CN109880004A

CN109880004A - 高相对分子质量聚丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵的制备方法

Info

Publication number: CN109880004A
Application number: CN201910073996.1A
Authority: CN
Inventors: 张跃军; 王明龙; 陈婷婷
Original assignee: Nanjing University of Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Science and Technology
Priority date: 2019-01-25
Filing date: 2019-01-25
Publication date: 2019-06-14
Anticipated expiration: 2039-01-25
Also published as: CN109880004B

Abstract

本发明公开了一种高相对分子质量聚丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵的制备方法。所述方法以工业品DAC溶液为原料，水溶性偶氮类化合物为引发剂，在氮气氛围下加入平均聚合度为0～200的含端基双键的甲基三烯丙基卤化铵或其低聚物，使其占单体质量分数0.1％～5.0％，再加入金属离子螯合剂、水溶性偶氮类引发剂，使其分别占单体质量分数0.01％～0.03％和0.03％～0.05％，采用程序升温引发，保温聚合的方式合成PDAC胶体，最后胶体经造粒，流化床烘干，得到高相对分子质量的PDAC干粉。本发明制得的PDAC干粉，其高相对分子质量以特征黏度计为14.61dL/g，单体转化率在99.56％以上。

Description

高相对分子质量聚丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵的制备方法

技术领域

本发明属于水溶性阳离子高分子化合物的制备技术领域，涉及一种高相对分子质量聚丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(PDAC)的水溶液聚合制备方法。

背景技术

丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(Acryloyloxyethyl trimethyl ammoniumchloride，简称DAC)是一种具有特殊功能的水溶性阳离子单体，其分子中含有乙烯基团，可均聚或与其它功能性单体共聚。DAC通过自由基聚合反应生成均聚物聚丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(Poly acryloyloxyethyl trimethyl ammonium chloride，简称PDAC)，其反应方程式如式1所示：

以DAC为基的聚合物在石油开采、造纸、日用化学品、生物、医药和水处理等应用领域发挥着重要作用，且年需求量日益增大。在这些领域的应用过程中，一般认为，当单元结构确定后，不同相对分子质量(可用特征黏度[η]表示)的产物对应着不同的分子链节长度，从而具有不同的性质和应用功能。例如，在水处理应用领域中，作为絮凝剂使用时，聚合物相对分子质量越高，投加量越少，对应的絮凝架桥能力越强，絮凝脱水效果越好，充分体现出高相对分子质量产物特别是高转化率在节能减排、环境保护方面的独特作用。因此，在合成角度而言，如何制备高相对分子质量的均聚物来满足不同用途的需要和开拓新的应用一直是该领域研究的热点和重点。

目前，以DAC为基的聚合物合成工艺研究多集中在共聚反应领域，对其均聚物PDAC的制备工艺研究文献报道较少，且所合成的产物相对分子质量还有待提高。至今为止有代表性的研究工作如下。

文献1(滕晓旭.低聚合度阳离子聚合物的研制及其在无盐染色中的应用[D].大连理工大学,2010.)研究了低聚合度聚丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵的制备条件。具体条件为：单体浓度为20％，过硫酸铵和亚硫酸氢钠总用量为单体质量的1％，阻聚剂对苯二酚浓度为1.0×10^-5mol/L，60℃反应2h。得到的聚合产物经无水乙醇和丙酮精制，真空下干燥，得到了淡黄色的PDAC固体。胶体产物在精制过程中除去了一些未反应的DAC单体以及低聚物，精制产物经真空干燥并粉粹成干粉，其相对分子质量为8.7×10³g/mol。该文献特点是氧化还原引发体系，高温引发，反应时间短，但是其目的是制备低聚合度阳离子聚合物即低相对分子质量的聚合物，未涉及单体转化率，更没有对高相对分子质量的聚合物进行研究。

文献2(鞠久妹.DAC、DMC聚合反应工艺初步研究[D].南京理工大学，2013.)对聚丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(PDAC)的制备工艺进行了研究。具体工艺为：以工业品丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(DAC)为原料，采用A为引发剂，釆取引发剂一次性加入-反应过程中分三步升温的聚合反应方式，对聚合反应工艺条件进行了系统优化，得到了制备较高相对分子质量PDAC的聚合工艺条件，并探究了各工艺因素对聚合反应的影响规律。所得产物PDAC最高特征黏度值为7.42dL/g，重均相对分子质量为2.579×l0⁶。该文献采用了三步升温的方式，既可以在前期反应过程中减缓反应的进行，防止爆聚，在后期反应中，通过升高温度，来促进引发剂持续引发，进一步消耗体系内残余的单体，从而提高聚合产物的特征黏度，但是未对引发剂进行说明。

文献3(王明龙.高且系列化相对分子质量PDAC制备工艺的初步研究[D].南京理工大学,2017.)对高相对分子质量PDAC的制备工艺进行了研究。具体工艺条件为：以偶氮二异丁基脒盐酸盐(V50)为引发剂，w(DAC)为53％，m(V50):m(DAC)和m(Na₄EDTA):m(DAC)分别为0.225％和0.02％，在聚合反应过程的引发温度T₁为43℃下反应3h，再在熟化温度T₂为60℃下反应3h，在此工艺条件下，所得胶体产物PDAC特征黏度值为14.16dL/g，单体转化率为98.56％。以过硫酸铵(APS)为引发剂，w(DAC)为53％，m(APS):m(DAC)和m(Na₄EDTA):m(DAC)分别为0.5％和0.01％，在聚合反应过程的引发温度T₁为46℃下反应3h，再在熟化温度T₂为60℃下反应3h，在此工艺条件下，所得胶体产物PDAC特征黏度值为12.49dL/g，单体转化率为98.66％。该文献采用两步升温的方式，以及过氧化物和偶氮类引发剂，反应时间较短，由此，可防止PDAC结构中的酯基由于长时间处在高温环境中易发生的降解；其次，使用了高引发效率的偶氮类引发剂，从而进一步提高聚合物PDAC的特征黏度和单体转化率。但是该文献的聚合物是胶体产物，不利于其存储和运输，推广应用。

在上述的研究工作中，研究者均已注意到可通过引发剂种类的选择、聚合反应工艺的调整和优化等方法，控制或提高PDAC产物的相对分子质量。但是，在提高聚合产物PDAC的相对分子质量，特别是在消除残余单体提高转化率和干粉产物制备方面仍存在一定缺陷。

(1)一步升温，高温引发DAC均聚反应，聚合反应时间短，但是，由于在反应初期高温引发，反应速率加快，易发生爆聚；同时一步升温，在后期由于引发剂持续消耗，反应速率降低，无法进一步消除体系内残余单体，从而仅用于制备PDAC特征黏度值较低的产物且单体转化率低，需要用溶剂去除残余单体，如文献1。

(2)PDAC聚合工艺将一步升温法调整为三步升温法，可实现反应体系分段聚合，不仅可以在前期反应过程中减缓反应的进行，防止爆聚，而且在后期反应中，通过升高温度，使引发剂持续引发，进一步消耗体系内残余的单体，从而提高其特征黏度值，如文献2。但是，在反应后期阶段，由于空间位阻，残余零星的单体DAC分子间，或其与长链PDAC的反应困难，不易于进一步提高PDAC的相对分子质量。

(3)PDAC的聚合工艺从三步升温法变成两步升温，不仅具有三步升温的优点，还可以防止PDAC结构中的酯基由于长时间在高温环境中易发生的降解，从而获得高特征黏度和较高单体转化率的PDAC胶体产物，如文献3。但是，胶体产物不利于储存和运输，也不利于实际使用；同时，采用上述工艺无法使单体转化率进一步显著提高。

由于上述缺陷的存在，导致进一步提高PDAC相对分子质量和单体转化率受到限制。因此，对合成高相对分子质量和高单体转化率PDAC工艺的深入研究至关重要，其可为后续PDAC的性能研究和应用领域的开拓奠定基础。

发明内容

本发明的目的在于提供一种工艺简单稳定，制备成本低的高相对分子质量和高单体转化率的PDAC的制备方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：

高相对分子质量聚丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(PDAC)的制备方法，具体步骤如下：

以工业品DAC单体溶液为原料，在氮气氛围下，加入平均聚合度为0～200的含端基双键的甲基三烯丙基卤化铵或其低聚物，使含端基双键的甲基三烯丙基卤化铵或其低聚物占单体质量分数0.1％～5.0％；再加入金属离子螯合剂，和占单体质量分数0.03％～0.05％的水溶性偶氮类化合物引发剂；加水调节起始单体质量分数为50％～60％，搅拌混合均匀；采用两步升温法，温度分别为35～45℃和55～65℃，保温聚合，获得PDAC胶体产物；胶体经粉碎造粒，烘干，得到高相对分子质量和单体转化率的PDAC干粉。

所述的甲基三烯丙基卤化铵选自甲基三烯丙基氟化铵、甲基三烯丙基氯化铵、甲基三烯丙基溴化铵或甲基三烯丙基碘化铵。

所述的金属离子螯合剂为乙二胺四乙酸四钠或乙二胺四乙酸二钠，占单体质量分数的0.01％～0.03％。

所述的水溶性偶氮类化合物引发剂为偶氮二异丁基脒盐酸盐(V50)或偶氮二异丁咪唑啉盐酸盐(VA044)。

所述的保温聚合时间均为3.0±0.5h。

所述的烘干为在70～110℃下流化床烘干。

所述的烘干时间为1.0±0.5h。

本发明与现有技术相比，其显著优点是：

(1)本发明采用加入含端基双键的单体或低聚物，再程序升温引发、保温聚合的方式，一方面不仅可实现反应体系分段聚合，在前期反应过程中减缓反应进行，防止爆聚，而且在后期反应中，通过升高温度，来促进引发剂持续引发，进一步消耗体系内残余的单体，从而提高其特征黏度值；另一方面，可进一步利用反应性弱的含端基双键的化合物的加入，使其在低温下，稳定存在，不影响快速反应阶段的进程，而在高温下反应，特别是干燥阶段，相当于加入了扩链剂，易于连接残余单体和聚合物，部分抵消因高温引起分子内酯基降解带来的特征黏度损失，从而保持或进一步提高聚合物PDAC的特征黏度，提高单体转化率。因此，本发明获得的PDAC干粉的最高相对分子质量以特征黏度计为14.61dL/g，单体转化率为99.56％以上。

(2)由于聚合物中残留单体在应用中一般均不发挥作用，使用后多留存于环境中。本发明通过加入含端基双键的单体或低聚物，不仅可以在保证获得高特征黏度PDAC产物的基础上，来进一步提高单体转化率，从而提高原料单体的利用率；而且，当使用的聚合物的单体转化率高时，残留在环境中的单体量大大减少，由此可以减少残留单体对环境的污染；

(3)本发明工艺将胶体产物制成干粉产品，不仅便于储存和运输，更有利于实际推广应用。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的技术方案进行描述。

实施例1

第一步，在聚合反应器中加入含量(以质量分数计，下同)为75％的DAC单体的单体水溶液，在氮气氛围下加入平均聚合度为200的低聚物聚甲基三烯丙基氯化铵，使低聚物占单体质量分数为(5.00±0.01)％；

第二步，再在上述反应液中加入占单体质量分数为(0.030±0.005)％的金属螯合剂乙二胺四乙酸二钠溶液，和占单体质量分数为(0.030±0.005)％的偶氮二异丁咪唑啉盐酸盐(VA044)引发剂溶液，加水调节起始单体质量分数至(60±2)％，搅拌20min；

第三步，加热升温反应液到引发温度(35±2)℃，保温聚合时间(3.0±0.5)h；

第四步，再加热升温反应到引发温度(55±2)℃，保温聚合时间(3.0±0.5)h后，停止加热；

第五步，将经两步反应的反应物出料得到PDAC胶体产物。胶体经粉碎造粒，在(70±5)℃流化床上烘干(1.0±0.5)h，获得PDAC干粉产物，产物在(30.0±0.1)℃下的1.0mol/L NaCl溶液中用乌氏粘度计测定，求得特征黏度为13.22dL/g、用溴化法测定单体转化率为99.80％。

实施例2

第一步，在聚合反应器中加入含量为80％的DAC单体的单体水溶液，在氮气氛围下加入平均聚合度为20的低聚物聚甲基三烯丙基碘化铵，使低聚物占单体质量分数为(0.10±0.01)％；

第二步，再在上述反应液中加入占单体质量分数为(0.020±0.005)％的金属螯合剂乙二胺四乙酸二钠溶液，和占单体质量分数为(0.045±0.005)％的偶氮二异丁基脒盐酸盐(V50)引发剂溶液，加水调节起始单体质量分数至(53±2)％，搅拌20min；

第三步，加热升温反应液到引发温度(42±2)℃，保温聚合时间(3.0±0.5)h；

第四步，再加热升温反应到引发温度(60±2)℃，保温聚合时间(3.0±0.5)h后，停止加热；

第五步，将经两步反应的反应物出料得到PDAC胶体产物。胶体经粉碎造粒，在(100±5)℃流化床上烘干(1.0±0.5)h，获得PDAC干粉产物，产物在(30.0±0.1)℃下的1.0mol/L NaCl溶液中用乌氏粘度计测定，求得特征黏度为14.61dL/g、用溴化法测定单体转化率为99.56％。

实施例3

第一步，在聚合反应器中加入含量为85％的DAC单体的单体水溶液，在氮气氛围下加入平均聚合度为0的甲基三烯丙基溴化铵，使其占单体质量分数为(1.50±0.01)％；

第二步，再在上述反应液中加入占单体质量分数为(0.010±0.005)％的金属螯合剂乙二胺四乙酸二钠溶液，和占单体质量分数为(0.050±0.005)％的偶氮二异丁基脒盐酸盐(V50)引发剂溶液，加水调节起始单体质量分数至(50±2)％，搅拌20min；

第三步，加热升温反应液到引发温度(45±2)℃，保温聚合时间(3.0±0.5)h；

第四步，再加热升温反应到引发温度(65±2)℃，保温聚合时间(3.0±0.5)h后，停止加热；

第五步，将经两步反应的反应物出料得到PDAC胶体产物。胶体经粉碎造粒，在(110±5)℃流化床上烘干(1.0±0.5)h，获得PDAC干粉产物，产物在(30.0±0.1)℃下的1.0mol/L NaCl溶液中用乌氏粘度计测定，求得特征黏度为13.65dL/g、用溴化法测定单体转化率为99.88％。

对比例1

参考文献3(王明龙.高且系列化相对分子质量PDAC制备工艺的初步研究[D].南京理工大学,2017.)，制备PDAC的具体步骤如下：

第一步，在聚合反应器中加入含量(以质量分数计，下同)为75％的DAC单体的单体水溶液，在氮气氛围下加入占单体质量分数为(0.020±0.005)％的金属螯合剂乙二胺四乙酸四钠溶液，和占单体质量分数为(0.225±0.005)％的偶氮二异丁基脒盐酸盐(V50)引发剂溶液，加水调节起始单体质量分数至(53±2)％，搅拌20min；

第二步，加热升温反应液到引发温度(43±2)℃，保温聚合时间(3.0±0.5)h；

第三步，再加热升温反应到引发温度(60±2)℃，保温聚合时间(3.0±0.5)h后，停止加热；

第四步，将经两步反应的反应物出料得到PDAC胶体产物。产物在(30.0±0.1)℃下的1.0mol/L NaCl溶液中用乌氏粘度计测定，求得特征黏度为14.17dL/g、用溴化法测定单体转化率为98.37％。胶体经粉碎造粒，在(100±5)℃流化床上烘干(1.0±0.5)h，获得PDAC干粉产物，产物在(30.0±0.1)℃下的1.0mol/L NaCl溶液中用乌氏粘度计测定，求得特征黏度为10.87dL/g、用溴化法测定单体转化率为97.12％。

对比例2

本对比例与实施例1基本相同，唯一不同的是含端基双键的低聚物甲基三烯丙基卤化铵均聚物的平均聚合度为350。具体步骤如下：

第一步，在聚合反应器中加入含量(以质量分数计，下同)为75％的DAC单体的单体水溶液，在氮气氛围下加入平均聚合度为350的低聚物聚甲基三烯丙基氯化铵，使低聚物占单体质量分数为(5.00±0.01)％；

第五步，将经两步反应的反应物出料得到PDAC胶体产物。胶体经粉碎造粒，在(70±5)℃流化床上烘干(1.0±0.5)h，获得PDAC干粉产物，产物在(30.0±0.1)℃下的1.0mol/L NaCl溶液中用乌氏粘度计测定，求得特征黏度为7.98dL/g、用溴化法测定单体转化率为97.34％。

对比例3

本对比例与实施例2基本相同，唯一不同的是含端基双键的低聚物甲基三烯丙基卤化铵均聚物占单体质量分数为(7.80±0.01)％。具体步骤如下。

第一步，在聚合反应器中加入含量为80％的DAC单体的单体水溶液，在氮气氛围下加入平均聚合度为20的低聚物聚甲基三烯丙基碘化铵，使低聚物占单体质量分数为(7.8±0.01)％；

第五步，将经两步反应的反应物出料得到PDAC胶体产物。胶体经粉碎造粒，在(100±5)℃流化床上烘干(1.0±0.5)h，获得PDAC干粉产物，产物在(30.0±0.1)℃下的1.0mol/L NaCl溶液中用乌氏粘度计测定，求得特征黏度为7.95dL/g、用溴化法测定单体转化率为97.97％。

Claims

1.高相对分子质量聚丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的甲基三烯丙基卤化铵选自甲基三烯丙基氟化铵、甲基三烯丙基氯化铵、甲基三烯丙基溴化铵或甲基三烯丙基碘化铵。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的金属离子螯合剂为乙二胺四乙酸四钠或乙二胺四乙酸二钠。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的金属离子螯合剂占单体质量分数的0.01％～0.03％。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的水溶性偶氮类化合物引发剂为偶氮二异丁基脒盐酸盐或偶氮二异丁咪唑啉盐酸盐。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的保温聚合时间均为3.0±0.5h。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的烘干为在70～110℃下流化床烘干。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的烘干时间为1.0±0.5h。