聚丙烯酸鈉的合成及在染色水洗中的應用

趙亞楠， 楊 勇， 路振翔， 周偉濤， 汪 青

(中原工學院， 鄭州 450007)

聚丙烯酸鈉的合成及在染色水洗中的應用

趙亞楠， 楊 勇， 路振翔， 周偉濤， 汪 青

(中原工學院， 鄭州 450007)

以丙烯酸為單體、過硫酸銨為引發(fā)劑、亞硫酸氫鈉為還原劑(鏈轉移劑)，采用動態(tài)水溶液法合成低分子量聚丙烯酸鈉，并應用于棉織物染色后的水洗處理中。實驗表明：通過改變引發(fā)劑用量、反應溫度、反應時間，可合成分子量在5 000～25 000之間的聚丙烯酸鈉；合成工藝條件為過硫酸銨4.0%、丙烯酸30%、亞硫酸氫鈉4%、反應溫度75 ℃、反應時間6 h，合成的聚丙烯酸鈉的分子量為9 527，此種聚丙烯酸鈉使織物洗滌效果最佳。

低分子量聚丙烯酸鈉；分散劑；聚合；染色水洗

聚丙烯酸鈉(PAAS)是一種新型功能性高分子材料和重要的化工產品，具有親水和疏水基團，耐熱性好，有固定金屬離子的作用，能防止金屬離子對產品產生吸附。相對分子質量在1 000～10 000之間的聚丙烯酸鈉，可作為分散劑[1]，應用于水處理(分散劑或阻垢劑)、造紙、紡織印染、陶瓷等工業(yè)領域[2]。因此，研究低分子量聚丙烯酸鈉的合成具有重要的現(xiàn)實意義。

織物在染色、印花后，其表面有未與纖維形成穩(wěn)定結合的染料。如果水洗后這些染料處理不徹底，會嚴重影響織物的外觀、手感、色牢度，使織物在穿著、洗滌過程中發(fā)生沾色、掉色現(xiàn)象，甚至對人體產生傷害。因此，染色印花后織物水洗效果的好壞至關重要。在織物染色后的水洗過程中添加適量聚丙烯酸鈉、聚丙烯酰胺等分散劑，可促進織物表面未與纖維形成穩(wěn)定結合的染料向水溶液中遷移，并且使這些染料穩(wěn)定地分散在水洗液中且不會沾污織物表面，這樣，可減少織物表面浮色，提高織物水洗牢度和摩擦牢度，提高水洗效率，減少洗滌次數。

本文采用動態(tài)水溶液法[2]研究聚丙烯酸鈉的合成及其影響因素，并測試其分子量。將不同分子量的聚丙烯酸鈉用于棉織物水洗處理中，可得到洗滌效果最佳的聚丙烯酸鈉分子量。

1 實 驗

1.1 實驗材料與儀器

(1)實驗材料：過硫酸銨(天津市風船化學試劑科技有限公司)、亞硫酸氫鈉(天津市風船化學試劑科技有限公司)、丙烯酸(天津市光復精細化工研究所)、無水碳酸鈉(天津市瑞金特化學品有限公司)、氫氧化鈉(天津市瑞金特化學品有限公司)，試劑規(guī)格均為AR。

(2)實驗儀器：恒溫磁力攪拌器(WSJB-03，河南中良科學儀器有限公司)、電熱鼓風干燥箱(GZX-9140，上海博迅實業(yè)有限公司醫(yī)療設備廠)、染色摩擦色牢度儀(Y571，萊州市電子儀器有限公司)、耐洗色牢度實驗機(SW-12(L)，萊州市電子儀器有限公司)、電熱恒溫水浴鍋(DK-98-Ⅱ，長春吉大小天鵝儀器有限公司)、烏氏黏度計(0.58 mm，上海啟航玻璃儀器廠)、Datacolour測色配色儀(SF600X，美國Datacolour公司)。

1.2 實驗方法

1.2.1 聚丙烯酸鈉的合成

向裝有攪拌棒、回流冷凝管、滴液漏斗并置于恒溫水浴鍋中的250 ml三口燒瓶中加入一定量的去離子水和亞硫酸氫鈉，攪拌使之完全溶解，并升溫至60 ℃，緩慢滴加丙烯酸與引發(fā)劑過硫酸銨(APS)的混合液，30 min內滴加完成，然后升溫至反應溫度(分別為60 ℃、65 ℃、70 ℃、75 ℃、80 ℃)，恒溫反應3 h，撤去水浴鍋，繼續(xù)攪拌，冷卻至30～40 ℃，用40%的NaOH溶液調節(jié)pH值至8～9，即可得到聚丙烯酸鈉溶液。

采用單因素分析法[3-5]探究引發(fā)劑用量、聚合反應溫度、反應時間對產物分子量的影響。

1.2.2 聚丙烯酸鈉分子量的測定

采用烏氏黏度計測量法測定[6-7]聚丙烯酸鈉分子量。

1.2.3 棉織物的水洗

將聚丙烯酸鈉和皂片按一定的比例(2∶1、7∶2、5∶1)配制成皂洗液，取一定量放入燒杯中并置于恒溫水浴槽中升溫，調節(jié)皂洗液的pH值大于8，將染色后的織物放入燒杯中皂煮，15 min后取出，用40～50 ℃溫水洗滌3 min，再用冷水充分洗滌，放入烘箱中烘干。然后測試其水洗褪色牢度、沾色牢度、摩擦牢度。

2 實驗結果討論

2.1 聚丙烯酸鈉分子量的影響因素

影響聚丙烯酸鈉分子量的因素：引發(fā)劑用量、反應溫度和反應時間。

2.1.1 引發(fā)劑用量對聚丙烯酸鈉分子量的影響

選取占總體質量30%的丙烯酸單體和占總體質量4%的NaHSO3，改變過硫酸銨(APS)用量，在70 ℃條件下恒溫反應3 h，合成的聚丙烯酸鈉的相對分子量如圖1所示。

圖1 引發(fā)劑用量對聚丙烯酸鈉分子量的影響曲線

由圖1可以看出，隨著引發(fā)劑用量的增加，聚丙烯酸鈉的分子量先減小后增加。分子量減小是因為聚合產物的分子質量取決于聚合反應的動力學鏈長和鏈終止方式，在鏈轉移存在的情況下，鏈終止方式為單基終止，而動力學鏈長與引發(fā)劑濃度的平方根成反比，因此引發(fā)劑用量越大，分子量越??；分子量增加是因為隨著體系中的自由基濃度增大，聚合反應變得更徹底，反應轉化率越高，分子量就越大。

2.1.2 反應溫度對聚丙烯酸鈉分子量的影響

選定占總體質量30%的丙烯酸單體和占總體質量4%的NaHSO3，引發(fā)劑用量為4%，改變反應溫度，恒溫反應3 h，制備的聚丙烯酸鈉的相對分子量如圖2所示。

圖2 溫度對聚丙烯酸鈉分子量的影響曲線

由圖2可知，反應溫度在75 ℃時聚合物的分子量最小。當溫度低于75 ℃時，隨著溫度的升高，聚丙烯酸鈉分子量降低。這可能是由于當聚合溫度升高時，引發(fā)劑分解速度提高，產生更多的自由基，瞬間形成較多的短分子鏈，使得反應單體在不同分子鏈上聚合的趨勢增加，使相對分子量降低。但當溫度超過75 ℃時，隨著溫度的升高，聚丙烯酸鈉的分子量繼續(xù)增加。這可能是由于溫度升高使得高分子運動加劇，不同聚合物的分子鏈相互碰撞結合，從而使分子量增大。

2.1.3 反應時間對聚丙烯酸鈉分子量的影響

選定占總體質量30%的丙烯酸單體、占總體質量4%的NaHSO3和占總體質量4%的引發(fā)劑，在75 ℃時改變反應時間，制備的聚丙烯酸鈉的相對分子量如圖3所示。

圖3 反應時間對聚丙烯酸鈉分子量的影響曲線

由圖3可知，當反應時間為6 h時，合成聚合物的分子量最小，即為低分子量聚丙烯酸鈉，其分散性較好。

2.2 織物染色水洗效果的影響因素分析

2.2.1 不同分子量的聚丙烯酸鈉對織物染色水洗效果的影響

聚丙烯酸鈉分子量變化會對織物染色水洗效果產生一定的影響，具體見表1。

由表1可以看出，與水洗過程中未加聚丙烯酸鈉分散劑的染色織物相比，添加聚丙烯酸鈉分散劑的染色織物各項牢度可提高1-2級；隨著聚丙烯酸鈉分子量的增加，染色織物水洗褪色牢度、沾色牢度和干摩擦各相差至多1級，濕摩擦變化較大；當聚丙烯酸鈉分子量為7 700～10 500時，各項牢度最好，濕摩擦牢度可以達到2-3級，沾色牢度可以達到4-5級，褪色牢度可以達到2-3級。這是因為加入聚丙烯酸鈉分散劑可有效去除染色織物表面的浮色，分子量太小，對浮色吸附力小，不足以去除更多浮色；如果分子量太大，可流動性變小，相同條件下，去除浮色量減少。

表1 不同分子量聚丙烯酸鈉對織物染色水洗效果的影響

注：牢度標準采用ISOAO5標準。

2.2.2 皂煮條件對織物水洗效果的影響

選擇分子量為9 527的聚丙烯酸鈉，研究皂煮條件對織物水洗效果的影響，具體見表2。

由表2可以看出，水洗時加入聚丙烯酸鈉分散劑進行處理，染色織物各項牢度明顯優(yōu)于9號空白對照實驗。通過水洗時改變聚丙烯酸鈉用量和水洗溫度發(fā)現(xiàn)，皂煮溫度每升高5 ℃，濕摩擦牢度提高約半級，沾色牢度可提高約1級；聚丙烯酸鈉乳液用量從4 g/L增加到7 g/L，濕摩擦牢度可提高約半級，沾色牢度提高約1級，但再增加聚丙烯酸鈉乳液的用量，濕摩擦牢度和沾色牢度幾乎不再改變。綜合分析可知，皂洗的最佳工藝條件為：分散劑用量7 g/L；皂洗溫度95 ℃。通過改變皂煮條件，染色織物的濕摩擦牢度可提高2級，水洗沾色牢度可提高2-3級，水洗褪色牢度可提高3-4級。這是因為溫度越高，聚丙烯酸鈉分子運動越快，去除浮色的速度就越快；分散劑用量越大，吸附的浮色越多，織物的沾色牢度越好。

表2 皂煮條件對織物水洗效果影響

3 結 語

(1)通過改變引發(fā)劑用量、反應溫度、反應時間可合成分子量在5 000～25 000之間的聚丙烯酸鈉。引發(fā)劑用量、反應溫度、反應時間對聚合物分子量均有影響，其中反應溫度、反應時間影響較大。

(2)聚丙烯酸鈉的分子量在7 700～10 500之間時染色織物水洗效果較好。當聚丙烯酸鈉分子量為9 527時，染色織物的洗滌效果最好。

(3)通過改變皂煮條件，染色織物的濕摩擦牢度可提高2級，水洗沾色牢度可提高2-3級，水洗褪色牢度可提高3-4級。

[1] 黃良仙，安秋風.低分子量聚丙烯酸鈉分散劑的制備及應用性能研究[J]．山西大學學報，2005，28(4)：391-399.

[2] 高鳳芹.低分子量聚丙酸鈉的合成方法研究[D].西安：西北工業(yè)大學，2006.

[3] 牛磊，周雍茂，戴文娟.低分子質量聚丙烯酸鈉合成研究[J].當代化工，2008(37):371-374.

[4] 高畢亞，鄭柏存，傅樂峰. 聚丙烯酸鈉超分散劑的合成及其分散性能研究[J].日用化學工業(yè)，2008(38): 20-23.

[5] 胡長安，周建飛，蘭云軍.中低分子量聚丙烯酸鈉的合成研究[J].皮革與化工，2013(30):1-5.

[6] 楊菊萍. 粘度法測定部分水解聚丙稀酰胺分子量[J]. 高分子學報，2001(6): 783-786.

[7] 李琳, 譚桂蓮, 蘇春梅，等.粘度法測定聚乙烯醇相對分子質量的試驗改進[J]. 大學化學，2006, 21(4): 53- 56.

(責任編輯：姜海芹)

Synthesis of Sodium Polyacrylate Dispersant and its Application in the Dyeing Washing

ZHAO Ya-nan, YANG Yong, LU Zhen-xiang, ZHOU Wei-tao, WANG Qing

(Zhongyuan University of Technology, Zhengzhou 450007, China)

The low molecular weight sodium polyacrylate is synthesized by the method of dynamic solution, with ammonium persulfate as initiator and sodium bisulfite as chain transfer agent. The synthesis of sodium polyacrylate under different conditions is applied to reactive dyes washing process, determining their washing effect. The experiment results show that molecular weight of polyacrylic acid sodium is up to 5 000～25 000 by changing the dosage of initiator, reaction temperature and reaction time. With the initiator dosage of 4.0%, the amount of reducing agent of 4%, the monomer concentration of 30%, the reaction temperature of 75 ℃ and reaction time of 6 h , molecular weight of polyacrylic acid sodium is up to 9 517 and the washing effect is the best.

low molecular weight polyacrylic acid sodium; dispersant; polymerization; dyeing washing

2015-05-20

趙亞楠(1992-)，女，河南商丘人，碩士生。

1671-6906(2015)06-0037-04

TQ20

A

10.3969/j.issn.1671-6906.2015.06.008