韓玉龍（上虞吉龍化學(xué)建材有限公司，浙江紹興312300）

合成脂肪族減水劑的間歇式和連續(xù)式制備工藝的對比分析

韓玉龍（上虞吉龍化學(xué)建材有限公司，浙江紹興312300）

隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的不斷提高，城鎮(zhèn)化建設(shè)穩(wěn)步推進(jìn)，混凝土產(chǎn)業(yè)取得了巨大的發(fā)展，在這一背景下，高效減水劑不斷涌現(xiàn)出各類新品種，其中，脂肪族減水劑憑借其優(yōu)良的品質(zhì)，為我國城鎮(zhèn)化建設(shè)做出了突出貢獻(xiàn)。本文主要對合成脂肪族減水劑的作用機(jī)理以及特性進(jìn)行了介紹，并重點(diǎn)對間歇式制備工藝與連續(xù)式制備工藝進(jìn)行了對比分析。

合成脂肪族減水劑；間歇式制備工藝；連續(xù)式制備工藝

隨著混凝土技術(shù)的快速發(fā)展，在混凝土產(chǎn)業(yè)鏈條中，高性能化逐漸成為其追求的主要動力。在混凝土高性能化工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)中，混凝土外加劑有著非常重要的地位，其中，脂肪族減水劑是混凝土外加劑中的優(yōu)秀代表。羰基化合物、醛基化合物和亞硫酸鹽是脂肪族減水劑中的主要原料，在堿性條件下，醛酮之間發(fā)生醛酮縮合、羥醛縮合反應(yīng)，從而生成脂肪族高分子鏈，與此同時，可以借助亞硫酸鈉與羰基發(fā)生加成反應(yīng)，把磺酸基引入到分子鏈中，從而得到脂肪族高效減水劑。脂肪族減水劑具有高性價比、生產(chǎn)工藝簡單、能耗低等顯著優(yōu)勢，近年來受到廣大專業(yè)人士的認(rèn)可與喜愛。在合成工藝方面，脂肪族減水劑的優(yōu)化潛力比較大，即便是在生產(chǎn)工藝方面出現(xiàn)細(xì)微的差別，都會對脂肪族減水劑的生產(chǎn)成本以及產(chǎn)品性能產(chǎn)生直接的影響。

一、脂肪族減水劑的作用機(jī)理

1.脂肪族減水劑

脂肪族減水劑出現(xiàn)于二十世紀(jì)八十年代，是一種以亞硫酸鈉、丙酮、焦亞硫酸鈉以及甲醛等為主要原料的新型減水劑，經(jīng)過磺化反應(yīng)與縮合反應(yīng)從而產(chǎn)生的陰離子型高分子表面活性劑，其優(yōu)勢主要包括：①減水率非常高；②Na2SO4含量較低，在冬季低溫條件下不會發(fā)生結(jié)晶沉淀現(xiàn)象；③取材來源非常廣泛，且制成后產(chǎn)品性價比較高；④含氣量較低，有利于制備高性能及高強(qiáng)混凝土。

2.減水劑的作用機(jī)理

水泥顆粒的粒徑一般在7μm到80μm之間，屬于微細(xì)粒粉體顆粒的范圍。在水泥—水體系中，水泥水化顆粒以及水泥顆粒的表面屬于極性表面，親水性非常強(qiáng)。微細(xì)水泥顆粒的比表面能相對來說比較大，為了使固液界面的總能量減小，微細(xì)水泥顆粒會出現(xiàn)自發(fā)凝聚成為絮團(tuán)的發(fā)展趨勢，以使體系界面能減變小，保證體系在熱力學(xué)方面的穩(wěn)定性。

因為水泥顆粒所具有的絮凝結(jié)構(gòu)可以包裹住10%到30%左右的自有水，造成混凝土拌合物自身的流動性嚴(yán)重降低。摻入減水劑的主要目的就是把水泥顆粒內(nèi)部的凝絮結(jié)構(gòu)破壞掉，使其以分散的狀態(tài)存在，從而釋放絮團(tuán)中包裹的自由水，達(dá)到提高混凝土流動性的目的。減水劑實現(xiàn)分散減水的作用機(jī)理包括：表現(xiàn)出阻擋水泥顆?？拷膩碜杂诳臻g位的排斥力、使水泥顆粒中屬于固液體系的界面能降低、表現(xiàn)出靜電排斥力的作用、在水泥顆粒的表層可以形成溶劑化水膜，從而使水泥顆粒表面的潤滑作用以及濕潤性得到提高等。

二、合成脂肪族減水劑的間歇式和連續(xù)式制備工藝的對比

由于脂肪族減水劑的制備工藝有所不同，因此成品的性能存在較大的差異，相關(guān)研究表明，性能差異主要受到制備工藝中以下幾個因素的影響。

（1）加料方法。研究試驗表明，選擇的加料方法不用，所制造出的產(chǎn)品在結(jié)構(gòu)上會有所差異，從而對產(chǎn)品性能產(chǎn)生直接的影響。

（2）反應(yīng)時間。隨著時間的不斷變化，磺化丙酮甲醛縮合物的分子量會出現(xiàn)相應(yīng)的變化，因此，只有在分子質(zhì)量處于合適的范圍內(nèi)時，減水劑的作用才能得到發(fā)揮，而分子質(zhì)量與反應(yīng)時間有著密不可分的關(guān)系。所以，需要結(jié)合不同的制備工藝選擇不同的時間控制點(diǎn)。

（3）返混。返混是間歇式和連續(xù)化的主要區(qū)別，間歇式不需要返混，物料反應(yīng)從始至終在一個反應(yīng)容器中進(jìn)行，但在縮合前期會有一個暴聚的過程，該過程溫度、壓力驟然升高，通過控制加料速度來控制溫度、壓力上升幅度。為了解決這一問題，才考慮在連續(xù)化生產(chǎn)中進(jìn)行返混。即在反應(yīng)容器中，通過返混一部分一定縮合程度的縮合料，從而避免出現(xiàn)暴聚的情況。返混會造成反應(yīng)器內(nèi)部反應(yīng)物濃度的降低，并使反應(yīng)器內(nèi)部濃度的分布發(fā)生變化；返混在對反應(yīng)過程造成影響的同時，還會對反應(yīng)器因工程放大原因而造成的問題產(chǎn)生影響。

以下對合成脂肪族減水劑的兩種生產(chǎn)工藝過程進(jìn)行對比分析。

1.合成脂肪族減水劑間歇式制備工藝

合成脂肪族減水劑間歇式制備工藝是目前國內(nèi)應(yīng)用最廣泛的一種工藝手段。主要為在堿性條件下甲醛及丙酮與磺化劑發(fā)生的加成反應(yīng)、醛酮縮合反應(yīng)、羥醛縮合反應(yīng)、直至聚合反應(yīng)的漸變過程。從反應(yīng)過程上，間歇式脂肪族減水劑的制備工藝是將亞硫酸鈉或者焦亞硫酸鈉或者亞硫酸氫鈉與丙酮和液堿放置于反應(yīng)罐中加入水進(jìn)行混合溶解預(yù)熱處理，然后開始滴加甲醛，滴加需要在預(yù)先設(shè)定的時間內(nèi)完成；溫度升高到70℃到100℃時，保持恒溫狀態(tài)3到4.5小時，然后通過加水進(jìn)行降溫控制反應(yīng)終點(diǎn)，并對濃度進(jìn)行調(diào)節(jié)，在溫度低于50℃時，停止攪拌，降溫出料。詳見下圖。

圖1：合成脂肪族減水劑間歇式制備工藝流程圖

2.合成脂肪族減水劑連續(xù)式制備工藝

脂肪族減水劑的連續(xù)式生產(chǎn)主要是解決間歇式生產(chǎn)難控制、產(chǎn)品質(zhì)量波動大的問題，并能在一定程度上提高產(chǎn)能。在連續(xù)式制備工藝生產(chǎn)過程中所使用的反應(yīng)器具體包括遞進(jìn)式串聯(lián)反應(yīng)器與塔式反應(yīng)器兩種形式。本次研究以階梯式多釜連續(xù)生產(chǎn)脂肪族減水劑作為示例，這一形式的主要生產(chǎn)過程為：把丙酮、甲醛以及部分磺化劑混合物放入加料釜中進(jìn)行混合處理，完成后作為上液；把水、返混料以及部分磺化劑放入有攪拌功能的第一階段反應(yīng)釜內(nèi)，完成后作為下液；保持下液溫度的恒定（控制在45℃到65℃之間）；把前一步驟中產(chǎn)生的物料不間斷流入有攪拌功能的第二階段反應(yīng)釜內(nèi)，控制溫度在65℃到85℃之間，保持30分鐘到2小時；然后把第二步洲內(nèi)產(chǎn)生的物料不間斷流入有攪拌功能的第二階段反應(yīng)釜內(nèi)，保持90℃到100℃的溫度，然后出料，脂肪族減水劑即制成。詳見下圖。