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)離子類型不同，聚丙烯酰胺可分為陽離子聚丙烯酰胺、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，其中非離子聚丙烯酰胺不帶電荷，作用時不依賴電荷作用，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，阻礙了其市場應(yīng)用。近些年，研究者開發(fā)了聚丙烯酰胺乳液體系，具有溶解速度快的特點，可即用即溶，使用方便[3]。這種乳液體系分兩類，一類是反相乳液體系，體系中含有乳化劑和烴類溶劑；另一類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，無毒、無污染，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價值的產(chǎn)品體系，目前文獻中大部分是有關(guān)陽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 實驗

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；本實驗全部使用去離子水。

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、氮氣口的250 mL四口瓶中，溶解。充氮氣30 min后，水浴溫度控制在30 ℃。在攪拌條件下加入過硫酸銨和亞硫酸氫鈉混合溶液引發(fā)劑引發(fā)聚合，在氮氣保護下繼續(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，聚合時間是一個關(guān)鍵因素。如果聚合時間太短，轉(zhuǎn)化率太低而且產(chǎn)品穩(wěn)定性不好，不利于長期保存。在實驗中，聚合時間足夠長以至于產(chǎn)品達到了熱力學(xué)平衡。在這樣的條件下，基本上沒有單體存在。

1.3 測試方法

特性黏數(shù)測定：30 ℃時用非稀釋型烏式黏度計，按GB12005.1—89進行。表觀黏度：25 ℃時用NDJ-52型旋轉(zhuǎn)黏度計。

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

2 結(jié)果和討論

2.1 分散劑類型對產(chǎn)品體系的影響

在單體含量(質(zhì)量分數(shù)，以下含量均為質(zhì)量分數(shù))20%，聚乙二醇作為穩(wěn)定劑(穩(wěn)定劑含量在1.5%)，采用過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)時間6 h時，分別考察了乙醇、硫酸銨、聚乙二醇為分散劑時，對產(chǎn)品性能的影響。

2.1.1乙醇作分散劑時對產(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，產(chǎn)品的性能。當醇水比例為3∶7、4∶6時兩次實驗產(chǎn)品類似于水溶液聚合產(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硫酸銨作分散劑時對產(chǎn)品性能的影響

分別考察了硫酸銨含量為15.6%、17.6%、23%時，產(chǎn)品的性能。當硫酸銨含量為15.6%時，所制備產(chǎn)品均為淡白色膠狀產(chǎn)品，說明分相劑硫酸銨的用量不夠，鹽析效應(yīng)不明顯，沒有制備出水包水乳液產(chǎn)品；當硫酸銨含量為17.6%、23%時，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對產(chǎn)品性能的影響

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

表1 聚乙二醇作分散劑時對產(chǎn)品性能的影響

從表1可以看出，用聚乙二醇作分散劑時，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，才能充分發(fā)揮使用方便，效果好的優(yōu)勢。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)劑濃度對產(chǎn)品性能的影響

當聚乙二醇用量為16%時，單體含量20%的情況下，引發(fā)溫度35 ℃，反應(yīng)時間6 h時，分別考察了引發(fā)劑用量0.1%、0.2%、0.3%時，對產(chǎn)品性能的影響，見表2。

表2 引發(fā)劑濃度對產(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，特性黏數(shù)最高。體系中聚合反應(yīng)是按自由基機理聚合。引發(fā)劑濃度過低，引發(fā)效率降低，聚合時間延長；引發(fā)劑濃度增加，引發(fā)效率增加，聚合時間合適，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，本實驗確定引發(fā)劑的用量為0.2%。

2.3 單體含量對產(chǎn)品性能的影響

當聚乙二醇用量為16%時，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)時間6 h時，分別考察了單體總量在15%、20%、25%時，對產(chǎn)品性能的影響見表3。

表3 單體含量對產(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，體系中過多的單體自由基，反而會影響聚合度，而降低了產(chǎn)品的特性黏數(shù)。該實驗中，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，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)丙酮提純處理后進行紅外光譜測定，結(jié)果見圖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型和用量、引發(fā)劑用量、單體含量等對產(chǎn)品性能的影響。結(jié)果表明：用乙醇和硫酸銨做分相劑時，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，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。