整理阴离子聚丙烯酰胺的制备.docx
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整理阴离子聚丙烯酰胺的制备
毕业设计（论文）
阴离子聚丙烯酰胺的制备
系别：
应用化学与环境工程系
专业（班级）：
应用化学09级1班
作者（学号）：
赵宜磊（50905021040）
指导教师：
曾小剑（讲师）
完成日期：
2013年1月15日
蚌埠学院教务处制
中文摘要..........................................................3
英文摘要..........................................................4
第1章绪论........................................................5
1.1阴离子聚丙烯酰胺的描述.....................................5
1.2阴离子聚丙烯酰胺的作用原理.................................5
1.2.1絮凝作用原理...........................................5
1.2.2吸附架桥原理...........................................5
1.3阴离子聚丙烯酰胺的用途.....................................6
1.3.1水处理领域.............................................6
1.3.2石油采油领域...........................................6
1.3.3造纸领域...............................................6
1.3.4纺织领域...............................................6
1.3.5其他领域...............................................7
1.4阴离子聚丙烯酰胺的发展现状.................................7
1.4.1发展现状...............................................7
第2章阴离子聚丙烯酰胺的制备方法.................................8
2.1水溶液聚合.................................................8
2.2反相乳液聚合...............................................8
2.3沉淀聚合法.................................................8
2.4反相悬浮聚合法.............................................9
第3章实验部分...................................................11
3.1实验药品设备...............................................11
3.1.1实验试剂...............................................11
3.1.2实验设备...............................................11
3.2实验步骤...................................................11
3.3结果与讨论.................................................11
3.3.1单体配比对HPAM分子量的影响............................11
3.3.2PH值对HPAM分子量的影响...............................12
3.3.3HLB值对HPAM分子量的影响..............................12
3.3.4反应温度对HPAM分子量的影响............................13
第4章结论.......................................................14
致谢..............................................................15
参考文献..........................................................16
阴离子聚丙烯酰胺的制备
摘要：
采用反相乳液聚合方法，以Tween-60和Span-80复配作乳化剂，丙烯酰胺（AM）和丙烯酸（AA）为单体共聚制得阴离子聚丙烯酰胺（HPAM）。
主要研究了反应温度、HLB值、单体配比等因素对HPAM分子量的影响。
实验结果表明：
反应温度、HLB值、单体配比等因素直接影响到HPAM的分子量高低。
粘度用乌氏粘度计测得。
关键词：
反相乳液聚合，聚丙烯酰胺，丙烯酸，影响因素
PreparationofAnionicPolyacrylamide
Abstract:
ByinverseemulsionpolymerizationtoTween-60andSpan-80asemulsifiercompound,acrylamide（AM）andacrylicacid（AA）obtainedbycopolymerizingthemonomersanionicpolyacrylamide（HPAM）.Mainlystudiedthereactiontemperature,HLBvalue,monomerratioandotherfactorsonthemolecularweightofHPAM.Experimentalresultsshowthat:
thereactiontemperature,HLBvalue,ratioofmonomersandotherfactorsdirectlyaffectthelowmolecularweightofHPAM.ViscositymeasuredusinganUbbelohdeviscometer.
Keywords:
inverseemulsionpolymerization，polyacrylamide，acrylicacid，influencingfactors
1绪论
1.1阴离子聚丙烯酰胺的描述
聚丙烯酰胺分为三种：
一是阳离子聚丙烯酰胺；二是阴离子聚丙烯酰胺;三是两性聚丙烯酰胺。
其中阴离子聚丙烯酰胺的英文缩写是HPAM。
它有以下几个特征：
本实验采用的是反相乳液聚合法，制备出的产品为白色乳液状，放置一定时间内不分层，干燥后为白色粉颗粒状，HPAM的分子量范围比较宽，最低可以到600万，最高可以到2500万。
HPAM能够以任意的比例溶于水中，但是HPAM和有机溶剂不相容。
阴离子聚丙烯酰胺的PH值范围是7至14。
1.2阴离子聚丙烯酰胺的作用原理
1.2.1絮凝作用原理
阴离子聚丙烯酰胺HPAM可以作为絮凝剂使用，主要是和被絮凝物的表面发生作用。
因此，用HPAM作为絮凝剂时，应充分考虑被絮凝物的表面的性质。
例如动电位、粘度、悬浮液的PH值等因素[1]。
其中动电位因素对整个絮凝效果影响最大。
所以在被絮凝物的表面动电位为正时，使用HPAM作为絮凝剂可以获得很好地絮凝效果，它通过降低被絮凝物的动电位从而使被絮凝物凝聚沉降。
1.2.2吸附架桥原理
由于相同分子的表面性质一样，根据同性相斥、异性相吸原理，分子之间很难聚集到一起，因此可以选择表面性质相反的物质通过分子间的相互吸附来达到絮凝沉降的目的。
HPAM就具有吸附架桥的作用[2]。
利用HPAM分子吸附不同的颗粒分子，使其聚集，从而可以达到沉降的效果。
1.3阴离子聚丙烯酰胺的用途
1.3.1水处理领域
在我国，HPAM在水处理领域应用是它的第二大用途[3]。
HPAM在水处理工业中,主要用在三个方面：
污水处理、原水处理和工业废水处理。
在污水处理中，HPAM主要是用来给污泥脱水。
在原水的处理中，主要是利用HPAM的吸附架桥原理，通过连接不同的悬浮颗粒使其聚集沉降，净水能力要比其他絮凝剂高很多。
在工业废水处理中，HPAM不是作为主要试剂，作为配方药剂，特别试用于PH值为中性或者碱性的废水。
1.3.2石油采油领域
由于我国的地质条件比较特殊，国内很多大型油田都采用了聚合物驱油技术[4]。
其中主要使用的聚合物就是HPAM，它在提高采油率等方面有很好的效果，因此被广泛使用在强化采油、钻井、固井、完井等采油作业中。
对于我国现在已经进入中后期的油田开采来说，通过使用HPAM可以大大提高采油量。
1.3.3造纸领域
HPAM在造纸领域中主要是作为均度剂、助滤剂、驻留剂等[5]。
它在造纸工艺中所起的作用主要有四种：
一是它能够提高填料的留着率；二是可以改善浆料的脱水性能；三是可以大大改善纸张的质量；四是可以减轻造纸生产对环境的污染。
HPAM能够达到上述效果主要决定于以下四个方面：
离子强度、平均分子量、离子性质以及其他的共聚物的活性。
1.3.4纺织领域
在纺织工业中，HPAM有很多用途。
例如在纺织工艺的后阶段，HPAM可以用作整理剂或者上浆剂[6]；同时HPAM可以改善织物的表面性质，提高织物的阻燃性，降低织物的静电作用；纺织工业排放的污水，可以用HPAM作为絮凝剂进行处理，从而使水得到二次利用；用作印染助剂时，HPAM可以使产品的附着牢度增大、鲜艳度提高。
1.3.5其他领域
在医药工业中，HPAM主要有三个用途。
一是可以作为工业用水的处理剂，发挥絮凝剂的作用；二是可以通过吸附沉降作用，分离溶液中的抗菌素；三是可以作为药片的粘接剂。
在洗煤、采矿作业中，HPAM可以作为絮凝剂处理作业过程中需要使用以及排放的水；此外还可以回收利用固体颗粒，大大减轻了对环境的污染；在制糖领域，利用HPAM可使蔗汁中细粒子迅速沉降，加快缩短过滤时间，提高了滤液的清澈度；在建材领域，HPAM可用作陶瓷粘接剂、锯石板材冷却剂和涂料增稠分散剂等；在建筑领域，HPAM可以加速石棉水泥的脱水、提高石膏水泥的硬度[7]。
另外，HPAM还可用作无机肥料的造粒助剂[8]；皮革的保护涂层等。
1.4阴离子聚丙烯酰胺的发展现状
1.4.1发展现状
各个国家和地区的阴离子聚丙烯酰胺的应用情况有所不同。
在国外，美国和西欧的HPAM使用领域和比例大致相同，第一大领域都是水处理行业，第二大领域是造纸行业；日本的HPAM在造纸行业中使用最多，将近一半的比例，水处理行业是第二大使用领域。
在国内，阴离子聚丙烯酰胺主要是用于油田的三次采油和水处理行业。
表1.1列举了部分国家的具体使用情况。
表1.1中国、美国、日本、西欧的阴离子聚丙烯酰胺的消费份额
水处理
造纸
石油
矿山
其他
中国
16.9
10.9
68.1
－
4.1
美国
60
25
－
11
4
日本
32
45
12
8
3
西欧
56
29
11
－
4
2阴离子聚丙烯酰胺的制备方法
2.1水溶液聚合
水溶液聚合就是把反应单体和引发剂溶解到水中进行反应。
该方法是HPAM工业生产中最早采用的方法，同时也是一直被采用的主要方法，特点是聚合物产率高、操作方便简单而且环境污染小，容易得到高分子量的聚合物。
目前，对水溶液聚合方法的研究己经比较广泛、深入。
刘纯波等[9]利用AA、AM为单体，以AIBN为引发剂，制备了一种新型增稠剂。
吴挡兰等[10]以采用氧化还原体系为引发剂，以AM和AA为单体，加入CTA，制备了低相对分子质量的共聚物。
2.2反相乳液聚合
本次实验采用的就是反相乳液聚合。
它是先将有机溶剂和乳化剂混合在一起，然后快速搅拌均匀，接着加入引发剂进行反应。
所使用的引发剂分为两种：
水溶性的、油溶性的。
该聚合反应的场所是在已经分散到油相的微粒中进行的，从而反应产生的热量能够散发均匀，不会出现爆聚，最终可以得到相对分子量高、分子量分布较窄的HPAM。
王雨华等[11]同时使用了水溶性和油溶性引发剂，以AM、AA为原料，分段引发进行反相乳液共聚合，制的高分子量HPAM。
candau等[14]以AM进行均聚或者与AA进行共聚，通过表面活性剂，稳定微乳液，制备了稳定性好的HPAM。
2.3沉淀聚合法
沉淀聚合法有三个优点：
一是聚合反应产生的热容易散发，整个反应体系的粘度小，聚合过程操作简单；二是反应的转化率较高，产物的分子量较大，主要和反应后期单体的自由扩散有关；三是容易制备高纯度、低毒性的HPAM[12]；四是后处理过程简单，可以用泵输送物料，通过对产物进行过滤、分离、气流干燥，可以制的疏松的粉状产品。
采用沉淀聚合法制备的聚合物和介质并不相容，该过程是以溶液聚合作为基础，反应所使用的溶剂需要根据实验要求来具体选择。
2.4反相悬浮聚合法
反相悬浮聚合是近十年发展起来的一种制备水溶性聚合物工业化生产的理想方法。
在有机溶剂中，单体的水溶液分散成小液珠，并悬浮在其中，进行的聚合反应[13]。
该技术最早是应用在氯乙烯、丙烯腈等均相单体溶液的聚合上。
可以利用挥发性有机溶剂的回流散发聚合热，可以使用氧化还原引发体系来控制聚合温度以及不让聚合物中生成交联物质。
阴离子型聚丙烯酞胺的反相悬浮聚合研究主要侧重于高吸水树脂的生产，目前国外一些大公司已实现了工业化，而国内也有较多的实验室研究报道，但目前该类产品仍主要依赖于进口。
3实验部分
3.1实验药品设备
3.1.1实验试剂
丙烯酰胺、丙烯酸、Tween60、Span80、石油醚、过硫酸铵、无水亚硫酸钠
3.1.2实验设备
电子称、恒温水浴槽、乌氏粘度计
3.2实验步骤
根据实验要求组装好实验装置，检查装置的正确性，称取适量的石油醚作为连续相，然后往里加入适量的乳化剂，搅拌完全后加入实验装置的三口烧瓶中，恒温搅拌，然后加入适量的AM、AA和水，快速搅拌一个半小时后加入适量引发剂，持续搅拌三个小时，反应结束。
3.3结果与讨论
3.3.1单体配比对HPAM分子量的影响
AM/g
AA/g
PH
水浴温度/℃
HLB值
HPAM分子量/千万
1
5.0
5.0
9
40
6
0.60
2
5.0
4.0
9
40
6
0.72
3
5.0
3.0
9
40
6
0.94
4
5.0
2.0
9
40
6
1.03
表3.1单体配比对HPAM分子量的影响
由表3.1可以看出，在单体溶液中，丙烯酰胺所占比例越高，阴离子聚丙烯酰胺的分子量相对增大。
当AA与AM的配比为1:
1.25时，阴离子聚丙烯酰胺的分子量最大；当AA与AM的配比为1:
1时，阴离子聚丙烯酰胺的分子量最小。
而且单体的配比不同，分子量的变化比较明显，这可能是因为两种单体的竟聚力不同所导致的，ΓAM=1.0，ΓAA=0.35。
3.3.2PH值对HPAM分子量的影响
AM/g
AA/g
PH
水浴温度/℃
HLB值
HPAM分子量/千万
1
5.0
2.0
7
40
6
0.76
2
5.0
2.0
8
40
6
0.83
3
5.0
2.0
9
40
6
0.90
4
5.0
2.0
10
40
6
0.87
表3.2PH值对HPAM分子量的影响
由表3.2可以看出，随着PH值的增加，HPAM的分子量先增加后减少，出现拐点时的PH值是9，因此可以得出溶液的PH值过高过低都不能制备分子量较高的HPAM，当PH值为9时，制备的HPAM的分子量最高。
3.3.3HLB值对HPAM分子量的影响
AM/g
AA/g
PH
水浴温度/℃
HLB值
HPAM分子量/千万
1
5.0
2.0
9
40
5
0.85
2
5.0
2.0
9
40
6
0.97
3
5.0
2.0
9
40
7
0.81
4
5.0
2.0
9
40
8
0.83
表3.3HLB值对HPAM分子量的影响
由表3.3可以看出，随着HLB值得增加，HPAM的分子量先增加后减少，分子量在最大值时所对应的的HLB值为6，在其他三个不同的HLB值时，HPAM的分子量相差不是很明显。
因此要制备分子量较高的HPAM，可以选择HLB值为6时进行反应。
3.3.4反应温度对HPAM分子量的影响
AM/g
AA/g
PH
水浴温度/℃
HLB值
HPAM分子量/千万
1
5.0
2.0
9
30
6
0.89
2
5.0
2.0
9
35
6
0.95
3
5.0
2.0
9
40
6
1.12
4
5.0
2.0
9
45
6
0.87
表3.4反应温度对HPAM分子量的影响
由表3.4可以看出，随着反应温度的升高，HPAM的分子量先上升后下降。
反应温度低，导致反应太慢，部分原料在一定时间内未参与反应；反应温度高，导致反应速度过快，从而分子量下降。
因此利用反相乳液乳液聚合法制备HPAM的最佳反应温度为40℃。
4结论
（1）.运用反相乳液聚合法成功地制备出了阴离子聚丙烯酰胺。
（2）.本实验制备阴离子聚丙烯酰胺的最佳工艺为：
AM5.0g、AA2.0g、PH=9、HLB=6、反应温度40℃。
致谢
完成这篇论文总共经历了三个阶段，一是课题相关资料查询学习阶段，二是实验药品与仪器的准备，三是实验阶段，所用时间将近两个月。
在整个毕业论文实验过程中，我遇到了很多的困难和问题，通过老师的指导和同学的帮助，我都一一克服了障碍，最终完成实验。
在此我要特别感谢一位老师，就是我的论文指导老师曾小剑老师，从开始的文献查询，到实验药品和仪器的准备，以及整个实验过程和最后的论文修改，曾小剑老师都进行了无私的指导和帮助，特别是在论文修改阶段，曾老师非常认真的查看了我的论文初稿，指出了很多不正确的地方，为论文的完善提供了很多很好地建议，我在此非常感谢。
参考文献
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