三元共聚阳离子型聚丙烯酰胺乳液合成及性能研究

徐景峰

（常州工程职业技术学院 制药与环境工程学院，江苏 常州 213164）

目前大量的阳离子聚丙烯酰胺（CPAM）仍是固体产品[1]，然而双水相分散聚合法制备阳离子聚丙烯酰胺乳液产品的优越性开始得到商家的重视，陆续出现用该方法合成的絮凝剂[2-3]。相对于固体产品，乳液产品在造纸、水处理等领域中使用更加便捷，不需要专用的溶解装置，经过一定的稀释后可直接使用，应用前景广泛。常用的阳离子聚丙烯酰胺乳液一般由丙烯酰胺 （AM）和阳离子单体甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵（DMC）或丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵 （DAC）合成。DMC和DAC价格比较高，多依赖进口，存在成本问题。本文采用自制的阳离子单体，以聚乙二醇（PEG）为分散剂[4]，以氧化还原剂为引发剂，通过双水相分散聚合，提供了一种三元阳离子聚丙烯酰胺乳液产品，该产品生产成本降低、乳液稳定、絮凝效果好。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

阳离子单体w（E-AM）=50%，实验室自制；二甲基二烯丙基氯化铵w（DMDAAC）=60%，工业品，宜兴凯米拉化学品有限公司；丙烯酰胺（AM），上海麦克林生物有限公司；聚乙二醇（PEG），分子量20000，江苏永华精细化学品有限公司；β-二甲氨基丙腈、过硫酸铵、甲醛次亚硫酸钠，江苏强盛功能化学股份有限公司，均为分析纯。

美国PE傅立叶变换红外光谱仪，SGZ-2数显浊度仪。

1.2 制备阳离子聚丙烯酰胺乳液

将聚乙二醇（PEG）、丙烯酰胺（AM）、去离子水按比例加入烧杯中搅拌溶解，转入反应瓶中，然后分别加入阳离子单体（E-AM、DMDAAC），加入β-二甲二胺基丙腈等助剂，通入高纯氮气20 min后，分别加过硫酸铵氧化剂、甲醛次亚硫酸钠还原引发剂，水浴加热40℃搅拌反应3~4 h，得到白色乳液产品。

1.3 表征产品结构

对乳液产品进行分离后，用美国PE红外光谱仪进行结构表征。

1.4 测定残留单体

配制聚丙烯酰胺系列溶液，在217 nm波长处，测定吸光度，绘制工作曲线。准确移取适量乳液产品，测定残留单体。

1.5 评价絮凝效果

用皂土配制0.25%废水溶液，加入适量阳离子聚丙烯酰胺乳液，搅拌静置沉降30 min后，测定清液浊度，评价絮凝效果。

2 结果与讨论

2.1 产品结构红外表征

通过双水相分散聚合获得的三元共聚物P（AM/E-AM/DMDAAC）的红外光谱如图1所示。

图1 三元共聚物的红外谱图

由图1可以看出：3450 cm-1是-NH2的伸缩振动吸收峰；在3 460～3 420 cm-1有N-H的伸缩振动特征峰，在1635 cm-1处的吸收峰为仲酰胺基中的C-O的伸缩振动特征峰，证实有仲酰胺的结构，说明有AM存在。2924 cm-1处有-CH3的伸缩振动峰，1400 cm-1处有与N+键合的双甲基的特征峰，说明产物中有DMDAAC存在。1126 cm-1处有C-O伸缩振动特征峰，说明产物中有E-AM存在。说明了三元聚合物AM/E-AM/DMDAAC的合成。

2.2 正交实验

双水相分散聚合制备阳离子聚丙烯酰胺乳液产品，主要受分散剂用量、单体种类，单体浓度，引发剂量影响。引发剂的用量范围一般文献都有报道，通过单因素实验在确定了三元共聚方式基础上，采用正交实验方法来优化聚合参数。实验因数、水平及实验结果见表1、表2。

其中：A 为 AM 用量（g），B 为 （E-AM）用量（g），C 为 H2O 用量（mL），D 为 PEG 用量 （g）。

表1 正交实验因素水平

表2 正交实验结果

通过正交实验现象可以看出，实验4形成了稳定的乳液产品，而其他的实验，或者形成的乳液产物不稳定，易于分层，或者呈现凝胶状态。说明产品状态与单体浓度，分散剂聚乙烯醇浓度恰好达到合适值范围内，才可形成稳定的乳液产品。实验4，单体浓度为17%，聚乙烯醇浓度为13%。而其他实验，单体浓度或者小于16%，或者大于16%。与聚乙二醇量都不能形成合适的乳液稳定体系，所以，产品为凝胶状或乳液分层。

通过正交实验获得的最佳实验参数：AM单体20 g，阳离子单体E-AM为4 g，DMDAAC为1.8 g，w（单体）=17%，引发剂 w（过硫酸铵）=10%、w（甲醛次亚硫酸钠）=5%各5.0 mL。获得的聚合物产品呈现均匀乳液状态。溶解快速，单体残留量小于0.9%，在单体残留量标准为1.0%的一级品范围内。

2.3 絮凝效果比较

将本方法合成的三元阳离子聚合物乳液P（AM/E-AM/DMDAAC） 与 P（AM/DMC/DMDAAC）及一般的二元阳离子絮凝剂（CPAM）的絮凝效果进行比较，其结果如表3所示。

表3 不同絮凝剂的絮凝效果

由表3可以看出，本方法合成的阳离子聚丙烯酰胺乳液P（AM/E-AM/DMDAAC）对皂土模拟废水的絮凝效果较佳，与其他产品相比较，使用更为方便，且絮凝效果也较好。

2.4 产品稳定性

双水相分散聚合，合成乳液产品，控制产品粒径分布，使其分散液的稳定存在是关键问题。为此，对本实验合成的乳液产品进行了稳定性观察，该产品放置半年以上，不出现明显分层情况，说明稳定性良好。

3 结论

（1）在聚乙二醇的分散介质中，通过双水相分散聚合，以单体丙烯酰胺（AM）为原料，制备了三元共聚阳离子型聚丙烯酰胺P（AM/E-AM/DMDAAC）乳液产品。

（2）制备工艺：阳离子单体（E-AM）： 4 g（实验室自制），二甲基二烯丙基氯化铵（DMDAAC）：1.8 g，丙烯酰胺（AM）： 20 g，扩链剂 β-二甲氨基丙腈：0.006 g，w（单体）为 17%，引发剂 w（过硫酸铵）为10%、w（甲醛次亚硫酸钠）为5%各5.0 mL。制备的乳液产品溶解速度快，黏度低、稳定性好，使用方便。单体残留量小于0.9%。

（3）对皂土废水处理评价：当P（AM/E-AM/DMDAAC）的添加量为 4 mg·L-1时，具有较好的絮凝效果。