李佳益（天津大學(xué)化工學(xué)院，天津 300072）

改性聚丙烯酸鈉作為一種精細(xì)化工產(chǎn)品，在近年來得到廣泛的研究。改性聚丙烯酸鈉的合成方法可選用溶液法、懸浮法和乳液法。改性聚丙烯酸鈉可用水溶液法、乳液法、沉淀法等改性聚合反應(yīng)的方法來制備。溶液聚合法適宜制備幾千至幾萬之間的聚合物，更大分子量的制備需用乳液法及沉淀法等。影響聚合反應(yīng)的因素很多，如溶液的pH值、引發(fā)劑用量、聚合反應(yīng)溫度、鏈轉(zhuǎn)移劑、單體濃度等都會影響產(chǎn)物的分子量[1-3]。

1 改性聚丙烯酸鈉的合成及表征

1.1 制備工藝

合成改性聚丙烯酸鈉的聚合反應(yīng)為加聚反應(yīng)，反應(yīng)機(jī)理為自由基反應(yīng)機(jī)理。首先，引發(fā)劑分子在熱、光、輻射等的作用下分解為初級自由基，然后初級自由基和單體反應(yīng)，使得鏈增長；由于歧化反應(yīng)、偶合反應(yīng)或者鏈轉(zhuǎn)移反應(yīng)使得鏈終止。丙烯酸類單體性質(zhì)活波，可在熱、輻射及引發(fā)劑的作用下聚合，其合成方法影響產(chǎn)品的性質(zhì)、分子量大小和應(yīng)用功能，所以在實(shí)際應(yīng)用中研究出多種合成方法，如水溶液聚合法、反相乳液聚合法、反相懸浮聚合法等，可合成出粘液態(tài)、膠體、膠版或粉末狀聚合物。常用的引發(fā)劑是過硫酸鹽及其還原劑組成的氧化-還原引發(fā)體系[4]，如K2S2O8、(NH4)2S2O8-NaHSO3、K2S2O8-NaHSO3、K2S2O8-K2S2O3等。本實(shí)驗(yàn)以丙烯酸為主要原料，過硫酸鉀為引發(fā)劑，氫氧化鈉為pH值調(diào)節(jié)劑，異丙醇為轉(zhuǎn)移劑，采用水溶液聚合法合成改性聚丙烯酸鈉，通過單因素設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方法，分析它們對影響聚合反應(yīng)的影響程度。

1.2 試劑和儀器

實(shí)驗(yàn)試劑有：過硫酸鉀、丙烯酸、氫氧化鈉、異丙醇等。

實(shí)驗(yàn)儀器有：調(diào)制式熱分析儀，型號DSC-2910，美國TA儀器公司；四口玻璃燒瓶，250mL，上海玻璃儀器廠；增力電動(dòng)攪拌機(jī)，金壇市丹陽門石石英玻璃廠；電動(dòng)調(diào)速器，金壇市丹陽門石石英玻璃廠；電子天平，F(xiàn)a1004，上海良平儀器儀表有限公司；真空干燥箱，ZK-82A，上海市實(shí)驗(yàn)儀器總廠等。

1.3 操作步驟

實(shí)驗(yàn)的操作步驟如下：第一步是在裝有回流冷凝器、溫度計(jì)、攪拌器和液滴漏斗的250mL四口燒瓶中依次加入一定量的蒸餾水和異丙醇，蒸餾水為去離子水級別，異丙醇為轉(zhuǎn)移劑。第二步是將它們于室溫下在四口燒瓶中攪拌均勻，加熱混合溶液，使之升溫達(dá)到一定溫度。第三步是滴加反應(yīng)物丙烯酸和引發(fā)劑過硫酸鉀的水溶液，3.5h溶液滴加完畢。第四步是將混合物在燒瓶中保溫反應(yīng)3.2h，然后冷卻至30°C-45°C。第五步是將含30%的氫氧化鈉水溶液滴加到混合溶液中，使之中和至pH=7-8。第六步是將反應(yīng)物送入蒸餾裝置，然后加熱蒸發(fā)收集異丙醇以回收利用。第七步是將粘稠狀的改性聚丙烯酸鈉溶液，洗滌后置于60°C左右的真空干燥箱中，干燥至恒重，粉碎包裝。

1.4 改性聚丙烯酸鈉分子量的測定

用烏氏粘度計(jì)(毛細(xì)管內(nèi)徑為0.8mm)在(29-31)°C，以水為溶劑，測定水的流出時(shí)間t0和各種實(shí)驗(yàn)條件下合成的聚合物水溶液的流出時(shí)間t，可由式(1-1)計(jì)算得出改性聚丙烯酸鈉分子量。

C-聚合物的溶液質(zhì)量濃度，g/mL；M-粘均分子量。

2 結(jié)果與討論

制備改性聚丙烯酸鈉的影響因素比較多，主要有參與聚合反應(yīng)的反應(yīng)物濃度、助劑濃度、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間等，下面分別予以闡述。

2.1 反應(yīng)物丙烯酸

本實(shí)驗(yàn)第一步是探索反應(yīng)物丙烯酸濃度的變化對產(chǎn)品分子量的影響。隨著單體丙烯酸濃度的下降，改性聚丙烯酸鈉的分子量顯著減少。如果丙烯酸的濃度在25%以下時(shí)，混合物的聚合速度非常緩慢，而且反應(yīng)不徹底，殘留的丙烯酸溶液很多，并且不容易處理。因此，將丙烯酸濃度控制在30%-35%范圍內(nèi)比較合適。

2.2 反應(yīng)溫度

本實(shí)驗(yàn)第三步是探索合成反應(yīng)溫度的變化對產(chǎn)品分子量的影響，設(shè)計(jì)的反應(yīng)溫度分別為：85°C、80°C、75°C、70°C、65°C。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著聚合反應(yīng)溫度的升高，產(chǎn)品的分子量逐步下降。如果聚合反應(yīng)溫度高于80°C時(shí)，由于丙烯酸在聚合反應(yīng)過程中回流速度比較快，導(dǎo)致反應(yīng)原料損耗較多，因此聚合反應(yīng)的溫度控制在75-80°C的范圍是比較合適的。

2.3 反應(yīng)時(shí)間

本實(shí)驗(yàn)第四步是探索合成反應(yīng)時(shí)間的變化對產(chǎn)品分子量的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

由表1可知，改性聚合丙烯酸鈉的分子量隨著反應(yīng)時(shí)間的延長而增加。反應(yīng)開始時(shí)，丙烯酸濃度比較高，聚合反應(yīng)速度比較快，因此產(chǎn)物的分子量的提高比較迅速。當(dāng)聚合反應(yīng)的時(shí)間增至3.2-3.5h時(shí)，改性聚合丙烯酸鈉的分子量變化緩慢，因此故反應(yīng)時(shí)間應(yīng)控制在3.0-3.5h是比較恰當(dāng)?shù)摹?/p>

表1 反應(yīng)時(shí)間變化對產(chǎn)品分子量的影響

3 改性聚丙烯酸鈉的應(yīng)用

改性聚丙烯酸鈉的應(yīng)用領(lǐng)域比較廣

3.1 水質(zhì)穩(wěn)定劑

改性聚丙烯酸鈉的具有很好的水質(zhì)穩(wěn)定性，它在循環(huán)冷卻水中的應(yīng)用結(jié)構(gòu)表明，抑制管壁污垢的沉積效果顯著。一旦溶液中的鈣離子濃度很大的時(shí)候，碳酸鈣污垢就有可能沉積下來，然而由于改性聚丙烯酸鈉被吸附在溶液中的晶體粒子的表面，阻止了晶體微粒的聚集，導(dǎo)致管壁表面的污垢混合層比較疏松，易于被流動(dòng)的溶液沖刷掉，從而實(shí)現(xiàn)了抑制污垢的目的。

3.2 絮凝劑

改性聚丙烯酸鈉作為絮凝劑已經(jīng)在污水處理領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。一般用法是，即在待處理的污水中加入一定量的改性聚丙烯酸鈉，并充分混合均勻，可以達(dá)到使污水中懸浮的固體粒子(包括磷酸鹽)沉淀下來的效果。

3.3 吸水性樹脂

紙、棉和泡沫塑料等常用的吸水性物質(zhì)，只能吸收其自身重量的10-20倍水分，而用改性聚丙烯酸鈉作為吸水劑，高的吸水量可以達(dá)到400倍以上的效果。由于吸水量巨大，研究者很看好它的應(yīng)用前景，越來越受到社會的關(guān)注。

4 結(jié)語

本文闡述了改性聚丙烯酸鈉的制備工藝，以產(chǎn)物的分子量作為表征指標(biāo)，指出反應(yīng)物丙烯酸濃度、過硫酸鉀濃度、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間4個(gè)因素對產(chǎn)物分子量的影響程度，然后分別指出合適的工藝參數(shù)。改性聚丙烯酸鈉在5個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用，未來需要研究產(chǎn)物的化學(xué)、物理性質(zhì)，優(yōu)化生產(chǎn)工藝的過程，提高產(chǎn)品的質(zhì)量。

[1]許東穎,胡愛珍,陳甲華等.聚丙烯酸鈉的合成研究[J].廣西師范學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2004,21(4):4-6.

[2]王壽武,鄧應(yīng)淼,周雪婷等.聚丙烯酸鈉的合成及性能研究[J].精細(xì)石油化工進(jìn)展,2010,11(5):42-43.

[3]高鳳芹,寧榮昌.合成低分子量聚丙烯酸鈉的新方法[J].華東理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2006,32(2):221-224.

[4]黃良仙,安秋鳳,張西亞等.聚丙烯酸鈉分散劑的制備及應(yīng)用性能研究[J].山西大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2005,28(4):388-391.