一種光引發(fā)體系制備陽離子聚丙烯酰胺的方法與流程

文檔序號：11229299閱讀：825來源：國知局

本發(fā)明涉及以一種水溶液高分子聚合物的合成方法，具體涉及一種新型光引發(fā)體系制備陽離子聚丙烯酰胺的方法。

背景技術：

陽離子聚丙烯酰胺（英文名稱cationicpolyacrylamide，縮寫為cpam）是目前研究和應用最廣泛的有機高分子絮凝劑之一，這是因為cpam分子鏈上帶有正電荷活性基團且為線性高分子聚合物，它可通過電性中和、吸附架橋等作用使水中膠體顆粒及懸浮物脫穩(wěn)、絮凝從而達到污泥脫水和污水處理的目的。目前，cpam的制備方法包括兩種：聚丙烯酰胺的陽離子改性法和共聚合法。聚丙烯酰胺陽離子改性法主要是通過羥甲基反應或曼尼奇反應實現(xiàn)，這種方法制備的cpam產(chǎn)品存在儲存時間短、陽離子度低且陽離子度不易控制的缺點。共聚合法是將丙烯酰胺單體與陽離子單體在一定條件下引發(fā)共聚合獲得cpam，共聚合法在一定程度上可以克服陽離子改性法的缺點，因此研究應用更為廣泛。

溶解性能是cpam的研究應用中一個亟待解決的問題，也是cpam產(chǎn)品性能的關鍵參數(shù)。一般來說cpam分子鏈交聯(lián)則較難溶解或無法溶解，如果cpam分子鏈線性程度好則較易溶解。cpam分子鏈的形態(tài)與聚合反應過程密切相關，如果聚合反應過程自由基數(shù)量過多則出現(xiàn)交聯(lián)的概率將大大增加，自由基的數(shù)量主要決定于引發(fā)劑的添加量，一般引發(fā)劑添加量越多則自由基產(chǎn)生數(shù)量越多，反之則越少；引發(fā)方式也會影響自由基產(chǎn)生的數(shù)量，以熱引發(fā)為例，如果引發(fā)溫度過高或傳熱不均勻出現(xiàn)局部溫度過高，則自由基產(chǎn)生數(shù)量會驟增也容易出現(xiàn)分子鏈交聯(lián)的現(xiàn)象。因此，為提高cpam的溶解性，應減少引發(fā)劑的添加量，同時應保證引發(fā)方式產(chǎn)生的引發(fā)能量小且能量傳輸均勻。除此之外，絮凝性能、生產(chǎn)工藝能耗、生產(chǎn)效率等也是cpam生產(chǎn)工藝的關鍵方面。盡管近年來國內(nèi)cpam生產(chǎn)工藝取得了長足的進步，上述的各個方面都能夠得到一定的解決，但是常常難以統(tǒng)籌兼顧。

例如，如公開號102603970a的專利“一種陽離子聚丙烯酰胺的制備方法”是介紹了一種通過紫外光引發(fā)制備cpam的方法，盡管制備出的cpam純度高、無毒無害，且反應時間短、反應能耗低，但并沒有優(yōu)化cpam的溶解性能。又如公開號101921365b的專利“速溶性陽離子聚丙烯酰胺的制備方法”介紹了一種通過熱引發(fā)制備cpam的方法，該方法制備出的cpam溶解性好，可以作為有機絮凝劑、紙張增強劑、助留劑等應用于城市生活及工業(yè)污水處理和造紙等領域，但是該方法也存在添加劑種類多、熱引發(fā)能耗高、反應時間長（生產(chǎn)效率低）等缺點。目前，cpam生產(chǎn)工藝仍需進一步提升和改進。

技術實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術存在的問題，本發(fā)明的目的是：提供一種新型光引發(fā)體系制備陽離子聚丙烯酰胺的方法，該方法加入助劑種類少、用量低，cpam溶解性能好、絮凝性能好，生產(chǎn)能耗低、生產(chǎn)效率高、操作簡單易于控制。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案：

一種光引發(fā)體系制備陽離子聚丙烯酰胺的方法，其具體步驟如下：

第一步，在反應裝置中依次加入一定量去離子水、丙烯酰胺單體、陽離子單體和助溶劑尿素，經(jīng)攪拌溶解均勻后調(diào)節(jié)溶液ph值至3-9；計陽離子單體和丙烯酰胺單體為總單體，反應體系總單體質(zhì)量分數(shù)為15%-50%，丙烯酰胺單體占總單體質(zhì)量20%-90%，陽離子單體占總單體質(zhì)量10%-80%；助溶劑尿素占總單體質(zhì)量0.4‰-3.60‰。

第二步，向反應裝置一邊充入高純氮氣排除反應裝置中的空氣，一邊依次向上述溶液中添加占總單體質(zhì)量0.06‰-0.60‰的偶氮引發(fā)劑、占總單體質(zhì)量0.03‰-0.50‰的氧化型引發(fā)劑、占總單體質(zhì)量0.06‰-1.00‰的還原型引發(fā)劑，所有的引發(fā)劑均是配制成溶液后添加到反應裝置中，將反應裝置中的空氣完全排除后，將反應裝置密封。密封后將反應裝置放置在超聲波儀中振蕩3-5min。

第三步，在室溫環(huán)境下，將第二步中密封后的反應裝置放在勻速轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)盤上，先在低紫外光強度下照射10min-60min，再提高光強并照射10min~60min后取出，靜置熟化2小時，制得膠狀陽離子聚丙烯酰胺；

第四步，將制得的膠狀聚丙烯酰胺通過丙酮和酒精洗滌精制，在真空干燥箱中烘干后研磨，即得陽離子聚丙烯酰胺粉末。

進一步地，所述反應裝置的材質(zhì)為石英，石英透光率高，提高紫外光和引發(fā)劑的使用率，因此可以降低引發(fā)劑的添加量，減少聚合過程中分子鏈的交聯(lián)，提高cpam的溶解性，同時還可以提高cpam分子量、提高產(chǎn)品的絮凝性能。

進一步地，所述陽離子單體為甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨dmc、丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨dac或二甲基二烯丙基氯化銨dmdaac中的一種。

進一步地，所述助溶劑尿素以溶液形式添加，濃度范圍為2.0×10^-3~3.6×10^-2g/ml。

進一步地，所述超聲波儀的功率為480w、產(chǎn)生超聲的頻率為40khz，通過超聲波的振蕩使得反應體系各類物質(zhì)充分混合均勻，避免出現(xiàn)部分區(qū)域引發(fā)劑濃度過高的現(xiàn)象。

第三步是將密封后的反應裝置放在勻速轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)盤上，使反應裝置的各個部分受光照程度一致。所述轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動速度為20-60s/r，通過轉(zhuǎn)盤使得反應裝置中各個部分受光照程度一致，反應能夠平穩(wěn)均勻進行，獲得產(chǎn)品性能優(yōu)良的cpam。

更進一步地，第二步和第三步采用的是氧化還原引發(fā)劑-偶氮引發(fā)劑復合、先低光強再高光強的控制方法這一新型光引發(fā)體系。該新型光引發(fā)體系主要是利用活化能較低的氧化還原引發(fā)劑與活化能較高的偶氮引發(fā)劑組合，在低光強度下氧化還原引發(fā)劑產(chǎn)生自由基，在反應后期，通過提高光強可使偶氮引發(fā)劑分解繼續(xù)產(chǎn)生自由基，使反應體系內(nèi)自由基保持一定濃度，使反應進行的較為平緩，鏈增長可以均勻有序進行，不易出現(xiàn)分子鏈交聯(lián)的情況，容易獲得溶解性好、分子量高的產(chǎn)品。其中，第二步所添加的偶氮引發(fā)劑為偶氮二異丁脒鹽酸鹽v50或偶氮二異丙基咪唑啉鹽酸鹽va-044中的一種，溶液濃度范圍9.6×10^-4g/ml-6.0×10^-3g/ml。氧化型引發(fā)劑包括過硫酸鉀、過硫酸銨中的一種，溶液濃度范圍2.4×10^-4g/ml-2.8×10^-3g/ml。還原型引發(fā)劑包括亞硫酸氫鈉、亞硫酸鈉中的一種，溶液濃度范圍7.2×10^-4g/ml-5.6×10^-3g/ml。第三步采用的是先低紫外光照強度再高光強度的控制方法，其中低紫外光強度為4-10mw/cm²，高紫外光照強度為12-18mw/cm²，紫外光由1000w可調(diào)節(jié)光強度的裝置產(chǎn)生，產(chǎn)生的紫外光主波長為365nm。

相比現(xiàn)有技術，本發(fā)明具有如下有益效果：

1.本發(fā)明提供的新型光引發(fā)體系可以控制反應過程，使反應體系內(nèi)保持一定濃度自由基，不僅能夠保證鏈增長均勻有序進行，使產(chǎn)物的線性好、易于溶解，而且能夠使得am單體和陽離子單體充分參與聚合反應，在保證單體轉(zhuǎn)化率的前提下提高產(chǎn)物的陽離子度和分子量，提高產(chǎn)物電中和作用和吸附架橋作用，達到提高產(chǎn)物的絮凝性能的目的。

2.本發(fā)明通過紫外光光強的調(diào)節(jié)來控制聚合反應過程，具有紫外光引發(fā)方式的優(yōu)點，即光引發(fā)比熱引發(fā)更易于控制，光強的調(diào)節(jié)比熱引發(fā)更易于實現(xiàn)而且能量傳播速度快且傳播均勻，更有利于聚合反應的進行，不但簡單節(jié)能，而且制備過程容易控制。同時，也具有反應速度快、反應能耗低的優(yōu)點。

3.本發(fā)明提供的新型光引發(fā)體系、石英反應裝置、超聲波振蕩和勻速轉(zhuǎn)盤等方法，使各類助劑（尤其是引發(fā)劑）能夠得以充分利用，因此添加量極低，在節(jié)約生產(chǎn)材料的同時能夠有效避免副反應的發(fā)生；而且使得聚合反應進行得均勻、徹底，不僅能夠保證產(chǎn)品的溶解性能，而且可以提升產(chǎn)品的絮凝性能。

4.本發(fā)明所選用的原材料均為市售材料，價格低廉，選取方便，可直接購買，因此，本發(fā)明提供的合成方法生產(chǎn)成本低、易于實現(xiàn)市場化。

具體實施方式

以下結(jié)合實施例對本發(fā)明作進一步地詳細說明。

以下實施例中采用hcl作為無機酸，naoh作為無機堿調(diào)節(jié)ph值，具體實施時也可采用現(xiàn)有技術中其他不影響聚合反應的無機酸和無機堿調(diào)節(jié)ph值。制備出cpam的極限粘度和溶解時間參考《gb/t31246-2014水處理劑陽離子型聚丙烯酰胺的技術條件和試驗方法》測得。

實施例1：