干燥溫度對粉末狀聚羧酸系減水劑的影響

摘要：本文以甲氧基聚乙二醇、馬來酸酐、甲基丙烯磺酸鈉等為原料，合成出一種聚羧酸系高效減水劑，并與PVA和超細(xì)SiO2進(jìn)行攪拌配制成噴霧干燥料液，在離心式噴霧干燥塔中對料液進(jìn)行干燥，制備出一種粉末狀聚羧酸系減水劑，探討了干燥溫度對粉末狀聚羧酸系減水劑性能的影響。研究結(jié)果表明：在霧化盤轉(zhuǎn)速為14000r/min，進(jìn)料速度為80g/min的條件下，隨著干燥溫度的升高，粉末狀聚羧酸系減水劑的含水率下降，而濾渣率和休止角先下降后升高，可能是因?yàn)楦稍餃囟冗^高，部分粉體被燒結(jié)團(tuán)聚，濾渣率和休止角反而升高。另外，干燥溫度對粉末狀聚羧酸結(jié)構(gòu)沒有很大的影響，基本上沒發(fā)生變化，而且最佳干燥溫度為160℃～200℃。

關(guān)鍵詞：干燥溫度；粉末狀聚羧酸；濾渣率；休止角

聚羧酸減水劑的減水率高，適宜配制高流動性、自密實(shí)混凝土，從而受到工程界的青睞。但聚羧酸系減水劑與水具有非常好的親和性，接枝的聚氧乙烯側(cè)鏈伸展在水中與水分子形成氫鍵，具有很好的保水性，因此液體聚羧酸系減水劑比傳統(tǒng)的減水劑更難干燥。此外聚羧酸系減水劑聚合物的玻璃化溫度只有約45℃左右，液體聚羧酸系減水劑產(chǎn)品放在干燥箱中干燥時，即使水分已經(jīng)蒸發(fā)，干燥得到的固體像蠟狀或者漿糊仍具有黏性。這樣的一些特點(diǎn)決定了其絕大部分以液體形式供應(yīng)，導(dǎo)致了包裝與運(yùn)輸?shù)某杀竞芨撸瑑Υ嬉膊环奖?。有些生產(chǎn)廠家為降低運(yùn)輸成本，采用了真空抽吸工藝以獲得高固含量的產(chǎn)品（固含量在60%左右），而真空抽吸的生產(chǎn)速率很低，生產(chǎn)能耗大，故該工藝應(yīng)用并不普遍。另外，在配制干粉砂漿、室內(nèi)地面材料和噴射材料以及灌漿材料時只能使用粉末狀聚羧酸系減水劑產(chǎn)品。

但是，目前國內(nèi)外對粉末狀聚羧酸系減水劑的研究報道極少，特別是對噴霧干燥工藝的研究，而干燥溫度是噴霧干燥工藝中最主要的影響因素，它直接影響到噴霧干燥過程本身和最終產(chǎn)品的性能。本文通過對干燥溫度進(jìn)行了研究，考察了干燥溫度對粉末狀聚羧酸系減水劑各項(xiàng)性能的影響。

1實(shí)驗(yàn)部分

1.1主要原材料

1.1.1合成用原材料

甲氧基聚乙二醇，工業(yè)純；馬來酸酐，工業(yè)純；甲基丙烯磺酸鈉，工業(yè)純；對苯二酚，工業(yè)純；對甲苯磺酸，工業(yè)純；過硫酸銨，工業(yè)純；氫氧化鈉，工業(yè)純。

1.2實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1聚羧酸系減水劑的制備

將甲氧基聚乙二醇、馬來酸酐、阻聚劑和催化劑在一定的條件下反應(yīng)得到中間大分子單體MPEGMAn，然后再按照一定的方式分別加入不飽和單體如大單體MPEGMAn、馬來酸酐、甲基丙烯磺酸鈉和引發(fā)劑的水溶液，在設(shè)定的配方、溫度、濃度下，反應(yīng)到最佳時間后停止加熱，待冷卻后加入NaOH溶液中和，得到聚羧酸母液。

1.2.2粉末狀聚羧酸系減水劑的制備

將自制的聚羧酸母液/超細(xì)SiO₂/PVA（質(zhì)量比為1.00/0.10/0.02）配制成噴霧干燥料液。首先將PVA與母液先攪拌均勻，然后再加入超細(xì)SiO₂，攪拌30min使其混合均勻。在離心式噴霧干燥塔中對料液進(jìn)行干燥，霧化盤轉(zhuǎn)速為14000r/min，進(jìn)料速度為80g/min，噴霧干燥塔連續(xù)進(jìn)料和出料，裝于密封袋保持。

1.3性能測試

1.3.1含水率的測定

經(jīng)過100℃～105℃烘干至恒重的稱量瓶，其質(zhì)量為m₀，裝入質(zhì)量為m₁試樣，然后將盛有試樣的稱量瓶放入烘箱內(nèi)，開啟瓶蓋，于100℃～105℃烘干，蓋上蓋置于干燥器內(nèi)冷卻30min后稱量，重復(fù)上述步驟直至恒重，其質(zhì)量為m₂。

含水率＝1-（m₂-m₀）/m₁×100%

1.3.2 流動性測定

用粉體自然堆積時候的休止角來描述粉體的流動性。休止角是粉體堆積層的自由斜面在靜止的平衡狀態(tài)下，與水平面所形成的最大角。一般用固定圓錐法測量，即將粉體注入到某一有限直徑為D的圓盤中心，直到粉體堆積層斜邊的物料沿圓盤邊緣自動流出為止，停止注入，測定粉體的堆積高度H，休止角θ=arctg2H/D。

1.3.3 濾渣率測定

將所得粉體用200目的濾網(wǎng)過濾，稱取濾渣的質(zhì)量m₁，濾渣率為：φ=m1/m0×100%；式中：φ為濾渣率，%；m₁為濾渣質(zhì)，g；m₀為粉體的總質(zhì)量，g。

1.3.4 紅外光譜分析

將微量烘干后的粉末狀聚羧酸與溴化鉀共同研磨后壓成薄片，采用美國Nicolet公司Avatar360型紅外光譜儀進(jìn)行測定。

2 結(jié)果與討論

在噴霧干燥實(shí)驗(yàn)中，通過調(diào)節(jié)干燥溫度，得到不同的噴霧干燥制品，同時比較了所制得的粉體的各種性狀，其它工藝參數(shù)為：進(jìn)料液溫度為常溫，霧化盤轉(zhuǎn)速14000r/min，進(jìn)料速度為80g/min。

2.1 干燥溫度對粉末狀聚羧酸系減水劑含水率的影響

圖1是粉末狀聚羧酸系減水劑的含水率隨干燥溫度的變化曲線。由圖可知，隨著干燥溫度的升高，產(chǎn)品含水率下降。在噴霧干燥過程中，霧滴的干燥過程分為等速干燥和降速干燥兩個階段。等速干燥階段，霧滴的溫度一直保持濕球溫度不變，表面水分不斷蒸發(fā)，霧滴內(nèi)部水分向表面遷移，霧滴的含水量不斷地減少，干燥空氣不斷把熱量傳遞給霧滴，干燥空氣的溫度降低；降速干燥階段霧滴表面開始固化，溫度分布從液滴內(nèi)部到外部逐漸升高，顆粒中的水分進(jìn)一步減少。干燥溫度越高，干燥過程進(jìn)入降速干燥階段時間就越早，水分蒸發(fā)越快，產(chǎn)品的含水率越低。溫度從120℃升到200℃時，含水率下降的比較快，而當(dāng)溫度超過200℃以后，含水率減少的很慢。

圖1 干燥溫度與粉末狀聚羧酸系減水劑的含水率的關(guān)系

2.2 干燥溫度對粉末狀聚羧酸系減水劑濾渣率的影響

圖2為粉末狀聚羧酸系減水劑的濾渣率隨干燥溫度的變化圖，從圖中看出，起初隨干燥溫度的升高，粉體聚羧酸濾渣率降低，說明團(tuán)聚結(jié)塊的粉體減少，因?yàn)楦稍餃囟冉档蜁r，干燥速度慢，霧料尚未進(jìn)入減速干燥階段，即表面還沒固化就發(fā)生相互碰撞形成大顆粒。隨干燥溫度的升高干燥速度加快，霧滴表面很快固化進(jìn)入減速干燥階段，減少了表面固化之前相互碰撞的機(jī)會；另外，干燥溫度升高，粉體的含水率降低，減少粉體因含水率高而團(tuán)聚，得到的粉末含濾渣少，隨溫度的進(jìn)一步升高，物料迅速失水在噴嘴處聚集，相互碰撞擠壓形成較大的聚合物顆粒團(tuán)，粉體聚羧酸的濾渣率又升高。

　　圖2 粉末狀聚羧酸系減水劑的濾渣率與干燥溫度的變化關(guān)系

2.3 干燥溫度對粉末狀聚羧酸系減水劑流動性的影響

粉體的流動性對產(chǎn)品的質(zhì)量以及正常的操作有較大的影響。采用休止角與流動性的關(guān)系來評價粉體的流動性。粉末狀聚羧酸系減水劑的休止角與干燥溫度的關(guān)系見圖3。從圖中可看出，隨噴霧干燥塔溫度的升高，粉體的休止角先減小后又增大。對同一粉體而言，一般顆粒粒徑越小、粒徑分布越窄，粉體的流動性越好，其休止角越小。如圖3所示，干燥溫度在120～180℃之間，粉體的休止角隨溫度的升高而減小，在干燥溫度較低時，粉體的含水率較高，部分粉體團(tuán)聚形成大顆粒，粒徑分布變寬，降低了粉體的流動性，隨溫度的升高，粉末狀聚羧酸系減水劑的含水率降低，顆粒均勻，流動性提高。溫度進(jìn)一步升高，粉體的休止角反而增大，特別當(dāng)溫度高于200℃時，粉體的休止角快速增大，主要是因?yàn)闇囟冗^高，物料迅速失水在噴嘴處聚集，相互擠壓形成較大的聚合物顆粒團(tuán)；同時粉體部分被燒結(jié)，使得粉體顆粒不均勻，降低了粉體的流動性，直接表現(xiàn)為休止角的增大。

　　圖3 粉末狀聚羧酸系減水劑的休止角與干燥溫度的關(guān)系

2.4 紅外光譜分析

為了考察干燥溫度對粉末狀聚羧酸系減水劑結(jié)構(gòu)的影響，分別對不同干燥溫度下制備粉末狀聚羧酸系減水劑的進(jìn)行了紅外光譜分析，結(jié)果如圖4所示。

　　圖4 不同干燥溫度下的粉末狀聚羧酸系減水劑的紅外光譜圖

從紅外光譜圖可以得到，951.39cm^-1處是磺酸基的特征峰；1105.90cm^-1處是醚鍵的特征吸收峰；1251.21cm^-1處是羧酸酐的特征峰；1642.55cm^-1處是碳碳雙鍵的特征吸收峰；1717.73cm^-1處是羰基的特征吸收峰。從圖4可以看出，粉體聚羧酸減水劑與液劑聚羧酸減水劑在磺酸基、醚鍵等特征基團(tuán)上的峰形及強(qiáng)度基本一致，而噴霧干燥前存在明顯的羰基特征吸收峰，而隨著干燥溫度的升高，羰基特征吸收峰逐漸的不明顯。說明在噴霧干燥的高溫中，只有羰基發(fā)生了部分分解。所以，經(jīng)過噴霧干燥后，減水劑的結(jié)構(gòu)變化很小，對減水劑的減水率變化也較小，采用這樣的工藝是可行的。

3 結(jié)論

（1）干燥溫度升高，粉末狀聚羧酸系減水劑含水率降低，貯存穩(wěn)定性提高。

（2）隨著干燥溫度升高，粉末狀聚羧酸系減水劑濾渣率和休止角先降低后升高，可能是因?yàn)楦稍餃囟冗^高，部分粉體被燒結(jié)團(tuán)聚，濾渣率和休止角反而上升。

（3）紅外光譜測試表明，干燥溫度對粉末狀聚羧酸結(jié)構(gòu)沒有很大的影響，基本上沒發(fā)生變化。說明經(jīng)過噴霧干燥對減水劑的減水率的影響很小，采用這樣的工藝是可行的，最佳干燥溫度范圍為160℃～200℃。

參考文獻(xiàn)

[1]張文孝，姚學(xué)勇，王玉德．噴霧干燥現(xiàn)狀及展望．食品與機(jī)械，2004，20(6)：33-35．

[2]方云輝．固體聚羧酸減水劑的制備研究．福建建筑，2010，145(7)：106-109．

[3]曾伍蘭．噴霧反應(yīng)干燥技術(shù)．化工生產(chǎn)與技術(shù)，2005，12(2)：23-25．

[4]黃立新，王宗濂，唐金鑫．我國噴霧干燥技術(shù)研究及進(jìn)展．化學(xué)工程，2001，29(2)：51–55．