CN102286128A - 一种阳离子疏水缔合聚丙烯酰胺“水包水”乳液 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及到一种疏水缔合聚丙烯酰胺“水包水”乳液的合成。通过丙烯酰胺与具有结构的阳离子单体及具有
Description
技术领域
本发明涉及到一种阳离子疏水缔合聚丙烯酰胺“水包水”乳液及其制备，属于新形态水溶性高分子领域。
背景技术
聚丙烯酰胺(PAM)是用途广泛的水溶性高分子化合物，被称为“百业助剂”，它是丙烯酰胺均聚物和各种共聚物的统称，包括非离子型、阴离子型、阳离子型和两性离子型并均可以以液态、胶态、干粉等物理形态出现。近年来，根据应用的需要研究者们在聚合物链段中引入各种功能性单体制备出具有不同功能的聚丙烯酰胺，阳离子疏水缔合聚丙烯酰胺为其中的一种研究较多的功能性聚丙烯酰胺。
阳离子疏水缔合聚丙烯酰胺采用一些具有一定疏水能力的单体与AM或阳离子单体如甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、二甲基二烯丙基氯化铵等阳离子单体共聚，其聚合物在水溶液时由于疏水基团的疏水作用发生物理交联形成空间网络结构，所以有相当强的耐温耐盐抗剪切性能，可以用于高温高盐高剪切的环境。同时，由于聚合物中疏水基团有较强的亲油性能，能伸入乳化油滴中从而增强聚合物链捕捉油滴的能力，大大提高阳离子聚丙烯酰胺的除油性能。所以阳离子疏水缔合聚丙烯酰胺可以作为高效除油剂在油田污水处理中得到应用。
目前合成阳离子疏水缔合聚丙烯酰胺的方法同合成阳离子聚丙烯酰胺的方法基本相同，大多为溶液聚合、反相乳液聚合和反相微乳液聚合。得到的产品形态也以干粉及乳液为主。但是，这两种形态的HAPAM因为自身难以克服的缺点成为了制约HAPAM更为广泛应用的瓶颈。如通过溶液聚合合成的干粉形态HAPAM，在聚合完成后要经过干燥造粒等工序，浪费能源的同时还会产生粉尘污染从而威胁工作人员的身体健康；最为严重的是这种形态的HAPAM比普通的PAM更难在水中完全溶解。为了解决溶解问题，反相乳液及反相微乳液的形态的HAPAM出现了，但是有机溶剂和表面活性剂的加入在大大增加了成本的同时也增加了安全隐患。为了解决以上问题使HAPAM更为方便的得到应用，本专利提出利用水介质分散聚合技术将HAPAM做成“水包水”乳液。
经过查新，相似的技术仅见于专利US5597858，此专利中以丙烯酰胺同带有苯环的疏水单体二元共聚，其稳定剂中也引入了疏水单体同二甲基二烯丙基氯化铵共聚合。而在本专利中多以三元或者多元共聚为主；稳定剂中不引入疏水单体，这样使分子柔性更好，且稳定剂的分子量更小用量更多，从而使得到的“水包水”乳液更为稳定并有着更好的溶解性能。
发明内容
本发明利用水介质分散聚合合成了一种阳离子疏水缔合“水包水”聚丙烯酰胺乳液，目的是利用“水包水”乳液的速溶环保成本较低等优点来解决传统方法合成HAPAM干粉难于溶解及反相乳液成本高不安全不环保等问题。将丙烯酰胺、阳离子单体及疏水阳离子单体三元或多元在浓无机盐水溶液作为介质的条件下共聚，并最终形成“水包水”乳状液，其拥有较低表观粘度及较高分子量，同时拥有较快的溶解速度。
本发明的另一目的在于提供一种疏水缔合阳离子聚丙烯酰胺‘水包水’乳液的合成方法，该合成方法采用最便宜的溶剂-水和最常用的无机盐作为介质，不但提高了生产过程中的安全性，同时因为不使用有机溶剂而降低了成本；同时该合成方法合成的高分子乳液既有高的分子量，同时又具有较高的有效含量，所以又可兼顾运输成本。
为达到以上技术目的，本发明提供以下技术方案。
本发明为三元及多元共聚合，其中包括非离子型单体、阳离子型单体及疏水阳离子单体，单体总量占整个体系的10-30wt％，其中优选15-25wt％。
适用于本发明的非离子单体，可以为带有一个或多个可加成聚合双健的水溶性化合物，具体可以包括为丙烯酰胺、(甲基)丙烯酰胺、N-甲基(甲基)丙烯酰胺、N-异丙基(甲基)丙烯酰胺、N，N-二甲基(甲基)丙烯酰胺等，其中优选丙烯酰胺。
可用于本发明的阳离子单体，其必须拥有如下结构的一种或者多种：
其中：R1可以是H或者CH3；R2、R3和R4为CH3或C2H5；A可以是NH2或O，B为CnH2n也可以是苄基。
而诸多阳离子单体中，以甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵及二甲基二烯丙烯基氯化铵为最优。
本发明中所应用的带有疏水基团的单体结构式为：
其中：A可以是H或者CH3；n的范围为0-20，X为溴或者氯。
本发明中疏水单体根据n的数值可以为命名为DM1-DM20，加入量可以为单体问题的0-10mol％。
疏水缔合“水包水”聚丙烯酰胺乳液的合成以无机盐水溶液为介质，所用无机盐必须为单体的良溶剂，最终聚合物的不良溶剂。满足此要求的无机盐包括钠、铵、镁、铝等离子的多价阴离子盐，优选硫酸钠、硫酸铵、硫酸镁、硫酸铝、磷酸钠、磷酸氢二钠、磷酸二氢钠、磷酸根及磷酸氢根的铵盐，其中最优先硫酸钠和硫酸铵。无机盐的含量应占整个分散体系的15-35wt％，最好20-30wt％。
本发明所采用的引发体系为水溶性的氧化-还原体系或者是水溶性的偶氮类热分解引发剂。氧化-还原体系包括过硫酸钾/亚硫酸氢钠、过硫酸铵/亚硫酸氢钠、过氧化氢/亚硫酸氢钠，水溶性的偶氮类热分解引发剂为V044和V50。引发剂可以一种体系单独使用，也可以多种体系复合使用，引发剂用量占单体重量的0.006-0.01wt％。
本发明所用的稳定剂为自制的水溶液阳离子低聚物，合成该水溶液阳离子低聚物的单体包括阳离子单体丙烯酰氧乙基二甲基苄基氯化铵、甲基丙烯酰氧乙基二甲基苄基氯化铵、丙烯酰氨基丙基二甲基苄基氯化铵、甲基丙烯酰氨基丙基二甲基苄基氯化铵、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、甲基丙烯酰氧丙基三甲基氯化铵、丙烯酰氧丙基三甲基氯化铵、N，N-二甲基二烯丙基氯化铵等的一种或者是几种共聚而成，也可以是其中的一种或几种阳离子单体同一种或几种非离子单体的共聚。稳定剂在分散体系中的加入量占单体体系的20-40wt％，其中优选20-30wt％。
本发明所采用的反应温度，可根据所采用的引发体系而定。其中氧化-还原引发体系的使用温度为20-30℃；氧化-还原引发剂和热分解引发剂构成的复合引发体系的使用温度为20-30℃；水溶性偶氮类热分解引发体系的使用温度为30-40℃。
具体实施方式
实施例1
在配有冷凝管、温度计、氮气入口和搅拌器的250ml四口圆底烧瓶中加入87g去离子水，54g硫酸铵，22g丙烯酰胺，8g甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(浓度为80％)溶液，17g丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(浓度为80％)溶液，30g稳定剂，1.1g甲基丙烯酰氧乙基二甲基丁基氯化铵(DM4)，0.02gEDTA；恒温25℃，搅拌800转/分，通氮以去除体系内氧气。通氮约15分钟后加入0.02ml 1wt％的V044溶液，0.01ml 1wt％NaHSO3溶液，0.02ml 1wt％(NH4)2S2O8溶液。15分钟后聚合开始，30分钟内体系粘度持续增加，聚合开始2小时后体系逐渐由透明变为乳白色，粘度也逐渐降低。此时加入0.02ml 1wt％的V044溶液。4小时加入0.04ml 1wt％的V044溶液，8小时加入0.08ml 1wt％的V044溶液，反应持续24小时。加入2g硫酸铵降粘后将反应产物取出，得到表观粘度为500mpas的含有1mol％的乳白色疏水缔合“水包水”分散液。取少许分散液于1NNaCl配成有效含量为0.1wt％的溶液，测得特性粘数为1140ml/g。
实施例2
在配有冷凝管、温度计、氮气入口和搅拌器的250ml四口圆底烧瓶中加入85.9g去离子水，54g硫酸铵，22g丙烯酰胺，8g甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(浓度为80％)溶液，17g丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(浓度为80％)溶液，30g稳定剂，2.2g甲基丙烯酰氧乙基二甲基丁基氯化铵(DM4)，0.02gEDTA；恒温25℃，搅拌800转/分，通氮以去除体系内氧气。通氮约15分钟后加入0.02ml 1wt％的V044溶液，0.01ml 1wt％NaHSO3溶液，0.02ml 1wt％(NH4)2S2O8溶液。15分钟后聚合开始，30分钟内体系粘度持续增加，聚合开始2小时后体系逐渐由透明变为乳白色，粘度也逐渐降低。此时加入0.02ml 1wt％的V044溶液。4小时加入0.04ml 1wt％的V044溶液，8小时加入0.08ml 1wt％的V044溶液，反应持续24小时。加入2g硫酸铵降粘后将反应产物取出，得到表观粘度为660mpas的含有2mol％的乳白色疏水缔合“水包水”分散液。取少许分散液于1NNaCl配成有效含量为0.1wt％的溶液，测得特性粘数为960ml/g。
实施例3
在配有冷凝管、温度计、氮气入口和搅拌器的250ml四口圆底烧瓶中加入85.9g去离子水，44g硫酸铵，8g硫酸钠，22g丙烯酰胺，8g甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(浓度为80％)溶液，17g丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(浓度为80％)溶液，30g稳定剂，2.2g甲基丙烯酰氧乙基二甲基丁基氯化铵(DM4)，0.02gEDTA；恒温25℃，搅拌800转/分，通氮以去除体系内氧气。通氮约15分钟后加入0.02ml 1wt％的V044溶液，0.01ml 1wt％NaHSO3溶液，0.02ml 1wt％(NH4)2S2O8溶液。15分钟后聚合开始，30分钟内体系粘度持续增加，聚合开始2小时后体系逐渐由透明变为乳白色，粘度也逐渐降低。此时加入0.02ml 1wt％的V044溶液。4小时加入0.04ml 1wt％的V044溶液，8小时加入0.0gml 1wt％的V044溶液，反应持续24小时。加入2g硫酸铵降粘后将反应产物取出，得到表观粘度为360mpas的含有2mol％的乳白色疏水缔合“水包水”分散液。取少许分散液于1NNaCl配成有效含量为0.1wt％的溶液，测得特性粘数为1080ml/g。
实施例4
在配有冷凝管、温度计、氮气入口和搅拌器的250ml四口圆底烧瓶中加入87g去离子水，44g硫酸铵，8g硫酸钠，22g丙烯酰胺，8g甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(浓度为80％)溶液，17g丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(浓度为80％)溶液，30g稳定剂，1.208g甲基丙烯酰氧乙基二甲基己基氯化铵(DM6)，0.02gEDTA；恒温25℃，搅拌800转/分，通氮以去除体系内氧气。通氮约15分钟后加入0.02ml 1wt％的V044溶液，0.01ml 1wt％NaHSO3溶液，0.02ml 1wt％(NH4)2S2O8溶液。15分钟后聚合开始，30分钟内体系粘度持续增加，聚合开始2小时后体系逐渐由透明变为乳白色，粘度也逐渐降低。此时加入0.02ml 1wt％的V044溶液。4小时加入0.04ml 1wt％的V044溶液，8小时加入0.08ml 1wt％的V044溶液，反应持续24小时。加入2g硫酸铵降粘后将反应产物取出，得到表观粘度为420mpas的含有1mol％DM6的乳白色疏水缔合“水包水”分散液。取少许分散液于1NNaCl配成有效含量为0.1wt％的溶液，测得特性粘数为990ml/g。
实施例5
在配有冷凝管、温度计、氮气入口和搅拌器的250ml四口圆底烧瓶中加入84.6g去离子水，44g硫酸铵，8g硫酸钠，22g丙烯酰胺，8g甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(浓度为80％)溶液，17g丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(浓度为80％)溶液，30g稳定剂，2.416g甲基丙烯酰氧乙基二甲基己基氯化铵(DM6)，0.02gEDTA；恒温25℃，搅拌800转/分，通氮以去除体系内氧气。通氮约15分钟后加入0.02ml 1wt％的V044溶液，0.01ml 1wt％NaHSO3溶液，0.02ml 1wt％(NH4)2S2O8溶液。15分钟后聚合开始，30分钟内体系粘度持续增加，聚合开始2小时后体系逐渐由透明变为乳白色，粘度也逐渐降低。此时加入0.02ml 1wt％的V044溶液。4小时加入0.04ml 1wt％的V044溶液，8小时加入0.08ml 1wt％的V044溶液，反应持续24小时。加入2g硫酸铵降粘后将反应产物取出，得到表观粘度为570mpas的含有2mol％DM6的乳白色疏水缔合“水包水”分散液。取少许分散液于1NNaCl配成有效含量为0.1wt％的溶液，测得特性粘数为870ml/g。
实施例6
在配有冷凝管、温度计、氮气入口和搅拌器的250ml四口圆底烧瓶中加入87g去离子水，44g硫酸铵，8g硫酸钠，22g丙烯酰胺，8g甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(浓度为80％)溶液，17g丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(浓度为80％)溶液，30g稳定剂，1.316g甲基丙烯酰氧乙基二甲基辛基氯化铵(DM8)，0.02gEDTA；恒温25℃，搅拌800转/分，通氮以去除体系内氧气。通氮约15分钟后加入0.02ml 1wt％的V044溶液，0.01ml 1wt％NaHSO3溶液，0.02ml 1wt％(NH4)2S2O8溶液。15分钟后聚合开始，30分钟内体系粘度持续增加，聚合开始2小时后体系逐渐由透明变为乳白色，粘度也逐渐降低。此时加入0.02ml 1wt％的V044溶液。4小时加入0.04ml 1wt％的V044溶液，8小时加入0.08ml 1wt％的V044溶液，反应持续24小时。加入2g硫酸铵降粘后将反应产物取出，得到表观粘度为550mpas的含有1mol％DM8的乳白色疏水缔合“水包水”分散液。取少许分散液于1NNaCl配成有效含量为0.1wt％的溶液，测得特性粘数为890ml/g。
实施例7
在配有冷凝管、温度计、氮气入口和搅拌器的250ml四口圆底烧瓶中加入84.4g去离子水，44g硫酸铵，8g硫酸钠，22g丙烯酰胺，8g甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(浓度为80％)溶液，17g丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(浓度为80％)溶液，30g稳定剂，2.632g甲基丙烯酰氧乙基二甲基辛基氯化铵(DM8)，0.02gEDTA；恒温25℃，搅拌800转/分，通氮以去除体系内氧气。通氮约15分钟后加入0.02ml 1wt％的V044溶液，0.01ml 1wt％NaHSO3溶液，0.02ml 1wt％(NH4)2S2O8溶液。15分钟后聚合开始，30分钟内体系粘度持续增加，聚合开始2小时后体系逐渐由透明变为乳白色，粘度也逐渐降低。此时加入0.02ml 1wt％的V044溶液。4小时加入0.04ml 1wt％的V044溶液，8小时加入0.08ml 1wt％的V044溶液，反应持续24小时。加入2g硫酸铵降粘后将反应产物取出，得到表观粘度为620mpas的含有2mol％DM8的乳白色疏水缔合“水包水”分散液。取少许分散液于1NNaCl配成有效含量为0.1wt％的溶液，测得特性粘数为790ml/g。
实施例8
在配有冷凝管、温度计、氮气入口和搅拌器的250ml四口圆底烧瓶中加入87g去离子水，44g硫酸铵，8g硫酸钠，22g丙烯酰胺，8g甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(浓度为80％)溶液，17g丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(浓度为80％)溶液，30g稳定剂，1.496g甲基丙烯酰氧乙基二甲基十二烷基氯化铵(DM12)，0.02gEDTA；恒温25℃，搅拌800转/分，通氮以去除体系内氧气。通氮约15分钟后加入0.02ml 1wt％的V044溶液，0.01ml 1wt％NaHSO3溶液，0.02ml 1wt％(NH4)2S2O8溶液。15分钟后聚合开始，30分钟内体系粘度持续增加，聚合开始2小时后体系逐渐由透明变为乳白色，粘度也逐渐降低。此时加入0.02ml 1wt％的V044溶液。4小时加入0.04ml 1wt％的V044溶液，8小时加入0.08ml 1wt％的V044溶液，反应持续24小时。加入2g硫酸铵降粘后将反应产物取出，得到表观粘度为650mpas的含有1mol％DM12的乳白色疏水缔合“水包水”分散液。取少许分散液于1NNaCl配成有效含量为0.1wt％的溶液，测得特性粘数为720ml/g。
实施例9
在配有冷凝管、温度计、氮气入口和搅拌器的250ml四口圆底烧瓶中加入87g去离子水，44g硫酸铵，8g硫酸钠，22g丙烯酰胺，8g甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(浓度为80％)溶液，17g丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(浓度为80％)溶液，30g稳定剂，1.684g甲基丙烯酰氧乙基二甲基十六烷基氯化铵(DM16)，0.02gEDTA；恒温25℃，搅拌800转/分，通氮以去除体系内氧气。通氮约15分钟后加入0.02ml 1wt％的V044溶液，0.01ml 1wt％NaHSO3溶液，0.02ml 1wt％(NH4)2S2O8溶液。15分钟后聚合开始，30分钟内体系粘度持续增加，聚合开始2小时后体系逐渐由透明变为乳白色，粘度也逐渐降低。此时加入0.02ml 1wt％的V044溶液。4小时加入0.04ml 1wt％的V044溶液，8小时加入0.08ml 1wt％的V044溶液，反应持续24小时。加入2g硫酸铵降粘后将反应产物取出，得到表观粘度为680mpas的含有1mol％DM16的乳白色疏水缔合“水包水”分散液。取少许分散液于1NNaCl配成有效含量为0.1wt％的溶液，测得特性粘数为710ml/g。
实施例10
在配有冷凝管、温度计、氮气入口和搅拌器的250ml四口圆底烧瓶中加入87g去离子水，44g硫酸铵，8g硫酸钠，22g丙烯酰胺，8g甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(浓度为80％)溶液，17g丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(浓度为80％)溶液，30g稳定剂，0.22g甲基丙烯酰氧乙基二甲基十八烷基氯化铵(DM18)，0.02gEDTA；恒温25℃，搅拌800转/分，通氮以去除体系内氧气。通氮约15分钟后加入0.02ml 1wt％的V044溶液，0.01ml 1wt％NaHSO3溶液，0.02ml 1wt％(NH4)2S2O8溶液。15分钟后聚合开始，30分钟内体系粘度持续增加，聚合开始2小时后体系逐渐由透明变为乳白色，粘度也逐渐降低。此时加入0.02ml 1wt％的V044溶液。4小时加入0.04ml 1wt％的V044溶液，8小时加入0.08ml 1wt％的V044溶液，反应持续24小时。加入2g硫酸铵降粘后将反应产物取出，得到表观粘度为560mpas的含有1mol％DM18的乳白色疏水缔合“水包水”分散液。取少许分散液于1NNaCl配成有效含量为0.1wt％的溶液，测得特性粘数为680ml/g。
Claims (14)
1.一种阳离子疏水缔合聚丙烯酰胺“水包水”乳液的合成方法，此阳离子疏水缔合“水包水”乳液的组分包括：单体(非离子单体、阳离子单体及带有长碳链的疏水单体)、无机盐、去离子水、稳定剂及引发体系。
2.根据权利1的要求，本发明所适用的非离子单体包括丙烯酰胺、(甲基)丙烯酰胺、N-甲基(甲基)丙烯酰胺、N-异丙基(甲基)丙烯酰胺、N，N-二甲基(甲基)丙烯酰胺等，其中优选丙烯酰胺。
3.根据权利1的要求，本发明所适用的阳离子单体的结构式为：
其中：R1可以是H或者CH3；R2、R3和R4为CH3或C2H5；A可以是NH2或O，B为CnH2n也可以是苄基。
4.根据权利1及权利3所述的阳离子单体，以甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵及二甲基二烯丙烯基氯化铵为最优。
5.根据权利1的要求，本所明所适用的疏水单体的结构式为：
其中：A可以是H或者CH3；n的范围为0-20，X为溴或者氯。
6.根据权利1及权利5所述的疏水单体所占单体总量的0-10mol％。
7.根据权利1及权利2、权利3、权利4、权利5的要求，单体体系所占总体系的10-30wt％，其中优选15-25wt％。
8.根据权利1的要求，本发明所适用的无机盐要在水中有相当大的溶解度，并且其水溶液为单体的良溶剂，目标聚合物的不良溶剂。所以满足此要求的无机盐包括钠、铵、镁、铝等离子的多价阴离子盐，优选硫酸钠、硫酸铵、硫酸镁、硫酸铝、磷酸钠、磷酸氢二钠、磷酸二氢钠、磷酸根及磷酸氢根的铵盐，其中最优选硫酸钠和硫酸铵的一种或者复合。
9.根据权利1及权利8所述，无机盐的含量应占整个分散体系的15-35wt％，最好20-30wt％。
10.根据权利1的要求，本发明所用的稳定剂为超低分子量阳离子聚合物，合成该水溶液阳离子低聚物的单体包括阳离子单体丙烯酰氧乙基二甲基苄基氯化铵、甲基丙烯酰氧乙基二甲基苄基氯化铵、丙烯酰氨基丙基二甲基苄基氯化铵、甲基丙烯酰氨基丙基二甲基苄基氯化铵、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵、甲基丙烯酰氧丙基三甲基氯化铵、丙烯酰氧丙基三甲基氯化铵、N，N-二甲基二烯丙基氯化铵等的一种或者是几种共聚而成，也可以是其中的一种或几种阳离子单体同一种或几种非离子单体的共聚。
11.根据权利1及权利10的要求，稳定剂的加入量为加入量占单体体系的20-40wt％，其中优选20-30wt％。
12.根据权利1的要求，本发明所采用的引发体系为水溶性的氧化-还原体系或者是水溶性的偶氮类热分解引发剂，氧化-还原体系包括过硫酸钾/亚硫酸氢钠、过硫酸铵/亚硫酸氢钠、过氧化氢/亚硫酸氢钠，水溶性的偶氮类热分解引发剂为V044和V50。引发剂可以一种体系单独使用，也可以多种体系复合使用。
13.根据权利1及权利12的要求，引发剂的用量为单体重量的0.006-0.01wt％。
14.根据权利1、权利12及权利13所述，本发明所采用的引发温度为20-30℃。
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2009
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