CN103951795B - 一种制备聚羧酸减水剂的方法及其设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种制备聚羧酸减水剂的方法及其设备，其中，制备方法为：将原材料大单体脂肪醇聚氧乙烯醚、丙烯酸、双氧水和水加入到反应釜中，在催化剂的催化作用下，反应1.5~2.5小时，用碱性溶液中和至pH=6~8，制得聚羧酸溶液；设备包括反应釜，所述反应釜包括壳体，壳体上端设置有投料口，下端设置有出料口，在壳体的侧壁上设置有扰流板，且壳体的内部设置有搅拌桨，该搅拌桨的上端与减速机驱动相连，所述减速机由电机提供动力；与反应釜连通的第一计量罐、第二计量罐、第三计量罐、第四计量罐、和第五计量罐；具有节能降耗、环保无排、生产简单、生产周期短、结构简单、方便操作等优点。

Description

一种制备聚羧酸减水剂的方法及其设备

技术领域

本发明涉及聚羧酸减水剂的制备，特别提供了一种能够在常温常压条件下制备聚羧酸减水剂的方法及其设备。

背景技术

减水剂是指在混凝土和易性及水泥用量不变条件下，能减少拌和用水量，提高混凝土强度；或在和易性及强度不变条件下，节约水泥用量的外加剂。近年来研究者们开发了一系列的减水剂，如萘系减水剂、磺化三聚氰氨系、氨基磺酸系等。20世纪80年代，日本学者研究了一种新型的聚羧酸系高效减水剂，并且20世纪90年代首次于日本应用这种梳型结构的聚羧酸系减水剂。聚羧酸系减水剂相对其他系减水剂有独特的性质，如分子结构的易变性、优越的分散稳定性，高咸水率、低坍落度损失、与水泥相容性好等，因此全世界混凝土外加剂行业对聚羧酸系减水剂的需求急剧增加。

目前，国内的聚羧酸生产工艺采用高温压强技术，存在生产繁琐，不安全，不环保，不节能，原料选用苛刻等诸多缺点，而且使用的制备设备需要附带燃油锅炉以及去离子水等设备，结构复杂，不容易操作，生产周期长，通常为8~9个小时。

因此，如何对现有的聚羧酸减水剂的制备工艺和制备设备进行改进，以解决上述问题，成为人们亟待解决的问题。

发明内容

鉴于此，本发明的目的在于提供一种制备聚羧酸减水剂的方法及其设备，以至少以往制备方法存在的生产繁琐，不安全，不环保，不节能，原料选用苛刻等问题，以及设备结构复杂，不容易操作，生产周期长等问题。

本发明一方面提供了一种制备聚羧酸减水剂的方法，其特征在于，包括如下步骤：

将原材料大单体脂肪醇聚氧乙烯醚、丙烯酸、双氧水和水加入到反应釜中，在催化剂的催化作用下，反应1.5~3.5小时，用碱性溶液中和至pH=6~8，制得聚羧酸溶液；

其中，按重量计，脂肪醇聚氧乙烯醚1500~2000份，丙烯酸180~220份，双氧水20~35份，催化剂70~90份；

所述催化剂为维生素C、硝酸锗和氨基丙酸乙酯的混合物。

优选，所述催化剂由以下成分按重量比混合而成，维生素C20~50份、硝酸锗15~25份、氨基丙酸乙酯15~25份。

进一步优选，所述催化剂由以下成分按重量比混合而成，维生素C35份、硝酸锗25份、氨基丙酸乙酯20份。

进一步优选，所述原料和催化剂，按重量计，脂肪醇聚氧乙烯醚1700份，丙烯酸195份，双氧水20份，催化剂80份。

进一步优选，所述原材料和催化剂是分步骤加入反应釜中。

进一步优选，所述分步骤加入具体为：

将原材料大单体脂肪醇聚氧乙烯醚、催化剂中的维生素C和水加入反应釜中搅拌，直至溶解；

再将催化剂中的硝酸锗加入反应釜中，搅拌混合；

再将丙烯酸、双氧水和催化剂中的氨基丙酸乙酯同时加入反应釜中，反应1.5~2小时；

最后加入碱性溶液中和至pH=6~8，制得聚羧酸溶液。

进一步优选，所述碱性溶液为氢氧化钠溶液。

本发明另一方面提供了一种制备聚羧酸减水剂的设备，其特征在于，包括：

反应釜，所述反应釜包括壳体，壳体上端设置有投料口，下端设置有出料口，在壳体的侧壁上设置有扰流板，且壳体的内部设置有搅拌桨，该搅拌桨的上端与减速机驱动相连，所述减速机由电机提供动力；

与反应釜连通的第一计量罐、第二计量罐、第三计量罐、第四计量罐、和第五计量罐。

优选，所述反应釜和第一~第五计量罐均是由聚丙烯和聚四氟乙烯混合材料制成。

进一步优选，所述搅拌桨包括主轴，以及沿着主轴轴向方向分布的多层叶片。

本发明提供的制备聚羧酸减水剂的方法，以大单体脂肪醇聚氧乙烯醚、丙烯酸和双氧水为反应原料，在维生素C、硝酸锗和氨基丙酸乙酯混合而成的催化剂的催化作用下，上述反应原料能够在常温常压的条件下进行反应，生成聚羧酸，同时对反应原料也不存在苛刻的要求，而且反应周期短。

本发明提供制备聚羧酸减水剂的设备，以反应釜为原料的反应场所，以各个计量罐为原料的存放地，可以按照顺序将各个计量罐中各原料导入反应釜中进行反应，为了缩短整个反应周期，提高反应速率，在反应釜内设置了扰流板和搅拌桨，搅拌桨在减速机和电机的带动下进行旋转从而对反应物进行搅拌，使其能够在反应釜内充分混合，在扰流板的作用下反应物能够进行完全的接触，从而使反应原料彻底反应，提高产出。

本发明提供的制备聚羧酸减水剂的方法及其设备，具有节能降耗、环保无排、生产简单、生产周期短、结构简单、方便操作等优点。

附图说明

图1为制备聚羧酸减水剂设备示意图；

图2为反应釜的结构示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合实施例来详细说明本发明。

为了较好的解决目前制备聚羧酸时需要采用高温压强技术，存在生产繁琐，不安全，不环保，不节能，原料选用苛刻等诸多缺点，本发明提供了一种能够在常温常压下进行聚羧酸减水剂制备的方法，具体步骤为，将原材料大单体脂肪醇聚氧乙烯醚、丙烯酸、双氧水和水加入到反应釜中，在催化剂的催化作用下，反应1.5~3.5小时，用碱性溶液中和至pH=6~8，制得聚羧酸溶液；其中，按重量计，脂肪醇聚氧乙烯醚1500~2000份，丙烯酸180~220份，双氧水20~35份，催化剂70~90份；所述催化剂为维生素C、硝酸锗和氨基丙酸乙酯的混合物。

本发明通过大单体脂肪醇聚氧乙烯醚、丙烯酸、双氧水发生接枝聚合反应，制备生成聚羧酸，其中，催化剂在低温时显著提高各种原材料分子活性，加剧分子布朗运动烈度，提高了分子间碰撞的机率。从而使之在低温下反应成为可能。由于上述催化剂对反应的良好催化，减少了对反应原料和反应环境的各种苛刻要求，在常温常压下就能够进行聚羧酸的制备，操作简单。

优选，所述反应原料和催化剂的配比，按重量计，脂肪醇聚氧乙烯醚1700份，丙烯酸195份，双氧水20份，催化剂80份。更为优选，催化剂由以下成分按重量比混合而成，维生素C 20~50份、硝酸锗15~25份、氨基丙酸乙酯15~25份；最为优选，催化剂由以下成分按重量比混合而成，维生素C 35份、硝酸锗25份、氨基丙酸乙酯20份。

为了进一步缩短聚羧酸制备的周期，提高产出，上述原材料和催化剂是分步骤加入反应釜中，具体为：将原材料大单体脂肪醇聚氧乙烯醚、催化剂中的维生素C和水加入反应釜中搅拌，直至溶解，使脂肪醇聚氧乙烯醚和催化剂维生素C能够充分混合，进行深度催化，缩短反应周期；再将催化剂中的硝酸锗加入反应釜中，搅拌混合，进行进一步的催化；再将丙烯酸、双氧水和催化剂中的氨基丙酸乙酯同时加入反应釜中，反应1.5~2小时；最后加入碱性溶液中和至pH=6~8，制得聚羧酸溶液，大大缩短了聚羧酸的制备周期，而且通过对脂肪醇聚氧乙烯醚的深度催化，使其能够与丙烯酸、双氧水充分反应，提高产出。

其中的碱性溶液优选为氢氧化钠溶液。

为了简化制备聚羧酸减水剂设备的结构，本发明提供了一种制备聚羧酸减水剂的设备，其主要包括反应釜1以及分别与反应釜1连通的第一计量罐2、第二计量罐3、第三计量罐4、第四计量罐5和第五计量罐6，其中，反应釜1为整个制备聚羧酸减水剂化学反应的容器，而第一计量罐2、第二计量罐3、第三计量罐4、第四计量罐5和第五计量罐6为各反应原料的存储容器，通过将各计量罐与反应釜相连通，可以方便将原料直接导入反应釜内进行反应，方便操作，同时为了缩短整个反应周期，提高产出，将反应釜1进一步设计为包括壳体11，壳体11上端设置有投料口12，用于原料的投入，下端设置有出料口13，用于产物的排出，为了是反应物原料能够在反应釜内充分接触反应，缩短反应周期，在壳体11的侧壁上设置有扰流板14，且壳体11的内部设置有搅拌桨15，该搅拌桨15的上端与减速机16驱动相连，所述减速机16由电机17提供动力。

为了提高整个设备的保温效果，反应釜和第一~第五计量罐均设计为由聚丙烯和聚四氟乙烯混合材料制成。

其中，扰流板14优选个数为3个，均匀分布于壳体11的侧壁上。

为了提高搅拌桨的搅拌效果，作为技术方案的改进，如图2所示，将搅拌桨15设计为包括主轴151，以及沿着主轴151轴向方向分布的多层叶片152，优选为双层。

为了使各反应原料在各计量罐中能够充分溶解，进一步缩短反应周期，作为技术方案的进一步改进，在第一计量罐2、第二计量罐3、第三计量罐4、第四计量罐5和第五计量罐6上均连接有循环电机，用于加快计量罐内反应原料的溶解。

为了使第三、第四和第五计量罐中的反应原料能够匀速的导入反应釜中，从提高其整体的混合程度，作为技术方案的改进，如图1所示，在反应釜1与第三计量罐4、第四计量罐5和第五计量罐6之间分别连接有恒流泵7，通过恒流泵将各计量罐中的反应原料匀速的泵入反应釜中。

为了方便反应产物能够顺利的排出，尽量减少反应釜内残留物，作为技术方案的改进，如图2所示，将反应釜1的底面111设计为一端高另一端低具有倾斜角，其优选的倾斜角为10°~20°，同时更为优选的为，将出料口13设计位于底面较低的一侧，且所述出料口13为直角弯头，从而使反应釜内的产物能够顺利的排出，由于地面就有倾斜角，则产物溶液则大多残余在较低的一侧，将出料口的弯头设计为直角弯头，使弯头能够插入产物溶液的较深处，方便产物溶液的排出，减少残余物，减少资源的浪费。

为了方便物料的添加调整以及水溶液的添加，如图2所示，在反应釜1的壳体11上端还设置有导料口18和注水口19，为了方便对反应釜内反应情况的实时监控，作为技术方案的改进，如图2所示，在反应釜1的壳体11侧壁上还设置有观察口。

实施例1

按照如下步骤制备聚羧酸：

1、将第一~第五各计量罐及反应釜中加入一定量的水（地下水或自来水匀可）；其中，第一计量罐加入195kg、第二计量罐加入245kg、第三计量罐加入60kg、第四计量罐加入75kg、第五计量罐加入95kg、反应釜加入2260kg。

2、将原材料大单体脂肪醇聚氧乙烯醚1700kg及催化剂维生素C35kg投入反应釜中，同时开启电机进行搅拌溶解；

3、将氢氧化钠75kg、催化剂硝酸锗25kg、丙烯酸195kg、双氧水20kg、催化剂氨基丙酸乙酯20kg，按顺序分别投入第一~第五计量罐中，同时开启循环电机进行溶解；

4、将二计量罐中催化剂硝酸锗泵送至反应釜内，进行混合，当泵送完毕后关闭电机；

5、关闭循环电机开启恒流泵3台，将第三计量罐中丙烯酸、第四计量罐中双氧水、第五计量罐中催化剂氨基丙酸乙酯同时泵送至主反应釜中，各计量罐使用时间为第三计量罐50分钟完毕、第四计量罐65分钟完毕、第五计量罐75分钟完毕，泵送各原料后关闭恒流泵；

6、当第三、第四、第五计量罐匀泵送完毕后，开启电机，将第一计量罐氢氧化钠泵送至反应釜，泵送完毕后关闭电机；

当第一计量罐泵送完毕后，此生产过程结束，用时1.5小时，其产品为浓度40%的聚羧酸。

实施例2~5

实施例2、3整个制备过程与实施例1相同，只有反应原料和催化剂的配比有所不同，实施例4、5是将反应原料和催化剂一同加入反应釜中进行搅拌反应，由于水溶液是用于溶解个原料的，对于水溶液的用量没有特别要求，故本表中省略填写水的用量，具体见表1。

表1

其中，催化剂的组成，具体见表2。

表2

聚羧酸减水剂传统加温加压法

1.向反应釜中加入2550份去离子水，加温至60~65度间，加入大单体脂肪醇聚氧乙烯醚1750份，温度保持60~65度间，搅拌30分钟使其充分溶解。

2.将10份双氧水与25份去离子水溶液加入反应釜中，搅拌20分钟。

3.向反应釜内滴加巯基酸与去离子水混合溶液，巯基酸20份，去离子水55份。丙烯酸与去离子水混合溶液，丙烯酸210份，去离子水60份。巯基酸与去离子水混合溶液加时间为3小时，丙烯酸与去离子水混合溶液滴加时间为3.5小时。滴加过程中温度保持在65~70度之间。

4.滴加完后，在工作65~70度之间保温3小时。

5.降温至40度，向反应釜内加入碱15份，去离子水310份，搅拌20分钟后出料。

实施例6

将传统制作聚羧酸减水剂设备与本发明中提供的制备聚羧酸减水剂设备，以及所需要的生产条件进行比较，具体见表3。

表3

实施例7

依据《聚羧酸系高性能减水剂》（JG/T223-2007）对实施例1~5和对比例1中的聚羧酸进行性能检测，具体检测结果，见表4~9。

表4：实施例1的检测表（掺量0.4%）

表5：实施例2的检测表（掺量0.4%）

表6：实施例3的检测表（掺量0.4%）

表7：实施例4的检测表（掺量0.4%）

表8：实施例5的检测表（掺量0.4%）

表9：对比例1的检测表（掺量0.4%）

实施例8

对实施例1~5的反应周期，以及产出率进行了比较，具体见表10。

表10

Claims (8)

1.一种制备聚羧酸减水剂的方法，其特征在于，采用的制备设备包括：

反应釜，所述反应釜包括壳体，壳体上端设置有投料口，下端设置有出料口，在壳体的侧壁上设置有扰流板，且壳体的内部设置有搅拌桨，该搅拌桨的上端与减速机驱动相连，所述减速机由电机提供动力；

与反应釜连通的第一计量罐、第二计量罐、第三计量罐、第四计量罐和第五计量罐；

包括如下步骤：

将原材料大单体脂肪醇聚氧乙烯醚、丙烯酸、双氧水和水加入到反应釜中，在催化剂的催化作用下，反应1.5~2.5小时，用碱性溶液中和至pH=6~8，制得聚羧酸溶液；

其中，按重量计，脂肪醇聚氧乙烯醚1500~2000份，丙烯酸180~220份，双氧水20~35份，催化剂70~90份；

所述催化剂由以下成分按重量比混合而成，维生素C20~50份、硝酸锗15~25份、氨基丙酸乙酯15~25份。

2.按照权利要求1所述制备聚羧酸减水剂的方法，其特征在于：所述原材料和催化剂，按重量计，脂肪醇聚氧乙烯醚1700份，丙烯酸195份，双氧水20份，催化剂80份。

3.按照权利要求1所述制备聚羧酸减水剂的方法，其特征在于：所述催化剂由以下成分按重量比混合而成，维生素C35份、硝酸锗25份、氨基丙酸乙酯20份。

4.按照权利要求1所述制备聚羧酸减水剂的方法，其特征在于：所述原材料和催化剂是分步骤加入反应釜中。

5.按照权利要求4所述制备聚羧酸减水剂的方法，其特征在于，所述分步骤加入具体为：

将原材料大单体脂肪醇聚氧乙烯醚、催化剂中的维生素C和水加入反应釜中搅拌，直至溶解；

再将催化剂中的硝酸锗加入反应釜中，搅拌混合；

再将丙烯酸、双氧水和催化剂中的氨基丙酸乙酯同时加入反应釜中，反应1.5~2小时；

最后加入碱性溶液中和至pH=6~8，制得聚羧酸溶液。

6.按照权利要求1或5所述制备聚羧酸减水剂的方法，其特征在于，所述碱性溶液为氢氧化钠溶液。

7.按照权利要求1所述制备聚羧酸减水剂的方法，其特征在于：所述反应釜和第一~第五计量罐均是由聚丙烯和聚四氟乙烯混合材料制成。

8.按照权利要求1所述制备聚羧酸减水剂的方法，其特征在于：所述搅拌桨包括主轴，以及沿着主轴轴向方向分布的多层叶片。