摘要：采用反相乳液聚合方法，以Tween-60和Span-80復(fù)配作乳化劑，丙烯酰胺（AM）和丙烯酸（AA）為單體共聚制得陰離子聚丙烯酰胺（HPAM）。主要研究了反應(yīng)溫度、HLB值、單體配比等因素對(duì)HPAM分子量的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：反應(yīng)溫度、HLB值、單體配比等因索直接影響到HPAM的分子量高低。

0 前言

聚丙烯酰胺分為三種：一是陽(yáng)離子聚丙烯酰胺；二是陰離子聚丙烯酰胺；三是兩性聚丙烯酰胺。其中陰離子聚丙烯酰胺的英文縮寫是HPAM。陰離子聚丙烯酰胺的PH值范圍是7至14。

0.1 陰離子聚丙烯酰胺的作用原理

0.1.1 絮凝作用原理

陰離子聚丙烯酰胺HPAM可以作為絮凝劑使用，主要是和被絮凝物的表面發(fā)生作用。因此，用HPAM作為絮凝劑時(shí)，應(yīng)充分考慮被絮凝物的表面的性質(zhì)，例如動(dòng)電位、粘度、懸浮液的PH值等因素。其中動(dòng)電位因素對(duì)整個(gè)絮凝效果影響較大。所以在被絮凝物的表面動(dòng)電位為正時(shí)，使用HPAM作為絮凝劑可以獲得很好地絮凝效果，它通過(guò)降低被絮凝物的動(dòng)電位從而使被絮凝物凝聚沉降。

0.1.2 吸附架橋原理

由于相同分子的表面性質(zhì)一樣，根據(jù)同性相斥，異性相吸原理，分子之間很難聚集到一起，因此可以選擇表面性質(zhì)相反的物質(zhì)通過(guò)分子間的相互吸附來(lái)達(dá)到絮凝沉降的目的。HPAM就具有吸附架橋的作用。利用HPAM分子吸附不同的顆粒分子，使其聚集，從而可以達(dá)到沉降的效果。

0.2 陰離子聚丙烯酰胺的主要用途

在我國(guó)，HPAM在水處理領(lǐng)域應(yīng)用是它的主要用途。HPAM在水處理工業(yè)中，主要用在三個(gè)方面：污水處理、原水處理和工業(yè)廢水處理。在污水處理中，HPAM主要是用來(lái)給污泥脫水。在原水的處理中，主要是利用HPAM的吸附架橋原理，通過(guò)連接不同的懸浮顆粒使其聚集沉降，凈水能力要比其他絮凝劑高很多。另外，在紡織領(lǐng)域、造紙領(lǐng)域、石油采油領(lǐng)域、醫(yī)藥工業(yè)領(lǐng)域中也廣泛應(yīng)用。例如在造紙領(lǐng)域中主要是作為均度劑、助濾劑、駐留劑等。所起的作用主要有四種：一是它能夠提高填料的留著率；二是可以改善漿料的脫水性能；三是可以大大改善紙張的質(zhì)量；四是可以減輕造紙生產(chǎn)對(duì)環(huán)境的污染。HPAM能夠達(dá)到上述效果主要決定于以下四個(gè)方面：離子強(qiáng)度、平均分子量、離子性質(zhì)以及其他的共聚物的活性。

0.3 陰離子聚丙烯酰胺的制備方法

0.3.1 水溶液聚合

水溶液聚合就是把反應(yīng)單體和引發(fā)劑溶解到水中進(jìn)行反應(yīng)。該方法是HPAM工業(yè)生產(chǎn)中較早采用的方法，同時(shí)也是一直被采用的主要方法，特點(diǎn)是聚合物產(chǎn)率高、操作方便簡(jiǎn)單而且環(huán)境污染小，容易得到高分子量的聚合物。目前，對(duì)水溶液聚合方法的研究己經(jīng)比較廣泛、深入。劉純波等利用AA、AM為單體，以AIBN為引發(fā)劑，制備了一種新型增稠劑。

吳擋蘭等以采用氧化還原體系為引發(fā)劑，以AM和AA為單體，加入CTA，制備了低相對(duì)分子質(zhì)量的共聚物。

0.3.2 反相乳液聚合

本次實(shí)驗(yàn)采用的就是反相乳液聚合。它是先將有機(jī)溶劑和乳化劑混合在一起，然后快速攪拌均勻，接著加入引發(fā)劑進(jìn)行反應(yīng)。所使用的引發(fā)劑分為兩種：水溶性的、油溶性的。該聚合反應(yīng)的場(chǎng)所是在已經(jīng)分散到油相的微粒中進(jìn)行的，從而反應(yīng)產(chǎn)生的熱量能夠散發(fā)均勻，不會(huì)出現(xiàn)爆聚，最終可以得到相對(duì)分子量高、分子量分布較窄的HPAM。

王雨華等同時(shí)使用了水溶性和油溶性引發(fā)劑，以AM，AA為原料，分段引發(fā)進(jìn)行反相乳液共聚合，制的高分子量HPAM。

candau等以AM進(jìn)行均聚或者與AA進(jìn)行共聚，通過(guò)表面活性劑，穩(wěn)定微乳液，制備了穩(wěn)定性好的HPAM。

0.3.3 沉淀聚合法

沉淀聚合法有三個(gè)優(yōu)點(diǎn)：一是聚合反應(yīng)產(chǎn)生的熱容易散發(fā)，整個(gè)反應(yīng)體系的粘度小，聚合過(guò)程操作簡(jiǎn)單；二是反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率較高，產(chǎn)物的分子量較大，主要和反應(yīng)后期單體的自由擴(kuò)散有關(guān)；三是容易制備高純度、低毒性的HPAM；四是后處理過(guò)程簡(jiǎn)單，可以用泵輸送物料，通過(guò)對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行過(guò)濾、分離、氣流干燥，可以制的疏松的粉狀產(chǎn)品。采用沉淀聚合法制備的聚合物和介質(zhì)并不相容，該過(guò)程是以溶液聚合作為基礎(chǔ)，反應(yīng)所使用的溶劑需要根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求來(lái)具體選擇。

0.3.4 反相懸浮聚合法

反相懸浮聚合是近十年發(fā)展起來(lái)的一種制備水溶性聚合物工業(yè)化生產(chǎn)的理想方法，在有機(jī)溶劑中，單體的水溶液分散成小液珠，并懸浮在其中，進(jìn)行的聚合反應(yīng)。該技術(shù)較早是應(yīng)用在氯乙烯、丙烯腈等均相單體溶液的聚合上?？梢岳脫]發(fā)性有機(jī)溶劑的回流散發(fā)聚合熱，可以使用氧化還原引發(fā)體系來(lái)控制聚合溫度以及不讓聚合物中生成交聯(lián)物質(zhì)。陰離子型聚丙烯酰胺的反相懸浮聚合研究主要側(cè)重于高吸水樹(shù)脂的生產(chǎn)，目前國(guó)外一些大公司已實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化，而國(guó)內(nèi)也有較多的實(shí)驗(yàn)室研究報(bào)道，但目前該類產(chǎn)品仍主要依賴于進(jìn)口。

1.實(shí)驗(yàn)方法

1.1 儀器與試劑

1.1.1 實(shí)驗(yàn)試劑

丙烯酰胺、丙烯酸、Tween60、Span80、石油醚、過(guò)硫酸銨、無(wú)水亞硫酸鈉。

1.1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

電子稱、恒溫水浴槽，烏氏粘度計(jì)。

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求組裝好實(shí)驗(yàn)裝置，檢查裝置的正確性，稱取適量的石油醚作為連續(xù)相，然后往里加入適量的乳化劑，攪拌完全后加入實(shí)驗(yàn)裝置的三口燒瓶中，恒溫?cái)嚢?，然后加入適量的AM、AA和水，快速攪拌一個(gè)半小時(shí)后加入適量引發(fā)劑，持續(xù)攪拌三個(gè)小時(shí)，反應(yīng)結(jié)束。

2.反應(yīng)條件對(duì)聚合反應(yīng)的影響

2.3.1 單體配比對(duì)HPAM分子量的影響

表2.1 單體配比對(duì)HPAM分子量的影響

	AM/g	AA/g	PH	水浴溫度/℃	HLB值	HPAM分子量/千萬(wàn)
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，在單體溶液中，丙烯酰胺所占比例越高，陰離子聚丙烯酰胺的分子量相對(duì)增加。當(dāng)AA與AM的配比為1：1.25時(shí)，陰離子聚丙烯酰胺的分子量較大；當(dāng)AA與AM的配比為1：1時(shí)，陰離子聚丙烯酰胺的分子量較小。而且單體的配比不同，分子量的變化比較明顯，這可能是因?yàn)閮煞N單體的竟聚力不同所導(dǎo)致的，rAM=1.0，rAA=0.35。

2.3.2 PH值對(duì)HPAM分子量的影響

表2.2 PH值對(duì)HPAM分子量的影響

	AM/g	AA/g	PH	水浴溫度/℃	HLB值	HPAM分子量/千萬(wàn)
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，隨著PH值的增加，HPAM的分子量先增加后減少，出現(xiàn)拐點(diǎn)時(shí)的PH值是9，因此可以得出溶液的PH值過(guò)高過(guò)低都不能制備分子量較高的HPAM，當(dāng)PH值為9時(shí)，制備的HPAM的分子量較高。

2.3.3 HLB值對(duì)HPAM分子量的影響

表2.3 HLB值對(duì)HPAM分子量的影響

	AM/g	AA/g	PH	水浴溫度/℃	HLB值	HPAM分子量/千萬(wàn)
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，隨著HLB值得增加，HPAM的分子量先增加后減少，分子量在較大值時(shí)所對(duì)應(yīng)的HLB值為6，在其他三個(gè)不同的HLB值時(shí)，HPAM的分子量相差不是很明顯。因此要制備分子量較高的HPAM，可以選擇HLB值為6時(shí)進(jìn)行反應(yīng)。

2.3.4 反應(yīng)溫度對(duì)HPAM分子量的影響

表2.4 反應(yīng)溫度對(duì)HPAM分子量的影響

	AM/g	AA/g	PH	水浴溫度/℃	HLB值	HPAM分子量/千萬(wàn)
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，隨著反應(yīng)溫度的升高，HPAM的分子量先上升后下降。反應(yīng)溫度低，導(dǎo)致反應(yīng)太慢，部分原料在一定時(shí)間內(nèi)未參與反應(yīng)；反應(yīng)溫度高，導(dǎo)致反應(yīng)速度過(guò)快，從而分子量下降，因此利用反相乳液乳液聚合法制備HPAM的較佳反應(yīng)溫度為40℃。

3.結(jié)論

（1）運(yùn)用反相乳液聚合法成功地制備出了陰離子聚丙烯酰胺。

（2）本實(shí)驗(yàn)制備陰離子聚丙烯酰胺的較佳工藝為：AM5.0g、AA2.0g、PH=9、HLB=6、反應(yīng)溫度40℃。