陽離子型超支化聚丙烯酰胺的合成與反應(yīng)中影響產(chǎn)物黏度因素的探討

張 昊，范振忠，李仁杰，趙宏偉

（東北石油大學(xué)， 黑龍江 大慶 163000）

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陽離子型超支化聚丙烯酰胺的合成與反應(yīng)中影響產(chǎn)物黏度因素的探討

張 昊，范振忠，李仁杰，趙宏偉

（東北石油大學(xué)， 黑龍江 大慶 163000）

以季戊四醇為支化劑，按一定的比例加入丙烯酰胺（AM）并加入陽離子單體甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨（DMC）增加其陽離子性，合成了具有陽離子性的超支化聚丙烯酰胺。對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行了紅外光譜（FTIR）分析，并使用旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)和一定計(jì)算測(cè)得了聚合物的增比黏度。而后探討了反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間和引發(fā)劑用量對(duì)產(chǎn)物粘度的影響。

超支化聚丙烯酰胺；陽離子；增比黏度

超支化聚合物因有三維球狀立體結(jié)構(gòu)而且高度支化和繁多的末端基團(tuán)，能顯示出完全不同與其他聚合物的性狀。相比對(duì)應(yīng)的線型分子具有出色的溶解性、高流變性、低黏度以及大量可修飾的末端官能團(tuán)等一系列獨(dú)特的物理化學(xué)特性［1］。特別是超支化聚丙烯酰胺的應(yīng)用較為廣泛，合成方法也較為成熟，已經(jīng)在造紙、紡織和石油領(lǐng)域顯示出了較好的應(yīng)用前景。

本文以季戊四醇為聚合反應(yīng)的支化劑，過硫酸鉀和亞硫酸氫鈉為引發(fā)劑，與丙烯酰胺（AM）在水溶液中通過自由基聚合反應(yīng)制備支化結(jié)構(gòu)的陽離子聚丙烯酰胺（BCPAM），終止劑選用甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨（DMC），并且為反應(yīng)加入陽離子單體；再加入正硅酸乙酯，增加其支化程度，合成具有陽離子性的超支化聚丙烯酰胺。最后探討了不同的反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間和引發(fā)劑用量對(duì)產(chǎn)物黏度的影響。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1主要實(shí)驗(yàn)藥品

丙烯酰胺（AM）：分析純；過硫酸鉀；亞硫酸氫鈉；甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨（DMC）：分析純；季戊四醇（PETL）：分析純。

1.2超支化聚丙烯酰胺的合成

（1）將裝有20 g AM、100 mL去離子水、一定質(zhì)量季戊四醇的三口燒瓶置于恒溫水浴鍋中進(jìn)行水浴加熱，在機(jī)械攪拌的同時(shí)向瓶中通入氮?dú)猓?/p>

（2）通入氮?dú)鈹嚢?30 min 中后，用恒壓滴液漏斗緩慢向瓶中滴加引發(fā)劑10 mL溶有一定質(zhì)量的引發(fā)劑（過硫酸鉀/亞硫酸氫鈉=1：0.45）的去離子水溶液，控制在 30 min 左右滴加完畢；

（3）引發(fā)劑滴加完畢后，反應(yīng)開始計(jì)時(shí)。達(dá)到設(shè)定時(shí)間后加入陽離子單體 DMC，再經(jīng)過 60 min，加入5 g的正硅酸乙酯， 等反應(yīng)到設(shè)定時(shí)間即停止反應(yīng)，得到產(chǎn)物備用。

1.3合成路線

陽離子型超支化聚丙烯酰胺的合成路線如圖1。

圖1　超支化聚丙烯酰胺合成機(jī)理Fig.1 Hyperbranched polyacrylamide synthesis mechanism

2　結(jié)果討論

2.1紅外光譜（FTIR）分析

圖2為樣品的FTIR圖譜。由圖2可知，在3454 cm-1處有很強(qiáng)的羥基伸縮振動(dòng)峰；1 399 cm-1處出現(xiàn)的吸收峰為酯基的振動(dòng)峰；在1 289 cm-1處的吸收峰為酰胺基的振動(dòng)峰，產(chǎn)物中含有羥基，酯基及酰胺基團(tuán)，圖譜與文獻(xiàn)［2-3］中合成的超支化聚丙烯酰胺基本一致，說明產(chǎn)物是超支化聚丙烯酰胺。

圖2　超支化聚丙烯酰胺樣品的FTIR圖譜Fig.2 The FTIR spectra of the hyperbranched polyacrylamide sample

2.2黏度測(cè)試

將產(chǎn)物使用乙醚反復(fù)進(jìn)行提純，提純后配成3%濃度的聚合物水溶液，用旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)測(cè)[4]聚合物黏度η，增比黏度通過下面的關(guān)系式計(jì)算得出

表1　引發(fā)劑用量對(duì)產(chǎn)物黏度的影響Table 1 The influence of initiator dosage on the viscosity of product

向反應(yīng)中加入10 mL溶有不同質(zhì)量引發(fā)劑（過硫酸鉀/亞硫酸氫鈉=1：0.45）的溶劑，得到不同產(chǎn)物分別進(jìn)行黏度的測(cè)量，如下表 1，通過表 1可知，再10 mL去離子水溶液中加入400 mg或更多引發(fā)劑時(shí)，產(chǎn)物的粘度變化范圍不大，證明聚合反應(yīng)轉(zhuǎn)化率更高。

在同樣條件下，分別測(cè)量不同反應(yīng)溫度和反應(yīng)時(shí)間對(duì)產(chǎn)物黏度的影響，見表2和表3，數(shù)據(jù)分析可得，在反應(yīng)溫度70 ℃，反應(yīng)時(shí)間5 h時(shí)，產(chǎn)物的粘度變化范圍不大，證明聚合反應(yīng)轉(zhuǎn)化率更高。

表2　反應(yīng)溫度對(duì)產(chǎn)物黏度的影響Table 2 The influence of the viscosity of the product by reaction temperature

表3　反應(yīng)時(shí)間對(duì)產(chǎn)物黏度的影響Table 3 The influence of reaction time on the viscosity of product

3　結(jié) 論

通過以上實(shí)驗(yàn)，用季戊四醇作為支化劑合成了陽離子超支化聚丙烯酰胺，并通過不同實(shí)驗(yàn)條件下對(duì)產(chǎn)物增比黏度的測(cè)量，確定了在引發(fā)劑用量為400 mg、反應(yīng)溫度70 ℃和反應(yīng)時(shí)間為5 h的實(shí)驗(yàn)條件下，聚合反應(yīng)轉(zhuǎn)化率較高，對(duì)產(chǎn)物黏度影響最小。

［1］ 徐駿祺，黃通，呂鑫，孫國明，倪云洲，周永豐. 水溶性高抗剪切超支化聚丙烯酰胺的合成和表征［J］. 上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2014（04）：277-282.

［2］ 叢珊. 超支化陽離子聚丙烯酰胺的制備及應(yīng)用研究［D］.廣州：華南理工大學(xué)，2014.

［3］ 吳得南，熊偉，謝立娟. 一種新型陽離子聚丙烯酰胺的合成及表征［J］. 化工科技，2014（04）：25-29.

［4］ 林梅欽，宋錦宏，孫愛軍，李明遠(yuǎn)，吳肇亮. 用不同類型粘度計(jì)測(cè)定交聯(lián)聚合物溶液流變性質(zhì)［J］. 中國石油大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2006（03）：119-122.

［5］ 陶磊，張娜，杜燦敏，張志振. 超高相對(duì)分子質(zhì)量聚丙烯酰胺特性粘數(shù)測(cè)定方法［J］. 石油化工高等學(xué)校學(xué)報(bào)，2009（04）：45-48.

Synthesis of Cationic Hyperbranched Polyacrylamide and Factors Affecting Product Viscosity in the Reaction

ZHANG Hao，F(xiàn)AN Zhen-zhong，LI Ren-jie，ZHAO Hong-wei
（Northeast Petroleum University, Heilongjiang Daqing 163000，China）

Using pentaerythritol as branching agent, adding acrylamide according to certain proportion, and adding cationic monomer methyl acryloyl oxygen ethyl trimethyl ammonium chloride, cationic hyperbranched polyacrylamide was synthesized. The product was analyzed by the infrared spectrum, and rotational viscometer was used to test the polymer specific viscosity. At last, effect of the reaction temperature, reaction time and initiator dosage on the viscosity of product was investigated.

hyperbranched polyacrylamide; cationic; specific viscosity

張昊（1990-），男，滿族，碩士研究生，黑龍江省大慶市人，研究方向：油田化學(xué)。E-mail：568835671@qq.com。

TQ 325

A

1671-0460（2016）05-0927-02

國家自然科學(xué)基金，油溶性樹脂雙重交聯(lián)凝膠型堵劑選擇性機(jī)理研究，項(xiàng)目號(hào)：51374071。

2016-04-12