疏水改性聚丙烯酰胺的合成方法

摘要

本发明涉及一种疏水改性聚丙酰胺的合成方法，属于高分子材料合成领域。本发明提供一种疏水改性聚丙烯酰胺的合成方法，先将反应单体与水搅拌混匀得混合液，调整混合液的pH值至5.0～7.0，然后加入分散剂搅拌形成乳液，加入分散剂时开始升温，升温至50～70℃加入引发剂，开始聚合反应，直至反应体系黏度不变聚合反应结束；其中，分散剂的加入量为单体总质量的5％～10％；引发剂的加入量为单体总质量的0.1％～0.5％；反应过程中控制单体固含量在4～20％。本发明提供的疏水改性聚丙烯酰胺的合成方法，在不降低产品效果的情况下，使合成过程中体系黏度降低，有利于实现工业化生产。

说明书

技术领域

本发明涉及一种疏水改性聚丙烯胺的合成方法，属于高分子材料合成领域。

背景技术

PAM(聚丙烯酰胺)是AM(丙烯酰胺)均聚或与其他单体共聚而成的质量分数在50％以上的线型水溶性高分子化学品的总称。PAM按其基本聚合单元可分为非离子型聚丙烯酰胺、阴离子型聚丙烯酰胺、阳离子型聚丙烯酰胺和两性型聚丙烯酰胺。在实际应用中，PAM可作为助滤剂、增强剂、分散剂及絮凝剂等。

徐杰、费德君等人在《非离子助剂在湿法磷酸中的应用研究》一文中公开了一种同时具有助滤和疏水功能的聚丙烯酰胺共聚物，并对其合成条件进行了详细研究：即以OP-10(辛基酚聚氧乙烯醚)、AA(丙烯酸)为原料，在一定反应条件下经过酯化反应合成了一种反应型可聚合乳化剂AOP-10(辛基酚聚氧乙烯醚丙烯酸酯)，然后再以AOP-10、AM为聚合单体，进行水溶液聚合得到了疏水改性的聚丙烯酰胺共聚物。但是该合成方法存在以下缺陷：1)反应条件苛刻，易凝胶。对引发剂加入方式要求非常苛刻，操作的容错率低，一旦操作不当，聚合物乳液在局部丧失胶体稳定性，极易发生凝胶现象，形成发软、发黏的块状聚合物，造成严重爬杆和挂胶现象，致使生产失败；粘釜挂胶之后需要彻底清洗反应釜，大大延长了非生产时间，降低了生产效率；并且对溶剂水、保护气要求较高，是难以实现工业化的关键点；2)热效应明显，难以控制体系温度。采用水溶液聚合，聚合反应发生后体系黏度急剧增大，严重影响了传热、搅拌等操作，降低设备的使用率，还可能使反应无法进行；3)起泡严重，造成溶液气液两相分离。在滴加引发剂后，引发剂附着在泡沫的表面难以同时均匀混合，导致反应难以连续、稳定进行；4)聚合反应重现性差。合成条件要求苛刻，工业化生产时助剂质量良莠不齐，工艺参数控制难以把握，成品率低；并且上述方法仍处于实验室阶段，于技术上还存在种种问题而难以实现工业化生产。

况且所得聚丙烯酰胺粉末状产品，使用中存在溶解时费力，溶解设备庞大，作业环境恶劣等情况，所得PAM类乳液产品稳定性欠佳，难以满足用户需求。

发明人发现，如果添加分散剂将反应体系调整为乳液分散体系，借助水相来降低体系黏度，将会对新型非离子助剂的工业化生产非常有利。在乳液分散体系中，聚合反应发生在分散于水相内的乳胶粒表面，尽管在胶粒表面黏度较高，但由于连续相是水，使得整个体系的黏度并不高，并且在反应过程中体系的黏度变化也比较平稳。在这样的体系中，由内向外传热就很容易，不会出现局部过热，更不会暴聚。同时，像这样的低黏度体系容易搅拌，便于管道输送，容易实现连续化操作。因此，发明人从乳液分散体系出发，经过整理分析，针对上述缺陷重新设计了一种新型的聚合反应方式。

发明内容

针对上述缺陷，本发明提供一种新的聚丙烯酰胺类乳液产品的合成方法，在不降低产品效果的情况下，适当调整了体系黏度，使反应热及时散去，从而降低了对设备的要求，有利于实现工业化生产。

本发明的技术方案：

本发明提供一种新的疏水改性聚丙烯酰胺的合成方法，即先将单体与水搅拌混匀，用碱液调节溶液体系的pH值至5.0～7.0，然后加入分散剂搅拌形成乳液，加入分散剂时开始升温，升温至50～70℃加入引发剂，引发聚合反应；直至反应体系黏度不变时，聚合反应结束；其中，分散剂的加入量为单体总质量的5％～10％；引发剂的加入量为单体总质量的0.1％～0.5％；反应过程中控制单体固含量在4～20％；

所述单体包括主单体和其他共聚单体，所述主单体为丙烯酰胺，所述其他共聚单体为AOP-10(辛基酚聚氧乙烯醚丙烯酸酯)、ANP-10(壬基酚聚氧乙烯醚丙烯酸酯)、DMDAAC(2-甲基-2-烯丙基氯化铵)或AMPS(2-甲基-2-丙烯酰胺丙磺酸)中的至少一种；所述分散剂选自甲苯、苯或二甲苯。

优选的，所述单体为丙烯酰胺、2-甲基-2-丙烯酰胺丙磺酸和壬基酚聚氧乙烯醚丙烯酸酯中；或反应单体为丙烯酰胺、2-甲基-2-烯丙基氯化铵和辛基酚聚氧乙烯醚丙烯酸酯；或反应单体为丙烯酰胺和辛基酚聚氧乙烯醚丙烯酸酯。

优选的，反应过程中，单体固含量控制在5～15％，优选为5～10％；更优选为10％。

优选的，引发剂加入量为单体质量的0.1～0.3％；更优选的，引发剂加入量为反应单体质量的0.3％。

优选的，所述分散剂为甲苯。

所述引发剂为氧化-还原引发剂体系，其中氧化体系为过硫酸钾、过硫酸铵或过硫酸钠；还原体系为硫代硫酸钠或亚硫酸氢钠。

优选的，所述引发剂为过硫酸钾-五水硫代硫酸钠体系，其中，过硫酸钾与五水硫代硫酸钠的质量比为：1～2︰1；优选为1.05～1.3︰1。

本发明上述疏水改性聚丙烯酰胺的合成方法包括如下步骤：

1)将丙烯酰胺与水搅拌溶解后，与其他共聚单体混合加入到聚合反应釜中；

2)搅拌使丙烯酰胺和其他共聚单体充分溶解，溶解吸热导致溶液温度下降，待体系温度上升到室温后，采用碱液调节体系的pH至5.0～7.0；

3)从聚合反应釜底部通N₂驱氧，搅拌溶液，搅拌速率控制在100～120rpm；

4)向反应釜中加入分散剂，并开始由室温升温至50～70℃，升温速率控制1～1.5℃/min，此过程中控制搅拌转速在150～200rpm，形成乳液；

5)然后向聚合反应釜中加入引发剂溶液，于50～70℃下进行聚合反应，每隔10～30min取样测定反应体系的黏度，待黏度不再变化时认为聚合反应结束。

步骤1中所述碱液为氢氧化钠(NaOH)、氢氧化钾(KOH)或氢氧化钡(Ba(OH)₂)的稀溶液(稀溶液浓度为5-10wt％)。

本发明的有益效果：

本发明采取新型聚合工艺，可制备黏度适当，稳定性好的速溶型疏水改性聚丙烯酰胺乳液产品，极大地促进了PAM类新型助剂的工业化生产。PAM类新型助剂不仅可以应用于磷酸生产过程，还可以应用于水处理、造纸、采矿等诸多工业，具有良好的经济和社会效益。

具体实施方式

本发明提供一种疏水改性聚丙烯酰胺的合成方法，即先将单体与水搅拌混匀，用碱液调节溶液体系的pH值至5.0～7.0，然后加入分散剂搅拌形成乳液，加入分散剂时开始升温，升温至50～70℃加入引发剂，引发聚合反应；在反应过程中，测定体系的黏度变化，当反应体系黏度基本不变时，可认为聚合反应结束；其中，分散剂的加入量为单体总质量的5％～10％；引发剂的加入量为单体总质量的0.1％～0.5％；反应过程中控制单体固含量在4～20％，所述单体固含量为单体总质量占体系中单体与溶液质量和的比例；

所述单体包括主单体和其他共聚单体，所述主单体为丙烯酰胺，所述其他共聚单体为AOP-10(辛基酚聚氧乙烯醚丙烯酸酯)、ANP-10(壬基酚聚氧乙烯醚丙烯酸酯)、DMDAAC(2-甲基-2-烯丙基氯化铵)或AMPS(2-甲基-2-丙烯酰胺丙磺酸)中的至少一种；所述分散剂选自甲苯、苯或二甲苯。

本发明中，所述单体固含量为单体总质量占体系中单体与溶液质量和的比例，即单体固含量＝单体总质量/(单体总质量+溶解单体所用水的质量+碱液质量+配置引发剂溶液添加的水的质量)。

所述引发剂为氧化-还原引发剂体系，其中氧化体系为过硫酸钾、过硫酸铵或过硫酸钠；还原体系为硫代硫酸钠或亚硫酸氢钠。

下面以丙烯酰胺(AM)与辛基酚聚氧乙烯醚丙烯酸酯(AOP-10)为例来说明本发明聚丙烯酰胺的合成方法(聚合方式为乳液聚合)，将现有技术的由水溶液聚合的聚合方式改为一种特殊的乳液聚合；具体办法为：进行聚合反应时，在调整溶液pH之后加入分散剂甲苯，使AOP-10溶于甲苯中，并剧烈搅拌形成乳浊液，之后再进行聚合反应。

具体反应为：AM与AOP-10以一定的单体比例进行共聚反应，即以PAM为主链，AOP-10作为嵌段链进行疏水改性。AOP-10为一种两亲型反应乳化剂，利用AOP-10的这一特性，先将AM、AOP-10溶解于水中，然后在体系中加入分散剂甲苯，经过搅拌分散，AOP-10的亲油链段(长链烷基和芳基)伸向甲苯液滴，而亲水链段(聚乙氧基)伸向水相，由于甲苯用量少，AOP-10将甲苯液滴进行包裹并均匀分散于体系中。而C＝C双键位于亲水链端，暴露在水相中，增加了与水相中AM双键自由基的碰撞机率。因此，由于甲苯的分散作用使聚合体系更加均匀，减少了反应过程中的团聚和交联现象。本发明中体系的黏度较为适中，其在聚合机理和操作上都明显区别于现有技术的溶液聚合过程。

详细步骤如下：

1)将定量的AM用定量H₂O搅拌溶解后，与AOP-10混合加入到聚合反应釜中；

2)搅拌使AOP-10与AM充分溶解，溶解吸热导致溶液温度下降，待体系温度上升到室温后，用NaOH稀溶液调节体系的PH至5.0～7.0，记录加入NaOH溶液的质量，调整完毕后补加H₂O，使单体固含量(单体固含量＝单体总质量/(单体总质量+反应体系中加入水的总质量))为4％～20％；控制单体的固含量主要是将聚合物的粘度控制在一定范围内，固含量高则反应极易发生暴聚，导致反应无法进行；固含量低则会降低聚合物聚合度，得到的产物助滤效果将大打折扣；

3)从聚合反应釜底部通N₂驱氧，缓慢搅拌溶液，搅拌速率控制在100～120rpm；

4)向反应釜中加入定量甲苯，并开始由室温缓慢升温到指定温度，升温速率控制1～1.5℃/min，在此过程中控制搅拌转速在150～200rpm，形成乳液；

5)取一定量的硫代硫酸钠和过硫酸钠配制引发剂溶液，待聚合釜升温至50～70℃，开始加入引发剂溶液；

6)待引发剂溶液加入完毕，每隔10～30min取样测定体系的黏度变化，待黏度变化不大时可认为聚合反应结束。

下面结合实施例对本发明的具体实施方式做进一步的描述，并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

实施例1非离子聚丙烯酰胺的合成

将550g丙烯酰胺(AM)和97g辛基酚聚氧乙烯醚丙烯酸酯(AOP-10)用4.5kg蒸馏水搅拌溶解后，加入到20L聚合反应釜中。搅拌使AOP-10与AM充分溶解，待体系温度上升到室温后，用氢氧化钠(NaOH)稀溶液调节体系的pH至5.5。从聚合反应釜底部通入N₂驱氧45min，以100rpm缓慢搅拌溶液。向反应釜中加入64.7g甲苯，并开始由室温缓慢升温到60℃，在此过程中调整搅拌转速为200rpm。取1.224g过硫酸钾和1.124g五水硫代硫酸钠，溶解于1.3kg蒸馏水中，配制成引发剂溶液。待聚合釜升温完毕，开始加入引发剂溶液，每隔10～30min取样测定体系的黏度变化，待黏度不再变化可认为聚合反应结束。整个反应过程中单体固含量约10％。

实施例2阴离子聚丙烯酰胺的合成

称取1g2-甲基-2-丙烯酰胺丙磺酸(AMPS)溶于150ml蒸馏水中，再加入14gAM和5g壬基酚聚氧乙烯醚丙烯酸酯(ANP-10)，用浓度为10％的NaOH溶液调节体系的pH值到5.5，记录NaOH溶液体积进而得到其质量，取0.038g过硫酸钾和0.034g五水硫代硫酸钠溶于水中配置好引发剂溶液备用，NaOH溶液和引发剂溶液总质量为30g；再加入2g甲苯，安装好实验仪器，通入氮气驱氧30min后升温至70℃，在氮氛下分批滴加引发剂溶液，反应4～5小时，至体系黏度变化不大时停止反应。整个反应过程中单体固含量10％。

实施例3阳离子聚丙烯酰胺的合成

将150ml蒸馏水及14g丙烯酰胺(AM)加入500ml三口烧瓶，缓慢搅拌使之溶解，然后向烧瓶中加入1g2-甲基-2-烯丙基氯化铵(DMDAAC)及5g辛基酚聚氧乙烯醚丙烯酸酯(AOP-10)。调节体系pH至5.5，向烧瓶中补加蒸馏水至溶液总质量为370g，加入1g甲苯，将三口烧瓶置于恒温水浴中，通氮30min后缓慢升温至60℃。取0.038g过硫酸钾和0.034g五水硫代硫酸钠溶于30g的水配置好引发剂溶液，并在氮氛下滴加(反应过程中反应单体固含量约5％)，反应4～5h后待体系黏度稳定，可得到阳离子聚丙烯酰胺聚合物。

对比例1

将17g丙烯酰胺(AM)用150g蒸馏水搅拌溶解后，与加入7.28g辛基酚聚氧乙烯醚丙烯酸酯(AOP-10)混合均匀后加入到聚合反应釜中。待体系温度上升到室温后，用NaOH稀溶液调节体系的pH至5.5，记录加入NaOH溶液的质量，调整完毕后补加蒸馏水，使单体固含量为20％。从聚合反应釜底部通N₂驱氧45min，以100rpm缓慢搅拌溶液。开始由室温缓慢升温到60℃，在此过程中调整搅拌转速为200rpm。取0.0456g过硫酸钾和0.042g五水硫代硫酸钠，溶解于50g蒸馏水中，配制引发剂溶液。待聚合釜升温完毕，开始加入引发剂溶液，每隔10～30min取样测定体系的黏度变化，待黏度不再变化可认为聚合反应结束。取样分析，测试其助滤效果。

与本发明实施例1在操作上主要不同为在聚合前期加入分散剂甲苯，形成乳浊液。

性能测试

①黏度测量：

使用NDJ-5S型数字式粘度计，在30℃下，选取4号转子，转速6.0rpm下，测得实施例1所得聚丙烯酰胺的动力粘度为80～100pa·s。而采取对比例1溶液聚合方式所得聚丙烯酰胺的动力黏度在100pa·s(超过量程)以上。

②过滤效果测试：

将由四川宏达磷酸厂提供的150g湿的磷石膏和50g湿法磷酸置于500ml三口烧瓶中，在75℃，150rpm下搅拌10min；再分别加入2g质量浓度为0.1％的实施例1得到的PAMA(聚丙烯酰胺—丙烯酸辛基酚聚氧乙烯醚酯)溶液或者对比例1得到PAMA所溶的溶液，搅拌10min；然后在真空度为0.05MPa下进行恒温减压抽滤，记录滤液到达一定体积时的时间；具体结果如表1所示。

表1对比例1与实施例1产品测试结果比较

经测算得实施例1制得的PAMA过滤速度约为0.99L·m^-2·s^-1，对比例1制得的PAMA的过滤速度为0.98L·m^-2·s^-1，空白组为0.33L·m^-2·s^-1。所以，综合来说，实施例1产品的过滤速度略高于对比例1的产品。

另外，本发明方法在操作方面与对比例1所用方法操作方面的比较如表2所示，由表2可知，本发明带来的有益效果主要体现在以下几个方面：

1、本发明的方法使体系黏度降低很多，有轻微爬杆现象，对搅拌器要求降低很多；

2、本发明的方法没有明显的热效应，聚合反应所产生的热量能快速通过搅拌系统和换热系统传递至体系外，防止了飞温并降低了暴聚的可能性；

3、本发明的方法几乎没有起泡现象，引发剂能均匀的分散至体系溶液中，使聚合反应均匀稳定的发生；

4、本发明的方法对引发剂添加方式的要求变低，使得反应更容易控制；可以在短时间内加入引发剂，使工序操作变得简单；

5、本发明的方法工业化可行性高。

表2对比例1与本发明方法操作比较

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案的保护范围。