非離子聚丙烯酰胺水包水乳液的制備與研究

梁 峰 ，張曉麗 ，楊勝杰 ，路永廣 ，王 軍 ，張 超

(河南省核力科技發(fā)展有限公司，河南 鄭州 450002)

0 前言

根據(jù)離子類(lèi)型不同，聚丙烯酰胺可分為陽(yáng)離子聚丙烯酰胺、陰離子聚丙烯酰胺、兩性聚丙烯酰胺、非離子聚丙烯酰胺這四大類(lèi)，其中非離子聚丙烯酰胺不帶電荷，作用時(shí)不依賴(lài)電荷作用，可以在極高導(dǎo)電性體系或極高陰離子物質(zhì)體系中發(fā)揮高效作用[1-2]。但是，非離子聚丙烯酰胺在水中溶解較慢，阻礙了其市場(chǎng)應(yīng)用。近些年，研究者開(kāi)發(fā)了聚丙烯酰胺乳液體系，具有溶解速度快的特點(diǎn)，可即用即溶，使用方便[3]。這種乳液體系分兩類(lèi)，一類(lèi)是反相乳液體系，體系中含有乳化劑和烴類(lèi)溶劑；另一類(lèi)是用分散聚合方法制備的水包水聚丙烯酰胺乳液，作為一種新型乳液型產(chǎn)品體系，該體系為水性體系，無(wú)毒、無(wú)污染，不產(chǎn)生二次污染。水包水聚丙烯酰胺乳液體系是一種有較好研究?jī)r(jià)值的產(chǎn)品體系，目前文獻(xiàn)中大部分是有關(guān)陽(yáng)離子水包水聚丙烯酰胺乳液的研究，非離子水包水聚丙烯酰胺乳液的研究較少[4-6]。本文以丙烯酰胺為單體制備了中等固含量、低黏度、穩(wěn)定的非離子水包水聚丙烯酰胺乳液。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原料

丙烯酰胺，AM，分析純，鄭州派尼化學(xué)試劑廠；乙醇，分析純，天津市恒興化學(xué)試劑制造有限公司；硫酸銨，分析純，天津市恒興化學(xué)試劑制造有限公司；聚乙二醇，PEG-20000，化學(xué)純，鄭州派尼化學(xué)試劑廠；過(guò)硫酸銨，APS，分析純，天津市恒興化學(xué)試劑制造有限公司；亞硫酸氫鈉，TEA，分析純，天津市恒興化學(xué)試劑制造有限公司；本實(shí)驗(yàn)全部使用去離子水。

1.2 水包水乳液的制備

將不同質(zhì)量的單體、分散劑、穩(wěn)定劑和去離子水添加到裝有攪拌器、冷凝管、氮?dú)饪诘?50 mL四口瓶中，溶解。充氮?dú)?0 min后，水浴溫度控制在30 ℃。在攪拌條件下加入過(guò)硫酸銨和亞硫酸氫鈉混合溶液引發(fā)劑引發(fā)聚合，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下繼續(xù)攪拌6 h。在控制轉(zhuǎn)化率、特性黏數(shù)和產(chǎn)品穩(wěn)定性上，聚合時(shí)間是一個(gè)關(guān)鍵因素。如果聚合時(shí)間太短，轉(zhuǎn)化率太低而且產(chǎn)品穩(wěn)定性不好，不利于長(zhǎng)期保存。在實(shí)驗(yàn)中，聚合時(shí)間足夠長(zhǎng)以至于產(chǎn)品達(dá)到了熱力學(xué)平衡。在這樣的條件下，基本上沒(méi)有單體存在。

1.3 測(cè)試方法

特性黏數(shù)測(cè)定：30 ℃時(shí)用非稀釋型烏式黏度計(jì)，按GB12005.1—89進(jìn)行。表觀黏度：25 ℃時(shí)用NDJ-52型旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)。

產(chǎn)品紅外分析：取洗滌干燥后的產(chǎn)品固體粉末進(jìn)行溴化鉀壓片，澳洲Lambda公司FTIR-7600傅里葉紅外光譜儀測(cè)定。

2 結(jié)果和討論

2.1 分散劑類(lèi)型對(duì)產(chǎn)品體系的影響

在單體含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，以下含量均為質(zhì)量分?jǐn)?shù))20%，聚乙二醇作為穩(wěn)定劑(穩(wěn)定劑含量在1.5%)，采用過(guò)硫酸銨和亞硫酸氫鈉作為引發(fā)劑(含量0.1%的情況下)，引發(fā)溫度35 ℃，反應(yīng)時(shí)間6 h時(shí)，分別考察了乙醇、硫酸銨、聚乙二醇為分散劑時(shí)，對(duì)產(chǎn)品性能的影響。

2.1.1乙醇作分散劑時(shí)對(duì)產(chǎn)品性能的影響

分別考察了醇水比(體積比)為3∶7、4∶6、5∶5、6∶4、7∶3時(shí)，產(chǎn)品的性能。當(dāng)醇水比例為3∶7、4∶6時(shí)兩次實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品類(lèi)似于水溶液聚合產(chǎn)品，體系黏稠如膠狀；醇水比例為6∶4、7∶3時(shí)體系產(chǎn)品為乳液，但體系內(nèi)含有大的顆粒，很快分層。醇水比為5∶5時(shí)得到體系均勻的乳液產(chǎn)品，但是次日分層，而且產(chǎn)品的特性黏數(shù)較低，說(shuō)明乙醇不適合作該體系的分散劑。

2.1.2硫酸銨作分散劑時(shí)對(duì)產(chǎn)品性能的影響

分別考察了硫酸銨含量為15.6%、17.6%、23%時(shí)，產(chǎn)品的性能。當(dāng)硫酸銨含量為15.6%時(shí)，所制備產(chǎn)品均為淡白色膠狀產(chǎn)品，說(shuō)明分相劑硫酸銨的用量不夠，鹽析效應(yīng)不明顯，沒(méi)有制備出水包水乳液產(chǎn)品；當(dāng)硫酸銨含量為17.6%、23%時(shí)，所制備產(chǎn)品均為白色糊狀產(chǎn)品，體系不均勻，次日分層，說(shuō)明硫酸銨也不適合作該體系的分散劑。

2.1.3聚乙二醇作分散劑時(shí)對(duì)產(chǎn)品性能的影響

分別考察了聚乙二醇含量為12%、16%、20%時(shí)，產(chǎn)品的性能。見(jiàn)表1。

表1 聚乙二醇作分散劑時(shí)對(duì)產(chǎn)品性能的影響

從表1可以看出，用聚乙二醇作分散劑時(shí)，12%、16%、20%條件下均得到了乳白色均一流體。隨著聚乙二醇用量的增加，產(chǎn)品的特性黏數(shù)先增加后減少，產(chǎn)品的表觀黏度則一直增加。說(shuō)明聚乙二醇適合作非離子水包水聚丙烯酰胺乳液的分散劑。水包水乳液產(chǎn)品應(yīng)具有特性黏數(shù)高、表觀黏度低的特點(diǎn)，才能充分發(fā)揮使用方便，效果好的優(yōu)勢(shì)。因此，確定聚乙二醇不僅作為該體系的穩(wěn)定劑，也作該體系的分散劑，并確定其總用量為16%。

2.2 引發(fā)劑濃度對(duì)產(chǎn)品性能的影響

當(dāng)聚乙二醇用量為16%時(shí)，單體含量20%的情況下，引發(fā)溫度35 ℃，反應(yīng)時(shí)間6 h時(shí)，分別考察了引發(fā)劑用量0.1%、0.2%、0.3%時(shí)，對(duì)產(chǎn)品性能的影響，見(jiàn)表2。

表2 引發(fā)劑濃度對(duì)產(chǎn)品性能影響

從表2中可以看出，隨著引發(fā)劑用量的增加，產(chǎn)品的特性黏數(shù)先增加后減小。用量為0.2%時(shí)，特性黏數(shù)最高。體系中聚合反應(yīng)是按自由基機(jī)理聚合。引發(fā)劑濃度過(guò)低，引發(fā)效率降低，聚合時(shí)間延長(zhǎng)；引發(fā)劑濃度增加，引發(fā)效率增加，聚合時(shí)間合適，可以得到適中的表觀黏度和較高的聚合物特性黏數(shù)；引發(fā)劑濃度過(guò)高，體系中自由基濃度增加，聚合速率增加，聚合物特性黏數(shù)降低，選取合適的引發(fā)劑用量極其重要，本實(shí)驗(yàn)確定引發(fā)劑的用量為0.2%。

2.3 單體含量對(duì)產(chǎn)品性能的影響

當(dāng)聚乙二醇用量為16%時(shí)，采用氧化還原引發(fā)劑，用量0.2%的情況下，引發(fā)溫度35 ℃，反應(yīng)時(shí)間6 h時(shí)，分別考察了單體總量在15%、20%、25%時(shí)，對(duì)產(chǎn)品性能的影響見(jiàn)表3。

表3 單體含量對(duì)產(chǎn)品性能影響

從表3中可以看出，隨著單體含量的增加，產(chǎn)品的特性黏數(shù)先增加后減小。隨著單體含量的增加，自由基和單體碰撞幾率增加，聚合反應(yīng)速率明顯提高，但是也不能一味增加，單體濃度增加到一定程度時(shí)，體系中過(guò)多的單體自由基，反而會(huì)影響聚合度，而降低了產(chǎn)品的特性黏數(shù)。該實(shí)驗(yàn)中，隨著單體含量的增加，特性黏數(shù)先增加后減少，單體含量為20%時(shí)，特性黏數(shù)最高。

2.4 非離子水包水聚丙烯酰胺乳液的紅外光譜分析

選取表3中的產(chǎn)品，經(jīng)丙酮提純處理后進(jìn)行紅外光譜測(cè)定，結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 非離子聚丙烯酰胺紅外光譜圖

3 結(jié)論

以丙烯酰胺為聚合單體，聚乙二醇為穩(wěn)定劑，制備了非離子型水包水PAM乳液。分別考察了分散劑類(lèi)型和用量、引發(fā)劑用量、單體含量等對(duì)產(chǎn)品性能的影響。結(jié)果表明：用乙醇和硫酸銨做分相劑時(shí)，均不能得到黏度適中的乳液產(chǎn)品，以聚乙二醇為分相劑時(shí)，制備了黏度256 mPa·s、特性黏數(shù)142 mL/g的水包水聚丙烯酰胺乳液。