‘第29卷第3期 2008年6月 化学工业与工程技术 Vol_29 No.3 Jo rnal of Chemical Industry&Engineering Jun.,2008 反相乳液聚合制备阳离子聚丙烯酰胺微粒的研究 惠 泉,刘福胜,于世涛,吕先富 (青岛科技大学化工学院,山东青岛266042) 摘要:以丙烯酰胺(AM)和甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(DMC)为单体,通过反相乳液聚合法合 成了P(DMC—AM)共聚物。在正交试验的基础上,考察了乳化剂质量分数、引发剂质量分数、单体质量 分数、pH值、油水比以及反应时间等因素对产物特性黏数的影响。得到的较佳工艺条件为:乳化剂质量 分数7.3 、引发剂质量分数200×10 、单体质量分数45 、pH值3.0、油水比1:2及反应时间4 h,在 上述条件下,所得产物的特性黏数可达7.617 dL/g。采用FT—IR对产物结构进行了表征,并通过粒度 分布仪对粒子粒径分布进行了分析,利用透射电镜观察了反相乳液粒子的形貌。 关键词:反相乳液;丙烯酰胺;甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵;阳离子聚丙烯酰胺 中图分类号:0632文献标识码:A文章编号:1006—7906(2008)03—0028—04 Study on the cationic polyacrylamide micr0particles synthesized by inverse emulsion polymerization Hui Quan,Liu Fusheng,Yu Shitao,Lii Xianfu (College of Chemical Engineering,Qingdao University of Science and Technology,Qingdao 2 6 6042,China) Abstract:Inverse emulsion copolymerization of acrylamide(AM)and methacryloyloxyethyltrimethyl ammonium chloride (DMC)iS studied.The influences of factors,such as surfactant concentration,initiator concentration,monomer concentration, pH,the ratio of oi1 to water and reaction time on intrinsic viscosity of product are examined.The obtained optimum reaction conditions are surfactant concentration 7.3 ,initiator concentration 200×10一,monomer concentration 45 ,PH 3.0,the ratio of oil to water 1:2 and reaction time 4 h.Under above conditions,the intrinsic viscosity of product is 7.617 dL/g.The structure of obtained product is characterized by FT—IR.The size distribution of product is analyzed by Zatasizer 3 000 HS. The TEM is employed to inspect the product s physical parameters. Key words:Inverse emulsion ̄Acrylamide;Methacry1oy1oxyethy1 trimethyl ammonium chloride;Cationic polyacrylamide 聚丙烯酰胺(PAM)及其衍生物是一类新型、精 细、功能高分子化合物L1],是合成水溶性高分子化合 物中最重要的品种之一。PAM及其衍生物可作为 聚合进行了研究,采用氧化还原引发剂作为引发体 系,得到了特性黏数较大的阳离子聚丙烯酰胺,并对 最佳工艺条件进行了考察。 1实验部分 1.1 主要原料与试剂 有效的絮凝剂、增稠剂、纸张增强剂以及液体的减阻 剂等,广泛应用于水处理、造纸、石油、煤炭、矿冶、地 质、轻纺、建筑等工业领域L2]。 传统聚丙烯酰胺干粉产品的生产工艺复杂而冗 长,一般包括聚合、造粒、干燥、粉碎等单元操作。反 相乳液聚合技术只需一步合成反应即可直接得到最 终产品,大大简化了生产工艺,降低了生产成本。此 AM,DMC(质量分数80 9/6),白油,工业品; Span一8O,Tween一8O,化学纯;氮气,纯度99.99 。 1.2 实验方法 在装有搅拌器、温度计、回流冷凝管和通氮管的 四口烧瓶中,按比例加入定量的白油、乳化剂,500 外,反相乳液聚合能在高转化率和高聚合速率下,生 产出高分子量水溶性产品,最终产品为流动性好的 乳液产品,具有表观黏度低、流动性好、速溶等特点, 适应高效工业化生产的需要。因此,反相乳液聚合 r/min搅拌5 min,然后滴加丙烯酰胺与DMC混合 溶液,通入N ,乳化30 min,缓慢升温到一定温度加 收稿日期:2007—12—1O 作者简介:惠泉(1983一),男,山东习照人,硕士研究生,主要 从事化工工艺、化工环保等方面的研究。 E—mail:huiq1234@qq.coin 技术越来越受到人们的关注。笔者对丙烯酰胺与甲 基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(DMC)的反相乳液 维普资讯 http://www.cqvip.com
惠 泉等 反相乳液聚合制备阳离子聚丙烯酰胺微粒的研究 29 入引发剂,保温反应一定时间后停止。 1.3 特性黏数的测定 1可以得出A。B C D ,即乳化剂质量分数7.3 、单 体质量分数45 、引发剂质量分数200×10一、pH 值3.0时产物的特性黏数最大,为7.617 dL/g,经 多次重复实验证明结果准确。 2.2正交试验基础上的条件实验 将反应所得的胶乳倒入大量丙酮与乙醇的混合 溶剂中沉淀出产品,并用乙醇洗涤数次,真空干燥, 得到白色粉末产物。按照GBI2005.1—89,用一点 法在(30±0.05)℃,1 mol/L NaC1水溶液条件下, 2.2.1乳化剂质量分数对聚合反应结果的影响 在单体质量分数45 、引发剂质量分数200× 10~、PH值3.0的条件下,采用Span一8O与 用乌氏黏度计测定其特性黏数。 1.4红外光谱表征 采用KBr压片法,用Nicolet 51OP FT—IR红 Tween一8O复配乳化剂考察乳化剂质量分数对聚 外光谱仪对所得粉末产物的结构进行分析表征。 合反应结果的影响,结果见表3。 1.5乳胶粒子粒度分布测定 表3乳化剂质量分数对聚合反应结果的影响 将聚合物乳液稀释一定倍数,用英国Malvern Instrument Ltd生产的Zetasizer3000 HS激光粒度 分布仪在室温下测定乳胶粒子的粒径分布状况。 l_3 乳液不稳定 一 1.6乳胶粒子观察 3.3 5.729 80.2 45 将聚合物乳液稀释至一定倍数,浸涂在铜网上, 5.3 6.716 92.5 40 7.3 7.617 97,2 室温干燥,利用日本JEOL公司生产的JEM一 45 9.3 7.024 ’96.2 3O 1200EX透射电子显微镜观察并拍照。 1l_3 6.567 85.3 20 2结果与讨论 2.1 正交试验 由表3可见,产物的特性黏数随乳化剂质量分 为得到较佳的聚合工艺条件,进行了四因素三 数的增加而增大,乳化剂质量分数达到一定值后,继 水平正交试验。所考察的因素有乳化剂质量分数, 续增加乳化剂的质量分数,特性黏数又下降。当乳 (A);单体质量分数, (B);引发剂质量分数,× 化剂质量分数小于3.3 时,反应过程中乳液产生 10 (C);pH值(D)。因素水平见表1,结果见表2。 凝聚物,反应后乳液体系不稳定,放置一定时间乳液 表1正交试验因素水平 油水相分离。当乳化剂质量分数超过7.3 ,特性 黏数和转化率都逐渐下降。原因如下:(1)由于乳化 剂浓度增大,聚合反应速率也随之增加,加快了聚合 过程,缩短了聚合时间,不利于聚合热的散失;(2)因 为乳化剂浓度增加而使乳化剂分子更严密地包裹微 液滴,油水膜加厚,形成的胶束量增加,不利于链增 长的继续。 L1 1 1 1 1 6.294 2.2.2引发剂质量分数对聚合反应结果的影响 L2 1 2 2 2 3.276 由正交试验结果分析可见,引发剂质量分数是 L3 1 3 3 3 1.968 影响聚合物特性黏数的最主要因素。在乳化剂质量 L4 2 1 2 3 6.867 L5 2 2 3 1 3.540 分数7.3 、单体质量分数45 、pH值3.0的条件 L6 2 3 1 2 4.299 下,考察了引发剂质量分数对聚合产物特性黏数及 L7 3 1 3 2 2.595 单体转化率的影响,结果见图1。 L8 3 2 1 3 6.867 100 L9 3 3 2 1 6.411 ● K1 11.538 15.756 17.460 16.245 皂 90 K2 14.706 13.683 16.554 10.170 \ 祷 籁 80 K3 15.873 12.678 8.103 15.702 德 R 4.335 3.087 9.357 6.175 蟪 70 60 对表2进行级差分析得:R >R。>R >R ,即 影响聚合物特性黏数的因素依次为:引发剂质量分 引发剂质量分数,×10 数、乳化剂质量分数、pH值和单体质量分数。从表 图1 引发剂质量分数对聚合反应结果的影响 维普资讯 http://www.cqvip.com
30 化学工业与工程技术 2008年第29卷第3期 表5 pH值对产物特性黏数的影响 在自由基聚合反应中,产物的特性黏数随引发 剂质量分数的增大而下降。按聚合规律,在相同引 发温度下,引发剂质量分数增加,产生了大量的活性 自由基,聚合体系中自由基浓度变大,液滴中已成 核的低聚体捕捉单体的几率相对减小,自由基进行 双基终止机会增大,链增长时间短,导致产物的特性 由表5可见,产物的特性黏数随着pH值的增 黏数减小;另一方面,自由基浓度大,引发速率大,聚 合热产生快、散失不易,导致局部过热,也使特性黏 数降低。图1中,当引发剂质量分数超过200× 10一,产物特性黏数有较明显的减小;引发剂质量分 大而减小,水溶性变好。在较低pH值时,聚合易伴 生分子内和分子间的酰亚胺化反应,形成支链或交 联型产物,使产物溶解性变差,而且经多次重复实验 证明,在pH一1.5时反应过程单体出现凝聚;pH值 数小于150×10_。。,单体转化率低,聚合不充分。 2.2.3单体质量分数对聚合反应结果的影响 在乳化剂质量分数7.3 、引发剂质量分数200 ×10、pH值3.0的条件下,考察单体质量分数对 较高时,溶液中聚丙烯酰胺可生成次氮基丙酰胺 (NTP),NTP的生成速率随着碱性增强而加快, NTP是链转移剂,因此pH值增加会使聚丙烯酰胺 特性黏数降低,溶解性变好。综合考虑各种因素的 影响,选择较佳的水相pH值为3.0。 2.3 油水质量比对聚合反应结果的影响 特性黏数及单体转化率的影响,结果见表4。 表4单体质量分数对聚合反应结果的影响 序号单体质量分数, 35 40 45 5O 55 特性黏数[ ]/(dL・g-1)转化率, 4.049 6.235 7.617 6.561 6.072 97.0 95.4 97.2 97.5 96.3 在乳化剂质量分数7.3 、引发剂质量分数200 ×10一、单体质量分数45 、pH值3.0的条件下, 考察了油水质量比对聚合反应结果的影响,见表6。 表6油水质量比对聚合反应结果的影响 序号油水质量比特性黏数[ /(dL・g-1)转化率, 稳定性 — ——T i——————_二_一一 2 3 4 1:3 1:2.5 1;2 7.054 7.232 7.617 一 82.9 86.8 97.2 不稳定 稳定 稳定 稳定 水相中单体的质量分数不仅对产物特性黏数有 影响,而且决定了胶乳的固含量和成本。随着单体 在水相中质量分数的增加,特性黏数先增加后降低, 单体转化率没有明显变化。这主要是因为单体质量 分数增加,聚合速率增加,同时链转移和链终止速率 也加大,共同作用导致特性黏数的这种变化。 当单体质量分数过低时,单体之间接触和碰撞 的几率较小,不利于分子链的增长,而且反应速率较 5 1:1.5 7.083 96.8 稳定 : !: ! : 整重 油水质量比是影响反相乳液聚合体系的稳定性 及工业化生产成本的关键因素,降低油水质量比可 提高生产成本,但对提高聚合及胶乳的稳定性不利, 同时油水质量比也对转化率有较大的影响。由表6 可见,油水质量比对产物特性黏数的影响不大,只是 在油水质量比为1:2时特性黏数较大。 2.4反应时间对聚合反应结果的影响 慢,反应时间较长,单体聚合不完全,从而使产物特 性黏数较低。单体质量分数的升高,有利于聚合反 应的进行,产物的特性黏数出现最大值。当单体质 量分数继续升高时,反应急剧加快,质量分数过高聚 合热不易散失,温度很快达到最高,链增长时间缩 短,导致特性黏数下降,同时质量分数过高也容易使 产物交联,溶解性变差。当单体质量分数小于45 时,特性黏数随单体质量分数增加而加大;单体质量 分数大于45 后,特性黏数逐渐下降。单体质量分 在其他因素固定的条件下,考察了反应时间对 聚合反应结果的影响,结果见图2。 100 ● 90 皂 \ 糌 80 籁 标 70 数达到60 9/6时,胶乳不稳定,反应过程中出现凝胶。 2.2.4水相pH值对聚合反应结果的影响 为了考察pH值对聚合反应的影响,在乳化剂 质量分数7.3 、引发剂质量分数200×10一、单体 反应时间/h 60 图2反应时间对聚合反应结果的影响 自由基聚合反应中,对单个聚合物分子而言,聚 合物的分子形成速度很快,在很短时间内即能完成 链的增长,但对整个体系而言,在较短的时间内则不 质量分数45 的条件下,考察了pH值对聚合反应 结果的影响。结果见表5。 维普资讯 http://www.cqvip.com 惠 泉等 反相乳液聚合制备阳离子聚丙烯酰胺微粒的研究 31 能使所有的单体均转化为高聚物,单体的转化率随 时间的延长而增大,产物特性黏数也随着时间的延 2.5.3乳液粒子的形貌分析 采用JEM一1200EX型透射电子显微镜对所得 聚合物反相胶乳进行观察,见图5。 长而增大。由图2可知,随着反应时间的增加,产物 特性黏数逐渐增大,在4 h后无较大的变化,综合考 虑,将反应时间定为4 h。 2.5 产物的结构表征 2.5.1共聚物红外光谱分析 由图3可见,在3 300~3 500 cm 处出现了胺 基一NH 的伸缩性振动特征吸收峰,由于此聚合物 有强烈的吸水性,聚合物含少量的结合水,故在大于 3 000 cm 处出现了~oH的伸缩振动宽峰,即出现 了双峰的重叠。在2 930 cm 处的吸收峰为甲基和 亚甲基的非对称吸收,1 665 cm- 处为酰氧基团的 特征吸收峰,1 452 cm 处为一CHz—N (CH。)。亚 甲基的弯曲振动吸收峰,954 cm 处为季铵基 图5 聚合物反相胶乳的透射电镜照片 由图5可见,产物粒子为球型,粒径都小于70 nm,乳液的分散性和稳定性较好。 3 结 论 a)以丙烯酰胺(AM)和甲基丙烯酰氧乙基三甲 CH 一N (CH。)。的吸收峰,即DMC的特征吸 基氯化铵(DMC)为单体,通过反相乳液聚合法合成 P(DMC—AM)共聚物是可行的。结果表明,在所考 收峰。FT—IR分析结果表明,所得产物确为AM/ DMC的共聚产物。 察的条件范围内,改变乳化剂质量分数、引发剂质量 分数、单体质量分数、pH值、油水质量比以及反应 时间等因素,对产物的特性黏数都有影响。 b)研究得到的较佳工艺条件为乳化剂质量分 求 瓣 划 数7.3 、引发剂质量分数200×10~、单体质量分数 45 、PH值3.0、油水质量比1:2、反应时间4 h。在上 述条件下,产物的特性黏数可达7.617 dL/g。采用 FT—IR技术对所得产物的结构进行了表征,证明 所制备的聚合物是丙烯酰胺(AM)和阳离子单体甲 基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(DMC)的共聚产物。 c)通过透射电镜、粒度分布仪对反相乳液粒子 图3产物的红外光谱 的形貌进行了分析表征,表明实验所得的反相乳液 稳定性较好。 参考文献: 2.5.2乳胶粒子粒度分布分析 反相乳液属于动力学不稳定体系,随放置时间 的延长,乳胶粒粒径也有变化。本实验新反应得到 的乳液粒径较小,分布较窄;放置3个月的乳液粒径 增大到500 nm,见图4。 1屈撑囤,王新强,陈杰络.P(AM—DM)的反相乳液聚合 研究EJ3.西安石油大学学报(自然科学版),2005,20(6): 41~44 2王玮,王新龙,张跃军,反相乳液聚合法制备阳离子聚丙 烯酰胺及其絮凝性能研究rJ],石油与天然气化工,2006, (2:127~129 3巩冠群,尹家贵,张英杰,反相乳液聚合法制备丙烯酰胺 丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵共聚物絮凝剂rJ],精细石油 化工,2002,2:16~18 . 4 Martial P,Jean-Marc C,Joseph S,et a1.Synthesis in in— verse emulsion and properties of water-soluble associa— ting polymers[J].Applied Polymer Science,2002,84: 1 418~1 430 5 Capek I.Inverse emulsion polymerization of acrylamide initiated by oiband water-soluble initiators:Effect of e— mulsifier concentration[J].Polymer Journal,2004,36 (10):793~803 6 0 5 10 50 100 5001 000 Hiroo Tanaka.Copolymerization of cationic monomers 粒度/衄 with acrylamide in an aqueous solution E J].Journal of Polymer Science:Part A:Polymer Chemistry Edition, 1986,24:29~36 图4放置3天(a)和9O天(b)后粒度分布
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