超高相对分子质量聚丙烯酰胺的研制与应用

Posted 2023-01-13 质量

篇首语：私心胜者，可以灭公。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了超高相对分子质量聚丙烯酰胺的研制与应用相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

聚丙烯酰胺(PAM)及其衍生物是一类多功能水溶性混合物，不同水解浓度、不同相对分子质量的聚丙烯酰胺可用于化工、冶金、煤炭、石油、造纸、纺织、水处理等行业。水解浓度为20%～30%的超高相对分子质量的聚丙烯酰胺主要用于石油三采，以提高石油的采收率。聚丙烯酰胺的工艺通常分为均聚法和共聚法两种，共聚法无后水解工序，生产周期短，但对单体丙烯酰胺、丙烯酸及杂质含量等要求高，与共聚法相比，均聚法的工艺生产比较成熟。均聚法分为均聚共水解和均聚后水解，二者相比，虽然均聚后水解多一道水解工序，但聚合反应的起始反应温度低且不加碱，避免了一些杂质的带入，易得到高分子量产品，因而倍受重视。目前，国内大多数厂家采用这一工艺，但因相对分子质量较低、水解性差等原因，适于油田做三次采油的驱油剂。如果提高聚丙烯酰胺的分子质量和溶解性能，聚丙烯酰胺在废水处理和石油开采中将会有更好的应用前景。我们以丙烯酰胺为原料，采用复合引发剂，低温水解聚合，研究了水解浓度、水解温度、水解时间等因素对聚丙烯酰胺水解制备超高相对分子质量聚丙烯酰胺的影响，优选出最佳工艺条件，合成了适于三次采油的驱油剂。
1 实验部分
1.1 试剂及仪器丙烯酰胺(浙江锐利化工厂)；氢氧化钠、氯化钠均为市售分析纯，引发剂为复合引发剂。乌氏粘度计；超级恒温水浴；恒温干燥箱；FA1104型电子分析天平；造粒机。
1.2 聚丙烯酰胺的合成定量称取丙烯酰胺单体用去离子水配成水溶液，经质量分数为20%的NaOH调整pH值后，冰水浴中冷却到2℃，加入引发剂，摇匀，通入氮气40min。进行绝热聚合反应数小时，所得凝胶经真空干燥，粉碎造粒。
1.3 聚丙烯酰胺均聚后的水解过程先将称好的聚丙烯酰胺用一定量的去离子水溶剂加入适量的水解剂，在一定温度下水解，得到溶胶产品，测定产物固含量、水解度、特性粘度、相对分子质量等性能指标。
2 聚合过程分析
2.1 水解剂的选择一般水解剂有Na2CO3、NaHCO3、NaOH三种。水解剂的碱性强度为NaOH>Na2CO3>NaHCO3，水解产物的水解度随水解剂碱性强度的增加而增加，故选用NaOH作为水解剂。
2.2 水解机理分析从反应机理来讲，在碱性条件下，聚丙烯酰胺的水解反应实际上是一个亲核取代反应，当碱浓度一定的情况下，影响反应的因素主要是水解时间、水解温度、水解浓度。水解产物分子链上含羧酸根(COO-)离子，由于羧酸根(COO-)离子之间的静电排斥作用，大分子线团在溶液中的伸展程度增加，粘度增加，因此，粘均相对分子质量增大。水解产物分子链上含羧酸根(COO-)离子的数目越多，其粘均相对分子质量增加的越多。
2.3 单因素的影响
2.3.1 水解温度的影响聚丙烯酰胺的水解反应在常温下进行的很慢。为加快反应，需要对反应体系进行加热。其它条件相同的情况下，产物相对分子质量随温度的升高是先增加后降低。这是因为在较低温时，聚丙烯酰胺水解速度较慢，反应不完全，生成COOH-离子较少，大分子线团在溶液中的伸展程度不够好，因而产物的粘度低，相对分子质量低。当温度太高时，聚丙烯酰胺的降解成为影响相对分子质量的主要因素，由此可见，水解温度控制在90℃时，相对分子质量最大，效果最好。在水解质量浓度8%，水解时间2.5h时，水解温度对聚丙烯酰胺分子质量的影响见表1。

2.3.2 水解时间的影响在水解质量浓度8%、水解温度90℃时，水解时间对聚丙烯酰胺分子质量的影响见表2。
随着反应的进行，大分子链上COOH-基团数目增加，产物的相对分子质量随水解时间的延长，有增加的趋势，当时间超过3h时，产物的相对分子质量又相对有所下降。这是因为在相同的水解温度下，水解时间过长，大分子也同样发生降解，使相对分子质量降低。
2.3.3 水解浓度的影响随着水解浓度的增加，聚丙烯酰胺的分子量呈先增加后降低的趋势。前半部分的增加是由于随着水解浓度的增加，体系中的水逐渐减少，而水的存在会使聚丙烯酰胺发生降解，使其分子量下降，所以，前半部分随着水解浓度的增加分子量增加，后半部分随水解浓度的增加，水解变得不完全，这时，体系中COOH-离子相对较少，而体系中的COOH-离子直接影响体系的粘度，所以导致测出的产品分子量降低。水解温度90℃、水解时间3h时，水解浓度对聚丙烯酰胺分子质量的影响见表3。
2.3.4 干燥温度的影响随着干燥温度的增加，产品的分子量减小，干燥温度较低时，得到产品的分子质量较高，但干燥温度低，干燥时间较长，耗能较大。从生产的角度考虑，干燥的温度高些较好，但温度太高，会使聚丙烯酰胺发生降解，所以合适的反应温度不应超过90℃。
3 结论
(1)通过实验得出最佳水解反应的工艺条件为：水解质量浓度8%，水解时间3.0h，水解温度90℃，干燥温度90℃。
(2)在最佳水解条件下，合成聚丙烯酰胺的粘均相对分子质量为2.38×107，水解度为22.5%，适于油田三次采油用驱油剂。