反相乳液聚合法合成聚丙烯酰胺的研究

Posted 2023-01-12 用量

篇首语：落花踏尽游何处，笑入胡姬酒肆中。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了反相乳液聚合法合成聚丙烯酰胺的研究相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

采用反相乳液聚合法合成聚丙烯酰胺(PAM)，考察了反应因素对合成PAM相对分子质量、COD去除率的影响。利用正交试验得出了合成PAM的最佳反应条件为：单体用量(占溶液总质量)25%，温度40℃，引发剂用量0.o9%，反应时间4h，油水比1：1。在此条件下合成的PAM相对分子质量达10.1×106，最大粘度15.65dL/g，COD去除率达62%，表明合成的聚丙烯酰胺具有很好的絮凝效果。
聚丙烯酰胺是丙烯酰胺单体在引发剂作用下均聚或共聚得到的一种聚合物，是水溶性线形高分子物质，其衍生物在我国各行业中发挥着十分重要的作用。
聚丙烯酰胺的生产方法很多，主要有本体聚合法、水溶液聚合法、辐射聚合法以及乳液聚合法。我国很早就能工业生产聚丙烯酰胺，但主要的生产方式是以水溶液聚合工艺为主。反相乳液聚合法生产聚丙烯酰胺是目前研究的一个热点，它以烃类物质作为连续相借助于乳化剂的作用使单体的水溶液充分溶于油相中，形成W/O形式的乳液，在一定条件下发生聚合反应。这种聚合方法克服了传统工艺的缺点，简化了工艺流程，节约生产成本。与传统的合成方法相比，反相乳液聚合法合成聚丙烯酰胺，其转化率以及聚合物相对分子质量都有很大的提高。
1实验部分
1.1药品及仪器
SpanS0、Tween80、丙烯酰胺(AM)、环己烷、乙醇、重铬酸钾、硫酸银、浓硫酸、硫酸亚铁铵、1，10一菲咯啉、过硫酸钾、亚硫酸氢钠、硝酸钠均为分析纯；氮气瓶，温度计，冷凝管，恒温水浴箱，三口烧瓶，真空干燥箱，回流管，乌式粘度计，分析天平，粉碎机。
1.2实验方法
将500mL的三口烧瓶干燥，装上冷凝回流管、搅拌器后，置于恒温水浴箱中，将50mL油相(环己烷)及8g配制好的复合乳化剂Span80一Tween80加入三口烧瓶中，慢慢滴加一定浓度的丙烯酰胺单体水溶液，启动搅拌器使其混合均匀，通入氮气驱氧，并将溶液加热到反应温度，在氮气保护下加入一定量的引发剂(过硫酸钾/亚硫酸氢钠，其质量比5：4)HJ，反应一定时间；反应结束后，将所得物质用无水乙醇洗涤，得到的沉淀物在60℃的干燥箱中干燥4h，用粉碎机将干燥后的物质粉碎即得到聚丙烯酰胺粉末。
1.3分析方法
相对分子质量测定：将所得聚丙烯酰胺粉末用乌式粘度计测其特性粘度，并折算出其粘均相对分子质量。化学需氧量的测定：将所得聚丙酰胺粉末配制成30mg/L的溶液，加入待测污水中，检测加药前后污水中COD的变化情况。污水中COD值用重铬酸盐法测定(污水原始COD值为1500mg/L)。
2实验结果讨论
2.1反应时间对聚合反应的影响
在单体用量30%、引发剂用量0.09%、反应温度38℃、油水比1：1的条件下，改变反应时间，考察不同反应时间对反应的影响，结果见图1。由图1可以看出，随着反应时间的延长，聚合物的相对分子质量有增大趋势，COD去除率也随之增大，经过4h反应后，所得产物相对分子质量以及对污水中COD的去除率不再有明显变化，这说明聚合反应已经基本完成。从经济和节能的角度出
发，反应时间选择4h为宜。

2.2反应温度对聚合反应的影响
在其他条件不变情况下，改变反应温度，考察不同温度对反应结果的影响，结果见图2。

由图2可知，反应温度较低时聚合物的相对分子质量比较低，且其对污水COD的去除率也不是很理想。反应温度渐渐升高，产物的相对分子质量逐渐变大，COD的去除率也增大，38℃时反应达到最大值。但温度进一步升高，聚合物相对分子质量开始下降，且反应COD去除率降低。
分析其原因：温度是影响化学反应速率的因素之一，温度升高聚合反应也相应加快，链终止速度也加快，导致聚合物相对分子质量降低。此外，高温下，引发剂的分解速率增大，使聚合反应速度加大，链终止速率加快，这也可导致产物相对相对分子质量减小。低温下，单体扩散速度较慢，反应物中链增长自由基低，引发效果不明显，反应相对较慢，在一定时间内反应不能完成，产物的相对分子质量不会很大。因此，只有在适当的温度下，反应才能达到满意的结果。图2显示，38℃是最佳反应温度，在此温度下合成的产品去污能力最好，对污水中COD的去除率可达到60%。
2.3油水体积比对反应的影响
保持其他条件不变，改变油水比，结果如图3所示。

由图3可知，油水比对聚合反应的影响很大当油相大于水相或者水相大于油相时，得到的产物的去污能力以及相对分子质量均不是很理想当油水体积大小相当时，反应达到最佳。
究其原因如下：在聚合反应中，油相起分散液滴和传递热量的作用。若油相量太少，单体物质不能很好地分散，使整个反应体系变大且温度不易控制，反应产生的大量热不易散发，溶液中物质易聚结在一起而使反应失败。若油相比例过大相当于单体所占比例减少，分散于油相中的液滴相对较少，参加聚合反应的单体也相对较少，即使反应很长时间，也不容易得到满意的聚合物。由
实验可知，在其他条件不变的情况下，最佳的油水体积比为1：1。
2.4单体用量对聚合反应的影响
根据自由基动力学原理，单体用量与反应速度有很大的关系。改变单体用量，考察其对反应的影响，结果见图4。

由图4可知，单体用量增大时，反应所得物质的相对分子质量以及其去污能力相应的增加，单体用量(占溶液总质量)30%时达到最佳，此后增加单体用量，所得产物性能下降。这是因为，单体用量较低时，反应速率与单体用量成正比，此时单体用量增加，反应速率也增加，同时反应得到的聚合物的相对分子质量也相应增加。但当单体用量超过30%时，继续增加单体用量，反应产生大量的热不易及时散发，链终止几率变大，链增加几率减小，反应所得聚合物相对分子质量降低。
2.5引发剂用量对聚合反应的影响
固定其他反应条件不变，改变引发剂用量，结果见图5。

从图5可以看到，当引发剂用量小于0.09%时，聚合物的相对分子质量及其去污能力随引发剂用量增加而增加，当引发剂用量大于0.09%时，聚合物相对分子质量及其去污能力随引发剂用量的增加而减小。引发剂是反相乳液聚合的重要组分，对反应速率、产物相对分子质量大小及性质均有很大的影响。引发剂是聚合反应的活性中心，当用量少时，在一定条件下，活性基自由体少
反应速度慢，链增长不是很明显，所得聚合物相对分子质量较小。当引发剂用量过多时，在反应溶液中产生大量的活性自由基，聚合反应速度过快链终止速率大于链增长速率，反应所得聚合物相对分子质量不会大。
3正交试验确定最佳反应条件
根据前面所做的单因素试验，为了找出最佳的合成条件以及对反应影响最大的因素，我们进行正交试验。试验采用四因素(引发剂用量、油水比、温度、单体用量)三水平
(3)。由于聚合物相对分子质量越高其对污水中COD去除率越好，所以在正交试验中以聚合物相对分子质量作为评价标准。具体试验数据见表1。从表1中可以知道，RA>RB>RD>Rc，即引发剂用量对本实验结果影响最大，其次是油水体积比，再次是单体浓度，对实验结果影响最小的是反应温度。根据各因素均值的大小可知道聚合反应的最佳条件为A2B2c3D2，即最佳条件是：引发剂用量为0.09油水比为1：1，温度为40℃，单体用量为30%。正交实验所得数据设计一组实验，得到聚合产的特征粘度为15.65dl/g，相对分子质量10.1×106。这些数据都要好于前面实验所得，这证明本正交实验方案是可行的且很有必的。

4结论
采用的环乙烷作为油相，Span80一Tween80作为复合乳化剂，过硫酸钾/亚硫酸氢钠作引发剂进行反相乳化聚合试验合成聚丙烯酰胺。研究结果表明，在单体用量占总溶液质量30%、引发剂占总溶液质量0.09%、油水体积比为1：1、聚合温度为40℃、反应时间为4h合成的产品性能最好，其相对分子质量可达到10.1×106，对污水中COD去除率达62%。影响聚合产物最终性能因数的主次顺序是：引发剂用量>油水体积比>单体用量>反应温度。