三元共聚陽(yáng)離子型聚丙烯酰胺乳液合成及性能研究

徐景峰

（常州工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 制藥與環(huán)境工程學(xué)院，江蘇 常州 213164）

目前大量的陽(yáng)離子聚丙烯酰胺（CPAM）仍是固體產(chǎn)品[1]，然而雙水相分散聚合法制備陽(yáng)離子聚丙烯酰胺乳液產(chǎn)品的優(yōu)越性開始得到商家的重視，陸續(xù)出現(xiàn)用該方法合成的絮凝劑[2-3]。相對(duì)于固體產(chǎn)品，乳液產(chǎn)品在造紙、水處理等領(lǐng)域中使用更加便捷，不需要專用的溶解裝置，經(jīng)過(guò)一定的稀釋后可直接使用，應(yīng)用前景廣泛。常用的陽(yáng)離子聚丙烯酰胺乳液一般由丙烯酰胺 （AM）和陽(yáng)離子單體甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨（DMC）或丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨 （DAC）合成。DMC和DAC價(jià)格比較高，多依賴進(jìn)口，存在成本問(wèn)題。本文采用自制的陽(yáng)離子單體，以聚乙二醇（PEG）為分散劑[4]，以氧化還原劑為引發(fā)劑，通過(guò)雙水相分散聚合，提供了一種三元陽(yáng)離子聚丙烯酰胺乳液產(chǎn)品，該產(chǎn)品生產(chǎn)成本降低、乳液穩(wěn)定、絮凝效果好。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

陽(yáng)離子單體w（E-AM）=50%，實(shí)驗(yàn)室自制；二甲基二烯丙基氯化銨w（DMDAAC）=60%，工業(yè)品，宜興凱米拉化學(xué)品有限公司；丙烯酰胺（AM），上海麥克林生物有限公司；聚乙二醇（PEG），分子量20000，江蘇永華精細(xì)化學(xué)品有限公司；β-二甲氨基丙腈、過(guò)硫酸銨、甲醛次亞硫酸鈉，江蘇強(qiáng)盛功能化學(xué)股份有限公司，均為分析純。

美國(guó)PE傅立葉變換紅外光譜儀，SGZ-2數(shù)顯濁度儀。

1.2 制備陽(yáng)離子聚丙烯酰胺乳液

將聚乙二醇（PEG）、丙烯酰胺（AM）、去離子水按比例加入燒杯中攪拌溶解，轉(zhuǎn)入反應(yīng)瓶中，然后分別加入陽(yáng)離子單體（E-AM、DMDAAC），加入β-二甲二胺基丙腈等助劑，通入高純氮?dú)?0 min后，分別加過(guò)硫酸銨氧化劑、甲醛次亞硫酸鈉還原引發(fā)劑，水浴加熱40℃攪拌反應(yīng)3~4 h，得到白色乳液產(chǎn)品。

1.3 表征產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

對(duì)乳液產(chǎn)品進(jìn)行分離后，用美國(guó)PE紅外光譜儀進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征。

1.4 測(cè)定殘留單體

配制聚丙烯酰胺系列溶液，在217 nm波長(zhǎng)處，測(cè)定吸光度，繪制工作曲線。準(zhǔn)確移取適量乳液產(chǎn)品，測(cè)定殘留單體。

1.5 評(píng)價(jià)絮凝效果

用皂土配制0.25%廢水溶液，加入適量陽(yáng)離子聚丙烯酰胺乳液，攪拌靜置沉降30 min后，測(cè)定清液濁度，評(píng)價(jià)絮凝效果。

2 結(jié)果與討論

2.1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)紅外表征

通過(guò)雙水相分散聚合獲得的三元共聚物P（AM/E-AM/DMDAAC）的紅外光譜如圖1所示。

圖1 三元共聚物的紅外譜圖

由圖1可以看出：3450 cm-1是-NH2的伸縮振動(dòng)吸收峰；在3 460～3 420 cm-1有N-H的伸縮振動(dòng)特征峰，在1635 cm-1處的吸收峰為仲酰胺基中的C-O的伸縮振動(dòng)特征峰，證實(shí)有仲酰胺的結(jié)構(gòu)，說(shuō)明有AM存在。2924 cm-1處有-CH3的伸縮振動(dòng)峰，1400 cm-1處有與N+鍵合的雙甲基的特征峰，說(shuō)明產(chǎn)物中有DMDAAC存在。1126 cm-1處有C-O伸縮振動(dòng)特征峰，說(shuō)明產(chǎn)物中有E-AM存在。說(shuō)明了三元聚合物AM/E-AM/DMDAAC的合成。

2.2 正交實(shí)驗(yàn)

雙水相分散聚合制備陽(yáng)離子聚丙烯酰胺乳液產(chǎn)品，主要受分散劑用量、單體種類，單體濃度，引發(fā)劑量影響。引發(fā)劑的用量范圍一般文獻(xiàn)都有報(bào)道，通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)在確定了三元共聚方式基礎(chǔ)上，采用正交實(shí)驗(yàn)方法來(lái)優(yōu)化聚合參數(shù)。實(shí)驗(yàn)因數(shù)、水平及實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1、表2。

其中：A 為 AM 用量（g），B 為 （E-AM）用量（g），C 為 H2O 用量（mL），D 為 PEG 用量 （g）。

表1 正交實(shí)驗(yàn)因素水平

表2 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可以看出，實(shí)驗(yàn)4形成了穩(wěn)定的乳液產(chǎn)品，而其他的實(shí)驗(yàn)，或者形成的乳液產(chǎn)物不穩(wěn)定，易于分層，或者呈現(xiàn)凝膠狀態(tài)。說(shuō)明產(chǎn)品狀態(tài)與單體濃度，分散劑聚乙烯醇濃度恰好達(dá)到合適值范圍內(nèi)，才可形成穩(wěn)定的乳液產(chǎn)品。實(shí)驗(yàn)4，單體濃度為17%，聚乙烯醇濃度為13%。而其他實(shí)驗(yàn)，單體濃度或者小于16%，或者大于16%。與聚乙二醇量都不能形成合適的乳液穩(wěn)定體系，所以，產(chǎn)品為凝膠狀或乳液分層。

通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)獲得的最佳實(shí)驗(yàn)參數(shù)：AM單體20 g，陽(yáng)離子單體E-AM為4 g，DMDAAC為1.8 g，w（單體）=17%，引發(fā)劑 w（過(guò)硫酸銨）=10%、w（甲醛次亞硫酸鈉）=5%各5.0 mL。獲得的聚合物產(chǎn)品呈現(xiàn)均勻乳液狀態(tài)。溶解快速，單體殘留量小于0.9%，在單體殘留量標(biāo)準(zhǔn)為1.0%的一級(jí)品范圍內(nèi)。

2.3 絮凝效果比較

將本方法合成的三元陽(yáng)離子聚合物乳液P（AM/E-AM/DMDAAC） 與 P（AM/DMC/DMDAAC）及一般的二元陽(yáng)離子絮凝劑（CPAM）的絮凝效果進(jìn)行比較，其結(jié)果如表3所示。

表3 不同絮凝劑的絮凝效果

由表3可以看出，本方法合成的陽(yáng)離子聚丙烯酰胺乳液P（AM/E-AM/DMDAAC）對(duì)皂土模擬廢水的絮凝效果較佳，與其他產(chǎn)品相比較，使用更為方便，且絮凝效果也較好。

2.4 產(chǎn)品穩(wěn)定性

雙水相分散聚合，合成乳液產(chǎn)品，控制產(chǎn)品粒徑分布，使其分散液的穩(wěn)定存在是關(guān)鍵問(wèn)題。為此，對(duì)本實(shí)驗(yàn)合成的乳液產(chǎn)品進(jìn)行了穩(wěn)定性觀察，該產(chǎn)品放置半年以上，不出現(xiàn)明顯分層情況，說(shuō)明穩(wěn)定性良好。

3 結(jié)論

（1）在聚乙二醇的分散介質(zhì)中，通過(guò)雙水相分散聚合，以單體丙烯酰胺（AM）為原料，制備了三元共聚陽(yáng)離子型聚丙烯酰胺P（AM/E-AM/DMDAAC）乳液產(chǎn)品。

（2）制備工藝：陽(yáng)離子單體（E-AM）： 4 g（實(shí)驗(yàn)室自制），二甲基二烯丙基氯化銨（DMDAAC）：1.8 g，丙烯酰胺（AM）： 20 g，擴(kuò)鏈劑 β-二甲氨基丙腈：0.006 g，w（單體）為 17%，引發(fā)劑 w（過(guò)硫酸銨）為10%、w（甲醛次亞硫酸鈉）為5%各5.0 mL。制備的乳液產(chǎn)品溶解速度快，黏度低、穩(wěn)定性好，使用方便。單體殘留量小于0.9%。

（3）對(duì)皂土廢水處理評(píng)價(jià)：當(dāng)P（AM/E-AM/DMDAAC）的添加量為 4 mg·L-1時(shí)，具有較好的絮凝效果。