超高分子量阴离子型聚丙烯酰胺P(AM-AC)的制备研究

2021-03-17赵帅帅王伟杰蔡春祺王诗钰邵航喆吴亚芊

江西化工 2021年1期

赵帅帅王伟杰蔡春祺王诗钰邵航喆吴亚芊* 赵丰*

(1.江西科技师范大学有机功能分子研究所，江西南昌 330013；2.江西科技师范大学化学化工学院，江西南昌 330013)

聚丙烯酰胺(PAM)是一类功能高分子产品，已广泛应用于石油开采、废水处理、造纸、建材等领域[1-4]。PAM产品种类繁多，其中超高分子量阴离子型聚丙烯酰胺因其絮凝效果显著、适用范围广，受到了很多厂商的关注且需求量日益增加。因此，研究和生产超高分子量阴离子型PAM已成为各科研机构及生产厂家的热点课题。

PAM的生产方法有多种，如水溶液聚合法、微波辐射聚合法、乳液聚合法、电化学聚合法等，产品的剂型也有溶液、粉末及乳液[5-6]。其中，水溶液聚合法是最早的一种聚合方法，其具有操作简单、技术成熟、低成本等优点，适合大规模生产。在本实验中，采用丙烯酸与丙烯酰胺二元聚合物在氧化还原引发及偶氮引发复合体系下制备超高分子量的聚丙烯酰胺。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

丙烯酰胺(AM)，浙江鑫甬生物化工股份有限公司；丙烯酸、甲酸钠、氯化钠，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；偶氮二异丁咪唑啉盐酸盐(V-44)、尿素、过硫酸钾、六水合硫酸亚铁铵、异丙醇，上海麦克林生化科技有限公司，以上试剂等均为分析纯。

B260型恒温水浴锅；DW3型数显电动搅拌器；稀释型乌式黏度计，4-0.5-0.6型；DZF6051型真空干燥箱；BS214D型分析天平。

1.2 实验方法

在棕色广口瓶中加入所需量的丙烯酰胺AM、丙烯酸Ac和水，其中丙烯酰胺与丙烯酸的摩尔比为7：3，然后依次加入一定量的V-44、甲酸钠、尿素、异丙醇，使用NaOH和HCl调节反应体系的pH值。在冰浴中通入氮气1小时后，分别加入氧化还原引发剂，待反应完全后冷至室温出料，得白色的透明胶状产物，烘干，粉碎，筛分得聚合物粉末状纯产品。

1.3 样品测试

按照国标GB/T 17514—2017测定阴离子聚丙酰胺的特性黏数[η]，聚合物的分子量M按下式计算：

[η]=3.73×10-4M0.66

其中，[η]为特性黏数，L/g。

2 结果与讨论

2.1 氧化还原引发剂的用量对特性黏数的影响

由图1可知，当引发剂的量加大时，产物的特性黏数出现先上升后下降的现象，在氧化还原引发剂的用量(以质量分数表示，下同)为0.025%时，产物的特性黏数达最大值26.83 L/g。因此，氧化还原引发剂的最佳用量选为0.025%。

图1 氧化还原引发剂的用量对P(AM-AC)特性黏数的影响

2.2 偶氮引发剂(V-44)用量对特性黏数的影响

图2 V-44的用量对P(AM-AC)特性黏数的影响

当V-44的用量为0.036%时，P(AM-AC)的特性黏数仅为22.88 L/g，随着V-44用量的加大，P(AM-AC)的特性黏数开始上升，当V-44用量为0.084%时，产物的特性黏数达26.83 L/g。随着V-44用量继续增大，P(AM-AC)的特性黏数开始缓慢下降，当V-44的用量增至0.132%时，其特性黏数降至23.82 L/g，如图3所示。因此，V-44的用量优选为0.084%。

图3 单体浓度对P(AM-AC)特性黏数的影响

2.3 单体浓度对聚合产物特性黏数的影响

单体浓度是影响阴离子聚丙烯酰胺的重要因素。当单体浓度为15%时，P(AM-AC)特性黏数较小，随着单体浓度的增加，P(AM-AC)的特性黏数出现先增加后减小的现象，而当单体浓度为25%时P(AM-AC)的特性黏数达最大，如图3所示。因此，单体浓度优选为25%。

2.4 初引发温度对聚合产物特性黏数的影响

图4展示出P(AM-AC)的特性黏数随着初引发温度的升高而下降，即需制得高分子量的产品，初引发温度则应尽可能的低。但结合生产实际条件，为了降低生产成本，保持反应体系内具有较好的流动性以利于引发剂的分散以及聚合热的扩散，因此采用冰水浴进行恒温，经实验测定，当冰水浴时反应体系的温度恒定为4-5℃，此时即为优选的最佳初引发温度。

图4 反应体系初引发温度对P(AM-AC)特性黏数的影响

2.5 pH值对产物特性黏数的影响

如图5所示，当反应体系的pH值为5.5时，P(AM-AC)的特性黏数值较小，仅为22.88 L/g，随着反应体系pH值的增加，P(AM-AC)的特性黏数呈现出先升高后下降的趋势，当反应体系的pH值在7.5～8时，聚合产物特性黏数达最大值，故最佳聚合pH值为7.5～8之间。

图5 反应体系的pH值对P(AM-AC)特性黏数的影响

2.6 超高分子量阴离子聚丙烯酰胺P(AM-AC)的制备

根据优选的最佳工艺参数：氧化还原引发剂的质量分数为0.025%，二级引发剂偶氮二异丁咪唑啉盐酸盐(V-44)的质量分数为0.084%，单体的质量分数为25%，初引发温度为4～5℃，pH值为7.5～8。通过水溶液聚合的方式制备超高分子量的阴离子聚丙烯酰胺P(AM-AC)，通过GB/T 17514-2017黏度法测得其特性黏数可达26.83L/g，折算成黏均分子量约为2400万。