萘系高效减水剂制备工艺优化研究_刘洋

第24卷　第3期 开封大学学报 V o l.24　N o.3 2010年9月J O U R N A LO FK A I F E N GU N I V E R S I T Y S e p.2010

萘系高效减水剂制备工艺优化研究

刘　洋,王　岩,陈　永,赵　辉

(开封大学功能材料研究中心,河南开封475004)

摘　要:以萘、浓硫酸、甲醛等为原料,经磺化、水解、缩合等步骤,制备了混凝土高效减水剂β-萘磺酸甲醛缩合物.并通过单因素实验,研究了物料比、磺化温度、磺化时间、缩合温度、缩合时间等对产品性能的影响,得到了优化的合成工艺条件.

关键词:萘系高效减水剂;合成;性能;优化

中图分类号:T U528.042 文献标识码:A文章编号:1008-343X(2010)03-0075-04

减水剂是一种混凝土外加剂,广泛用于混凝土建筑工程、混凝土预制构件、桥梁等的施工,也可用于油田的固井作业.在混凝土配料中加入适当比例的减水剂,可以在一定时间内显著提高混凝土的流动性,增大坍落度.这一做法使混凝土工程的浇注施工难度大为降低;还使混凝土适合泵送,实现了浇注的机械化作业;不但提高了混凝土的和宜性,而且减轻了搅拌强度.减水剂种类繁多,其中萘系减水剂(β-萘磺酸甲醛缩合物)是一种性能优越、价格适中、用途广泛的混凝土高效减水剂.资料显示,萘系减水剂占我国减水剂总量的80%以上[1][2],是目前用得最多的高效减水剂[3].

萘系高效减水剂的基本合成原料主要是工业萘、浓硫酸、甲醛和液碱等.合成工艺主要涉及四个基本反应步骤:磺化反应、水解反应、缩合反应和中和反应[4].合成试验流程如图1所示.

图1　萘系高效减水剂合成工艺流程图

上述生产过程中,影响产品性能的关键步骤是磺化、水解和缩合.由于反应剧烈,所以操作条件要求较高.操作条件还关系到过程的安全性.因此,对磺化和缩合的反应条件进行深入研究,寻求最佳的操作条件,对稳定产品质量、保证安全生产都是十分必要的.

1　实验

1.1　原料设备

萘,天津市红岩化学试剂厂;98%浓硫酸,开封东大化工有限公司;37%甲醛、片碱,天津市德恩化学试剂有限公司;三口瓶、恒温油浴锅、搅拌器、冷凝管、温度计、触点温度计、温度指示控制仪、酸式滴定管、碱式滴定管、锥形瓶、电子天平等.

1.2　原理

(1)磺化

主反应:生成β-萘磺酸

收稿日期:2010-05-10

作者简介:刘洋(1981-),男,河南巩义人,助教,理学硕士,主要从事有机合成研究.

副反应:生成α-萘磺酸

(2)水解

(3)缩合

(4)中和

1.3　实验步骤

将64g(0.5m o l)萘投入三颈烧瓶中,升温熔萘.反应瓶内温度升至135℃时开始滴加浓硫酸70g (0.7m o l),滴加时间控制在30m i n内,并控制反应温度,使之平稳上升.加酸完毕时应将反应温度控制在160℃±2℃,并在此温度下保温磺化3h.磺化结束后,降温至120℃,加入热水20g,水解1h.磺化结束和水解结束都要取样分析物料的总酸度.在总酸度达到要求后,将物料温度降至95℃,在搅拌下,于1h内加入甲醛44g(0.55m o l),加料过程中以每分钟升高1℃的速度将料温升至110℃±2℃,再保温聚合3h,中间不断补加少量热水,防止反应物过稠.反应结束后,加入30%N a O H溶液,中和p H值为7～9.

1.4　产品性能的影响因素

1.4.1　萘与硫酸的摩尔比对萘系高效减水剂性能的影响

(n)萘/(n)硫酸选取四个比例,分别为l∶1.30、l∶1.35、l∶1.40、1∶1.45.实验结果见图2.

图2　萘与硫酸的摩尔比对萘系高效减水剂性能的影响

浓硫酸既是磺化剂又是缩合反应的催化剂.提高浓硫酸比例有利于磺化反应的进行,可缩短反应时间.但浓硫酸用量增大,不但增加了产品成本,还会使成品中硫酸钠含量有所增加,从而影响产品的减水率.由图2可知,萘与硫酸的最佳摩尔比是1∶1.40.

1.4.2　磺化温度对萘系高效减水剂性能的影响

磺化温度选取三组,分别为155℃～160℃、160℃～165℃、165℃～170℃.实验结果见图3.

图3　磺化温度对萘系高效减水剂性能的影响

由图3可知,最佳磺化温度为160℃～165℃.其原因主要是:温度低于160℃时,α-萘磺酸生成比例相应提高;高于165℃后,就易生成萘二磺酸等磺化产物.这两种产物都不利于后期缩合的进行,影响产品的性能.

1.4.3　缩合温度对萘系高效减水剂性能的影响

缩合温度选取三组,分别为90℃～100℃、100℃～105℃、105℃～110℃.实验结果见图4.

图4　缩合温度对萘系高效减水剂性能的影响

由图4可知,缩合温度直接影响减水剂的性能.缩合温度提高,反应官能团的活性增加,加快了缩合速度,提高了缩合质量.但温度过高,反应剧烈,容易发生暴聚.同时,缩合温度高,短时间内就会使缩合物黏稠,出现结块,致使搅拌困难,缩合反应无法进行下去,因此要调节缩合时的加水量.故最佳缩合温度为105℃～115℃,一般保持在110℃.

1.4.4　缩合时间对萘系高效减水剂性能的影响

缩合时间选取三个,分别为3h、4h、6h.实验结果见图5.

图5　缩合时间对萘系高效减水剂性能的影响

由图5可知,缩合4h和缩合6h对减水剂性能的影响并不明显,但缩合3h,减水剂性能却有较大幅度的降低.增加缩合时间可以提高缩合质量,提高产品的各项性能,但是也增加成本.综合考虑时间和性能及生产效率的相对关系,确定最佳缩合时间为4h.

2　结论

综上所述,优化反应条件可以有效地提高萘系高效减水剂的性能.其优化反应条件为:(n)萘∶(n)甲醛=1∶1.40;磺化温度160℃～165℃,磺化时间一般为2h;缩合温度110℃,缩合时间4h.

参考文献:

[1]熊大玉,王小虹.混凝土外加剂[M].北京:化学工业出版社,2002.

[2]何廷树.混凝土外加剂[M].陕西:陕西科学技术出版社,2003.

[3]田培.我国混凝土外加剂现状和展望[J].混凝土,2000,(3):3-8.

[4]李红侠,李春梅.磺化过程对萘系高效减水剂性能影响的试验研究[J].河北化工,2006,(2):25-26.

[责任编辑　李　想] O p t i m i z a t i o no f P r e p a r a t i o nT e c h n o l o g y f o r N a p h t h a l e n e S u p e r p l a s t i c i z e r

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(R e s e a r c hC e n t e r o f F u n c t i o n a l M a t e r i a l s,K a i f e n g U n i v e r s i t y,K a i f e n g475004,H e n a n)

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