聚羧酸系高性能减水剂的生产工艺及操作控制关键点

1、生产工艺流程图
以制备工艺较为复杂的酯型聚羧酸系高性能减水剂生产工艺为例，其主要的生产过程可以分为酯化、共聚合、中和三个步骤。详细操作方法可以描述如下。① 用水反复冲洗装有温度计、搅拌装置、滴定装置和油水分离器的反应釜，并烘干。依次将烷基聚醚、不饱和酸类单体、阻聚剂、催化剂、携水剂加入反应釜中，升温到回流状态进行酯化反应制备大分子单体，酯化反应至终点时，从油水分离器底部的出口接收反应生成的水分，然后减压蒸馏回收溶剂，有机溶剂可多次回收使用。② 将酯化混合料加水降温，并加入其他共聚单体，配制成单体混合溶液，在一定的时间内往聚合釜中滴加单体混合液，同时分开滴加引发剂溶液（必要时加入链转移剂）​，滴加完毕后，保温反应4～6h。③ 降温至40℃以下加入计算量的碱溶液进行中和，调节pH=6～9，得到聚羧酸系高性能减水剂溶液。醚型聚羧酸系高性能减水剂的生产工艺则更为简单，只涉及如图3-9所示的共聚合和中和单元操作。

2、生产关键设备图
酯型聚羧酸系高性能减水剂生产设备主要是酯化设备，酯化设备中最关键的部分是搅拌桨叶片型式和油水分离器的分离效果。另外一个关键设备是聚合反应釜，其中最关键的部分是搅拌桨的搅拌效率，共聚反应必须充分搅拌，有利于单体混合均匀和散热，从而有利于共聚物的分子量分布均匀。

3、操作控制关键点
酯型聚羧酸系高性能减水剂生产工艺中最重要的工艺是酯化和聚合两个反应过程。

（1）酯化过程
羧酸与醇生成酯的反应是在酸催化下进行的。在一般情况下，羧酸与伯醇或仲醇的酯化反应，羧酸发生酰氧键断裂。酯化反应是一个化学平衡过程，即羧酸与聚醚的酯化反应速率与酯的水解速率相等，此时反应物与生成物的浓度都不再发生变化。根据平衡原理，增加反应物的浓度、减少生成物的浓度有利于酯化产物的生成，在实际生产中可以增加羧酸的浓度和及时移走反应生成的水分有利于酯的生成。在酯化反应中，存在着一系列可逆的平衡反应步骤。步骤②是酯化反应的控制步骤，而步骤④是酯水解的控制步骤。这一反应是SN2反应，经过加成-消除过程。采用同位素标记醇的办法可证实酯化反应中所生成的水是来自于羧酸的羟基和醇的氢。醇作为亲核试剂对羧基的羰基进行亲核攻击，在质子酸存在时，羰基碳更为缺电子而有利于醇与它发生亲核加成。因此酯化反应最关键的控制点为酯化温度、酯化时间和酯化生成水。因此操作人员必须严格控制搅拌速率和反应温度，尽可能提高回流速率，以回流管不冲料为宜。操作人员从反应釜温度计上读出各段温度，做好记录。

（2）聚合过程
共聚合反应是决定分子结构和分子量大小及分布的关键反应，聚合酸度、单体浓度、反应温度、引发剂和链转移剂用量、引发剂和单体的滴加方式与滴加速率是控制共聚物分子量大小及分布的关键因素。在原材料配比固定的情况下，共聚物分子量大小及分布则是控制共聚物分散性能和保坍性能的最关键因素。因此操作人员严格控制聚合酸度、单体浓度、聚合反应温度和物料滴加速率，并从反应釜温度计上读出各反应段温度，做好详细的操作记录。此外，聚合反应结束后，必须对共聚物进行中和，中和工艺中，操作人员要控制好加碱前温度，最好控制在40℃以下加碱溶液中和，碱液缓慢滴加为宜。最终物料的pH值一般控制在6～9，如果共聚物酸性太强，不但贮存稳定性不好，而且会对金属贮罐具有腐蚀性。如果共聚物呈强碱性，则酯键会发生降解，侧链断链，共聚物性能变坏。

4、原材料大致消耗
生产酯型聚羧酸系高效减水剂最主要的原材料是MPEG和不饱和酸，醚型聚羧酸系高性能减水剂最主要的原材料是不饱和大分子单体和不饱和酸。具有不同功能的聚羧酸外加剂的化学结构不同，原材料的消耗也不相同。但无论采用何种合成工艺，聚醚类单体都占了绝大部分的重量，基本上要占聚羧酸外加剂总重量的60%～90%，甚至会达到95%以上，因此聚醚类单体的质量好坏是生产聚羧酸系减水剂质量好坏的决定性因素。当然不饱和酸也是不可缺少的主要原材料，不饱和酸的含量以及其中的阻聚剂种类和含量是影响酯化和聚合的关键因素。