星形造紙用陰離子垃圾捕捉劑的合成與表征

張光彥 安俊健 劉南洋

湖北工業(yè)大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院 湖北 武漢 （430068）

星形造紙用陰離子垃圾捕捉劑的合成與表征

張光彥 安俊健 劉南洋

湖北工業(yè)大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院 湖北 武漢 （430068）

介紹了以過硫酸鉀和季戊四醇為氧化還原引發(fā)體系引發(fā)甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨(DMC)進(jìn)行自由基聚合，從而得到星形聚甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨（PDMC），并采用FTIR、1H-NMR、SEC-MALLS進(jìn)行表征。

星形聚合物；溶液聚合；陰離子垃圾捕捉劑

陰離子垃圾是指紙機(jī)濕部存在的所有溶解的陰離子聚合物（低聚物或高聚物）和膠體的陰離子物質(zhì)的總稱。隨著造紙工業(yè)的迅猛發(fā)展，特別是隨著造紙?jiān)辖Y(jié)構(gòu)的變化、涂布損紙的回用、白水封閉循環(huán)程度的提高等，從而使紙機(jī)濕部干擾性的陰離子雜質(zhì)的聚集程度和濃度越來越高，導(dǎo)致抄紙系統(tǒng)內(nèi)斷紙頻繁、易出現(xiàn)紙病，連續(xù)作業(yè)時(shí)間縮短、生產(chǎn)量降低等一系列問題，而添加陰離子垃圾捕捉劑則是解決上述問題的方法之一。星形聚合具有線形聚合物不可比擬的優(yōu)勢(shì)，因而近年來成為了研究熱點(diǎn)[1,2]。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨水溶液（DMC），質(zhì)量分?jǐn)?shù)79.4%，青州市奧星化工有限公司；過硫酸鉀，分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；季戊四醇，化學(xué)純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

根據(jù)任淑霞[3,4]的研究，以季戊四醇和過硫酸銨組成氧化還原引發(fā)體系，引發(fā)丙烯酰胺（AM）和二甲基二丙烯丙基氯化銨(DMDAAC)進(jìn)行自由基共聚，合成星形陽(yáng)離子型聚丙烯酰胺。其認(rèn)為獨(dú)電子基團(tuán)為季戊四醇分子中亞甲基失去一個(gè)氫原子，從而形成自由基，進(jìn)而引發(fā)聚合反應(yīng)。我們根據(jù)該理論，設(shè)計(jì)了本反應(yīng)的合成路線，如圖1所示。

先將季戊四醇、過硫酸鉀溶解于去離子水中，然后與DMC溶液一起加入至50mL的長(zhǎng)頸反應(yīng)瓶中，混合均勻，抽真空充氮?dú)?，反?fù)三次除氧，置于50℃恒溫油浴中，磁力攪拌反應(yīng)6小時(shí)。之后，將所得反應(yīng)物于過量的丙酮中沉淀以除去未反應(yīng)的單體DMC，收集沉淀，真空干燥至恒重得到白色固體（星形PDMC）。

1.3 紅外表征

取星形PDMC于KBr中碾磨壓片制樣，通過Lambda Bio40 UV Vis spectrometer(Perkin-Elmer)檢測(cè)紅外光譜。

1.4 核磁表征

取樣品10mg，以D2O為溶劑，在Varian Unity 300MHz核磁共振儀上測(cè)定PDMC的1H-NMR。

1.5 分子量的表征

以pH 4.4醋酸鈉-醋酸的緩沖溶液為流動(dòng)相，采用SEC-MALLS（體積排阻色譜-多角度激光光散射法）進(jìn)行分子量的表征。

1.6 特性粘數(shù)的測(cè)定

特性粘數(shù)[η]按GB12005.1－89進(jìn)行測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 星形PD M C的結(jié)構(gòu)表征

2.1.1 FTIR表征

星形PDMC的紅外譜圖見圖2。其中954 cm-1處的峰為季銨鹽的特征吸收峰；1729 cm-1處的峰為酯鍵－COO－中的羰基峰；2850 cm-1及2922 cm-1一帶為亞甲基（－CH2－）和甲基（－CH3）的伸縮振動(dòng)；而季戊四醇中羥基的吸收峰則在3400 cm-1一帶。

2.1.2 1H-NMR表征

星形PDMC的1H-NMR見圖4。由圖4可見PDMC在5.5－6.5ppm之間無質(zhì)子峰出現(xiàn)，而甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨的1H-NMR(見圖3)顯示，DMC在5.5－6.5ppm區(qū)間存在碳碳雙鍵的質(zhì)子峰（A，B）。因此，通過圖3和圖4的對(duì)比可以說明聚合后，單體中的碳碳雙鍵消失，充分說明了單體發(fā)生了自由基聚合反應(yīng)。

2.1.3 分子量的表征

星形PDMC的SEC-MALLS所監(jiān)測(cè)到的示差（AUX）和光散射（LS）信號(hào)見圖5。數(shù)據(jù)經(jīng)ASTRA for Windows 4.90.08 QELSS軟件分析得出星形PDMC的Mn＝5.9×105，分子量分布指數(shù)PDI=1.74。

2.2 聚合反應(yīng)的影響因素

2.2.1 引發(fā)劑用量

圖6是單體濃度為30%，反應(yīng)時(shí)間為6h時(shí)，在50℃下，引發(fā)劑用量對(duì)星形PDMC特性粘度[η]的影響。當(dāng)引發(fā)劑用量很少時(shí)，由于副反應(yīng)使得產(chǎn)物的特性粘度較低。當(dāng)引發(fā)劑用量很多時(shí)，其聚合度自然會(huì)下降，從而也會(huì)導(dǎo)致所得產(chǎn)物的特性粘度降低。因此，當(dāng)引發(fā)劑用量達(dá)到某一特定值時(shí)，特性粘度將達(dá)到峰值。根據(jù)圖6所示，當(dāng)引發(fā)劑用量為0.2%時(shí)，聚合效果較好。

2.2.2 單體濃度

圖7是引發(fā)劑用量為0.2%時(shí)，反應(yīng)時(shí)間6h時(shí)，在50℃下，單體濃度對(duì)星形PDMC溶液特性粘度[η]的影響。由圖7可知，濃度過低時(shí)，反應(yīng)效率不高，特性粘度較低；而濃度過高時(shí)，達(dá)到一定反應(yīng)程度后，體系粘度較大，也阻礙了聚合的進(jìn)一步進(jìn)行。因此，當(dāng)單體濃度達(dá)到30%時(shí)，所得產(chǎn)物的特性粘度最大，聚合效果較好。

3 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在50℃下，當(dāng)引發(fā)劑用量為0.2%，單體（DMC）質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%時(shí)，可獲得分子量較高的星形PDMC，其具有作為陰離子垃圾捕捉劑使用的前景。

[1]鄭寶慶，錢錦文.星形陽(yáng)離子型聚丙烯酰胺共聚物的制備、表征及絮凝應(yīng)用 [J]. 浙江大學(xué)學(xué)報(bào)（理學(xué)版），2007，34（4）：443-447

[2]周侃，姜宏偉.水溶性星型聚丙烯酰胺的合成和表征[J].化學(xué)學(xué)報(bào)，2006，64（4）：353－356

[3]任淑霞，陳梁.星形陽(yáng)離子聚丙烯酰胺的表征[J].科技信息，2009，（10）：99-100

[4]任淑霞. 星形陽(yáng)離子聚丙烯酰胺的制備及應(yīng)用研究[D].昆明理工大學(xué)：2007年

Synthesis and Characterization of Star-poly(Methacrylatoethyl trimethyl ammonium chloride)as Anionic Trash Catchers

ZhangGuangyan,An J unjian,Liu Nanyang
(School of Chemical and Environmental Engineering,Hubei Univers ity of Technology,Wuhan 430068,China)

The methacrylatoethyl trimethyl ammonium chloride(DMC)was initiated by heterogeneous redox initiator s ys tem,which compos ed of pentaerythritol with K2S2O8,to s ynthes ize s tar-PDMC.The s tar-PDMC was characterized by FTIR,1H-NMR and SEC-MALLS.

s tar polymer；s olution polymerization；anionic tras h catchers

張光彥（1981-），男，講師，湖北武漢人。主要研究方向：造紙化學(xué)品及高分子改性。

2011-8-29