阳离子型超支化聚丙烯酰胺的合成与反应中影响产物黏度因素的探讨

张 昊，范振忠，李仁杰，赵宏伟

（东北石油大学， 黑龙江 大庆 163000）



阳离子型超支化聚丙烯酰胺的合成与反应中影响产物黏度因素的探讨

张 昊，范振忠，李仁杰，赵宏伟

（东北石油大学， 黑龙江 大庆 163000）

以季戊四醇为支化剂，按一定的比例加入丙烯酰胺（AM）并加入阳离子单体甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵（DMC）增加其阳离子性，合成了具有阳离子性的超支化聚丙烯酰胺。对产物进行了红外光谱（FTIR）分析，并使用旋转粘度计和一定计算测得了聚合物的增比黏度。而后探讨了反应温度、反应时间和引发剂用量对产物粘度的影响。

超支化聚丙烯酰胺；阳离子；增比黏度

超支化聚合物因有三维球状立体结构而且高度支化和繁多的末端基团，能显示出完全不同与其他聚合物的性状。相比对应的线型分子具有出色的溶解性、高流变性、低黏度以及大量可修饰的末端官能团等一系列独特的物理化学特性［1］。特别是超支化聚丙烯酰胺的应用较为广泛，合成方法也较为成熟，已经在造纸、纺织和石油领域显示出了较好的应用前景。

本文以季戊四醇为聚合反应的支化剂，过硫酸钾和亚硫酸氢钠为引发剂，与丙烯酰胺（AM）在水溶液中通过自由基聚合反应制备支化结构的阳离子聚丙烯酰胺（BCPAM），终止剂选用甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵（DMC），并且为反应加入阳离子单体；再加入正硅酸乙酯，增加其支化程度，合成具有阳离子性的超支化聚丙烯酰胺。最后探讨了不同的反应温度、反应时间和引发剂用量对产物黏度的影响。

1　实验部分

1.1主要实验药品

丙烯酰胺（AM）：分析纯；过硫酸钾；亚硫酸氢钠；甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵（DMC）：分析纯；季戊四醇（PETL）：分析纯。

1.2超支化聚丙烯酰胺的合成

（1）将装有20 g AM、100 mL去离子水、一定质量季戊四醇的三口烧瓶置于恒温水浴锅中进行水浴加热，在机械搅拌的同时向瓶中通入氮气；

（2）通入氮气搅拌 30 min 中后，用恒压滴液漏斗缓慢向瓶中滴加引发剂10 mL溶有一定质量的引发剂（过硫酸钾/亚硫酸氢钠=1：0.45）的去离子水溶液，控制在 30 min 左右滴加完毕；

（3）引发剂滴加完毕后，反应开始计时。达到设定时间后加入阳离子单体 DMC，再经过 60 min，加入5 g的正硅酸乙酯， 等反应到设定时间即停止反应，得到产物备用。

1.3合成路线

阳离子型超支化聚丙烯酰胺的合成路线如图1。

图1　超支化聚丙烯酰胺合成机理Fig.1 Hyperbranched polyacrylamide synthesis mechanism

2　结果讨论

2.1红外光谱（FTIR）分析

图2为样品的FTIR图谱。由图2可知，在3454 cm-1处有很强的羟基伸缩振动峰；1 399 cm-1处出现的吸收峰为酯基的振动峰；在1 289 cm-1处的吸收峰为酰胺基的振动峰，产物中含有羟基，酯基及酰胺基团，图谱与文献［2-3］中合成的超支化聚丙烯酰胺基本一致，说明产物是超支化聚丙烯酰胺。

图2　超支化聚丙烯酰胺样品的FTIR图谱Fig.2 The FTIR spectra of the hyperbranched polyacrylamide sample

2.2黏度测试

将产物使用乙醚反复进行提纯，提纯后配成3%浓度的聚合物水溶液，用旋转粘度计测[4]聚合物黏度η，增比黏度通过下面的关系式计算得出

表1　引发剂用量对产物黏度的影响Table 1 The influence of initiator dosage on the viscosity of product

向反应中加入10 mL溶有不同质量引发剂（过硫酸钾/亚硫酸氢钠=1：0.45）的溶剂，得到不同产物分别进行黏度的测量，如下表 1，通过表 1可知，再10 mL去离子水溶液中加入400 mg或更多引发剂时，产物的粘度变化范围不大，证明聚合反应转化率更高。

在同样条件下，分别测量不同反应温度和反应时间对产物黏度的影响，见表2和表3，数据分析可得，在反应温度70 ℃，反应时间5 h时，产物的粘度变化范围不大，证明聚合反应转化率更高。

表2　反应温度对产物黏度的影响Table 2 The influence of the viscosity of the product by reaction temperature

表3　反应时间对产物黏度的影响Table 3 The influence of reaction time on the viscosity of product

3　结 论

通过以上实验，用季戊四醇作为支化剂合成了阳离子超支化聚丙烯酰胺，并通过不同实验条件下对产物增比黏度的测量，确定了在引发剂用量为400 mg、反应温度70 ℃和反应时间为5 h的实验条件下，聚合反应转化率较高，对产物黏度影响最小。

［1］ 徐骏祺，黄通，吕鑫，孙国明，倪云洲，周永丰. 水溶性高抗剪切超支化聚丙烯酰胺的合成和表征［J］. 上海应用技术学院学报（自然科学版），2014（04）：277-282.

［2］ 丛珊. 超支化阳离子聚丙烯酰胺的制备及应用研究［D］.广州：华南理工大学，2014.

［3］ 吴得南，熊伟，谢立娟. 一种新型阳离子聚丙烯酰胺的合成及表征［J］. 化工科技，2014（04）：25-29.

［4］ 林梅钦，宋锦宏，孙爱军，李明远，吴肇亮. 用不同类型粘度计测定交联聚合物溶液流变性质［J］. 中国石油大学学报（自然科学版），2006（03）：119-122.

［5］ 陶磊，张娜，杜灿敏，张志振. 超高相对分子质量聚丙烯酰胺特性粘数测定方法［J］. 石油化工高等学校学报，2009（04）：45-48.

Synthesis of Cationic Hyperbranched Polyacrylamide and Factors Affecting Product Viscosity in the Reaction

ZHANG Hao，FAN Zhen-zhong，LI Ren-jie，ZHAO Hong-wei
（Northeast Petroleum University, Heilongjiang Daqing 163000，China）

Using pentaerythritol as branching agent, adding acrylamide according to certain proportion, and adding cationic monomer methyl acryloyl oxygen ethyl trimethyl ammonium chloride, cationic hyperbranched polyacrylamide was synthesized. The product was analyzed by the infrared spectrum, and rotational viscometer was used to test the polymer specific viscosity. At last, effect of the reaction temperature, reaction time and initiator dosage on the viscosity of product was investigated.

hyperbranched polyacrylamide; cationic; specific viscosity

张昊（1990-），男，满族，硕士研究生，黑龙江省大庆市人，研究方向：油田化学。E-mail：568835671@qq.com。

TQ 325

A

1671-0460（2016）05-0927-02

国家自然科学基金，油溶性树脂双重交联凝胶型堵剂选择性机理研究，项目号：51374071。

2016-04-12