李立山，李　霞，殷義軒，張　欣，李蒙蒙，謝　龍

(1 中北大學(xué)化工與環(huán)境學(xué)院, 山西　太原　030051;2 中北大學(xué)理學(xué)院, 山西　太原　030051)

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兩性聚丙烯酰胺的合成與表征*

李立山1，李霞2，殷義軒1，張欣1，李蒙蒙1，謝龍1

(1 中北大學(xué)化工與環(huán)境學(xué)院, 山西太原030051;2 中北大學(xué)理學(xué)院, 山西太原030051)

兩性聚丙烯酰胺(Ampholytic Polyacryamide，簡稱AmPAM)分子鏈上同時含有正、負(fù)兩種電荷的兩性聚電解質(zhì)，兼有絮凝、吸附等作用，廣泛應(yīng)用在造紙、廢水處理、石油開采等行業(yè)。采用光引發(fā)溶液聚合制備兩性聚丙烯酰胺，通過研究不同工藝條件對聚合速率和產(chǎn)物特性粘數(shù)的影響規(guī)律，得出最佳的工藝條件為：反應(yīng)溫度47.5 ℃；引發(fā)劑濃度2.25‰(基于單體質(zhì)量)；單體濃度12%(基于溶液總質(zhì)量)。在此基礎(chǔ)上，通過紅外譜圖分析，證實得到的產(chǎn)物是兩性聚丙烯酰胺。

兩性聚丙烯酰胺；聚合速率；特性粘數(shù)

兩性聚丙烯酰胺(Ampholytic Polyacryamide，簡稱AmPAM)分子鏈上同時含有正、負(fù)兩種電荷的兩性聚電解質(zhì)，因而具有明顯的“反聚電解質(zhì)”效應(yīng)，同時具有絮凝、吸附等作用，廣泛應(yīng)用在造紙、廢水處理、石油開采等行業(yè)[1-5]。 因此，開發(fā)和生產(chǎn)高性能的兩性聚丙烯酰胺具有十分重要的意義[6-7]。兩性聚丙烯酰胺的制備通常采用引發(fā)劑熱聚合。相對于熱聚合，光引發(fā)聚合所需的溫度較低，有利于工業(yè)化控制。為此，本文采用光引發(fā)溶液聚合制備兩性聚丙烯酰胺，研究不同工藝條件對聚合速率和產(chǎn)物特性粘數(shù)的影響規(guī)律。

1　實　驗

1.1儀器和試劑

丙烯酰胺(AM)；2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸鈉(NaAMPS)；2-甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨(MADQUAT)；2,2’-偶氮(2-脒基丙烷)二鹽酸鹽(V-50)，以上化學(xué)試劑均購自山西省太原興昌盛有限公司，均為分析純。

250 W高壓汞燈，北京中教金源科技有限公司。

1.2實驗方法

1.2.1兩性聚丙烯酰胺的制備

準(zhǔn)確量取AM、NaAMPS和MADQUAT(質(zhì)量比2:1:1)，制成質(zhì)量濃度為10%的單體水溶液，通氮氣25 min，再加入3‰的引發(fā)劑V-50，繼續(xù)通氮氣5 min。然后將單體溶液倒入反應(yīng)器中，開啟高壓汞燈照射，并控制一定的溫度進行反應(yīng)。反應(yīng)結(jié)束后，用丙酮沉淀出產(chǎn)品，然后置于60 ℃的烘箱中烘干。

1.2.2測試表證

采用稱重法測定轉(zhuǎn)化率；烏氏粘度計法測定產(chǎn)物特性粘數(shù)；膨脹計實驗用來測定聚合速率；紅外光譜采用KBr壓片法。

2　結(jié)果與討論

本文采用單因素實驗研究了不同的聚合工藝對聚合速率和產(chǎn)物特性粘數(shù)的影響規(guī)律，在理論上有利于探明聚合機理，并為生產(chǎn)控制和聚合工藝設(shè)計提供依據(jù)。

2.1聚合溫度的影響

聚合溫度影響自由基聚合的聚合速率和產(chǎn)物的性能的重要因素，聚合速率Rp和特性粘數(shù)[η]與溫度的關(guān)系如圖1所示，從圖1中看出聚合速率隨反應(yīng)溫度的升高而增加。這是由于溫度升高使得引發(fā)劑的分解速率和單體的活性增大，這兩方面的作用導(dǎo)致聚合速率增大；而聚合物的特性粘數(shù)隨反應(yīng)溫度升高下降，這是由于反應(yīng)溫度越高，引發(fā)速率加快，活性中心數(shù)目越多，聚合物的動力學(xué)鏈長和活性中心的數(shù)目成反比，所以聚合物的分子量下降，特性粘數(shù)下降，均符合自由基聚合的一般規(guī)律。但聚合溫度過低時聚合速率過小，且轉(zhuǎn)化率也偏小；而溫度過高則會使得產(chǎn)品的特性粘數(shù)減小，分子量下降。因此綜合考慮，選取47.5 ℃作為最佳的聚合反應(yīng)溫度。

圖1　聚合速率、特性粘數(shù)與溫度的關(guān)系

2.2引發(fā)劑濃度的影響

引發(fā)劑濃度不僅影響聚合速率，而且對產(chǎn)物的特性粘數(shù)影響也較大。從圖2中可以看出聚合速率隨引發(fā)劑濃度[I]的增加而上升，而聚合物的特性粘數(shù)隨引發(fā)劑的濃度的增加而下降。這是由于當(dāng)引發(fā)劑濃度增加時，單位時間生成的自由基數(shù)目增多，聚合反應(yīng)速率與引發(fā)劑的濃度成正比，所以引發(fā)劑濃度增加聚合速率增加；而在單體濃度相同的情況下，自由基濃度增大，動力學(xué)鏈長越小，聚合物的特性粘數(shù)下降，分子量降低。從圖中可以看出，引發(fā)劑濃度的增加反應(yīng)速率降低，但特性粘數(shù)增大，所以考慮兩方面的影響，引發(fā)劑濃度不能太大也不能太小，因此選取2.25‰為最佳的引發(fā)劑用量濃度。

圖2　聚合速率、特性粘數(shù)與引發(fā)劑濃度關(guān)系

2.3單體濃度的影響

單體的用量對聚合速率和產(chǎn)物的特性粘數(shù)影響較大，從圖3可以看出，聚合速率隨單體濃度[M]的增加而上升，而聚合物的特性粘數(shù)隨單體濃度的增加也而上升。這是由于自由基聚合的聚合速率和產(chǎn)物的動力學(xué)鏈長都和單體濃度的1次方成正比，所以單體濃度增加時，聚合速率和特性粘數(shù)都變大。但單體濃度過高時，會造成反應(yīng)體系的粘度增大，聚合熱不易散出，導(dǎo)致反應(yīng)體系溫度升高，粘度變大和溫度升高都不利于實際生產(chǎn)和控制。溶液聚合的適宜單體濃度一般為10%～20%，綜合考慮，我們選取12%為最佳的單體用量。

圖3　聚合速率、特性粘數(shù)與單體濃度關(guān)系

2.4紅外分析

圖4為聚合產(chǎn)品的紅外譜圖。波數(shù)在1038 cm-1的強吸收峰為磺酸基的特征吸收峰，波數(shù)在1650 cm-1左右的強吸收峰為酰胺基的特征吸收峰，而波數(shù)在1330 cm-1、1280 cm-1、1180 cm-1附近的強吸收鋒為酰氧基的特征吸收峰。三種單體 NaAMPS(2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸鈉)、AM(丙烯酰胺)、MADQUAT((2-甲基丙烯酰氧乙基)三甲基氯化銨)的特征吸收峰在兩性聚丙烯酰胺的紅外譜圖中均能對應(yīng)找到，證實得到的產(chǎn)品為兩性聚電解質(zhì)。表明采用本研究工藝在相對低的溫度范圍內(nèi)成功制備了兩型聚丙烯酰胺，為今后的工業(yè)化生產(chǎn)提供一定的基礎(chǔ)參數(shù)和理論指導(dǎo)。

圖4　兩性聚丙烯酰胺的紅外譜圖

3　結(jié)　論

(1)以V-50為引發(fā)劑，采用紫外光照射引發(fā)水溶液聚合，在45～52.5 ℃范圍內(nèi)成功制備了兩性聚丙烯酰胺。對產(chǎn)品進行紅外表征證實得到的產(chǎn)品為兩性聚電解質(zhì)。

(2)通過研究單體濃度、引發(fā)劑濃度對聚合反應(yīng)的影響，得到了制備兩性聚丙烯酰胺的最佳工藝具體如下：反應(yīng)溫度47.5 ℃，引發(fā)劑濃度2.25‰，單體濃度12%。

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Synthesis and Characterization of Ampholytic Polyacryamide*

LI Li-shan1， LI Xia2， YIN Yi-xuan1， ZHANG Xin1， LI Meng-meng1， XIE Long1

(1 College of Chemical Engineering and Environment, North University of China, Shanxi Taiyuan 030051;2SchoolofScience,NorthUniversityofChina,ShanxiTaiyuan030051,China)

Ampholytic Polyacryamide(AmPAM) with both cation and anion group was widely used in paper industry, wastewater treatment, oil exploitation as flocculation and adsorbent. The ampholytic polyacryamide were prepared via solution polymerization initiatd by V-50 under UV radiation. The influences of the different conditions on the polymerization rate and intrinsic viscosity of AmPAM were studied. The optimal conditions were summarized as follows: the reaction temperature was 47.5 ℃, the concentration of initiator was 2.25‰, the concentration of monomer was 12%. By the FTIR spectra, it was confirmed that the ampholytic polyelectrolyte were obtained in the present work.

Ampholytic Polyacrylamide; rate of polymerization; intrinsic viscosity

山西省自然科學(xué)基金項目(No: 2013011040-5)；山西省大學(xué)生創(chuàng)新項目(No:1404331201)。

李立山(1992-)，男，碩士生，主要從事高分子的合成開發(fā)和應(yīng)用。

謝龍。

O632.1

A

1001-9677(2016)016-0055-03