三元共聚陽離子型聚丙烯酰胺乳液合成及性能研究

徐景峰

（常州工程職業技術學院 制藥與環境工程學院，江蘇 常州 213164）

目前大量的陽離子聚丙烯酰胺（CPAM）仍是固體產品[1]，然而雙水相分散聚合法制備陽離子聚丙烯酰胺乳液產品的優越性開始得到商家的重視，陸續出現用該方法合成的絮凝劑[2-3]。相對于固體產品，乳液產品在造紙、水處理等領域中使用更加便捷，不需要專用的溶解裝置，經過一定的稀釋后可直接使用，應用前景廣泛。常用的陽離子聚丙烯酰胺乳液一般由丙烯酰胺 （AM）和陽離子單體甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨（DMC）或丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨 （DAC）合成。DMC和DAC價格比較高，多依賴進口，存在成本問題。本文采用自制的陽離子單體，以聚乙二醇（PEG）為分散劑[4]，以氧化還原劑為引發劑，通過雙水相分散聚合，提供了一種三元陽離子聚丙烯酰胺乳液產品，該產品生產成本降低、乳液穩定、絮凝效果好。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

陽離子單體w（E-AM）=50%，實驗室自制；二甲基二烯丙基氯化銨w（DMDAAC）=60%，工業品，宜興凱米拉化學品有限公司；丙烯酰胺（AM），上海麥克林生物有限公司；聚乙二醇（PEG），分子量20000，江蘇永華精細化學品有限公司；β-二甲氨基丙腈、過硫酸銨、甲醛次亞硫酸鈉，江蘇強盛功能化學股份有限公司，均為分析純。

美國PE傅立葉變換紅外光譜儀，SGZ-2數顯濁度儀。

1.2 制備陽離子聚丙烯酰胺乳液

將聚乙二醇（PEG）、丙烯酰胺（AM）、去離子水按比例加入燒杯中攪拌溶解，轉入反應瓶中，然后分別加入陽離子單體（E-AM、DMDAAC），加入β-二甲二胺基丙腈等助劑，通入高純氮氣20 min后，分別加過硫酸銨氧化劑、甲醛次亞硫酸鈉還原引發劑，水浴加熱40℃攪拌反應3~4 h，得到白色乳液產品。

1.3 表征產品結構

對乳液產品進行分離后，用美國PE紅外光譜儀進行結構表征。

1.4 測定殘留單體

配制聚丙烯酰胺系列溶液，在217 nm波長處，測定吸光度，繪制工作曲線。準確移取適量乳液產品，測定殘留單體。

1.5 評價絮凝效果

用皂土配制0.25%廢水溶液，加入適量陽離子聚丙烯酰胺乳液，攪拌靜置沉降30 min后，測定清液濁度，評價絮凝效果。

2 結果與討論

2.1 產品結構紅外表征

通過雙水相分散聚合獲得的三元共聚物P（AM/E-AM/DMDAAC）的紅外光譜如圖1所示。

圖1 三元共聚物的紅外譜圖

由圖1可以看出：3450 cm-1是-NH2的伸縮振動吸收峰；在3 460～3 420 cm-1有N-H的伸縮振動特征峰，在1635 cm-1處的吸收峰為仲酰胺基中的C-O的伸縮振動特征峰，證實有仲酰胺的結構，說明有AM存在。2924 cm-1處有-CH3的伸縮振動峰，1400 cm-1處有與N+鍵合的雙甲基的特征峰，說明產物中有DMDAAC存在。1126 cm-1處有C-O伸縮振動特征峰，說明產物中有E-AM存在。說明了三元聚合物AM/E-AM/DMDAAC的合成。

2.2 正交實驗

雙水相分散聚合制備陽離子聚丙烯酰胺乳液產品，主要受分散劑用量、單體種類，單體濃度，引發劑量影響。引發劑的用量范圍一般文獻都有報道，通過單因素實驗在確定了三元共聚方式基礎上，采用正交實驗方法來優化聚合參數。實驗因數、水平及實驗結果見表1、表2。

其中：A 為 AM 用量（g），B 為 （E-AM）用量（g），C 為 H2O 用量（mL），D 為 PEG 用量 （g）。

表1 正交實驗因素水平

表2 正交實驗結果

通過正交實驗現象可以看出，實驗4形成了穩定的乳液產品，而其他的實驗，或者形成的乳液產物不穩定，易于分層，或者呈現凝膠狀態。說明產品狀態與單體濃度，分散劑聚乙烯醇濃度恰好達到合適值范圍內，才可形成穩定的乳液產品。實驗4，單體濃度為17%，聚乙烯醇濃度為13%。而其他實驗，單體濃度或者小于16%，或者大于16%。與聚乙二醇量都不能形成合適的乳液穩定體系，所以，產品為凝膠狀或乳液分層。

通過正交實驗獲得的最佳實驗參數：AM單體20 g，陽離子單體E-AM為4 g，DMDAAC為1.8 g，w（單體）=17%，引發劑 w（過硫酸銨）=10%、w（甲醛次亞硫酸鈉）=5%各5.0 mL。獲得的聚合物產品呈現均勻乳液狀態。溶解快速，單體殘留量小于0.9%，在單體殘留量標準為1.0%的一級品范圍內。

2.3 絮凝效果比較

將本方法合成的三元陽離子聚合物乳液P（AM/E-AM/DMDAAC） 與 P（AM/DMC/DMDAAC）及一般的二元陽離子絮凝劑（CPAM）的絮凝效果進行比較，其結果如表3所示。

表3 不同絮凝劑的絮凝效果

由表3可以看出，本方法合成的陽離子聚丙烯酰胺乳液P（AM/E-AM/DMDAAC）對皂土模擬廢水的絮凝效果較佳，與其他產品相比較，使用更為方便，且絮凝效果也較好。

2.4 產品穩定性

雙水相分散聚合，合成乳液產品，控制產品粒徑分布，使其分散液的穩定存在是關鍵問題。為此，對本實驗合成的乳液產品進行了穩定性觀察，該產品放置半年以上，不出現明顯分層情況，說明穩定性良好。

3 結論

（1）在聚乙二醇的分散介質中，通過雙水相分散聚合，以單體丙烯酰胺（AM）為原料，制備了三元共聚陽離子型聚丙烯酰胺P（AM/E-AM/DMDAAC）乳液產品。

（2）制備工藝：陽離子單體（E-AM）： 4 g（實驗室自制），二甲基二烯丙基氯化銨（DMDAAC）：1.8 g，丙烯酰胺（AM）： 20 g，擴鏈劑 β-二甲氨基丙腈：0.006 g，w（單體）為 17%，引發劑 w（過硫酸銨）為10%、w（甲醛次亞硫酸鈉）為5%各5.0 mL。制備的乳液產品溶解速度快，黏度低、穩定性好，使用方便。單體殘留量小于0.9%。

（3）對皂土廢水處理評價：當P（AM/E-AM/DMDAAC）的添加量為 4 mg·L-1時，具有較好的絮凝效果。