均匀设计法优化β-萘磺酸盐减水剂的合成.pdf

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2008,18(2)
谢海等均匀设计法优化β一磺酸盐减水剂的合成
Sのの今
均匀设计法优化βー萘磺酸盐减水剂的合成
技术
谢海泉*郭戈南阳师范学院化学与制药工程学院南阳47306
摘要利用均匀设计法,通过统计分析系统(SAS)计算机软件,研究缩合反应条件对合成B一蔡磺
酸盐减水剂性能的影响,从而获得优化的制备工艺。与正交试验相比,该法试验次数少,工作效率高,并
且便于分析各种因素的影响。
关鍵词均匀设计β-萘磺酸盐减水剂统计分析系统(SAS
萘系减水剂为芳香族磺酸盐醛类缩合物。此
(2)均匀设计的数学基础是用“伪蒙物卡
类减水剂的主要成分为禁或柰的同系物的磺酸盐罗”方法中的随机数来安排试验点。通过均匀
与甲醛的缩合物,属阴离子高分子表面活性剂,性好,独立性差的小样本来代替全面实验中所需
其结构通式如下
要的样本。经过证明这种方法具有在含有相同因
素实验条件下,偏差明显小于正交实验设计
CH2
1试验部分
SOINI
SO Na
1.1试验药品
在水泥用量及水灰比相同的情况下,混凝士
萘,化学纯;氢氧化钠,分析纯;甲醛溶
中掺入水泥质量0.5%~1.0%的萘系减水剂,液,含量36%;浓硫酸(98%),分析纯。
其坍落度值随该类减水剂掺量增加而明显增大,1.,2试验流程及试验设计
而混凝土的抗压强度并不降低。若在保持水泥用
量及坍落度相同的条件下,减水率及抗压强度将
β一萦磺酸盐减水剂的合成路线如下
禁→磺化→水解一缩合一中和→过滤→干燥
随减水剂掺量的增加而增加。由于其优异的性
→产品
能,因此,该类减水剂是现今混凝土工程中使用
生产原料为萘,首先用浓硫酸进行磺化反
量较大的。其合成方法也有很多报道,本文利用
应,萘与硫酸的摩尔比为1:1.3~1.4。温度为
均匀设计的方法对β-蓁磺酸盐减水剂的合成条1601650,反应时间为3h。然后将反应物降
件进行优化,以期得到最优效果的制备工艺参
温到120℃进行水解,此时β-棼磺酸稳定,而
数,并通过数学方法得到各因素之间的相互关
萘磺酸易水解,从而降低了α一萘磺酸的量
系
以利于下一步的缩聚反应,水解时间约为
与正交设计不同,均匀设计是王元和方开泰
mn
提出的一种新颖的实验设计方法们。
缩合反应是β-萘磺酸盐减水剂生产过程中
(1)均匀实验设计不再根据正交性准则来的重要反应。在一定温度下,将磺化后的萘与甲
安排实验,即抛弃正交设计中的“整齐可比”,醛进行缩合形成高分子化合物。该步反应强烈影
仅保留正交设计中的均衡性性质,而没有正交设响着产品的性能。为了找出最优的工艺参数,运
计中的可比性,是一种只考虑实验点在试验范围用均匀设计的方法,考察缩合时间、缩合温度
内均匀散布的实验设计方法。因此,从实验次数甲醛与捺的配比3个因素对产品性能的影响。根
上看,均匀设计有较大的优越性。
据实际的经验,3个因素各在适当的范围内取6
*谢海泉:副教授。2002年毕业于华东理工大学应用化学专业获博士学位,现从事功能材料的研究。联系电话:(0377)
63513735-8002, F-mail: xie-hqq 163 como
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CHEMICAL ENGINEERING DESIGN
化工设计2008,18(2
个变量,形成3因素6水平的试验表,见表1。
2结果与讨论
表1实验设计表
编号
X2
2.1试验结果的回归
X1
0.75
各种样品达到相同坍落度时的水灰比以及减
4.0
0.80:
水率见表3。
0.85
表3相同坍落度时的水灰比及减水率
110
0.95:1
样品编号
水灰比
减水率(%)
115
6.0
0.482
3.6
注:X1为缩合温度,℃;2为缩合时问,h;X3为甲醛与
的摩尔比。
m2340
0.414
17.2
0.425
5.0
根据表1中的因素和水平情况选用U(6
均匀设计表和其使用表[1],依据该表的使用
0.466
6.8
规定安排试验见表2。
白
0.50
表2实验操作表
把减水率作为优化目标,缩合温度、缩合时
编号
间和甲醛用量作为输入变量。试验结果采用SAS
01
x0
计算机软件编写的多元线性回归程序,并考虑因
素间可能的交互作用,通过SAS的回归过程,
0.80:1
用最小R2增量法进行变量筛选,得出其中一个
回归方程如下:
05
0.75:
Y=-767.4+15.2X1+0.929X2-3.29X3-0.0738X
06
0.90:1
式中,Y为减水率;X1表示反应温度;X2表示
根据表2的组合试验条件分别制备产品,通反应时间;X3表示甲醛配比。
过测定达到同样坍落度时的水灰比来计算产品的2.2回归显著性检验
减水率。
显著性水平取0.05,F检验临界偵:
3性能测试
F.05(4,1)=224.58
塌落度的测试
F检验值
坍落度试验是混凝土和易性测试的一种重要
3951.3
手段,同时还能观察到混凝土泌水、沉降、强度
复相关系数:
等多种性质。将混凝士拌合物按国标(CBJ80
R=0.9999
85)规定方法分三层装人标准圆锥筒内,每层
因此该回归方程具有十分显著性
捣25次。装满刮平后将筒垂直提起,拌合物由2.3回归诊断
于自重将会产生坍落现象。量出坍落的高度
标准化回归系数( Std Est)是回归方程中某
(以cm计)即为坍落度。
变量项的偏回归平方和与回归平方和的比值,
1.3.2减水率的计算
反映该项对试验结果的贡献大小,结果见表4。
为了测定产品的减水率,配制灰:石:砂=
1:1.76:3.26的混凝土,加入适量的水搅拌均
表4回归方程中每一项的标准回归系数
匀,然后加入占水泥重量0.8%的减水剂,混匀
项数
0.002
91.6
后,按上述方法测其坍落度,记录达到相同坍落
E,%
度(10em)时的水灰比。与不使用减水剂水灰
表4中各因素的标准化回归系数都为正值,
比相比较,计算该减水剂减水率的值
说明它们对产品的减水率都为正效应。其中,第