星形造纸用阴离子垃圾捕捉剂的合成与表征

张光彦 安俊健 刘南洋

湖北工业大学 化学与环境工程学院 湖北 武汉 （430068）

星形造纸用阴离子垃圾捕捉剂的合成与表征

张光彦 安俊健 刘南洋

湖北工业大学 化学与环境工程学院 湖北 武汉 （430068）

介绍了以过硫酸钾和季戊四醇为氧化还原引发体系引发甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(DMC)进行自由基聚合，从而得到星形聚甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵（PDMC），并采用FTIR、1H-NMR、SEC-MALLS进行表征。

星形聚合物；溶液聚合；阴离子垃圾捕捉剂

阴离子垃圾是指纸机湿部存在的所有溶解的阴离子聚合物（低聚物或高聚物）和胶体的阴离子物质的总称。随着造纸工业的迅猛发展，特别是随着造纸原料结构的变化、涂布损纸的回用、白水封闭循环程度的提高等，从而使纸机湿部干扰性的阴离子杂质的聚集程度和浓度越来越高，导致抄纸系统内断纸频繁、易出现纸病，连续作业时间缩短、生产量降低等一系列问题，而添加阴离子垃圾捕捉剂则是解决上述问题的方法之一。星形聚合具有线形聚合物不可比拟的优势，因而近年来成为了研究热点[1,2]。

1 实验

1.1 实验原料

甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵水溶液（DMC），质量分数79.4%，青州市奥星化工有限公司；过硫酸钾，分析纯，国药集团化学试剂有限公司；季戊四醇，化学纯，国药集团化学试剂有限公司。

1.2 实验方法

根据任淑霞[3,4]的研究，以季戊四醇和过硫酸铵组成氧化还原引发体系，引发丙烯酰胺（AM）和二甲基二丙烯丙基氯化铵(DMDAAC)进行自由基共聚，合成星形阳离子型聚丙烯酰胺。其认为独电子基团为季戊四醇分子中亚甲基失去一个氢原子，从而形成自由基，进而引发聚合反应。我们根据该理论，设计了本反应的合成路线，如图1所示。

先将季戊四醇、过硫酸钾溶解于去离子水中，然后与DMC溶液一起加入至50mL的长颈反应瓶中，混合均匀，抽真空充氮气，反复三次除氧，置于50℃恒温油浴中，磁力搅拌反应6小时。之后，将所得反应物于过量的丙酮中沉淀以除去未反应的单体DMC，收集沉淀，真空干燥至恒重得到白色固体（星形PDMC）。

1.3 红外表征

取星形PDMC于KBr中碾磨压片制样，通过Lambda Bio40 UV Vis spectrometer(Perkin-Elmer)检测红外光谱。

1.4 核磁表征

取样品10mg，以D2O为溶剂，在Varian Unity 300MHz核磁共振仪上测定PDMC的1H-NMR。

1.5 分子量的表征

以pH 4.4醋酸钠-醋酸的缓冲溶液为流动相，采用SEC-MALLS（体积排阻色谱-多角度激光光散射法）进行分子量的表征。

1.6 特性粘数的测定

特性粘数[η]按GB12005.1－89进行测定。

2 结果与讨论

2.1 星形PD M C的结构表征

2.1.1 FTIR表征

星形PDMC的红外谱图见图2。其中954 cm-1处的峰为季铵盐的特征吸收峰；1729 cm-1处的峰为酯键－COO－中的羰基峰；2850 cm-1及2922 cm-1一带为亚甲基（－CH2－）和甲基（－CH3）的伸缩振动；而季戊四醇中羟基的吸收峰则在3400 cm-1一带。

2.1.2 1H-NMR表征

星形PDMC的1H-NMR见图4。由图4可见PDMC在5.5－6.5ppm之间无质子峰出现，而甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵的1H-NMR(见图3)显示，DMC在5.5－6.5ppm区间存在碳碳双键的质子峰（A，B）。因此，通过图3和图4的对比可以说明聚合后，单体中的碳碳双键消失，充分说明了单体发生了自由基聚合反应。

2.1.3 分子量的表征

星形PDMC的SEC-MALLS所监测到的示差（AUX）和光散射（LS）信号见图5。数据经ASTRA for Windows 4.90.08 QELSS软件分析得出星形PDMC的Mn＝5.9×105，分子量分布指数PDI=1.74。

2.2 聚合反应的影响因素

2.2.1 引发剂用量

图6是单体浓度为30%，反应时间为6h时，在50℃下，引发剂用量对星形PDMC特性粘度[η]的影响。当引发剂用量很少时，由于副反应使得产物的特性粘度较低。当引发剂用量很多时，其聚合度自然会下降，从而也会导致所得产物的特性粘度降低。因此，当引发剂用量达到某一特定值时，特性粘度将达到峰值。根据图6所示，当引发剂用量为0.2%时，聚合效果较好。

2.2.2 单体浓度

图7是引发剂用量为0.2%时，反应时间6h时，在50℃下，单体浓度对星形PDMC溶液特性粘度[η]的影响。由图7可知，浓度过低时，反应效率不高，特性粘度较低；而浓度过高时，达到一定反应程度后，体系粘度较大，也阻碍了聚合的进一步进行。因此，当单体浓度达到30%时，所得产物的特性粘度最大，聚合效果较好。

3 结论

实验结果表明：在50℃下，当引发剂用量为0.2%，单体（DMC）质量分数为30%时，可获得分子量较高的星形PDMC，其具有作为阴离子垃圾捕捉剂使用的前景。

[1]郑宝庆，钱锦文.星形阳离子型聚丙烯酰胺共聚物的制备、表征及絮凝应用 [J]. 浙江大学学报（理学版），2007，34（4）：443-447

[2]周侃，姜宏伟.水溶性星型聚丙烯酰胺的合成和表征[J].化学学报，2006，64（4）：353－356

[3]任淑霞，陈梁.星形阳离子聚丙烯酰胺的表征[J].科技信息，2009，（10）：99-100

[4]任淑霞. 星形阳离子聚丙烯酰胺的制备及应用研究[D].昆明理工大学：2007年

Synthesis and Characterization of Star-poly(Methacrylatoethyl trimethyl ammonium chloride)as Anionic Trash Catchers

ZhangGuangyan,An J unjian,Liu Nanyang
(School of Chemical and Environmental Engineering,Hubei Univers ity of Technology,Wuhan 430068,China)

The methacrylatoethyl trimethyl ammonium chloride(DMC)was initiated by heterogeneous redox initiator s ys tem,which compos ed of pentaerythritol with K2S2O8,to s ynthes ize s tar-PDMC.The s tar-PDMC was characterized by FTIR,1H-NMR and SEC-MALLS.

s tar polymer；s olution polymerization；anionic tras h catchers

张光彦（1981-），男，讲师，湖北武汉人。主要研究方向：造纸化学品及高分子改性。

2011-8-29