《武汉工程大学学报》 2011年04期
62-64
出版日期：2011-04-30
ISSN:1674-2869
CN:42-1779/TQ
常压等离子体引发丙烯酰胺聚合研究
0引言近年来,聚丙烯酰胺高吸水性聚合物的合成与应用越来越引起人们的重视［1］.它可以通过本体聚合［2］、溶液聚合［3］、乳液聚合［4］等传统的聚合方法制备,但是这些方法在制备过程中都需要加入过氧化物或偶氮化合物作为引发剂［5］,易造成环境污染,并且聚合产物含有杂质,纯度不高.为改变传统方法在制备过程中的缺陷,Y.O sada提出了等离子体引发聚合这一新型的聚合手段［6］,聚合反应由等离子体辉光放电所引发,无需外加引发剂,但其采用的低压等离子体辉光放电需要复杂的真空系统,运行成本高.为了降低等离子体引发聚合的运行成本,本文采用常压等离子体处理丙烯酰胺单体,并以活化的丙烯酰胺单体引发聚合制备出聚丙烯酰胺高吸水性聚合物.研究了放电时间、聚合温度、单体浓度等对聚合产物吸水性能的影响.研究结果表明该方法在制备过程中无需外加引发剂;同时采用常压等离子体,无需复杂的真空系统,大大降低了运行成本.1实验部分1.1设备与原料本实验采用自制的常压等离子体电弧枪,其产生的Ar冷弧等离子体见图1所示.原料为丙烯酰胺(C3H5NO),分析纯;高纯氮气(N2);高纯氩气(Ar);甲醇(CH3OH),分析纯;去离子水(H2O).图1Ar冷弧等离子体弧
Fig.1Ar cold arc plasma1.2聚丙烯酰胺的制备利用常压Ar冷弧等离子体处理丙烯酰胺单体;称取5 g丙烯酰胺溶于20 mL去离子水中,并通氮除氧10 min;将0.03 g活化的丙烯酰胺单体加入到该溶液中,并密封反应容器置于室温下聚合24 h;待聚合反应完成后,取出聚合物凝胶,并用甲醇浸泡24 h,使其中未反应的单体充分溶出,过滤后置于真空干燥箱中干燥至恒重,即得到聚丙烯酰胺吸水性聚合物.1.3吸水率的测定称取0.1 g干燥聚合物加入到一定量的去离子水中,待其充分溶胀后,过滤凝胶至恒重,并称量其质量为M.聚合物的吸水率W(g/g)可按式（1）计算［7］:W(g/g)=(M-0.1)/0.1（1）2结果与讨论2.1聚合物的红外表征图2示出了所合成的聚合物的红外谱图.在该谱图中2 920 cm-1附近的峰为亚甲基CH2的特征峰,1 650 cm-1附近的峰为伯酰胺CO的伸缩振动特征峰,1 550 cm-1附近的峰为仲酰胺NH的特征峰,与标准聚丙烯酰胺的特征峰位置基本一致［8］,表明产物为聚丙烯酰胺.图2聚合物的红外图谱
Fig.2The FTIR of the polymer2.2放电时间对聚合物吸水率的影响在保持聚合温度为30 ℃,单体质量分数为30%,后聚合时间为24 h的聚合条件下,研究放电时间对聚合物吸水率的影响,其结果如图3所示.实验结果表明聚合物的吸水率随放电时间的延长逐渐增加,并在放电时间为90 s处达到最大值324(g/g),若此时继续延长放电时间,聚合物的吸水率则会逐渐降低.这是因为在相同的聚合条件下如果延长等离子体的放电时间,单体被电离的程度就会增加,所产生的活性种就越多,单体的聚合越充分,有利于聚合物吸水性能的提高.但是这些活性基团很难孤立存在,易相互作用而终止［9］,如果放电时间过长的话,则不利于聚合反应的进行.第4期余冬冬,等:常压等离子体引发丙烯酰胺聚合研究
武汉工程大学学报第33卷
图3放电时间对聚合物吸水率的影响
Fig.3The effect of discharge time on the absorption of the polymer2.3聚合温度对聚合物吸水率的影响在保持放电时间为90 s,单体质量分数为30%,后聚合时间为24 h的聚合条件下,研究聚合温度对聚合物吸水率的影响,其结果如图4所示.实验结果表明聚合温度对聚合物吸水率的影响较小,聚合温度为30 ℃时,聚合物吸水率达到最大值340 (g/g).在相同的聚合条件下,随着聚合温度的升高,聚合反应的速率会加快.若聚合温度过低,则聚合反应的速率慢,聚合周期长;但如果温度过高、反应速率过快的话,单体在聚合中不能充分的进行反应,得到的聚合产物的分子链不会很长,不利于聚合物吸水率的提高.图4聚合温度对聚合物吸水率的影响
Fig.4The effect of polymerization temperature on the absorption of the polymer 2.4单体质量分数对聚合物吸水率的影响在保持放电时间为90 s,聚合温度为30 ℃,后聚合时间为24 h的聚合条件下研究单体质量分数对聚合物吸水率的影响,其结果如图5所示.实验结果表明当单体质量分数小于10%时,聚合反应不能进行;单体质量分数从10%增加到30%时,聚合物的吸水率呈飞跃式的增加,并在单体质量分数为30%附近处,聚合物吸水率达到最大值320 (g/g);当单体质量分数超过30%以后,聚合物的吸水率则随单体质量分数的增加急剧下降,由此说明单体质量分数对聚合物吸水率影响很大.在常压等离子体引发聚合反应中,单体参与了链引发和链增长过程.若单体质量分数过低的话,聚合反应不能进行;随着单体质量分数的增加,相同条件下体系中活性种的数量就会增多,有利于聚合反应的进行;但当单体质量分数较高时,反应溶液体系的粘度会过大,导致未反应的单体及增长链在溶液体系中运动困难,相互之间的碰撞机会大大降低,不利于聚合反应的进行［10］.图5单体浓度对聚合物吸水率的影响
Fig.5The effect of monomer concentration on the absorption of the polymer3结语本文主要针对传统方法在制备丙烯酰胺聚合物过程中成本高、易污染的缺陷,提出了常压等离子体引发聚合这一新型的聚合手段.研究了放电时间、聚合温度、单体质量分数等对聚合物吸水性能的影响,得出的主要结论如下:a. 经常压等离子体处理的丙烯酰胺单体能引发丙烯酰胺水溶液聚合.b. 聚合过程无需外加引发剂,聚合产物纯度高;无需复杂真空系统,成本低.c. 在放电时间为90 s,聚合温度为30 ℃,单体质量分数为30%,后聚合时间为24 h的聚合条件下,聚合物的吸水率为340(g/g).