摘要:混凝土是当前一种最为常见也是应用最为广泛的建筑材料，在城市现代化建设中发挥了重要作用。而减水剂则是混凝土的主要外加剂之一，在减少混凝土用水量、提高混凝土早期强度、改善工作性等方面起到了不可替代的作用。为了能够进一步提高减水剂的实际应用效果，人们对减水剂的合成技术及工艺路线进行了深入的研究和改进，研发了多种新型高效减水剂，脂肪族高效减水剂就是其中的一种。不同的合成工艺所获取的脂肪族高效减水剂的性能也存在一定差异，现本文就对其合成工艺进行对比分析，探讨一种操作更简单、减水效果更好且参数更容易控制的合成工艺。
关键词:脂肪族；减水剂；合成工艺；反应机理；影响因素.
目前市场上对高效减水剂的需求量仍有不断增大的趋势。
其中脂肪族高效减水剂是应用范围广，需求量大的非萘系减水剂，其有效的避免了萘系减水剂生产过程的环境污染问题。自上世纪80年代被研发出来以后，就迅速成为替代或改善萘系减水剂的主要减水剂之一，它具有减水率高、含气量低、硫酸钠含量低、原材料来源广、掺量小、与水泥适应性好、无污染和性价比优于萘系产品等优点，正越来越受到社会的青赖。脂肪族减水剂是以羰基化合物为主要原料，在碱性条件下通过碳负离子的生产而缩合得到的一种脂肪族高分子链，并且通过亚硫酸盐对羰基的加成从而在分子链上引进亲水的磺酸基团，使得分子形成具有表面活性的一种高分子减水剂。
与其他减水剂得合成机理不同，脂肪族高效减水剂的合成机理较为复杂，且不同的生产工艺所获得的产品性能有所差异，为此研究一种较好的生产合成工艺就显得很有必要。
一、脂肪族高效减水剂的一般生产方式
从目前脂肪族高效减水剂的生产工艺现状来看，一般所采取的生产方式主要有两种，即连续式生产方式和间歇式生产方式。
其中连续式生产方式的操作较为简单且工艺参数容易控制，所生产出来的产品质量也较为稳定，能够实现较好的自动化。其生产流程主要有原材料均布器、催化剂填料塔、恒温塔、干燥塔等四个工艺阶段，但是连续式生产工艺对生产设备的性能要求较高，且相关的管线、泵以及其他辅助性设备数量较多，需要有较大的投资形成一定规模后才能实现。因此我国的脂肪族高效减水剂生产企业目前一般不采取这种生产工艺。而是多采用间歇式生产方式。
间歇式生产方式不需要太大规模的设备，也不需要投入过多的资金就可以实现脂肪族减水剂产品的生产，其生产流程是先将甲醛通入丙酮罐再通过干燥塔即可获得脂肪族减水剂，生产工艺非常简单，但是对生产工艺参数却很难进行有效控制，生产能力较低，产品性能不稳定，质量较差。因此也不是一种经济实用的优良生产工艺，只是因为成本低、容易实现生产而备受中小型企业的青睐。
可以说，当前常用的两种脂肪族高效减水剂生产工艺都不是特别理想，因此在其生产工艺上的改进空间还很大，我们仍然需要不断的研究摸索，研发一种更加优良的脂肪族高效防水剂合成工艺。
二、脂肪族高效减水剂的反应机理
要想研究出更优秀的脂肪族高效减水剂生产工艺方式，首先要对其生产过程中产生的化学反应进行详细了解，掌握其反应机理。而脂肪族高效减水剂的反应机理相对来讲较为复杂，在经历基础反应之后还要进行一定的聚合反应。其具体的反应机理分别如下所示：
1.基础反应
在基础反应中有2个反应占有主要地位:一个是碱性条件下的羟醛缩合反应，另一个是丙酮和甲醛同亚硫酸氢钠的加成反应。并且在基本反应中会产生许多能进行缩合反应的复杂单体，如反应中产生的丙酮一缩甲醛，它是主要的缩合单体，对链增长的贡献最大;再如所产生的4-羟基-4-甲基-2-戊酮和磺化反应产生的单体，等等。但磺化反应产生的单体只有1个羟基，不能参与链增长，因此它们是主要的链终止剂。
2.缩合反应
基础反应的产物是能进行缩合反应的多羟基化合物，这些多羟基化合物在碱性、高温条件下失水缩合，形成磺化丙酮/甲醛缩合物(分子质量为5000左右)。该反应是缩聚机理，即第一步反应产生的多羟基化合物在碱性、高温条件下失水缩合，形成磺化丙酮/甲醛缩合三、脂肪族高效减水剂合成中的主要影响因素1.加料方式目前不同厂家在生产脂肪族高效减水剂时采用的加料方式各有不同，主要可以分为5种，如表1所示。其各自生成的减水剂性能如表2所示。
表15种有代表性的加料方式
1 丙酮、甲醛、焦亚硫 酸钠氢氧化钠
2 丙酮、焦亚硫酸钠、 氢氧化钠甲醛
3 丙酮、氢氧化钠甲醛、焦亚硫酸钠
4 甲醛、焦亚硫酸钠、 氢氧化钠丙酮
5甲醛、氢氧化钠丙酮、焦亚硫酸钠
釜内物质滴加物质
表2不同加料方式下生成的减水剂性能
加料方式水泥净浆流动度/mm现象
1 190放热明显 且集中
2 230200195放热明显
3 235210200放热明显
4 200190放热平缓
5210180放热平缓
0h1h2h
由表1、表2可以看出，不同加料方式下所获得的减水剂性能是有很大差异的。其中第一种是性能最差的，这是因为其采取滴加氢氧化钠的方式进行加料，使得各个物质之间都同时进行化学 反应，从而放热较为集中且剧烈，所有基础物质的反应速率都很快，使得热量在反应前期就完全释放出来，容易出现安全事故，因此不宜采取第一种加料方式。第二种和第三种是目前国内企业最常采用的加料方式，其主要是在反应中期放热，但基础物质间的反应会贯穿整个生产过程，因此生产参数相对容易控制。而第四种与第五种则是在甲醛量超标的情况下进行反应，会增大分子支链的长度而缩短主链的长度，这样就会使所获得的减水剂减水性能与保坍性较差。
2.反应温度
由于脂肪族高效减水剂的反应分为基础反应和缩合反应两大阶段，而基础反应发生时会产生较大的热量，缩合反应却几乎不产生热量，因此对两个反应阶段的反应温度控制也各不相同。
一般为了控制基础反应的反应参数，避免物料受损过大，一般将基础反应的滴加温度控制在60℃左右。而聚合反应的反应温度多控制在95℃左右，以提高反应温度，使反应速率加快。
3.反应时间
从长期的生产实践来看，脂肪族减水剂的性能高低会随着反应时间的变化而发生变化。在早期其减水率会随着时间延长而不断增大，但达到一定峰值后，就会随着时间延长而不断减小。
因此将反应时间控制在峰值处所得到的减水剂产品减水率是最高的。在不同的加料方式下，反应最佳时间长短也存在一定差异，这是因为加料方式不同，反应中分子质量变化不同，对反应时间的要求也有所不同。一般认为要想控制减水率大小，就必须要求分子质量不可过大也不可过小，而是要控制在合理范围内，此时反应时间多需要控制在1.5-2.5h之内。三、一种较易实行的脂肪族高效减水剂合成工艺1.工艺流程
将甲醛和焦亚硫酸钠在预搅拌罐中混合溶解后，泵入加料罐;丙酮和液碱按一定比例泵入5t的反应釜中，在搅拌下升温至设定温度后恒温，开始滴加甲醛和焦亚硫酸钠的混合物，控制加料速度在预定时间内滴完;升温至70-100℃，恒温1.5-2.5h，加水调节浓度，降温出料，泵入成品罐，完成生产。
2.实施效果
经过对所生产的产品进行性能鉴定后表明，该工艺生产的减水剂性能优异，符合国家标准GB8076。重复试验表明，产品性能稳定。并且在大规模的生产应用后也可以证明，该工艺生产操作简单，参数易控制，生产过程无废物排放，产品性能稳定。是一种非常可行且优良的生产工艺。
结束语
综上所述，目前在脂肪族减水剂的生产合成工程中，需要经过基础反应和缩合反应两个阶段，且其减水率高低会受加料方式、反应温度和反应时间的影响。在此基础上，我们可以对其合成工艺进行优化调整，以获得更好的合成工艺。本文最后所提出的合成工艺就是一种相对较为优良的脂肪族高效减水剂生产合成工艺，值得借鉴和推广应用。
参考文献：
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