一種新淀粉接枝聚丙烯酰胺水包水乳液的合成及表征

康 巍，王光華，李文兵，李 蕾，李笑原

(1.武漢科技大學(xué)化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430081；2.湖北省煤轉(zhuǎn)化與新型炭材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430081；3.武漢工程大學(xué)分析測(cè)試中心，湖北 武漢 430074)

0 引 言

聚丙烯酰胺(PAM)廣泛應(yīng)用于水處理、采油及造紙工業(yè)中，它的合成研究取得了一定的進(jìn)展，如李立等[1]在微乳液合成PAM,王晶瓊等[2]應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輔助合成PAM等.

淀粉接枝聚丙烯酰胺是一類既具備很強(qiáng)的絮凝性能，又價(jià)格低廉的絮凝劑[3].目前國內(nèi)外的淀粉接枝聚丙烯酰胺均是以水溶液法[4]、油包水法[5]等制備.產(chǎn)物產(chǎn)率低、并且油相造成環(huán)境二次污染.

因此研發(fā)出一種新的淀粉接枝聚丙烯酰胺水包水乳液不僅在提高產(chǎn)率的同時(shí)，沒有油相，不會(huì)造成環(huán)境二次污染，溶解時(shí)間短，提高了使用效率.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 藥品及設(shè)備

溫磁力加熱攪拌器，江蘇省金壇市宏華儀器廠生產(chǎn)；數(shù)字控制恒溫水浴箱，北京市長風(fēng)儀器儀表公司生產(chǎn)；四頸圓底燒瓶(250 mL)生產(chǎn)；電子天平，梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司生產(chǎn)；D120-2F電動(dòng)攪拌機(jī)，杭州儀表電動(dòng)有限公司生產(chǎn)；DDS-11A型數(shù)字電導(dǎo)率儀，上海大普儀表有限公司生產(chǎn)；Impact420型傅立葉紅外光譜儀，美國Nicolet公司生產(chǎn)；JEOL-JSM-5510LV型掃描電鏡，日本電子公司生產(chǎn)；氮?dú)馄?；BK-POL偏光顯微鏡等.

1.2 淀粉-丙烯酰胺接枝共聚物的合成

1.2.1 水包水乳液的制備 按一定質(zhì)量比將CTAB、淀粉、聚乙二醇、去離子水混合后攪拌均勻，得水包水乳液.

1.2.2 接枝聚合物合成 將水包水乳液經(jīng)過硫酸酸化并中和后加入四口燒瓶，于一定溫度下，通N2驅(qū)逐氧氣30 min，攪拌.糊化一段時(shí)間，冷卻到反應(yīng)溫度.在燒瓶中加入引發(fā)劑硝酸鈰銨引發(fā)一段時(shí)間后，再加入丙烯酰胺單體，聚合一定時(shí)間后冷卻，得到乳液.

1.2.3 接枝聚合物提純 產(chǎn)品用乙醇沉淀，丙酮洗滌，40～60 ℃真空干燥，得粗品.然后用體積比為6∶4的乙二醇、冰醋酸混合液抽提除去均聚物，干燥[6].

1.3 主要指標(biāo)的測(cè)定

1.3.1 產(chǎn)率的測(cè)定

產(chǎn)率=m1/m2×100％

其中：m1—接枝的丙烯酰胺的質(zhì)量,

m2—丙烯酰胺的質(zhì)量.

1.3.2 溶解時(shí)間的測(cè)定 在恒溫下，將一定量的產(chǎn)物加入定量的去離子水中.產(chǎn)物不斷溶解中，溶液電導(dǎo)值會(huì)增加，全部溶解后，電導(dǎo)值恒定，所以溶解時(shí)間即電導(dǎo)值變?yōu)楹愣ǖ臅r(shí)間.電導(dǎo)值可由電導(dǎo)率儀測(cè)定[7].

將盛有200 mL去離子水和磁力轉(zhuǎn)子的500 mL燒杯放在具有恒溫水槽的電磁攪拌器上.把電導(dǎo)儀的電導(dǎo)電極插人燒杯里，與燒杯壁保持1～1.5 cm的距離.啟動(dòng)磁力攪拌器，保持液面旋渦的深度為2 cm左右.啟開恒溫水浴槽，使恒溫槽溫度提升到30 ℃，恒溫10 min，調(diào)整記錄紙線速度，選擇好電導(dǎo)率儀量程.稱取0.080 g樣品(誤差控制在0.002 g之內(nèi))，加入燒杯中.當(dāng)記錄儀指示的電導(dǎo)值在3 min內(nèi)恒定時(shí)，既可以記錄下溶解時(shí)間(不包括恒定的3 min).

1.4 正交實(shí)驗(yàn)

選取反應(yīng)溫度A、引發(fā)劑質(zhì)量B、丙烯酰胺質(zhì)量C、酸化處理淀粉的硫酸溶液質(zhì)量濃度D為因素，以產(chǎn)率、溶解時(shí)間為指標(biāo)，選用L9(34)正交表,如表1.得出最佳條件為A2B1C2D1，即反應(yīng)溫度55 ℃、引發(fā)劑量為0.01 g、單體量為6 g、硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5％時(shí)，淀粉接枝產(chǎn)物產(chǎn)率為92.35％、溶解時(shí)間為2 min.

表1 因子水平表

2 接枝產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)及水包水乳液的鑒定

2.1 接枝產(chǎn)物電子掃描電鏡(SEM)分析

圖1中，(a)為未反應(yīng)的淀粉顆粒，其表面十分光滑；(b)為聚丙烯酰胺，其為層狀結(jié)構(gòu)；(c)為反應(yīng)產(chǎn)物，其表面十分粗糙，在淀粉表面有多層層狀物質(zhì)，和(b)的聚丙烯酰胺相似，說明接枝成功.

圖1 掃描電鏡照片

2.2 接枝產(chǎn)物紅外光譜分析

圖2 淀粉的紅外光譜圖

圖3 聚丙烯酰胺的紅外光譜圖

圖4 接枝聚合物的紅外光譜圖

2.3 水包水乳液的鑒定

要鑒定該溶液為水包水乳液，需鑒定出其既屬于乳液，也屬于水包水型.

2.3.1 鑒定其為乳液 對(duì)該溶液進(jìn)行偏光顯微鏡拍照，如圖5所示.看出樣品顆粒均勻分散于溶液之中，并且粒徑尺寸大小在0.1～10 μm范圍內(nèi)，符合膠體化學(xué)概念中乳液粒子的尺寸范圍.因此，鑒定出該溶液為乳液[8].

圖5 水包水乳液的照片

2.3.2 鑒定其為水包水型 配制兩種溶液，均含有PEG、淀粉接枝聚丙烯酰胺、去離子水等水溶性物質(zhì)，在試管中放置7 d以上，其中一種不含表面活性劑CTAB，另一種含CTAB.

圖6 對(duì)比照片

圖6中不含CTAB的溶液(a)發(fā)生了分層，而含CTAB的溶液(b)沒有分層.溶液(a)發(fā)生分層，說明溶液中含有兩個(gè)相，而由于配制溶液時(shí)，沒有加入油相物質(zhì)，因此一定是兩個(gè)水相，并且兩水相由于缺少CTAB的乳化作用而分開；溶液(b)沒有分層，說明溶液中的兩水相均勻的混合在一起.

圖7 紅外光譜

對(duì)圖6(a)中上層的清液進(jìn)行紅外光譜檢測(cè)，并對(duì)聚乙二醇(PEG)進(jìn)行紅外光譜檢測(cè)，進(jìn)行對(duì)比，如圖7所示，3 445.57 cm-1處的峰為PEG羥基峰，1 109.28 cm-1處的峰為PEG中的C—O—C醚骨架特征吸收峰.圖7中上面的譜線為上層清液，下面為PEG.清液會(huì)在上面，是因?yàn)榻?jīng)過稀釋所致.由圖可知，兩條譜線十分相似，因此可以鑒定出上層清液為PEG水相.由此可以說明，在沒有表面活性劑CTAB的作用下，溶液將分層成由PEG和淀粉接枝聚丙烯酰胺分別形成的兩個(gè)不互溶的水相；而在有表面活性劑CTAB的乳化作用下，這兩個(gè)不互溶的水相將會(huì)混合均勻，形成水包水溶液.

3 結(jié) 論

a.制備了淀粉接枝聚丙烯酰胺溶液，經(jīng)過檢測(cè)，在反應(yīng)溫度55 ℃、引發(fā)劑量為0.01 g、單體量為6 g、硫酸濃度為5％時(shí)，淀粉接枝產(chǎn)物產(chǎn)率為92.35％、溶解時(shí)間為2 min.

b.通過掃描電鏡及紅外光譜鑒定出接枝反應(yīng)成功.

c.通過偏光顯微鏡、紅外光譜等檢測(cè)方法鑒定出該溶液為水包水溶液.

參考文獻(xiàn)：

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