[发明专利]三异丙醇胺取代磺化生产水泥助磨剂的方法

说明书

技术领域：

本发明是以三异丙醇胺为原料，通过硫酸酯化，然后用亚硫酸钠进行取代磺化，再用适量NaOH中和生产水泥助磨剂的方法。

背景技术：

水泥助磨剂是改变水泥粉磨效果，降低水泥粉磨能耗，改变水泥使用性能的外加剂，属于表面活性剂，它是一种节能环保的新型材料。水泥助磨剂在国外发展历史较早，在我国相对较晚。发达国家水泥助磨剂的使用率达到95％,而我国水泥行业使用率达不到20％，这种差距相对较大，因此水泥助磨剂在我国还有很大的发展空间。

水泥熟料的粉磨过程中，主要是熟料和混合材料的粉碎过程，在这一过程中物料发生了物理和化学变化，使矿石颗粒内部电价键的断裂，形成了单元电荷从而产生静电；同时由于机械力的作用很多矿石变成比表面积较大、表面能较高的超细颗粒，由于受各种力的影响，这些颗粒有团聚变成较大颗粒的倾向，助磨剂可以提供外来离子或分子去满足断开面上未饱和的电价键，消除或减弱聚集的趋势，阻止断裂面的复合，使颗粒达到更细的状态。同时，颗粒之间的静电力和颗粒的表面能减小，使颗粒的分散性和流动性提高，减少或防止了粘球、糊磨现象，提高了粉磨效率。在球磨机里，粉磨速度与料和球之间相互作用的频率及效率成正比。助磨剂的加入使物料的流动性增加，从而增加了料球之间相互作用的频率，提高了粉磨速度。同时，加入助磨剂后物料处于高分散状态，因此有效地增加了粉磨介质对物料的直接作用力，提高了粉磨效率。大多数表面活性剂都具有这种功能，如多元醇、胺及盐类化合物等。

为了既达到改善水泥粉磨过程中节能的要求，又能改善水泥应用过程中的性能，水泥助磨剂中引入的醇胺满足了这一需求，早期主要有三乙醇胺、二乙醇胺等。这些助磨剂的加入可以提高粉磨效果，同时也可以提高水泥的一天抗压强度，但是对后期抗压强度没有影响，甚至大幅降低水泥各龄期的抗折强度。长链的醇胺可提高水泥的七天、二十八天强度。三异丙醇胺比三乙醇胺的烷链长，具有相对较好的效果。

但是，三乙醇胺或三异丙醇胺用作水泥助磨剂中时，都有较敏感的掺量上限。众多研究结果表明，三乙醇胺过量时，会导致水泥凝结的异常，影响水泥的性能的应用。而实验也表明随着三异丙醇胺量的增加，引气量也明显增加，而如果三异丙醇胺的掺量达到0.05％以上时，因引气量的增加，水泥制品的后期强度有明显的下降。为了更好地发挥三异丙醇胺的优点而避免它的缺点，保留三异丙醇胺原有的性质，引入磺酸钠基大大提高了它的亲水性，避免引气的副作用，同时分子量的增大可扩大它的掺量达到0.5％甚至1.0％的上限。由于磺酸钠基的高亲水性，可以提高产品在水泥水化体系中的分散性，从而促进水泥性能的提高。此外，分子量的增大和磺酸钠基使其耐温性能增强，可在更高温度条件下应用，如当水泥配料的温度达到120度以上时，基本没有挥发，分散性能没有大的损失。

三异丙醇胺和三异丙醇胺磺酸钠盐都是较好的表面活性剂，它们分子结构中氮具有三个支链烃基，烃基具有憎水性，因此空间分散性较好；磺酸基和羟基都具有亲水性，能很好地溶于水中。表面活性剂体系中,用HLB值表示亲水亲油平衡值。表面活性剂的HLB值较大时是具有增溶和扩散作用。水泥助磨剂的作用原理是有强的分散作用，分散作用越强，则用小的掺量就能达到同样的效果。其中—OH(自由)的HLB值是1.9，—SO₃H的HLB值是11.0，—SO₃Na的HLB值是36.7。相比较可以看出—SO₃Na的亲水性更强，扩散效果应该是最好的，所以三异丙醇胺分子中引入磺酸钠基后可以使助磨剂具有更强的增溶和扩散作用。

三异丙醇胺用浓硫酸改性有磺化和硫酸化两种。磺化反应是指在有机分子中的碳原子上引入磺酸基(—SO₃H)的反应；硫酸化反应是指在有机分子中的氧原子上引入—SO₃H或在碳原子上引入—OSO₃H的反应。其中硫酸化反应生成的主要产物是硫酸酯^[1]，酯在碱性条件下具有不稳定性，水泥水化过程中整个溶液显碱性，因此在水泥水化时，硫酸酯化反应产物不能稳定存在，影响了水泥的水化过程。三异丙醇胺的磺化反应需要采用亚硫酸盐的置换磺化^[2]，亚硫酸盐的置换磺化需要分为两步进行：

第一步用浓硫酸脱水酯化；

第二步在产物中加入NaSO₃溶液置换磺化，得到产物就是磺酸异丙醇胺。

向磺化三异丙醇胺反应产物中加入NaOH，使磺酸异丙醇胺变为更优良的钠盐。加入NaOH的量有两种参考控制方法：