CN1243517A - 丙烯酰胺聚合物分散液的生产方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的是提供一种生产高浓度的价格低廉,有良好流动性,易于处理的丙烯酰胺类聚合物的水分散液的方法。本发明涉及生产丙烯酰胺类聚合物分散液的方法,该方法包括在乙烯基吡咯烷酮均聚物和/或乙烯基吡咯烷酮和其它单体的共聚物存在下,在无机盐水溶液中聚合含丙烯酰胺单体的水溶性单体组分。

Description

丙烯酰胺聚合物分散液的生产方法
                      技术领域
本发明涉及新颖的丙烯酰胺类聚合物的分散液的生产方法。更具体而言,涉及新颖的水溶性丙烯酰胺类聚合物的水分散液的生产方法,这类聚合物可广泛用于废水处理中的絮凝剂和脱水剂,造纸工业中使用的添加剂或试剂,用于悬浮体的分散稳定剂、土壤调节剂等。
                      现有技术
迄今,一直通过将水溶性聚丙烯酰胺分散在无机盐水溶液中(如JP-A 2-99574)或通过丙烯酰胺单体的聚合,大多数为水溶液中的聚合来生产丙烯酰胺类聚合物分散液。这类在水溶液中聚合的方法,由于聚合物的吸水性,随单体浓度的增加会导致形成凝胶类的物质,使得在溶解步骤难以处理聚合物。因此,需稀释聚合物,并以低浓度溶液提供,此时聚合物为流体,或使用通过干燥获得的粉末形态。然而,以低浓度处理非常不经济,需增加运输费用,而通过干燥获得粉末形态需要大量的热能用于干燥,另外,在加热中可能产生诸如三维热交联的问题,导致聚合物不溶。
已知的生产丙烯酰胺类聚合物的方法还有包括油包水类的乳液聚合、或在疏水性溶剂中的悬浮聚合(如JP-A 5-194613)。然而,制得的含有机溶剂的产物需要与使用易燃溶剂有关的设备和测量装置。而且,从生产考虑,有机溶剂的易燃性和强烈的气味会需要投资费用巨大的设备,如聚合装置,以解决可能的工作环境问题。
无有机溶剂的生产方法包括在含水盐溶液中的沉淀聚合,它值得引起注意,这类方法涉及低费用的设备。然而,它的聚合方式存在缺陷,因为制得的聚合物颗粒会聚集成大的料块,极难处理。
已知另一种沉淀聚合方法,它包括在含水盐溶液中进行聚合,该水溶液含有少量加入作为保护胶体的如甘油的多元醇,或聚丙烯酸钠的聚电解质(如JP-B 4-39481和JP-B 6-72170)。这类方法确实可以在一定程度上防止沉淀聚合物颗粒相互粘附,但水溶性一种或多种单体原料的浓度必须降低。就在含水盐溶液中的溶解度而言,还必须抑制阴离子化或阳离子化程度。
                      发明概述
从上述的现实状况考虑,本发明的目的是提供一种生产高浓度的价格低廉,有良好流动性,易于处理的丙烯酰胺类聚合物的水分散液的方法。
针对上述问题经过深入的研究,本发明人完成了本发明,发现在含乙烯基吡咯烷酮作为主要组分的聚合物存在下,使含有丙烯酰胺单体的水溶性单体组分在无机盐水溶液中聚合,可以生产价格低廉,有良好流动性,易于处理的丙烯酰胺类聚合物的高浓度水分散液。因此,本发明涉及丙烯酰胺类聚合物分散液的生产方法,该方法包括在乙烯基吡咯烷酮均聚物和/或乙烯基吡咯烷酮和其它单体的共聚物存在下,在无机盐水溶液中聚合含丙烯酰胺单体的水溶性单体组分,同时使聚合物细颗粒沉淀。
                  发明的详细描述
下面将详细描述本发明。
用于本发明的含丙烯酰胺单体的水溶性单体组分有,丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺(下面这两种化合物通称为(甲基)丙烯酰胺)、(甲基)丙烯酰胺和能与之共聚的阴离子单体的混合物、(甲基)丙烯酰胺和能与之共聚的阳离子单体的混合物。
所述的阴离子单体包括:(甲基)丙烯酸的碱金属盐、碱土金属盐和铵盐、2-丙烯酰氨基-2-甲基丙烷磺酸、富马酸、巴豆酸、马来酸和苯乙烯磺酸以及它们的混合物。其中,优选(甲基)丙烯酸的碱金属盐和碱土金属盐。
所述的(甲基)丙烯酸的碱金属盐和碱土金属盐有:(甲基)丙烯酸锂、(甲基)丙烯酸钠、(甲基)丙烯酸钾、(甲基)丙烯酸镁、(甲基)丙烯酸钙等。其中,丙烯酸钠更为易得和经济,因此丙烯酸钠为最佳选择。
上述的阳离子单体包括:氯化(甲基)丙烯酰氨基乙基三甲铵、氯化(甲基)丙烯酰氨基丙基三甲铵等。
使用(甲基)丙烯酰胺和阴离子单体或阳离子单体的混合物作为含丙烯酰胺单体的水溶性单体组分的情况时,阴离子单体或阳离子单体的含量最好不超过所述含丙烯酰胺单体的水溶性单体组分总量的40%(摩尔)。超过40%(摩尔)会由于形成的聚合物溶解在无机盐水溶液中而不利。
以无机盐、乙烯基吡咯烷酮均聚物和/或乙烯基吡咯烷酮和其它单体的共聚物、含丙烯酰胺单体的水溶性单体组分的总量为基准,所述含丙烯酰胺单体的水溶性单体组分较好的可占1-70%(重量),上述这些物质可用于本发明的生产方法。比例小于1%(重量)在经济上不利,比例超过70%(重量),体系的粘度提高,使操作发生困难。
本发明中使用的无机盐包括无机酸铵盐,如硫酸铵、硝酸铵、硫酸氢铵、磷酸氢二铵等;无机酸的碱金属盐和碱土金属盐,如硫酸钾、硫酸钠、硫酸镁、硝酸钾、硝酸钠、氯化钾、氯化钠、氯化钙、磷酸氢二钾、磷酸二氢钠、硫酸铝、氯化铝等。
这些盐可以单独使用,或以适当的混合物形式使用。其中,优选无机酸铵盐和无机酸钠盐,硫酸铵和硫酸钠更佳。除这些盐外,其它的盐类,如果其水溶液不能溶解聚合物产物,也属于本发明的范围。
没有具体限制所述无机盐水溶液的浓度,但其浓度甚至在聚合反应期间最好也始终保持饱和状态,使制得的聚合物易于沉淀。
不具体限制本发明中使用的乙烯基吡咯烷酮均聚物和/或乙烯基吡咯烷酮与其它单体的共聚物,但可以包括聚乙烯基吡咯烷酮;乙烯基吡咯烷酮/乙酸乙酯共聚物;乙烯基吡咯烷酮/乙烯醇共聚物;乙烯基吡咯烷酮/苯乙烯共聚物;乙烯基吡咯烷酮/长链α-烯烃共聚物,如乙烯基吡咯烷酮/十六碳烯共聚物和乙烯基吡咯烷酮/二十碳烯共聚物等;乙烯基吡咯烷酮/(甲基)丙烯酸十八烷基酯共聚物;乙烯基吡咯烷酮/(甲基)丙烯酸二甲基氨基乙酯共聚物和它们的季铵化产物;乙烯基吡咯烷酮/氯化(甲基)丙烯酰氨基丙基三甲基铵共聚物;乙烯基吡咯烷酮/乙烯基己内酰胺/(甲基)丙烯酸二甲基氨基乙酯的三元共聚物和它们的季铵化产物,等等。其中,较好的是聚乙烯基吡咯烷酮和乙烯基吡咯烷酮/乙酸乙酯共聚物,因为使用它们生产的丙烯酰胺类聚合物具有优良的水中分散性。
对用于本发明的乙烯基吡咯烷酮均聚物和/或乙烯基吡咯烷酮与其它单体的共聚物的分子量没有具体限制,但分子量与其类型、聚合条件和其它因素有关,分子量一般不大于2,000,000,不大于500,000为佳,不大于100,000更好。
本发明使用的乙烯基吡咯烷酮均聚物和/或乙烯基吡咯烷酮和其它单体共聚物的加入量随其类型、分子量和其它因素变化,但是,对每100重量份含丙烯酰胺单体的水溶性单体组分,其加入量在0.1-100重量份范围为宜,5-20重量份更好。小于0.1重量份,与没有加入的情况相类似,不能达到分散稳定效果,产物聚集成块。超过100重量份,不再期望丙烯酰胺类聚合物有聚集活性。
下面描述本发明的生产基于(甲基)丙烯酰胺聚合物分散液的方法。向一个配备有搅拌器、温度计、氮气进管和冷凝器的反应器中投入选择的含丙烯酰胺单体的水溶性单体组分、溶解有乙烯基吡咯烷酮均聚物或乙烯基吡咯烷酮与其它单体共聚物的含水盐溶液,用氮气进行脱氧,然后加入聚合反应引发剂,引发聚合反应并开始搅拌。引发聚合反应后,产物细颗粒开始沉淀,完成聚合反应后,可获得沉淀的聚合物细颗粒的流体分散液。
本发明生产丙烯酰胺类聚合物分散液的方法还可以通过随后在溶解有乙烯基吡咯烷酮均聚物或乙烯基吡咯烷酮与其它单体的共聚物的含水盐溶液中加入选择的含丙烯酰胺单体的水溶性单体组分来进行。
例如,采用加热浴方法,加热至0-100℃,较好的加热至20-60℃,开始所述的聚合反应。聚合反应时间为2-10小时,尽管聚合时间会随聚合反应温度变化。
对上述聚合反应引发剂没有具体的限制,它包括过氧化物聚合反应引发剂,如过氧化苯甲酰、过氧化月桂酰、氢过氧化枯烯、叔丁基过氧化氢、过硫酸钾等;偶氮类聚合反应引发剂,如α,α-偶氮二异丁腈、2,2’-偶氮二-2,4-二甲基戊腈、2,2’-偶氮二异丁酸二甲酯等;氧化还原体系的聚合反应引发剂,如硫酸亚铁铵/过硫酸铵、乙醇铵/过硫酸钾、溴酸钠/二氧化硫等。
所述的聚合反应引发剂的加入量可根据引发剂类型、反应温度而变化,但用量一般为含丙烯酰胺单体的水溶性单体组分重量的0.005-5%。
进行聚合反应中,必要时可加入链转移剂(如异丙醇)、阴离子表面活性剂(如十二烷基苯磺酸盐)、非离子型表面活性剂(聚氧乙烯脱水山梨糖醇单月桂酸酯)等。
由此获得的丙烯酰胺类聚合物的粘均分子量一般为5,000,000-10,000,000。
根据本发明,可以获得富有分散性和流动性的高浓度丙烯酰胺类聚合物的水分散液。假设本发明方法获得的丙烯酰胺类聚合物由于其分子和乙烯基吡咯烷酮为主要组分的聚合物分子间的相互作用而成为大分子的配合物,尽管相互作用的机理还不能确定。由于这样的相互作用,含水盐溶液中以沉积颗粒或沉淀颗粒出现的聚合物细颗粒有适度的三维尺寸,从而有可能防止颗粒聚集,稳定分散。
利用大分子间的相互作用,有可能生产高度阴离子化或阳离子化的丙烯酰胺类的聚合物,因此可获得有较宽范围阴离子化或阳离子化程度的丙烯酰胺类聚合物的水分散液。
实施发明的最佳方式
由下面的实施例进一步详细说明本发明。但是,这些实施例不构成对本发明范围的限制。
                           实施例1
向配备搅拌器、氮气进管、温度计和回流冷凝器的500毫升四口烧瓶中投入80.0克丙烯酰胺、4.0克重均分子量(Mw)为10,000的聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)和199.0克纯水。溶解后获得一均匀溶液。在该溶液中加入115.0克硫酸铵和2.0克硫酸钠,通过使氮气鼓泡除去反应体系中的氧,同时温度保持在25℃。然后,加入30毫克过硫酸钾作为聚合反应引发剂,搅拌下于25℃进行8小时反应。结果获得丙烯酰胺聚合物细颗粒均匀分散于其中的丙烯酰胺聚合物分散液。该分散液25℃的粘度为20,000厘泊。通过在丙酮中沉淀提纯制得的丙烯酰胺聚合物,测定其粘均分子量约为9,000,000。
                          实施例2
按照与实施例1相同的方式,将52.3克丙烯酰胺、7.7克丙烯酸钠和4.0克PVP(Mw=10,000)溶解在219.0克纯水中。加入115.0克硫酸铵和2.0克硫酸钠后,通过使氮气鼓泡除去氧,加入30毫克过硫酸钾,搅拌下于25℃进行8小时的聚合反应,由此获得10%(摩尔)阴离子化程度的均匀分散的丙烯酰胺聚合物细颗粒的丙烯酰胺聚合物分散液。该分散液25℃的粘度为500厘泊,丙烯酰胺聚合物产物的粘均分子量约为8,000,000。
                          实施例3
按照与实施例1相同的方式,将52.3克丙烯酰胺、7.7克丙烯酸钠和6.0克乙烯基吡咯烷酮/乙酸乙烯酯共聚物(70%(摩尔)/30%(摩尔))溶解在217.0克纯水中。加入115.0克硫酸铵和2.0克硫酸钠后,通过使氮气鼓泡除去氧,加入30毫克过硫酸钾,搅拌下于25℃进行8小时的聚合反应,由此获得10%(摩尔)阴离子化程度的聚合物分散液。该分散液25℃的粘度为2,200厘泊,聚合物产物的粘均分子量约为7,200,000。
                          实施例4
按照与实施例1相同的方式,将45.1克丙烯酰胺、14.9克丙烯酸钠和6.0克PVP(Mw=10,000)溶解在255.2克纯水中。加入168.4克硫酸铵和10.4克硫酸钠后,通过使氮气鼓泡除去氧,加入30毫克过硫酸钾,搅拌下于25℃进行8小时的聚合反应,由此获得20%(摩尔)阴离子化程度的聚合物分散液。该分散液25℃的粘度为5,200厘泊,聚合物产物的粘均分子量约为6,500,000。
                          实施例5
按照与实施例1相同的方式,将45.1克丙烯酰胺、14.9克丙烯酸钠和8.0克PVP(Mw=20,000)溶解在312.0克纯水中。加入207.3克硫酸铵和12.7克硫酸钠后,通过使氮气鼓泡除去氧,加入30毫克过硫酸钾,搅拌下于25℃进行8小时的聚合反应,由此获得20%(摩尔)阴离子化程度的聚合物分散液。该分散液25℃的粘度为8,400厘泊,聚合物产物的粘均分子量约为7,000,000。
                          实施例6
按照与实施例1相同的方式,将27.8克丙烯酰胺、12.2克丙烯酸钠和20.0克PVP(Mw=10,000)溶解在200.6克纯水中。加入132.6克硫酸铵和6.8克硫酸钠后,通过使氮气鼓泡除去氧,加入30毫克过硫酸钾,搅拌下于25℃进行8小时的聚合反应,由此获得25%(摩尔)阴离子化程度的聚合物分散液。该分散液25℃的粘度为75,000厘泊,聚合物产物的粘均分子量约为6,100,000。
                          比较例1
按照实施例2的聚合方式进行,不同之处是不使用PVP。因此,将52.3克丙烯酰胺和7.7克丙烯酸钠溶解在219.0克纯水中。加入115.0克硫酸铵和2.0克硫酸钠后,通过使氮气鼓泡除去氧,搅拌下加入30毫克过硫酸钾引发聚合反应。随聚合反应进行,反应体系粘度增加,直到不能搅拌,反应体系结成块。
                          比较例2
按照实施例4的聚合方式进行,不同之处是不使用PVP。因此,将45.1克丙烯酰胺和14.9克丙烯酸钠溶解在255.2克纯水中。加入168.4克硫酸铵和10.4克硫酸钠后,通过使氮气鼓泡除去氧,搅拌下加入30毫克过硫酸钾引发聚合反应。随聚合反应进行,反应体系粘度增加,直到不能搅拌,反应体系结成块。
                          比较例3
按照实施例4的聚合方式进行,不同之处是使用聚乙二醇代替PVP。因此,将45.1克丙烯酰胺、14.9克丙烯酸钠和6.0克聚乙二醇(Mw=400)溶解在255.2克纯水中。加入168.4克硫酸铵和10.4克硫酸钠后,通过使氮气鼓泡除去氧,搅拌下加入30毫克过硫酸钾引发聚合反应。随聚合反应进行,反应体系粘度增加,直到不能搅拌,反应体系结成块。
                          比较例4
按照实施例6的聚合方式进行,不同之处是丙烯酸钠用量超过40%(摩尔)。因此,将13.5克丙烯酰胺、26.5克丙烯酸钠和20.0克PVP(Mw=10,000)溶解在200.6克纯水中。加入132.6克硫酸铵和6.8克硫酸钠后,通过使氮气鼓泡除去氧,搅拌下加入30毫克过硫酸钾引发聚合反应。随聚合反应进行,反应体系粘度增加,直到不能搅拌,反应体系结成块。
                          工业应用
本发明是新颖的生产丙烯酰胺类聚合物在无机盐水溶液中分散液的方法,所获聚合物具有优良的水中分散性,因此可获得富有流动性的高浓度水分散液。它们还能长期很好地保持其特性。另外,该方法还具有如下的其它特点:
1.因不使用机溶剂,从环境保护方面来看是较佳的。
2.由于高浓度可达到极经济,因此降低了运输成本;
3.由于产物是以细颗粒分散的分散液,在用水稀释时容易溶胀和溶解分散液中所含的聚合物,得到丙烯酰胺类聚合物水溶液,因此可得到极好的加工操作性。

Claims (8)

1.一种丙烯酰胺类聚合物的分散液的生产方法,该方法包括在乙烯基吡咯烷酮均聚物和/或乙烯基吡咯烷酮和其它单体的共聚物存在下,在无机盐水溶液中聚合含丙烯酰胺单体的水溶性单体组分。
2.如权利要求1所述的方法,其特征还在于,所述无机盐是无机酸的铵盐。
3.如权利要求1所述的方法,其特征还在于,所述无机盐是无机酸的碱金属盐。
4.如权利要求1所述的方法,其特征还在于,所述含丙烯酰胺单体的水溶性单体组分是丙烯酰胺。
5.如权利要求1所述的方法,其特征还在于,所述含丙烯酰胺单体的水溶性单体组分是丙烯酰胺和丙烯酸钠的混合物。
6.如权利要求5所述的方法,其特征还在于,所述丙烯酸钠含量不超过丙烯酰胺和丙烯酸钠总摩尔量的40%。
7.如权利要求1所述的方法,其特征还在于,所述含丙烯酰胺单体的水溶性单体组分的量为无机盐、乙烯基吡咯烷酮均聚物和/或乙烯基吡咯烷酮和其它单体共聚物、含丙烯酰胺单体的水溶性单体组分的总重量的1-70%。
8.如权利要求1所述的方法,其特征还在于,每100重量份含丙烯酰胺单体的水溶性单体组分中乙烯基吡咯烷酮均聚物和/或乙烯基吡咯烷酮和其它单体的共聚物的量为0.1-100重量份。
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