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技术知识

反相乳液聚合制备阴离子聚丙烯酰胺

时间:2021-06-14 08:40:01点击:0

摘要:采用反相乳液聚合方法,以Tween-60和Span-80复配作乳化剂,丙烯酰胺(AM)和丙烯酸(AA)为单体共聚制得阴离子聚丙烯酰胺(HPAM)。主要研究了反应温度、HLB值、单体配比等因素对HPAM分子量的影响。实验结果表明:反应温度、HLB值、单体配比等因索直接影响到HPAM的分子量高低。

0 前言

聚丙烯酰胺分为三种:一是阳离子聚丙烯酰胺;二是阴离子聚丙烯酰胺;三是两性聚丙烯酰胺。其中阴离子聚丙烯酰胺的英文缩写是HPAM。阴离子聚丙烯酰胺的PH值范围是7至14。

0.1 阴离子聚丙烯酰胺的作用原理

0.1.1 絮凝作用原理

阴离子聚丙烯酰胺HPAM可以作为絮凝剂使用,主要是和被絮凝物的表面发生作用。因此,用HPAM作为絮凝剂时,应充分考虑被絮凝物的表面的性质,例如动电位、粘度、悬浮液的PH值等因素。其中动电位因素对整个絮凝效果影响较大。所以在被絮凝物的表面动电位为正时,使用HPAM作为絮凝剂可以获得很好地絮凝效果,它通过降低被絮凝物的动电位从而使被絮凝物凝聚沉降。

0.1.2 吸附架桥原理

由于相同分子的表面性质一样,根据同性相斥,异性相吸原理,分子之间很难聚集到一起,因此可以选择表面性质相反的物质通过分子间的相互吸附来达到絮凝沉降的目的。HPAM就具有吸附架桥的作用。利用HPAM分子吸附不同的颗粒分子,使其聚集,从而可以达到沉降的效果。

0.2 阴离子聚丙烯酰胺的主要用途

在我国,HPAM在水处理领域应用是它的主要用途。HPAM在水处理工业中,主要用在三个方面:污水处理、原水处理和工业废水处理。在污水处理中,HPAM主要是用来给污泥脱水。在原水的处理中,主要是利用HPAM的吸附架桥原理,通过连接不同的悬浮颗粒使其聚集沉降,净水能力要比其他絮凝剂高很多。另外,在纺织领域、造纸领域、石油采油领域、医药工业领域中也广泛应用。例如在造纸领域中主要是作为均度剂、助滤剂、驻留剂等。所起的作用主要有四种:一是它能够提高填料的留着率;二是可以改善浆料的脱水性能;三是可以大大改善纸张的质量;四是可以减轻造纸生产对环境的污染。HPAM能够达到上述效果主要决定于以下四个方面:离子强度、平均分子量、离子性质以及其他的共聚物的活性。

0.3 阴离子聚丙烯酰胺的制备方法

0.3.1 水溶液聚合

水溶液聚合就是把反应单体和引发剂溶解到水中进行反应。该方法是HPAM工业生产中较早采用的方法,同时也是一直被采用的主要方法,特点是聚合物产率高、操作方便简单而且环境污染小,容易得到高分子量的聚合物。目前,对水溶液聚合方法的研究己经比较广泛、深入。刘纯波等利用AA、AM为单体,以AIBN为引发剂,制备了一种新型增稠剂。

吴挡兰等以采用氧化还原体系为引发剂,以AM和AA为单体,加入CTA,制备了低相对分子质量的共聚物。

0.3.2 反相乳液聚合

本次实验采用的就是反相乳液聚合。它是先将有机溶剂和乳化剂混合在一起,然后快速搅拌均匀,接着加入引发剂进行反应。所使用的引发剂分为两种:水溶性的、油溶性的。该聚合反应的场所是在已经分散到油相的微粒中进行的,从而反应产生的热量能够散发均匀,不会出现爆聚,最终可以得到相对分子量高、分子量分布较窄的HPAM。

王雨华等同时使用了水溶性和油溶性引发剂,以AM,AA为原料,分段引发进行反相乳液共聚合,制的高分子量HPAM。

candau等以AM进行均聚或者与AA进行共聚,通过表面活性剂,稳定微乳液,制备了稳定性好的HPAM。

0.3.3 沉淀聚合法

沉淀聚合法有三个优点:一是聚合反应产生的热容易散发,整个反应体系的粘度小,聚合过程操作简单;二是反应的转化率较高,产物的分子量较大,主要和反应后期单体的自由扩散有关;三是容易制备高纯度、低毒性的HPAM;四是后处理过程简单,可以用泵输送物料,通过对产物进行过滤、分离、气流干燥,可以制的疏松的粉状产品。采用沉淀聚合法制备的聚合物和介质并不相容,该过程是以溶液聚合作为基础,反应所使用的溶剂需要根据实验要求来具体选择。

0.3.4 反相悬浮聚合法

反相悬浮聚合是近十年发展起来的一种制备水溶性聚合物工业化生产的理想方法,在有机溶剂中,单体的水溶液分散成小液珠,并悬浮在其中,进行的聚合反应。该技术较早是应用在氯乙烯、丙烯腈等均相单体溶液的聚合上。可以利用挥发性有机溶剂的回流散发聚合热,可以使用氧化还原引发体系来控制聚合温度以及不让聚合物中生成交联物质。阴离子型聚丙烯酰胺的反相悬浮聚合研究主要侧重于高吸水树脂的生产,目前国外一些大公司已实现了工业化,而国内也有较多的实验室研究报道,但目前该类产品仍主要依赖于进口。

1.实验方法

1.1 仪器与试剂

1.1.1 实验试剂

丙烯酰胺、丙烯酸、Tween60、Span80、石油醚、过硫酸铵、无水亚硫酸钠。

1.1.2 实验设备

电子称、恒温水浴槽,乌氏粘度计。

1.2 实验步骤

根据实验要求组装好实验装置,检查装置的正确性,称取适量的石油醚作为连续相,然后往里加入适量的乳化剂,搅拌完全后加入实验装置的三口烧瓶中,恒温搅拌,然后加入适量的AM、AA和水,快速搅拌一个半小时后加入适量引发剂,持续搅拌三个小时,反应结束。

2.反应条件对聚合反应的影响

2.3.1 单体配比对HPAM分子量的影响

表2.1 单体配比对HPAM分子量的影响

  AM/g AA/g PH 水浴温度/℃ HLB值 HPAM分子量/千万
1 5.0 5.0 9 40 6 0.60
2 5.0 4.0 9 40 6 0.72
3 5.0 3.0 9 40 6 0.94
4 5.0 2.0 9 40 6 1.03

由表2.1可以看出,在单体溶液中,丙烯酰胺所占比例越高,阴离子聚丙烯酰胺的分子量相对增加。当AA与AM的配比为1:1.25时,阴离子聚丙烯酰胺的分子量较大;当AA与AM的配比为1:1时,阴离子聚丙烯酰胺的分子量较小。而且单体的配比不同,分子量的变化比较明显,这可能是因为两种单体的竟聚力不同所导致的,rAM=1.0,rAA=0.35。

2.3.2 PH值对HPAM分子量的影响

表2.2 PH值对HPAM分子量的影响

  AM/g AA/g PH 水浴温度/℃ HLB值 HPAM分子量/千万
1 5.0 2.0 7 40 6 0.76
2 5.0 2.0 8 40 6 0.83
3 5.0 2.0 9 40 6 0.90
4 5.0 2.0 10 40 6 0.87

由表2.2可以看出,随着PH值的增加,HPAM的分子量先增加后减少,出现拐点时的PH值是9,因此可以得出溶液的PH值过高过低都不能制备分子量较高的HPAM,当PH值为9时,制备的HPAM的分子量较高。

2.3.3 HLB值对HPAM分子量的影响

表2.3 HLB值对HPAM分子量的影响

  AM/g AA/g PH 水浴温度/℃ HLB值 HPAM分子量/千万
1 5.0 2.0 9 40 5 0.85
2 5.0 2.0 9 40 6 0.97
3 5.0 2.0 9 40 7 0.81
4 5.0 2.0 9 40 8 0.83

由表2.3可以看出,随着HLB值得增加,HPAM的分子量先增加后减少,分子量在较大值时所对应的HLB值为6,在其他三个不同的HLB值时,HPAM的分子量相差不是很明显。因此要制备分子量较高的HPAM,可以选择HLB值为6时进行反应。

2.3.4 反应温度对HPAM分子量的影响

表2.4 反应温度对HPAM分子量的影响

  AM/g AA/g PH 水浴温度/℃ HLB值 HPAM分子量/千万
1 5.0 2.0 9 30 6 0.89
2 5.0 2.0 9 35 6 0.95
3 5.0 2.0 9 40 6 1.12
4 5.0 2.0 9 45 6 0.87

由表2.4可以看出,随着反应温度的升高,HPAM的分子量先上升后下降。反应温度低,导致反应太慢,部分原料在一定时间内未参与反应;反应温度高,导致反应速度过快,从而分子量下降,因此利用反相乳液乳液聚合法制备HPAM的较佳反应温度为40℃。

3.结论

(1)运用反相乳液聚合法成功地制备出了阴离子聚丙烯酰胺。

(2)本实验制备阴离子聚丙烯酰胺的较佳工艺为:AM5.0g、AA2.0g、PH=9、HLB=6、反应温度40℃。