CN101235111B - 高固含、低油水比水溶性聚合物反相微乳液制备方法 - Google Patents
高固含、低油水比水溶性聚合物反相微乳液制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
高固含、低油水比水溶性聚合物反相微乳液制备方法，包括(1)将水溶性乙烯基单体配成40％～70％的乙烯基单体水溶液；(2)往油相和乳化剂及稳定剂的混合液中通入高纯氮，强力搅拌后，升温到30～50℃，加入乙烯基单体水溶液，搅拌后，分别同时加入引发剂和聚合速度控制剂，通高纯氮反应3～5小时，得反相微乳液。采用本发明制得的反相微乳液，固含量为35％～42％，单体转化率99.5％～100％，储存稳定期大于半年，易溶于水，其使用效果大大优于油水比大于1∶1的水溶性聚合物反相微乳液。
Description
技术领域：本发明涉及高固含、低油水比反相微乳液制备方法，特别涉及到聚合速度与聚合物高分子量的调控方法，以及适合低油水比反相微乳液聚合体系的稳定剂的制备方法。
背景技术：反相微乳液聚合技术起始于上世纪80年代。与常规反相乳液聚合技术相比，反相微乳液聚合技术制备的水溶性聚合物反相微乳液(如：水溶性乙烯基单体的共聚物或均聚物反相微乳液)具有储存稳定性好、聚合物相对分子量高(超过106)、使用时操作方便(可通过泵直接输送，易于实现自动化控制)等特点，广泛应用于多次采油、工业水处理、造纸和冶金等工业。
现有的水溶性聚合物反相微乳液制备技术存在以下主要不足：(1)难于获得高固含的反相微乳液。因为水溶性乙烯基单体发生共聚或均聚时，产生大量的反应热，随着体系粘度提高，反应热难于排出，导致高固含反相微乳液体系被破坏。(2)难于获得低油水比的反相微乳液。因为当反相微乳液的油水比小于1∶1(重量比)时，油包水型反相微胶束易被破坏。实验证明，当油水比大于1∶1(重量比)时，水溶性聚合物反相微乳液难溶于水，影响其使用效果。例如：当水溶性聚合物反相微乳液用于氧化铝工业的赤泥沉降分离时，油水比大于1∶1(重量比)的水溶性聚合物反相微乳液使赤泥沉降分离效果远远小于油水比小于1∶1(重量比)的水溶性聚合物反相微乳液。另一方面，水溶性聚合物反相微乳液固含量低、油水比高时，油消耗量过高，导致成本增加。因此，水溶性聚合物反相微乳液正朝着高固含、低油水比的方向发展。
为了获得高固含、低油水比的水溶性聚合物反相微乳液，国内外学者常采用以下方法：(1)反应体系中添加适量链转移剂。例如，熊颖等(《精细石油化工进展》，“高浓度低相对分子质量AM/AA共聚物的合成”，2005，6(4)：48～50)，公开了一种在AM/AA(丙烯酸)共聚合反应体系中，采用过硫酸铵/亚硫酸氢钠氧化还原引发体系，聚合温度40℃，添加3.5％2-巯基硫醇作链转移剂时，反相微乳液的固含量达到40％时，聚合反应仍然可以平稳地进行。但是，所得共聚物的粘均分子量降低到约4×105，未报道详细的反应条件。(2)采用新型采用新型的乳化剂和油相。例如，IruneInchausi等(见《Macromol.Chem.Phys.》，“Synthesis andcharacterization of polyacrylamides in inverse-emulsions with anisoparaffinic solvent”，2001，202，1837～1843)，公开了一种采用异石蜡油Mentor 28，油水比0.43∶1(重量比)，过硫酸铵/亚硫酸氢钠氧化还原引发体系，聚合温度25/30℃，SPAN80为乳化剂，获得了理论固含25％、分子量上千万的聚丙烯酰胺(PAM)反相微乳液，但单体转化率仅为70％～95％，未测定反相微乳液的实际固含量。M.Renteria等(见《Journalof polymer science：part A：polymer chemistry》，“Acrylamideinverse microemulsion polymerization in a paraffinic solvent：Rolling-M-245”，2005，43，2495-2503)，公开了一种以Rolling-M-245为油相，Emulan-ELP-11/Brij-92为乳化剂，油水比为1∶1(重量比)，过硫酸铵/亚硫酸氢钠氧化还原引发体系，获得了固含27～28％的PAM反相微乳液，单体转化率接近100％，分子量约1千万。(3)其他。例如，刘祥等(见《精细化工》，“高固含量聚丙烯酰胺反相微乳胶的制备”，2005，22(8)：631-640)报道，用煤油为油相，过硫酸铵或偶氮二异丁腈(AIBN)为引发体系，油水比为0.8∶1(重量比)，聚合温度40℃，所得聚丙烯酰胺反相微乳液固含为39％。但未报道该反应的单体转化率和这种聚合方法是否适合其他高固含、低油水比的水溶性聚合物反相微乳液制备体系。
综上所述，针对水溶性聚合物反相微乳液制备技术，目前还没有适用范围较广的方法可以同时调控聚合速度和保持聚合物的高分子量，并获得高固含、高单体转化率、低油水比的水溶性聚合物反相微乳液。
发明内容 为了克服现有技术存在的不足，本发明提供一种水溶性聚合物反相微乳液制备方法，该技术采用往聚合反应体系中添加稳定剂和聚合速度控制剂的方法，调控聚合速度和保持聚合物的高分子量，并获得高固含、高单体转化率、低油水比的水溶性聚合物反相微乳液。
高固含、低油水比水溶性聚合物反相微乳液制备方法，包括(1)将水溶性乙烯基单体配成40％～70％的乙烯基单体水溶液；(2)往油相和乳化剂及稳定剂的混合液中通入高纯氮，强力搅拌后，升温到30～50℃，加入乙烯基单体水溶液，搅拌后，分别同时加入引发剂和聚合速度控制剂，通高纯氮反应3～5小时，得反相微乳液。取反相微乳液，用丙酮或甲醇沉淀出固体，用烷烃洗涤，干燥后，测得相应反相微乳液的固含量为35％～42％，单体转化率99.5％～100％。
所述水溶性乙烯基单体为丙烯酰胺、(甲基)丙烯酸及其盐、阳离子丙烯酰胺、含水杨酸基团的(甲基)丙烯酰胺、含磺酸基团的(甲基)丙烯酰胺、含磷酸基团的乙烯基单体等中的一种或多种。
所述乳化剂为SPAN、十二烷基苯磺酸钠、OP、TWEEN或聚乙二醇中的一种或几种，添加量占总重量的3％～15％；
所述稳定剂为聚合物接枝乳化剂，添加量占总重量的1％～2％；
所述油相为白油、甲苯、己烷、庚烷、硬脂酸酯、棕榈酸酯、(亚)油酸酯中的一种或几种；
引发剂为APS/亚硫酸氢钠氧化还原引发剂、偶氮类引发剂或其他过氧化物引发剂中的一种或几种，添加量占单体总重量的0.3％～0.5％；
聚合速度控制剂为三价铁盐、二价铜盐、对苯二酚、苯醌中的一种或几种，添加量占单体总量的0.5％～1％。
油水重量比为0.9∶1～0.3∶1。
还可以采用利用下述方法合成的稳定剂代替聚合物接枝乳化剂：将表面活性剂用丙酮溶解，再加入甲苯，升温到50～60℃，往反应体系中同时滴加AIBN或APS引发剂溶液和丙烯酸酯，滴加完毕，保温3～5小时，停止反应，脱去有机溶剂和未反应完的丙烯酸酯，即得到稳定剂。表面活性剂可选取OP系列、TWEEN系列、氧乙烯-氧丙烯共聚物PEO-PPO、聚氧丙烯(PPO)均聚物中的一种或多种；丙烯酸酯可选丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯和丙烯酸丁酯中的一种或多种。
本发明在水溶性聚合物反相微乳液制备过程中，往聚合反应体系中添加稳定剂和聚合速度控制剂，可以调控聚合速度和保持聚合物的高分子量，并获得高固含、高单体转化率、低油水比的水溶性聚合物反相微乳液。聚合速度控制剂为市售化学药品，容易获取。所制得高固含、高单体转化率、低油水比水溶性聚合物反相微乳液具有以下特点：储存稳定期大于半年，易溶于水，其使用效果大大优于油水比大于1∶1(重量比)的水溶性聚合物反相微乳液。用稀溶液粘度法测得水溶性聚合物的粘均分子量在106～108；将可见光通过所制得的反相微乳液，可观察到明显的Tyndall现象，所制得反相微乳液的胶束尺寸为纳米级。
具体实施方式：
实施例1 稳定剂的合成
称取5克OP-10，用30毫升丙酮溶解，再加入10毫升甲苯，升温到50～55℃，往反应体系中同时滴加APS引发剂溶液和5克丙烯酸丁酯，滴加完毕，保温3～5小时，停止反应，脱去有机溶剂和未反应完的丙烯酸丁酯，即得到自制稳定剂。APS用量占丙烯酸丁酯用量的0.2％～0.3％。
实施例2 固含40％、油水比0.5的丙烯酸钠-丙烯酰胺共聚物反相微乳液的制备
往装有冷凝管、导气管和机械搅拌的100ml的三颈瓶中通高纯氮气，以排出氧气，并加入7.44克32#白油，4.5克乳化剂SPAN80，0.56克实施例1中所得自制稳定剂，升温至50℃，强力搅拌10分钟后，加入23克浓度56％的丙烯酸钠-丙烯酰胺(丙烯酸钠/丙烯酰胺的重量比1∶4)水溶液，继续搅拌半小时，然后缓慢滴加APS水溶液(0.03克APS溶于1克水中)，当APS水溶液加到总量的一半左右时，开始缓慢滴加三氯化铁水溶液(0.06克三氯化铁溶于1克水中)，控制在1小时左右滴完。之后，继续通高纯氮反应3小时，降温，停止反应。将产品称重。取所得反相微乳液产品，用丙酮沉淀出固体，用环己烷洗涤多次，干燥后，测得反相微乳液产品的固含量为40％，单体转化率约100％。用稀溶液粘度法测得该共聚物的粘均分子量在4.1×106。所制得的反相微乳液储存7个月仍然稳定；将可见光通过所制得的反相微乳液，可观察到明显的Tyndall现象，说明所制得反相微乳液的胶束尺寸为纳米级。
实施例3 固含40％、油水比0.6的聚丙烯酰胺反相微乳液的制备
往装有冷凝管、导气管和机械搅拌的100ml三颈瓶中通高纯氮气，以去除氧气，并加入9.6克32#白油，4.8克乳化剂SPAN80，0.6克实施例1中所得自制稳定剂，升温至50℃，强力搅拌10分钟后，加入23克浓度60％的丙烯酰胺水溶液，继续搅拌半小时，然后缓慢滴加APS水溶液(0.03克APS溶于1克水中)，当APS水溶液加到总量的一半左右时，开始缓慢滴加三氯化铁水溶液(0.06克三氯化铁溶于1克水中)，控制在1小时左右滴完。之后，继续通高纯氮反应3小时，降温，停止反应。将产品称重。取所得反相微乳液产品，用丙酮沉淀出固体，用环己烷洗涤多次，干燥后，测得反相微乳液产品的固含量为40％，单体转化率约100％。用稀溶液粘度法测得该共聚物的粘均分子量在6.2×106。所制得的反相微乳液储存7个月仍稳定；将可见光通过所制得的反相微乳液，可观察到明显的Tyndall现象，说明所制得反相微乳液的胶束尺寸为纳米级。
对比实施例1不添加聚合速度控制剂，试图制备固含40％、油水比0.6的聚丙烯酰胺反相微乳液
往装有冷凝管、导气管和机械搅拌的100ml的三颈瓶中通高纯氮气，以去除氧气，并加入9.6克32#白油，4.8克乳化剂SPAN80，0.6克实施例1中所得自制稳定剂，升温至50℃，强力搅拌10分钟后，加入23克浓度60％的丙烯酰胺水溶液，继续搅拌半小时，然后缓慢滴加APS水溶液(0.03克APS溶于1克水中)，控制在1小时左右滴完。之后不久，放出大量的反应热，迅速结块，反应失败，未获得固含40％、油水比0.6的聚丙烯酰胺反相微乳液。
对比实施例2不添加聚合速度控制剂，制备固含15％、油水比2.3∶1的丙烯酸钠-丙烯酰胺共聚物反相微乳液
往装有冷凝管、导气管和机械搅拌的100ml三颈瓶中通高纯氮气，以去除氧气，并加入25.9克32#白油，4.8克乳化剂SPAN80，0.6克实施例1中所得自制稳定剂，升温至50℃，强力搅拌10分钟后，加入12.7克浓度56％的丙烯酸钠-丙烯酰胺(丙烯酸钠/丙烯酰胺的重量比1∶4)水溶液，继续搅拌半小时，然后缓慢滴加APS水溶液(0.03克APS溶于1克水中)，控制在1小时左右滴完。之后，继续通高纯氮反应3小时，降温，停止反应。将产品称重。取所得反相微乳液产品，用丙酮沉淀出固体，用环己烷洗涤多次，干燥后，测得反相微乳液产品的固含量为15％，单体转化率约95％。用稀溶液粘度法测得该共聚物的粘均分子量在3.6×106。所制得的反相微乳液储存7个月仍然稳定；将可见光通过所制得的反相微乳液，可观察到明显的Tyndall现象，说明所制得反相微乳液的胶束尺寸为纳米级。
对比实施例3不添加自制稳定剂，试图制备固含40％、油水比0.6的聚丙烯酰胺反相微乳液
往装有冷凝管、导气管和机械搅拌的100ml的三颈瓶中通高纯氮气，以去除氧气，并加入9.6克32#白油，5.4克乳化剂SPAN80，升温至50℃，强力搅拌10分钟后，加入23克浓度60％的丙烯酰胺水溶液，继续搅拌半小时，然后缓慢滴加APS水溶液(0.03克APS溶于1克水中)，当APS水溶液加到总量的一半左右时，开始缓慢滴加三氯化铁水溶液(0.06克三氯化铁溶于1克水中)，控制在1小时左右滴完。之后，继续通高纯氮反应3小时，降温，停止反应。将产品称重。将可见光通过所制得的产品，未观察到Tyndall现象，而且产品浑浊不透明，说明所制得产品的胶束尺寸不是纳米级。所得产品经室温存放24小时后，结块。因此，本实验未获得固含40％、油水比0.6的聚丙烯酰胺反相微乳液。
性能对比实验
(1)考察了以上反相微乳液在水中的溶解性能。实验条件是：称取以上反相微乳液1克，加入100克水中，80℃下搅拌一定时间后，记录其溶解情况。结果见表1。
表1自制反相微乳液的溶解情况
由表1看出，固含越高、油水比越低的反相微乳液，其水溶性越好。
(2)选取以上实施例2和对比实例2的反相微乳液，考察了其对国内某铝土矿拜耳溶出矿浆中赤泥的沉降分离效果。
所用铝土矿拜耳溶出矿浆主要含32％～48％赤铁矿、32％～50％铝硅酸钠、5％～8％金红石、约5％金刚砂、约4％石英和约2％钛磁铁矿。分离实验前，将铝土矿拜耳溶出矿浆稀释，赤泥浆液固含为57g/L，浆液主要成分为Na2OK110.77g/L，Al2O3119.88g/L，Na2OT138.47g/L。
赤泥沉降分离效果实验操作为：将稀释后的赤泥浆液煮沸后，边搅拌边装入φ30×220带刻度的玻璃管中，并放入95±0.5℃的玻璃恒温水浴中，之后倒入一定量已溶解实施例2或对比实例2反相微乳液，再上下搅拌，当搅拌停止时立即按动秒表，记录一定时间间隔内上清液层的高度。沉降30分钟后，取15mL上清液用WGZ-3散射光浊度仪测浊度。并将已抽尽上清液的泥层进行抽滤，以获得底流压缩液固比。结果见表2。
表2自制反相微乳液的赤泥沉降分离效果对比
*备注：添加量是指按每吨干赤泥所添加的反相微乳液中有效物量。
由表2知，固含越高、油水比越低的反相微乳液，其水溶性越好，其使用效果越好。
Claims (1)
1.高固含、低油水比水溶性聚合物反相微乳液制备方法，其特征在于：包括(1)将水溶性乙烯基单体配成40％～70％的乙烯基单体水溶液；(2)往油相和乳化剂及稳定剂的混合液中通入高纯氮，强力搅拌后，升温到30～50℃，加入乙烯基单体水溶液，搅拌后，分别同时加入引发剂和聚合速度控制剂，通高纯氮反应3～5小时，得反相微乳液；
所述水溶性乙烯基单体为丙烯酰胺单体或丙烯酸钠-丙烯酰胺共聚单体；
所述乳化剂为SPAN、十二烷基苯磺酸钠、OP、TWEEN或聚乙二醇中的一种或几种，添加量占总重量的3％～15％；
所述油相为白油、甲苯、己烷、庚烷、硬脂酸酯、棕榈酸酯、(亚)油酸酯中的一种或几种；
所述引发剂为APS/亚硫酸氢钠氧化还原引发剂、偶氮类引发剂或其他过氧化物引发剂中的一种或几种，添加量占单体总重量的0.3％～0.5％；
所述聚合速度控制剂为三价铁盐，添加量占单体总量的0.5％～1％；
所述稳定剂为自制稳定剂，添加量占总重量的1％～2％，其制备方法为：将表面活性剂用丙酮溶解，再加入甲苯，升温到50～60℃，往反应体系中同时滴加AIBN或APS引发剂溶液和丙烯酸酯，保温3～5小时，脱去有机溶剂和未反应完的丙烯酸酯，即得到稳定剂；表面活性剂可选取OP系列、TWEEN系列、氧乙烯-氧丙烯共聚物PEO-PPO、聚氧丙烯(PPO)均聚物中的一种或多种；丙烯酸酯可选丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯和丙烯酸丁酯中的一种或多种。
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