低聚丙烯酸鈉的合成及其在防沾色中的應用

熊雨晴，周青青，卜 然，陳飛飛

低聚丙烯酸鈉的合成及其在防沾色中的應用

熊雨晴，周青青，卜 然，陳飛飛*

（武漢紡織大學 化學與化工學院，湖北 武漢 430200）

本實驗以過硫酸銨為引發劑，異丙醇為轉移劑，采用水溶液聚合法合成低分子量聚丙烯酸鈉(PAAS)，通過單因素實驗對影響聚合反應的因素進行研究，并將合成得到的產物應用到防沾色過程中。實驗結果表明，聚合反應中，引發劑和鏈轉移劑用量的增加及反應溫度的提高會降低聚丙烯酸鈉的相對分子質量，而反應時間的延長會使其相對分子質量升高。同時PAAS具有較好的防沾色效果。

低聚丙烯酸鈉；反應因素；皂洗；防沾色

聚丙烯酸鈉(PAAS)作為一種同時具有親水和疏水基團的陰離子高分子表面活性劑，近年來得到了廣泛的應用研究[1]。PAAS的性能與其分子量大小有很大關系，所以合成聚丙烯酸鈉的過程中控制相對分子質量很重要。一般來說能夠作分散劑的聚丙烯酸鈉分子量為500-5000左右[2]。在染整工藝中對織物染色后，織物上總會存在一些未固著織物的染料和水解了的染料，這些殘留的染料一般經過皂洗工序去除，否則會對織物色牢度有很大影響。在此工序中，有部分的染料會進入皂洗液中，如不加以處理，就會在織物表面造成浮色，極大的影響到織物的品質，而在皂洗工藝中加入合適的助劑與未固著的染料進行分散、絡合，可以有效的避免浮色的產生。因而，為了去除織物表面的浮色，所添加的助劑必須具備較強的分散能力，并能對染料分子有效的進行吸附、分散、絡合等[3]。

1 實驗部分

1.1 試劑和儀器

實驗試劑：丙烯酸、異丙醇、過硫酸銨、氯化鈉、氫氧化鈉等。其中丙烯酸為化學純，其它試劑均為分析純。實驗儀器：電動攪拌機(JB90-D，上海標本模型廠制造)；酸度計(PB-10，德國賽多利斯股份公司)；減壓蒸餾裝置；循環水式真空泵(SHZ-D，鞏義市予華儀器有限責任公司)；染色機；測色配色儀(Datacolour 900)；界面張力儀(JYW200)；傅里葉紅外光譜儀（Equinox 55型，德國Bruker公司）；UV-2550紫外分光光度計（日本島津公司）。

1.2 低聚丙烯酸鈉的合成

在已經裝有電動攪拌棒、冷凝管和溫度計的250mL四口燒瓶中加入一定量的蒸餾水、鏈轉移劑，開始攪拌并加熱升溫到80℃，溫度恒定后，用100mL滴液漏斗向燒瓶內滴加經過蒸餾提純并稱量好的丙烯酸，并同時分次滴加配制好的過硫酸銨溶液，在1h內滴完，升溫至90℃，保溫反應2h。待產物溫度降至常溫后，將裝置改成減壓蒸餾裝置，對反應產物進行減壓蒸餾，減壓蒸餾壓力為0.95-0.1MPa，蒸餾溫度一般為65℃，蒸餾時間1h，將鏈轉移劑和水蒸出，循環使用。蒸餾完后待產物冷卻至40-50℃時，緩慢加入30%的NaOH溶液，中和至pH為7-8，得到淡黃色透明粘稠液體即為低聚丙烯酸鈉。

1.3 聚丙烯酸鈉分子量的測定

用端基滴定法測定聚丙烯酸鈉的分子量。取蒸餾后反應物0.2000g，溶于50mL濃度為1mol/L的NaCl溶液中，置于磁力攪拌器上攪拌使其完全溶解，用0.2mol/L標準NaOH溶液進行滴定，每隔0.5mL讀取pH值，取拐點值，記錄，代入下列公式進行:

M=2/[(1/72)-V·N/m1000]

式中，M為聚丙烯酸的相對分子質量；V為滴定終點消耗的NaOH標準溶液體積(mL)；N為NaOH標準溶液的摩爾濃度；m為試樣重量(g)[4]。

1.4 產物界面張力的測定

將制成的聚丙烯酸鈉配成質量分數分別為20%、40%、60%、80%的溶液，使用界面張力儀測定不同濃度下的界面張力，每組平行測三次，記錄原始數據，取平均值。

1.5 應用實驗

（1）準備24塊質量約為2g、面積大致相同經過精煉的白色棉布，24個寬口250mL錐形瓶，并按照使用PAAS的相對分子質量不同以及使用染料的不同分為四組，并依次編號。（2）按owf為4%、PAAS加入量為0.3g，浴比為1：50分別配置相應染料染浴。（3）將準備好的棉布浸入溫水中潤濕，擰干后依次放入錐形瓶中，塞上塞子，將錐形瓶置于溫度為60℃的振蕩染色機中，恒溫振蕩1h。保持轉速一致。一小時后，取出布樣，洗凈，晾干。待布樣晾干后，用測色配色儀測量布樣的最大吸收波長λ和K/S值。

2 實驗結果與討論

2.1 合成因素對低聚丙烯酸鈉分子量的影響

2.1.1 引發劑用量對聚丙烯酸鈉相對分子質量的影響

在異丙醇用量為25%，單體質量濃度25%，實驗溫度為80℃，反應時間為2h的實驗條件下，考察引發劑用量對PAAS相對分子質量的影響，實驗結果見圖1所示。

圖1 引發劑用量對低聚丙烯酸鈉相對分子量的影響

圖2 轉移劑用量對低聚丙烯酸鈉相對分子量的影響

從圖1可以看出，隨著過硫酸銨用量的增大，得到的聚丙烯酸鈉相對分子質量呈減小的趨勢。這是因為引發劑用量少時，分解出的自由基數目較少，單體更易聚合在同一條鏈上，從而聚合產物相對分子量較大；而引發劑量越大，自由基越多，聚合活性點便越多，這樣單體分別聚合在不同的分子鏈上，從而鏈較短，形成的聚合物相對分子質量較引發劑量少時小[5]。

2.1.2 轉移劑用量對聚丙烯酸鈉相對分子質量的影響

在過硫酸銨用量為4%（占單體質量百分數），單體質量濃度25%，實驗溫度為80℃，反應時間為2h的反應條件下，考察鏈轉移劑用量對PAAS相對分子量的影響，實驗結果見圖2所示。

從圖2可以得到鏈轉移劑的用量對聚丙烯酸鈉相對分子質量影響的大致趨勢，即轉移劑用量少時，合成產物的相對分子質量較大，聚丙烯酸鈉的相對分子質量隨著鏈轉移劑用量的增大而減小。異丙醇作為鏈轉移劑使反應體系內的自由基向引發劑轉移，誘導其分解，使引發劑效果降低，同時也使聚合度降低，從而降低了聚丙烯酸鈉的分子量。

2.1.3 反應時間對聚丙烯酸鈉相對分子質量的影響

單體質量濃度25%，過硫酸銨用量為4%（占單體質量百分數），異丙醇用量25%，反應溫度為80℃的條件下，考察反應時間對PAAS相對分子質量的影響，實驗結果見圖3所示。

從圖3中的曲線可得，隨著保溫反應時間的延長，聚丙烯酸鈉的相對分子質量逐漸增大，這是因為延長反應時間能夠使反應體系中的單體聚合反應發生完全，使轉化率提高，聚合物的鏈不斷增長，聚合物相對分子量變大。

圖3 反應時間對低聚丙烯酸鈉相對分子量的影響

圖4 反應溫度對低聚丙烯酸鈉相對分子量的影響

2.1.4 反應溫度對聚丙烯酸鈉相對分子質量的影響

單體質量濃度25%，過硫酸銨用量為4%（占單體質量百分數），異丙醇用量25%，反應時間為2h,考察反應溫度對PAAS相對分子質量的影響，實驗結果見圖4所示。

從圖4中能夠得出，低聚丙烯酸鈉的相對分子質量隨著反應溫度的升高而大致降低，溫度越高，聚合速率越快，自由基密度增大，鏈終止和鏈轉移速率加快，反應速度極快，不易控制，故聚合溫度不宜過高[6]。

2.2 合成產物的性能表征

2.2.1 表面張力測試結果及分析

低聚丙烯酸鈉是一種同時具有疏水基和親水基的陰離子型表面活性劑，對合成的低聚丙烯酸鈉作表面張力測試結果如下圖所示。圖5為相對分子質量為742的PAAS配制成不同濃度溶液后測得的表面張力。

圖5 濃度對PAAS表面張力的影響

圖6 PAAS相對分子量對表面張力的影響

由上圖的趨勢可以看出，低聚丙烯酸鈉能夠有效降低水的表面張力，且其用量越大，即濃度越高，溶液的表面張力越小，親水性越強。不同分子量的聚丙烯酸鈉具有不同的表面張力，實驗結果如圖6所示。由圖6可以看出，聚丙烯酸鈉在低分子量范圍內，分子質量越大，溶液的表面張力越小。聚丙烯酸鈉的分子質量越高，-COOH的含量越高，即親水基比例增大，親水性增強[7]。

圖7 產物的紅外光譜圖

2.2.2 合成產物的紅外表征

對合成產物進行紅外光譜分析，得到波譜圖如圖7所示。

由圖7可以看出，在1750cm-1和3490cm-1處出現特征峰，能夠證明羧基的存在；在1400cm-1左右有一個吸收峰，證明-CH3的存在；在720cm-1處出現弱的吸收峰，歸屬為-CH2官能團，綜上實驗結果可以證明合成產物即為聚丙烯酸[8]。

表1 PAAS加入量對還原橘紅染料沾色的影響

2.3 防沾色實驗

將應用試驗得到的染色過的棉布及空白布樣用測色配色儀分別進行K/S值的測定，整理數據如下表1：

由表1中數據，可以看出低聚丙烯酸鈉的加入可以明顯的降低織物的K/S值，即可以防止染色過程結束后染浴中殘留的染料再次沾污織物，由實驗結果可知，低聚丙烯酸鈉添加量存在最佳值。由表面張力的測試數據中知道，低聚丙烯酸鈉能顯著降低水的表面張力，而防沾色過程是與液體表面張力有關的，界面張力太小反而不利于防沾色。

由表2中數據可知，PAAS的相對分子質量越小，織物的K/S值越大，即織物的得色越深，防沾色效果越不好。PAAS在低分子范圍內，分子量越大，表面張力越小，親水基比例越高，能很好的使染料溶于水中，而難以沾污到織物上[9]。

表2 PAAS的相對分子質量對還原橘紅染料沾色的影響

3 結論

（1）引發劑用量、鏈轉移劑用量、反應溫度及反應時間都是影響聚丙烯酸鈉相對分子質量的重要因素；（2）引發劑和鏈轉移劑用量的增加及反應溫度的提高會降低聚丙烯酸鈉的相對分子質量，而反應時間的延長均會提高聚丙烯酸鈉的相對分子質量；（3）低聚丙烯酸鈉作為一種特殊類型的表面活性劑，作為分散劑能有效的降低表面張力，在紡織上能用作防沾色劑。

[1] 韓慧芳，崔英德，蔡立彬．聚丙烯酸鈉的合成及應用[J]．日用化學工業，2003，33（1）：36-39．

[2] 柳麗艷，張娜．低分子量聚丙稀酸鈉的合成[J]．化學工程師，2007，137(2)：51-53．

[3] 張劍，鄭國國，余憲虎．低分子量聚丙烯酸鈉的合成及應用[J]．廣州化工，2011，(15)．

[4] 劉偉，武玉良，段洪東．低分子量PAANa的合成研究[J]．精細石油化工，1999，16（5）：43-44．

[5] Padmanabha RM，Mohana R K．Design and synthesis of superabsorbent polymers[J]．Journal of Applied Polymer Science，2001，80(14)：2635-2639．

[6] 牛磊，周雍茂，戴文娟．低分子量聚丙烯酸鈉合成研究[J]．當代化工，2008，37（4）：371-377．

[7] 張天勝．表面活性劑應用技術[M]．北京：化學工業出版社，2001．52-56

[8] 宦雙燕．波譜分析[M]．北京：中國紡織出版社，2008．110-124．

[9] 程靖環，陶綺雯．染整助劑[M]．北京：紡織工業出版社，1985．182-186．

Synthesis of Low Molecular Weight Sodium Polyacrylate and its Application in Stain-preventing

XIONG Yu-qing, ZHONG Qing-qing, BO Ran, CHEN Fei-fei

(School of Chemistry and Chemical Engineering, Wuhan Textile University, Wuhan Hubei 430200, China)

In this experiment, aqueous solution polymerization was used to synthesize low molecular polyacrylic acid sodium with ammonium persulfate as the initiator and isopropyl alcohol as the train transfer agent. Then through the single factor experiment, the principal influence factors in the polymerization were studied. Further, the product was applied in the process of stain-preventing. The experimental results showed that increasing the amount of initiator and train transfer agent and raising the reaction temperature are favorable to reduce the molecular weight polyacrylic acid sodium. However, extending the reaction time is an effective way of increasing its molecule weight. At last, low molecular PAAS displays excellent properties of stain-preventing.

Low Molecular PAAS; Reaction Factor; Soaping; Stain-preventing

陳飛飛（1977-），男，副教授，博士，研究方向：廢棄物資源化再利用，精細化工.

TS195.2

A

2095－414X(2014)06－0015－04