CN101412628A - 一种利用微波制备聚丙烯酸系陶瓷减水剂及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用微波制备聚丙烯酸系陶瓷减水剂及其方法，本发明基于对陶瓷减水剂的性能要求和聚合物分子构效关系的分析，对单体分子结构的选择和添加量进行了优化。选用丙烯酰胺、丙烯酸钠作为聚合单体，以过硫酸钾为引发剂，在此基础上引入微波辐射技术，利用微波快速制备陶瓷减水剂产品。本发明提供的方法可以提高反应速度，缩短反应时间，降低能耗，减少污染，提高产品浆料的流动性能和稳定性，是一种安全、高效、节能、绿色且操作简单的新方法。

Description

一种利用微波制备聚丙烯酸系陶瓷减水剂及其方法

技术领域

本发明属于有机制备技术领域，具体的说是一种利用微波制备聚丙烯酸系陶瓷减水剂及其方法。

背景技术

陶瓷浆料由黏土矿物颗粒(胶粒)和瘠性原料及辅助原料(非胶粒)组成。不加减水剂，自由水易吸附于上述颗粒上，需大量水稀释才能使浆料具有流动性，当加入减水剂时，水中的坯体颗粒黏附在高分子链节上，使粒子形成保护膜，抑制了水的吸附，使自由水含量增加，流动性变好，达到解凝目的。

聚丙烯酸系减水剂是目前最有发展前景的新一代陶瓷减水剂，该减水剂是一种聚电解质，本方法中Na⁺具有较强水化作用，可使胶团扩散层增大，也使浆料流动性增强。，由于它具有高减水、掺量低、高稳定泥浆性能，渐渐将受到陶瓷界的广泛认同。以其它的陶瓷减水剂相比，聚丙烯酸系陶瓷减水剂具有以下优点：(1)对陶瓷泥浆分子具有超分散作用，减水率超过普通的陶瓷减水剂；(2)对大多数的陶瓷泥浆的适应性强；(3)可以提高陶瓷废料的添加量；(4)环保底毒。欧美等国家在90年代中期已成功的实现了聚丙烯酸系减水剂的工业化和应用；在我国的佛山地区，有些陶瓷企业也将用这类减水剂以提高工艺性能。聚丙烯酸系陶瓷减水剂分子一般由丙烯酸衍生物及其它烯类单体经水溶液体系聚合获得，共聚反应时间为5～7h。在共聚反应中，存在因工艺条件不易控制造成的共聚物的性能不稳定等问题。

微波化学是一门新兴的交叉学科。微波辐射加热过程中物质的表面和内部同时吸收微波能量，因此物质的升温和物质内部水分子的蒸发过程是在物质整体内外同时进行的。在物质的表面发生的水分蒸发作用使温度低于内层，形成了温差。物质内部水分子吸收微波能转变为热能，迅速产生蒸发形成蒸汽压差，迫使内部的水蒸汽向外排出。物质中的微波辐射代替常规加热方法进行化学反应具有内部加热、清洁、节能、体系易控制等优点。本发明基于对减水剂性能要求和单体分子构效关系的分析，对单体分子结构的选择和单体配比进行了优化。本发明的方法可以大大缩短反应时间、降低能耗、减少污染。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种用微波辐射促进制备聚丙烯酸系陶瓷减水剂的方法，由本发明方法制备的聚丙烯酸系陶瓷减水剂性能比常规加热方法制备的产品性能更好，且反应时间大大缩短。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种利用微波制备聚丙烯酸系陶瓷减水剂的方法包括以下步骤：

(1)混合丙烯酰胺、丙烯酸钠和腐殖酸钠三种反应物，再加入引发剂过硫酸钾，组成反应混合物，在丙烯酰胺、丙烯酸钠和腐殖酸钠三种反应物中，丙烯酰胺、丙烯酸钠分别占15％～30％摩尔和25％～35％摩尔，其余为腐殖酸钠；过硫酸钾用量为丙烯酰胺和丙烯酸钠摩尔数之和的0.8％～1.5％。

(2)用900W的微波辐射步骤(1)所得的反应混合物，升温到反应温度70～90℃，然后调节微波的功率使温度控制在反应温度，当得到均一溶液时，继续保持2～3min，再加入氢氧化钠溶液调节PH为7～8，即得本发明的陶瓷减水剂。

所述氢氧化钠溶液浓度为20％-40％质量。

本发明方法制备的聚丙烯酸系陶瓷减水剂：分子量为12000～36000，结构式为：

其中：a＝4～25整数

m＝15～60整数

n＝15～60整数。

制备的减水剂的pH值对减水效果也有一定的影响，当pH值为7～8时，减水效果最佳。pH值大于9时，由于NaOH的强碱性破坏了聚丙烯酸钠的对悬浮粒子的保护膜，导致胶体颗粒重新聚沉，流动性变差；pH值过小时，可电离的钠离子较少，体系中—COOH含量较多，由于氢键的作用使自由水的释放减少，解凝效果差。

本发明与现有技术相比具有如下的优点及效果：

(1)本发明基于对减水剂性能要求和单体分子构效关系的分析，对单体分子结构的选择和单体配比进行了优化。选用丙烯酰胺、丙烯酸钠作为聚合单体，利用微波快速制备聚丙烯酸系陶瓷减水剂产品。本发明提供的方法可以大大缩短反应时间，减低能耗，减少污染。

(2)本发明所制备的聚丙烯酸系陶瓷减水剂产品在低添加量(0.3％)，低水浆比(0.3：1)时初始净浆流动(用涂-4杯测量)流速可达21.94秒，2h净浆流速仍可达23.86秒，且不产生离析和触变现象。在测试条件相同的情况下，用常规的加热方法制备的减水剂在添加量为0.3％，水浆比为0.3：1时初始流速为31.27秒，2h净浆流速为35.42秒，且产生离析现象。

具体实施方式

实施例1

向带搅拌的反应器中加入丙烯酰胺加入0.15mol、丙烯酸钠(分子量为2200，加入0.2mol)，腐殖酸钠加入0.35mol，过硫酸钾溶液(0.8g溶于10g水中)。将反应器置于微波反应器中，用900W的微波辐射上述反应混合物，使其迅速升温至85℃。然后设定微波功率为900W、反应温度为85℃，搅拌下反应5min得均匀溶液，继续在同样条件下微波辐射老化2min，加入20％质量的氢氧化钠溶液调节PH为7，即得聚丙烯酸系陶瓷减水剂产品。

实施例2

向带搅拌的反应器中加入丙烯酰胺加入0.105mol、丙烯酸钠(分子量为2200，加入0.245mol)，腐殖酸钠加入0.35mol，过硫酸钾溶液(1.42g溶于10g水中)。将反应器置于微波反应器中，用900W的微波辐射上述反应混合物，使其迅速升温至70℃。然后设定微波功率为900W、反应温度为70℃，搅拌下反应5min得均匀溶液，继续在同样条件下微波辐射老化2min，加入30％质量的氢氧化钠溶液调节上述均匀溶液的PH＝7，即得聚丙烯酸系陶瓷减水剂产品。

实施例3

向带搅拌的反应器中加入丙烯酰胺加入0.21mol、丙烯酸钠(分子量为2200，加入0.175mol)，腐殖酸钠加入0.315mol，过硫酸钾溶液(1.04g溶于10g水中)。将反应器置于微波反应器中，用900W的微波辐射上述反应混合物，使其迅速升温至90℃。然后设定微波功率为900W、反应温度为90℃，搅拌下反应5min得均匀溶液，继续在同样条件下微波辐射老化3min，用40％质量的氢氧化钠溶液调节上述均匀溶液的PH＝8，即得聚丙烯酸系陶瓷减水剂产品。

为了说明本发明方法优于常规加热法制备的聚丙烯酸系陶瓷减水剂，下面进行对比：

将陶瓷粉体100g加水80g，搅拌均匀后测流出时间为23s，作为对比实验的基准；将实施例1制备的陶瓷减水剂加入到100g陶瓷粉体中，搅拌均匀，测流出时间，当流出时间与基准相同时，记录加水量m，计算减水率，减水率＝(80-m)/m×100％。

实施例1制备的陶瓷减水剂产品在添加量为0.3％(本发明陶瓷减水剂占陶瓷粉体的质量分数)，水浆比为0.3：1(水与陶瓷泥浆的质量比)时减水率达到41％。流速可达21.94秒，2h净浆流速仍可达23.86秒，且不产生离析和触变现象。

相同条件下，向带搅拌的反应器中加入相同量的丙烯酰胺、丙烯酸钠，用20％NaOH中和至pH值为7，再加入腐殖酸钠和引发剂，混合均匀，使用电炉加热到反应温度85℃，反应20min，制得腐殖酸钠—丙烯酰胺—丙烯酸钠共聚物，真空干燥，研磨成粉末。参考上面的测试条件，在添加量为0.3％，水浆比为0.3∶1时初始流速为31.27秒，2h净浆流速为35.42秒，且产生离析现象。

将本发明方法制备的聚丙烯酸系陶瓷减水剂按不同比例加到陶瓷泥浆中，减水效果见表1。

表1 减水剂添加量对减水效果的影响

 

减水剂添加量/％	加水量/g	减水率/％
			0.05	65.1	22.8％
0.1	63.2	26.7％
			0.15	60.5	32.4％
0.2	59.0	35.6％
			0.25	57.8	37.6％
0.3	56.6	41.4％
			0.35	57.1	40.1％
0.4	58.2	37.4％
			0.45	59.0	35.2％
0.5	60.5	32.3％
			0.55	61.3	28.9％

由表1可以看出，随着减水剂的加入，泥浆的黏度先增加后下降。这是因为随着减水分散剂用量的增加，体系的吸附作用的不断增强，引起了双电层的增厚，导致静电排斥力的增大，同时随着高分子数量增加，在浆料胶粒表面形成一层有机保护膜，胶粒之间碰撞聚沉困难，从而引起浆料黏度的降低，使其流出时间减少，即减水性能增强。但是，随着减水分散剂用量的增大，浆料的黏度会再次增大。主要原因有：一方面，过量的分散剂有机物的离子部分充当了自由离子，增加了浆料的离子浓度，从而压缩了双电层，降低了颗粒之间的静电排斥力；另一方面，过剩的减水分散剂分子相互之间会发生桥联作用而形成网络结构，极大地限制了陶瓷粉体微粒的运动，从而引起了浆料的絮凝，导致悬浮体系的黏度升高，在减水率方面反映为减水率降低。

Claims (3)

1、一种利用微波制备聚丙烯酸系陶瓷减水剂的方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)混合丙烯酰胺、丙烯酸钠和腐殖酸钠三种反应物，再加入引发剂过硫酸钾，组成反应混合物，在丙烯酰胺、丙烯酸钠和腐殖酸钠三种反应物中，丙烯酰胺、丙烯酸钠分别占15％～30％摩尔和25％～35％摩尔，其余为腐殖酸钠；过硫酸钾用量为丙烯酰胺和丙烯酸钠摩尔数之和的0.8％～1.5％。

(2)用900W的微波辐射步骤(1)所得的反应混合物，升温到反应温度70～90℃，然后调节微波的功率使温度控制在反应温度，当得到均一溶液时，继续保持2～3min，再加入氢氧化钠溶液调节PH为7～8，即得本发明的陶瓷减水剂。

2、根据权利1所述的方法，其特征是所述氢氧化钠溶液浓度为20％-40％质量。

3、一种由权利1或2所述方法制备的聚丙烯酸系陶瓷减水剂，其特征在于：分子量为12000～36000，结构式为：

其中：a＝4～25整数

m＝15～60整数

n＝15～60整数。