CN101967212B - 一种丙烯酸酯聚合物高吸油树脂及其制备方法和用途 - Google Patents

一种丙烯酸酯聚合物高吸油树脂及其制备方法和用途 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种丙烯酸酯聚合物高吸油树脂及其制备方法和用途。所述吸油树脂以重量份数计,包括以下组分:柔性链段单体50~95份;刚性链段单体5~50份;和占上述单体重量总和0.2~5wt%的交联剂,以及占上述单体重量总和1.5~4倍的溶剂。所述高吸油树脂采用γ射线引发,在室温溶液自由基聚合而成。该制备过程简单,反应条件易控,节省能耗,安全环保,更适合工业化生产。所制得的高吸油树脂具有纯度高、完全疏水性、应用范围广、吸油品类多、吸油倍率高、保油性能好、可回收再利用等优点,可广泛应用于吸收海面浮油,洒落油,工厂车床冷却乳化油以及工业生产、生活污水中的油品和有机物质。

Description

一种丙烯酸酯聚合物高吸油树脂及其制备方法和用途
技术领域
本发明涉及吸油材料及其制备方法和用途,具体涉及一种丙烯酸酯聚合物高吸油树脂及其制备方法和用途。
背景技术
高吸油树脂(High Oil-Absorbable Resin,简称HOAR)是一种具有适度交联三维网络结构的聚合物,其吸油推动力是树脂的亲油基团和油分子之间的相互亲和力,吸油过程是交联三维网络结构的溶胀伸展过程。这种树脂具有吸油能力强,保油性能好等优点,可用于多种油品污染体系的治理。作为环保材料广泛应用于工业,农业,日常生活等领域。
吸油材料的进展从材质上分有三种:第一种吸油材料是利用棉花,海绵,粘土等多孔材料依靠毛细管力吸附油品,属于物理吸附。这种吸油材料具有吸油倍率小,油水选择性和保油性差等明显缺点。第二种吸油材料是利用合成的疏水性材料如聚乙烯,聚丙烯,聚对苯二甲酸乙二醇酯等纤维,制备成一定物理形状的无纺布和网毡,其吸油倍率和油水选择性有所提高,但保油性欠佳。第三种吸油材料是合成具有三维网络结构的高吸油树脂,通过树脂中的亲油基团与油分子之间的范德华作用力吸油,尔后通过三维网络结构以范德华作用力使油分子保存在溶胀的树脂中。范德华作用力属于弱相互作用,油品可以通过物理方法加以回收,而吸油树脂则可以重复使用,为此该种吸油材料成为研究的热点。
最早的吸油树脂是由美国道化学公司研制成功的,其聚合单体为苯乙烯,以二乙烯基苯为交联剂。1973年,日本三井石油化学公司以甲基丙烯酸烷基酯为聚合单体合成出聚丙烯酸酯类吸油树脂。尔后,美国、日本和其他国家都大力投入研究高性能吸油树脂。例如:Yoshiyuki Hozumi等在美国专利US 5641847中公开了以烷基链为10~16个碳的(甲基)丙烯酸烷基酯为聚合单体,以乙二醇二甲基丙烯酸酯等双键单体为交联剂合成高吸油性树脂,并测试其在各种油品中的吸油效果。Toru Inaok等在美国专利US 5688843中公开了以(甲基)丙烯酸烷基酯以及(甲基)丙烯酸芳基酯为聚合单体,以双官能团单体为交联剂制备高吸油性树脂,合成树脂对煤油,甲苯的吸油率分别达到25g/g,43.5g/g,保油率在82.6%~92.0%之间。中国专利CN 1442438A公开了一种以丙烯酸酯为单体,以乙二醇二丙烯酸酯类为交联剂,以明胶,纤维素为分散剂,以活性磷酸钙为助分散剂,偶氮类或有机过氧化物为引发剂,采用悬浮聚合合成粒径在0.3~2.0mm的高吸油性树脂粒子,其最大吸油倍率为37倍。中国专利CN 1757658A公开了一种以苯乙烯和长链烯烃为聚合单体的高吸油树脂的制备方法,其对甲苯和氯仿的最大吸油倍率分为16.5g/g和36.7g/g。
周美华等以4-特丁基苯乙烯和三元乙丙橡胶进行接枝共聚,合成了高吸油树脂,同时以PE(聚乙烯),PP(聚丙烯),PET(对苯二甲酸乙二醇酯)无纺布对树脂进行加强,其吸油率在6.2~24.4g/g【High oil-absorptive composites based on4-tert-butylstyrene-EPDM-divinylbenzene graft polymer,Polymer International,2001.50:1193-1120】。曹爱丽等采用乳液聚合方法,合成低交联度的吸油树脂,对苯、三氯甲烷、四氢呋喃吸油率(g/g)分别为27.86、24.84、23.96【丙烯酸系高吸油树脂的合成及性能研究,高分子材料与工程,1999(15),38-40】。孙晓然等人以苯乙烯与一系列甲基丙烯酸长链酯进行悬浮聚合,合成树脂对二甲苯、三氯甲烷、煤油的吸油率(g/g)分别为25.20、19.80、22.5,并且机械强度高的高吸油树脂【丙烯酸酯-苯乙烯共聚物高吸油树脂的合成与性能,塑料工业,2003.31(7),7-8】。
综合分析以上报道,他们采用的引发方式为化学引发剂分解成活性自由基引发聚合。采用的自由基聚合方法绝大多数是悬浮聚合和少数乳液聚合,该两种聚合方法体系分别要加入水溶性大分子化合物、表面活性剂,加之悬浮聚合难控制的凝聚现象等情况,因而导致出现合成树脂的纯度、性能、应用范围和生产工艺难控制等方面的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题之一在于提供一种丙烯酸酯聚合物高吸油树脂,其具有纯度高、完全疏水性等优点。
本发明所要解决的技术问题之二在于提供一种丙烯酸酯聚合物高吸油树脂的制备方法,通过实验优化筛选出适合工业化生产的最佳工艺参数,为工业化生产提供依据。其中聚合方法是采用辐射化学γ射线引发溶液自由基聚合。
本发明所要解决的技术问题之三在于提供一种丙烯酸酯聚合物高吸油树脂的用途,即其可以用于吸收多种类油品和有机溶剂,包括水面浮油,洒落油,工厂车床冷却乳化油以及工业生产、生活污水中的油品和有机物质等。
所述的丙烯酸酯聚合物高吸油树脂,以重量份数计,包括以下组分:
  柔性链段单体   50~95份;
  刚性链段单体   5~50份;
占上述单体重量总和0.2~5wt%的交联剂,以及占上述单体重量总和1.5~4倍的溶剂。
所述柔性链段单体选自:丙烯酸碳2~8的酯类和甲基丙烯酸碳8~12的酯类。例如丙烯酸乙酯、丙烯酸正丙酯、丙烯酸正丁酯、丙烯酸正戊酯、丙烯酸正己酯、丙烯酸异辛酯、甲基丙烯酸-2-乙基己酯、甲基丙烯酸十二酯中的一种或多种。
所述刚性链段单体选自:甲基丙烯酸碳1~6的酯类和玻璃化温度在0℃以上,且与上述柔性链段单体具有适合竞聚率的含有活性双键的单体。例如甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸正丙酯、甲基丙烯酸异丙酯、甲基丙烯酸正丁酯、甲基丙烯酸异丁酯、甲基丙烯酸仲丁酯、甲基丙烯酸叔丁酯、甲基丙烯酸环己酯、甲基丙烯酸异冰片酯、醋酸乙烯酯、丙烯睛、叔丁基苯乙烯、苯乙烯中的一种或多种。
所述交联剂为双官能团单体交联剂,可以选自:乙二醇二丙烯酸酯、二乙二醇二丙烯酸酯、丙二醇二丙烯酸酯、乙二醇二甲基丙烯酸酯、二乙二醇二甲基丙烯酸酯、丙二醇二甲基丙烯酸酯、聚乙二醇二丙烯酸酯、邻苯二甲酸二丙烯酸酯、二乙烯基苯中的一种。
所述溶剂为非活性烷烃、芳烃,或它们的混合物,可以选自:正庚烷、异庚烷、正辛烷、环己烷、石油醚、苯、甲苯、二甲苯等。
所述的丙烯酸酯聚合物高吸油树脂采用溶液自由基聚合方法,经γ射线引发聚合而成。具体包括以下步骤:
①按配方进行配料,加入到带有搅拌、回流冷凝、控温、通氮气并能揭开上盖的反应装置中;搅拌或超声使单体、交联剂及溶剂混合均匀,通氮气排氧。
②将上述装置放入辐射源,控制设定的辐照吸收剂量率和吸收剂量,待溶液粘度变大,变低速搅拌或停止搅拌;即得透明凝胶状丙烯酸酯聚合物,将该聚合物密封,在低温避光条件下保存备用。
③将上述凝胶干燥至恒重,同时回收溶剂,即得所述丙烯酸酯聚合物高吸油树脂。
其中,上述制备方法中,所述辐射源为放射性核素钴60辐射源或铯137辐射源,所述辐射源由经电离辐射产生高能电磁波γ射线引发聚合。
所述辐照吸收剂量率为10~150Gy/min,吸收剂量为1.5~70kGy。
所述凝胶状聚合物干燥可以通过电热、真空、远红外、微波或冷冻等方式脱除溶剂,同时回收溶剂。
本发明的丙烯酸酯聚合物高吸油树脂的应用及其其技术指标、测试计算方法具体如下:
一、吸油操作步骤:
(1)按需要将一定量干燥至恒重的高吸油树脂加入待吸收油品或有机溶剂中,待吸油树脂吸收油品呈现溶胀透明凝胶状为吸油饱和。
(2)用滤网(20~60目)滴淋方法,将吸油凝胶与有机溶剂、油品和水等分离。
(3)称量吸油凝胶重量(精确到小数点后四位),按公式计算吸油率。
二、技术指标及测试计算方法:
1.聚合转化率
称取一定量树脂样品(精确到小数点后四位),计算出其含理论单体及交联剂的质量,两者之和为W0,将其干燥至恒重为W1,按下述公式计算聚合转化率。
2.凝胶分数
称取干态样品(准确至小数点后四位)为W02,采用索式抽提装置,用四氢呋喃抽提24小时,样品烘干至恒重其质量为W2,按下述公式计算凝胶分数。
Figure BSA00000263887400042
3.吸油率
称取一定量的树脂样品(准确至小数点后四位)为W03,放入玻璃器皿中,加入设定量的待测油品,室温浸泡,每隔一段时间测量一次溶胀后树脂质量至恒重为W3,按下述公式计算吸油率。
Figure BSA00000263887400043
4.机械保油率
称取一定量吸油饱和的树脂(精确至小数点后四位)为W04,放入离心管中,以3000转/分钟离心15分钟,过滤,称凝胶质量(精确至小数点后四位)为W4,按下述公式计算机械保油率。
5.树脂的热分解温度
热稳定性分析,取干态树脂10mg(精确至小数点后四位)进行热失重分析,温度范围室温~700℃,氮气氛围。
6.树脂的密度
特制精密刻度具塞的量筒,加入精密量取的蒸馏水校正刻度。称取一定量的树脂样品为W05(准确至小数点后四位),准备具有一定体积(V1)的不锈钢棒,用钢棒窜样品放入上述量筒中,加入精密量取的蒸馏水100毫升,赶出气泡,放置30分钟。然后于室温观察记录量筒中水面体积为V2。
密度(mg/ml)=W05/V2-V1-100
经测试,本发明的丙烯酸酯聚合物高吸油树脂其聚合转化率%≥99.50,凝胶分数%≥60,树脂的密度(mg/ml)约0.9,树脂的热分解温度为221.67~374.92℃。本发明制备的高吸油树脂纯度高,应用范围广,吸油品类多(包括芳烃、氯代烃、酮类、醋酸酯类、烷烃类和有机溶剂),吸油率约为10~50g/g,机械保油率%≥90(详见表1)。
表1本发明的高吸油树脂吸收不同油品的相关参数
  油品名称   饱和吸油率(g/g)   机械保油率(%)
  苯   28.22   90.66
  甲苯   28.56   94.48
  二甲苯   28.14   96.79
  丙酮   0.71   81.15
  丁酮   15.13   94.21
  2-甲基戊酮   19.77   96.83
  二氯甲烷   25.04   94.46
  三氯甲烷   50.48   98.34
  无水乙醚   14.43   93.16
  四氢呋喃   29.36   97.10
  醋酸乙酯   14.66   92.79
  醋酸丁酯   19.92   96.97
  醋酸异戊酯   19.98   96.99
  正庚烷   16.32   92.84
  环己烷   19.67   91.60
  120号汽油   12.85   95.63
  石油醚   18.13   87.10
  煤油   18.74   93.58
  柴油   24.09   92.67
  乳化煤油   10.54   90.24
  乳化柴油   14.92   94.45
  煤油浮油   22.77   96.43
  柴油浮油   21.47   93.37
有益效果:
本发明的丙烯酸酯聚合物高吸油树脂因其配方中不加水溶性原料,因而制得的产品纯度高并且完全疏水,其具有应用范围广,吸油品类多,吸油倍率高,保油性能好,溶剂和吸收的油品可以回收再利用等特点。并且,本发明的产品是由经电离辐射产生高能电磁波γ射线引发溶液聚合而成,该方法是在常温条件下,一步完成,反应过程简单,条件易控,,省能耗,安全环保,更适合工业化生产。
具体实施方式
以下结合具体实施例进一步详细描述本发明的技术方案,但不限于本发明。
实施例1
1)配方(以重量份数计):
Figure BSA00000263887400061
2)制备:
按上述配方配料,加入带有搅拌、回流冷凝、控温、通氮气并能揭开上盖的辐照装置中,以40KHz超声分散20分钟,通高纯氮气20分钟后氮气密封,将其放入60Co辐射源吸收剂量率为75.5014Gy/min的位置,辐照吸收剂量为7.210kGy时取出,得透明凝胶状的丙烯酸酯聚合物,将其密封低温避光保存备用。
将上述透明凝胶状的丙烯酸酯聚合物放入设计形状的装置中,在约100℃条件下干燥至恒重(同时回收溶剂),即得本发明的丙烯酸酯聚合物高吸油树脂。经检测,该树脂对甲苯、氯仿的饱和吸油率(g/g)分别为28.56、43.0,其机械保油率(%)分别为94.48、98.34。
实施例2
1)配方(以重量份数计):
Figure BSA00000263887400062
2)制备:
按上述配方配料,加入带有搅拌、回流冷凝、控温、通氮气并能揭开上盖的辐照装置中,以80转/分钟的速度搅拌20分钟,通高纯氮25分钟后密封;放入60Co辐射源吸收剂量率为100.1975Gy/min的位置,辐照吸收剂量为2.988kGy时取出,得透明凝胶状的丙烯酸酯聚合物,将其密封低温避光保存备用。
将上述透明凝胶状的丙烯酸酯聚合物放入设计形状的装置中,真空干燥至恒重(同时回收溶剂),即得本发明的丙烯酸酯聚合物高吸油树脂。经检测:该树脂对丁酮、醋酸丁酯的饱和吸油率(g/g)分别为15.13、19.98,其机械保油率(%)分别为94.21、96.99。
实施例3
1)配方(以重量份数计):
Figure BSA00000263887400071
2)制备:
按上述配方比例配料加入带有搅拌、回流冷凝、控温、通氮气并能揭开上盖的反应装置中,以80转/分钟的速度搅拌15分钟,通高纯氮气20分钟后,放入60Co辐射源吸收剂量率为20.2306Gy/min的位置,控制辐照吸收剂量为14.570kGy时取出。得到透明凝胶状聚丙烯酸酯,产物密封低温避光保存备用。
吸油树脂的制备是将产物放入设计形状的装置中,约80℃干燥至恒重(同时回收溶剂),即得本发明的丙烯酸酯聚合物高吸油树脂。
该树脂对煤油、柴油饱和吸油率(g/g)分别为18.74、24.09,其机械保油率(%)分别为93.58、92.67。
实施例4
1)配方(以重量份数计):
Figure BSA00000263887400072
2)制备:
按上述配方配料加入带有搅拌、回流冷凝、控温、通氮气并能揭开上盖的反应装置中,以80转/分钟的速度搅拌15分钟,通高纯氮气15分钟后,放入60Co辐射源吸收剂量率为51.3260Gy/min的位置,控制辐照吸收剂量为9.867kGy时取出。得到透明凝胶状聚丙烯酸酯,产物密封低温避光保存备用。
吸油树脂的制备是将产物放入设计形状的装置中,在≥80℃条件下干燥至恒重(同时回收溶剂),即得本发明的丙烯酸酯聚合物高吸油树脂。
该树脂对乳化煤油、乳化柴油、煤油浮油、柴油浮油饱和吸油率(g/g)分别为10.5、15.0、22.8、21.5,其机械保油率(%)分别为90.24、94.45、96.43、93.37。

Claims (5)

1.一种丙烯酸酯聚合物高吸油树脂,其特征在于,以重量份数计,包括以下组份:
柔性链段单体50~95份,所述柔性链段单体选自:丙烯酸乙酯、丙烯酸正丙酯、丙烯酸正丁酯、丙烯酸正戊酯、丙烯酸正己酯、丙烯酸异辛酯、甲基丙烯酸-2-乙基己酯、甲基丙烯酸正十二酯;
刚性链段单体5~50份,所述刚性链段单体选自:甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸正丙酯、甲基丙烯酸异丙酯、甲基丙烯酸正丁酯、甲基丙烯酸异丁酯、甲基丙烯酸仲丁酯、甲基丙烯酸叔丁酯、甲基丙烯酸环己酯、甲基丙烯酸异冰片酯、醋酸乙烯酯、丙烯腈、叔丁基苯乙烯、苯乙烯;
占上述单体重量总和0.2~5wt%的双官能团单体交联剂,所述双官能团单体交联剂选自:乙二醇二丙烯酸酯、二乙二醇二丙烯酸酯、丙二醇二丙烯酸酯、乙二醇二甲基丙烯酸酯、二乙二醇二甲基丙烯酸酯、丙二醇二甲基丙烯酸酯、聚乙二醇二丙烯酸酯、邻苯二甲酸二丙烯酸酯、二乙烯基苯;和
占上述单体重量总和1.5~4倍的溶剂,所述溶剂选自:正庚烷、异庚烷、正辛烷、环己烷、石油醚、苯、甲苯、二甲苯;
将上述组份采用辐射法γ射线引发溶液自由基聚合,具体包括以下步骤:
①按上述配方进行配料,加入到带有搅拌、回流冷凝、控温、通氮气和能打开上盖的反应装置中,搅拌混合均匀,通氮气排氧;
②将上述混合物置入辐射源,控制设定的辐照吸收剂量率和吸收剂量,即得透明凝胶状丙烯酸酯聚合物,将该聚合物密封,在低温避光条件下保存备用;
③将上述凝胶干燥至恒重,同时回收溶剂,即得所述丙烯酸酯聚合物高吸油树脂。
2.根据权利要求1所述的丙烯酸酯聚合物高吸油树脂,其特征在于,所述辐射源为放射性核素钴60辐射源或铯137辐射源,所述辐射源由经电离辐射产生高能电磁波γ射线引发聚合。
3.根据权利要求1所述的丙烯酸酯聚合物高吸油树脂,其特征在于,所述辐照吸收剂量率为10~150Gy/min,辐照吸收剂量为1.5~70kGy。
4.权利要求1所述的丙烯酸酯聚合物高吸油树脂,其特征在于,所述凝胶状聚合物干燥是通过电热、真空、远红外、微波或冷冻方式脱除溶剂,同时回收溶剂,即得到权利要求1所述的高吸油树脂。
5.权利要求1所述的丙烯酸酯聚合物高吸油树脂的用途,能有效吸收水面浮油、洒落油、工厂车床冷却乳化油、生活污水中的油品。
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