非离子聚丙烯酰胺水包水乳液的制备与研究

梁 峰 ，张晓丽 ，杨胜杰 ，路永广 ，王 军 ，张 超

(河南省核力科技发展有限公司，河南 郑州 450002)

0 前言

根据离子类型不同，聚丙烯酰胺可分为阳离子聚丙烯酰胺、阴离子聚丙烯酰胺、两性聚丙烯酰胺、非离子聚丙烯酰胺这四大类，其中非离子聚丙烯酰胺不带电荷，作用时不依赖电荷作用，可以在极高导电性体系或极高阴离子物质体系中发挥高效作用[1-2]。但是，非离子聚丙烯酰胺在水中溶解较慢，阻碍了其市场应用。近些年，研究者开发了聚丙烯酰胺乳液体系，具有溶解速度快的特点，可即用即溶，使用方便[3]。这种乳液体系分两类，一类是反相乳液体系，体系中含有乳化剂和烃类溶剂；另一类是用分散聚合方法制备的水包水聚丙烯酰胺乳液，作为一种新型乳液型产品体系，该体系为水性体系，无毒、无污染，不产生二次污染。水包水聚丙烯酰胺乳液体系是一种有较好研究价值的产品体系，目前文献中大部分是有关阳离子水包水聚丙烯酰胺乳液的研究，非离子水包水聚丙烯酰胺乳液的研究较少[4-6]。本文以丙烯酰胺为单体制备了中等固含量、低黏度、稳定的非离子水包水聚丙烯酰胺乳液。

1 实验

1.1 原料

丙烯酰胺，AM，分析纯，郑州派尼化学试剂厂；乙醇，分析纯，天津市恒兴化学试剂制造有限公司；硫酸铵，分析纯，天津市恒兴化学试剂制造有限公司；聚乙二醇，PEG-20000，化学纯，郑州派尼化学试剂厂；过硫酸铵，APS，分析纯，天津市恒兴化学试剂制造有限公司；亚硫酸氢钠，TEA，分析纯，天津市恒兴化学试剂制造有限公司；本实验全部使用去离子水。

1.2 水包水乳液的制备

将不同质量的单体、分散剂、稳定剂和去离子水添加到装有搅拌器、冷凝管、氮气口的250 mL四口瓶中，溶解。充氮气30 min后，水浴温度控制在30 ℃。在搅拌条件下加入过硫酸铵和亚硫酸氢钠混合溶液引发剂引发聚合，在氮气保护下继续搅拌6 h。在控制转化率、特性黏数和产品稳定性上，聚合时间是一个关键因素。如果聚合时间太短，转化率太低而且产品稳定性不好，不利于长期保存。在实验中，聚合时间足够长以至于产品达到了热力学平衡。在这样的条件下，基本上没有单体存在。

1.3 测试方法

特性黏数测定：30 ℃时用非稀释型乌式黏度计，按GB12005.1—89进行。表观黏度：25 ℃时用NDJ-52型旋转黏度计。

产品红外分析：取洗涤干燥后的产品固体粉末进行溴化钾压片，澳洲Lambda公司FTIR-7600傅里叶红外光谱仪测定。

2 结果和讨论

2.1 分散剂类型对产品体系的影响

在单体含量(质量分数，以下含量均为质量分数)20%，聚乙二醇作为稳定剂(稳定剂含量在1.5%)，采用过硫酸铵和亚硫酸氢钠作为引发剂(含量0.1%的情况下)，引发温度35 ℃，反应时间6 h时，分别考察了乙醇、硫酸铵、聚乙二醇为分散剂时，对产品性能的影响。

2.1.1乙醇作分散剂时对产品性能的影响

分别考察了醇水比(体积比)为3∶7、4∶6、5∶5、6∶4、7∶3时，产品的性能。当醇水比例为3∶7、4∶6时两次实验产品类似于水溶液聚合产品，体系黏稠如胶状；醇水比例为6∶4、7∶3时体系产品为乳液，但体系内含有大的颗粒，很快分层。醇水比为5∶5时得到体系均匀的乳液产品，但是次日分层，而且产品的特性黏数较低，说明乙醇不适合作该体系的分散剂。

2.1.2硫酸铵作分散剂时对产品性能的影响

分别考察了硫酸铵含量为15.6%、17.6%、23%时，产品的性能。当硫酸铵含量为15.6%时，所制备产品均为淡白色胶状产品，说明分相剂硫酸铵的用量不够，盐析效应不明显，没有制备出水包水乳液产品；当硫酸铵含量为17.6%、23%时，所制备产品均为白色糊状产品，体系不均匀，次日分层，说明硫酸铵也不适合作该体系的分散剂。

2.1.3聚乙二醇作分散剂时对产品性能的影响

分别考察了聚乙二醇含量为12%、16%、20%时，产品的性能。见表1。

表1 聚乙二醇作分散剂时对产品性能的影响

从表1可以看出，用聚乙二醇作分散剂时，12%、16%、20%条件下均得到了乳白色均一流体。随着聚乙二醇用量的增加，产品的特性黏数先增加后减少，产品的表观黏度则一直增加。说明聚乙二醇适合作非离子水包水聚丙烯酰胺乳液的分散剂。水包水乳液产品应具有特性黏数高、表观黏度低的特点，才能充分发挥使用方便，效果好的优势。因此，确定聚乙二醇不仅作为该体系的稳定剂，也作该体系的分散剂，并确定其总用量为16%。

2.2 引发剂浓度对产品性能的影响

当聚乙二醇用量为16%时，单体含量20%的情况下，引发温度35 ℃，反应时间6 h时，分别考察了引发剂用量0.1%、0.2%、0.3%时，对产品性能的影响，见表2。

表2 引发剂浓度对产品性能影响

从表2中可以看出，随着引发剂用量的增加，产品的特性黏数先增加后减小。用量为0.2%时，特性黏数最高。体系中聚合反应是按自由基机理聚合。引发剂浓度过低，引发效率降低，聚合时间延长；引发剂浓度增加，引发效率增加，聚合时间合适，可以得到适中的表观黏度和较高的聚合物特性黏数；引发剂浓度过高，体系中自由基浓度增加，聚合速率增加，聚合物特性黏数降低，选取合适的引发剂用量极其重要，本实验确定引发剂的用量为0.2%。

2.3 单体含量对产品性能的影响

当聚乙二醇用量为16%时，采用氧化还原引发剂，用量0.2%的情况下，引发温度35 ℃，反应时间6 h时，分别考察了单体总量在15%、20%、25%时，对产品性能的影响见表3。

表3 单体含量对产品性能影响

从表3中可以看出，随着单体含量的增加，产品的特性黏数先增加后减小。随着单体含量的增加，自由基和单体碰撞几率增加，聚合反应速率明显提高，但是也不能一味增加，单体浓度增加到一定程度时，体系中过多的单体自由基，反而会影响聚合度，而降低了产品的特性黏数。该实验中，随着单体含量的增加，特性黏数先增加后减少，单体含量为20%时，特性黏数最高。

2.4 非离子水包水聚丙烯酰胺乳液的红外光谱分析

选取表3中的产品，经丙酮提纯处理后进行红外光谱测定，结果见图1。

图1 非离子聚丙烯酰胺红外光谱图

3 结论

以丙烯酰胺为聚合单体，聚乙二醇为稳定剂，制备了非离子型水包水PAM乳液。分别考察了分散剂类型和用量、引发剂用量、单体含量等对产品性能的影响。结果表明：用乙醇和硫酸铵做分相剂时，均不能得到黏度适中的乳液产品，以聚乙二醇为分相剂时，制备了黏度256 mPa·s、特性黏数142 mL/g的水包水聚丙烯酰胺乳液。