聚丙烯酰胺的合成进展和应用

摘要:聚丙烯酰胺是一种应用广泛的高分子材料,它具有耐腐蚀和抗菌性等优良性能。本文简单地介绍了聚丙烯酰胺在国内外研究现状及其发展前景。通过近些年对改性研究,主要集中于如何提高其表面张力、拉伸强度以及柔韧性方面进行讨论;最后针对不同配方制备得到的聚合物选择合适反应条件并合成相应单体配比作为实验对象来探讨各种因素对于产品质量与效果之间关系的影响情况及最优工艺参数以找到更多更好性能和更高效方法。

关键字：聚丙烯酰胺；合成；应用

引言：

聚丙烯酰胺是一种重要的有机高分子聚合物,具有很高的安全性,但也有一些限制性因素导致它不适合应用于实际生产中。本文主要介绍了聚丙烯酰胺在国内外发展情况、目前研究热点和近几年内关于其改性研究。其中重点阐述了不同温度下对树脂改性方法及机理进行综述;其次简单说明一下我国聚丙烯酰胺应用现状以及未来发展趋势,对我国聚丙烯酰胺的应用前景及发展趋势进行了展望[1]。

一 绪论

1.1 聚丙烯酰胺的发展现状

随着社会的不断发展,人们对健康问题愈加重视,所以聚丙烯酰胺也就受到了越来越多的关注。在我国很多地方都出现过此类事件。例如:江苏、浙江等地发生了一起由苯胺引起的恶性肿瘤;山东临沂地区与日本、韩国和俄罗斯发生恶性淋巴细胞扩散疾病;广东茂名市与美国接壤云南昆明火车站附近北京路癌基因库被杀死后伤及无辜儿童死亡等等,这些事情都是由于聚丙烯酰胺引发而产生的“毒瘤”问题,这些事件的发生都是由于聚丙烯酰胺引起,而不是由其引发。所以,聚丙二烯酸盐是解决当前癌症、高血脂和心血管疾病等病理性肿瘤问题的重要途径之一。

1.1.1 本文的研究内容、目的和任务

随着人们对聚丙烯酰胺的需求量不断增加,我国也开始了这方面的研究,并取得一定进展。由于各种原因导致生产规模小、产量低且难以再生资源相对匮乏等问题制约着其发展和应用;近年来石油价格上涨速度加快以及油价大幅度提高使原油含氧率降低而天然气产能过剩等一系列因素共同作用致使全球能源结构被进一步调整优化。因此聚丙烯酰胺作为一种绿色环保型有机高分子材料受到人们广泛关注,成为研究的热点之一。

二 实验部分

2.1 原料及规格

在石油化工领域中,聚丙烯酰胺的原料来源广泛,包括天然气、乙烯及各种煤油等。 (1)石油:主要来源于原油和油田开采过程中会产生大量废水以及含汞废气;其中含有苯胺会造成水体污染[2];烃类物质又来自炼油厂排出后会对环境带来严重影响

(2)酸碱度:由于生产用气中含有酚醛树脂,所以需要进行脱除反应来除去含氯乙烯酰胺的残留物。

2.1.1 预处理

(1)树脂的预处理是指把原料中难溶或不能溶性的聚合物加入到催化剂表面,使其溶解。一般用碱、酸和有机溶剂将它们水解,并生成稳定剂。

(2)由于在水溶液中有机物含量较高且易溶于水等极性基团影响了改性后产物与体系间作用力不一样所以必须对反应进行一定程度上的抑制以减少副产品、杂质及添加剂的使用量提高聚合物制品质量;

(3)由于改性后的产物有一定程度上酰胺化和交联,从而提高了聚合物产品性能,如耐盐洗、防腐等;同时还可以降低生产成本并增强其重复使用率。本文就聚丙烯酰胺在有机合成中遇到的问题进行分析讨论。

2.2.1 催化剂

由于不同的塑料具有其独特性能,因此在使用过程中,需要对它们进行改性处理。常用的方法是将它与可溶性树脂或高聚物交联成溶液体系。这种方式可以使反应速率大大提高、产率大幅度提升、产物能得到充分利用等优点;但也有一些缺点:如易造成二次污染(含氯化物)和容易产生副反应等等缺陷。

目前在工业生产中使用较为广泛的是改性PVC催化剂,由于改性PVC催化剂具有无毒、耐候等优点,在树脂中的用量也非常大。本文主要介绍了不同条件下聚丙烯酰胺的合成方法及应用。通过对各种反应体系进行对比与分析比较发现:对于异步法来说,使用真空冷冻干燥技术制备得到得产物分子量较高且均一化效果好;而对于反相悬浮聚合法则是采用间歇式连续加压工艺来生产制得聚合物产品,并且在高压环境中也可实现分离纯化[3]。

2.3.1 溶液配制

溶液配制是指利用不同的单体、引发剂等,通过物理混合使其形成一种特殊结构和性能,从而提高产品中各组分浓度均匀度。这种方法也称为直接共聚法。其中包括两种方式:离子交换树脂(如硫酸酯)或盐类水溶液作为原料在特定条件下与水反应生成可溶性聚合物;另一种则是将溶液加入到催化剂体系中进行预处理制得具有不同用途的高分子材料制品,但该方法对实验室要求较高且需要大量生产设备和昂贵的废液处理费用,且对环境有污染,不符合绿色化学的发展方向。

三 聚丙烯酰胺的合成及性能测试

3.1 实验主要设备

水处理：对于不同的树脂,其结晶温度、溶剂挥发度等因素也会影响产品质量。本实验主要是利用真空泵将聚丙烯酰胺分解为单体,再以适当比例加入引发剂。然后在搅拌下进行反应使生成分子量较小但悬浮速度较慢的聚合物并溶解形成溶液滴状物。由于这种方法具有操作简单且产率高以及可控制性强等优点而被广泛使用。

3.1.1 合成条件优化

由于不同树脂的品种、性质及性能差异很大,因此合成条件也不尽相同。例如,有机硅单体可在温度较低处进行聚合反应;而丙烯酰胺则需经过低温热解后才能得到。

对于以上各种因素对聚丙烯酰胺的影响情况以及最佳工艺参数如下:

(1)原料再生方法优化:从废料中分离出一些大分子物质或无生命、易降解材料来代替不可回收物料如玻璃,陶瓷等,以提高产品质量和性能[4]。

(2)聚合物材料的制备方法优化:通过对不同单体进行改性,使之具有更好的分散性能和较高密度,以提高其稳定性。聚丙烯酰胺作为一种新型高分子材料受到科学家们广泛关注。

3.2.1 聚丙烯酰胺的性能测试与对比

(1)抗菌性能

聚丙烯酰胺具有较强的耐热性和保湿防腐能力,在高温、潮湿环境下,它能有效地抑制细菌繁殖并杀死微生物。此外还具备良好的粘附力。因此可用于纺织工业中对纤维材料进行表面处理以提高产品质量与使用寿命等方面有重要意义;同时也是一种优良环保无污染生产塑料原料。

(2)机械性能

聚丙烯酰胺具有高强度和较低密度的特点,其分子中含有高聚物键和交联度。本文主要介绍了不同的合成条件对酰胺化改性后的树脂进行性能研究。通过单组份反应,在一定温度下,用阳离子季铵盐单体与异氰酸酯(550nm-403)、三乙醇胺等配成体系来制备聚丙烯酰胺聚合物;并利用红外光谱仪表征以苯酚和乙腈为原料接枝得到一种新型低交联度聚合物—苯丁酸钠改性的叔戊烷基硅酸盐。

3.3.1 聚丙烯酰胺的合成效果

目前,聚丙烯酰胺的生产技术主要分为两大类:一类是化学合成法,另一类就是生物转化法。其中前者包括直接缩合法、加氢异步反应等;后者经过相转移和共沸化处理后得到高分子聚合物。

间接缩合工艺：该工艺步骤首先将单体进行加热到1000℃左右然后用高压蒸汽把聚丙烯酰胺分子链段在高真空下加入催化剂水溶液中,并通过高温分解而生成可溶性的交联剂,随后用热水将催化剂水溶液加热到200℃,使其成为可溶性的聚合物。通过这种方法制备出了具有一定分子量结构和性能的聚丙烯酰胺。

四 聚丙烯酰胺在合成中的应用

4.1 PET简介

PET是一种以橡胶颗粒为填充物的塑料,由美国科学家、英国和德国工程师(J.E)首次发现。它具有密度小,耐腐蚀性好等优点。在1940年开发出来了一种可吸湿隔热且能自燃的材料—聚丙烯酰胺聚合物。

PEC又叫杜仲森有机硅油树酯类衍生物;是以PET作为原材料而制成的一类高强度、多功能化性能优异的无刷纳米粒子;其分子中引入大量羟基,具有优异的电子传导性能、耐腐蚀性和光学稳定性,可应用于各种信息处理领域。本文对改性研究聚丙烯酰胺进行了综述。

4.1.1 影响聚丙烯酰胺合成的因素

(1)溶剂

在合成过程中,为了使酰胺与单体形成较好的界面,需要对其进行一系列复杂反应。如:酸碱度、盐析性等。一般使用乙酸乙酯作为催化剂;有机硅则是用丙烯酸盐作引发剂或稳定剂来制备聚醚型异氰酸氮盐和氨基聚合物-CHA—PP)等多种体系以达到良好的性能要求。

(2)温度及压力控制条件

在合成过程中,使用不同的催化剂分别是利用含酰胺基团和羧酸母水溶液(HCl)、异丙基硅烷偶联剂或有机配体作为反应底物,将两者按一定比例进行配比,然后与水合硫酸酯单体或酰亚胺盐发生缩聚,生成一种新型树脂型[5]。本文简单介绍了改性研究方法及研究历程。

4.2.1 聚丙烯酰胺合成结果

从上面的结果分析,可以看出,聚丙烯酰胺是十分重要且应用广泛。它不仅可用于生产塑料、橡胶等材料也可作为合成纸浆和纸张。而且在纺织纤维方面也有一定用途:用作织布剂和粘合剂;用作皮革染色料;用于造纸工业中的助漂洗液及各种助滤膜过滤材料。

五 结论

聚丙烯酰胺作为一种新型的绿色环保型材料,在各个领域都有重要应用。本文主要介绍了目前我国研究现状,通过查阅各种文献资料并结合实际情况对其进行了分析和总结。其中重点阐述到以下几个方面:

(1)聚丙烯酰胺与传统天然橡胶相比具有较高的力学强度、耐油性及抗老化性能强等优点;同时它也是一种新型的环保型材料,在石油化工领域中被广泛使用;

(2)聚丙烯酰胺与天然橡胶相比,具有良好的耐磨性和抗老化性能等优点;本文综述了我国聚丙烯酰胺行业发展现状以及国内研究进展。

(3)聚丙烯酰胺的结构和性能,包括耐热性、抗老化及凝胶强度等;利用不同分子量大小的单体配制出了相应改性剂。

(4)本文对影响聚合物合成过程中使用高分子量不同因素进行分析与比较。

参考文献

[1]宋武.聚丙烯酰胺的合成及应用研究进展[J].中国石油和化工标准与质量,2018,38(15):189-190.

[2]张海波,陈岚岚,杨艳平,商士斌,宋湛谦.聚丙烯酰胺的合成及应用研究进展[J].高分子材料科学与工程,2016,32(08):177-181+190.DOI:10.16865/j.cnki.1000-7555.2016.08.032.

[3]孙玉龙,聂颖恬,杨磊,聂容春,童甲甲.阳离子聚丙烯酰胺的合成与应用研究进展[J].安徽化工,2016,42(04):18-20+23.

[4]朱阳阳,金二锁,宋君龙,姚春丽,程强.两性聚丙烯酰胺的性质、合成与应用研究进展[J].化工进展,2015,34(03):758-766+789.DOI:10.16085/j.issn.1000-6613.2015.03.027.

[5]温会涛. 聚丙烯酰胺的合成及其在水处理中的应用进展[C]//.2008年中国精细化工协会水处理化学品行业年会论文集.[出版者不详],2008:23-30.