阳离子聚丙烯酰胺的合成方法

阳离子聚丙烯酰胺的合成方法
丙烯酰胺通过自由基聚合反应制备得到的共聚物或者均聚物即为聚丙烯酰胺及其衍生物。

根据反应介质中单体的分散状态，合成方法可以分为溶液聚合、乳液聚合、悬浮聚合和本体聚合；根据聚合物和单体在反应介质中的溶解状态，又可以分成非均相聚合和均相聚合，下面着重介绍三种常用的阳离子聚丙烯酰胺合成方法。

1、水溶液聚合法
在CPAM 的生产过程中，水溶液聚合法是研究时间最早、工业化生产最成熟的聚合方法，也是目前聚丙烯酰胺类的生产厂家主要采用的聚合方法。

它是将引发剂、丙烯酰胺和阳离子单体溶于水中形成均相体系后，在引发剂的诱导作用下进行的聚合反应。

诸多研究人员围绕水溶液聚合的反应温度、引发体系及单体浓度等影响因素开展了一系列科学研究。

以DMDAAC和AM作反应单体，以K2S2O8/ NaHSO3为复合引发剂，通过水溶液聚合法制备阳离子聚丙烯酰胺P（AM-DMDAAC）。

对产物结构进行了红外光谱(FTIR)和核磁共振氢谱(1H NMR)表征，证明聚合物的成功合成。

通过考察各单因素对聚合产物分子量的影响，从而确定了最佳反应条件为：引发剂用量0.05%，单体浓度30%，W DMDAAC:W AM=0.5:1，W K2S2O8:W NaHSO3=1:0.7，聚合温度5℃，聚合时间60min。

用偶氮引发剂和氧化还原引发剂共同组成复合引发体系，通过水溶液聚合引发AM 和DMC 反应，成功制得了特性粘度10.59dL/g，溶解时间20min 的阳离子型聚丙烯酰胺。

将AM，DMDAAC和丙烯酸丁酯（BA）作为反应单体，通过自由基聚合制备得到了一种疏水缔合型的阳离子聚(丙烯酰胺-co-二甲基二烯丙基氯化铵-co-丙烯酸丁酯) [P(AM-DMDAAC-BA)]，核磁共振氢谱表征结果证明合成的为疏水缔合阳离子共聚物，热重分析(TG)结果表明该共聚物具有良好的热稳定性。

以AM和DMC为共聚单体，以氧化还原引发剂( NH4) 2S2O8/ NaHSO3和偶氮类引发剂偶氮二异丁腈(AIBN)组成复合引发体系，通过水溶液聚合法制备CPAM，系统探究了反应条件对聚合产物的影响，得到制备较高分子量CPAM 的最佳工艺参数为单体总质量分数35%，氧化还原引发剂用量0.06%，偶氮引
发剂用量0.09%，尿素用量1.5%，EDTA-2Na用量1.5%。

此条件下得到的CPAM 分子量达到1.2×106，用其处理蒙脱土模拟废水，透光率可达99.3%。

以( NH4) 2S2O8/ NaHSO3为引发剂引发疏水单体甲基丙烯酸三氟乙酯(TFEMA)、DMC 和AM 进行自由基聚合反应，成功制备了疏水缔合型阳离子聚(丙烯酰胺-co-甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵-co-甲基丙烯酸三氟乙酯)
[P(AM-DMC-TFEMA)]。

分别考察了反应时间、反应温度、单体用量、引发剂用量等因素对聚合物的产率以及阳离子度的影响，确定最佳合成条件为单体用量26%，引发剂用量占单体总量的2%，反应温度65℃，反应时间3h。

同时探究了聚合物对硅藻土悬浮液的絮凝性能，结果表明絮凝时间为20s，上清液透光率97.31%，絮凝效果优良。

2、反相乳液聚合法
CPAM 的反相乳液聚合是以非极性作连续相，把水溶性的丙烯酰胺单体和阳离子单体溶解在水相中，然后在搅拌条件下利用油包水型乳化剂分散在非极性液体中形成油包水（W/O）乳液而进行的聚合反应。

目前采用反相乳液聚合法生产的阳离子聚丙烯酰胺产品所占份额在逐渐增加，关于丙烯酰胺反相乳液聚合的理论研究和实践探索也在迅速发展。

以AM和DMC 为反应单体，通过反相乳液聚合技术制备得到了阳离子聚合物P（AM-DMC），FTIR 和NMR表征证明了聚合物的成功制备，透射电子显微镜（TEM）表征得知合成的CPAM是尺寸约为200nm的均匀球形颗粒。

采用氧化还原引发体系和复合乳化剂，通过反相乳液聚合法制备得到了P （AM-DMDAAC），并利用单因素实验探索出聚合反应的最佳合成条件为：
n(AM):n(DMDAAC)=10:1 ，单体总质量分数65% ，
m(span80):m(tween80)=3 ，m(span80+tween80):m(AM+DMDAAC)=0.1，
V(CYH):V(H2O)=1.2，n(H2O2):n(AM)=0.033，反应温度40℃，搅拌速率
540~960r/min，反应时间5h。

在该条件下制得的CPAM分子量达到5.92×106，将其用于高岭土模拟废水絮凝实验，絮凝率可达99.24%。

以AM 作主单体，DMC作阳离子单体，甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷（MAPMS）作疏水单体，采用反相乳液聚合技术合成了新型疏水阳离子聚(丙烯酰胺-co-甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵-co-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷)
[P(AMDMC-MAPMS)]，通过FTIR 和NMR 表征了其分子结构。

并考察了DMC 和MAPMS进料比对特性粘度和溶解度的影响，研究了疏水性阳离子絮凝剂对活性艳红X-3B 溶液和高岭土悬浮液的影响。

结果表明引入MAPMS 可以增加P（AM-DMC-MAPMS）的固有粘度，增强对阴离子染料溶液和高岭土悬浮液的絮凝性能，但降低了它们的水溶性。

通过反相乳液共聚反应制得了阳离子聚丙烯酰胺P（AM-DMC）。

探究了阳离子度、单体含量、引发剂和乳化剂含量等因素对聚合产物相对分子量及乳液颗粒粒径的影响，用制备得到的聚合物作絮凝剂，在絮凝实验中考察了絮凝剂投加量、废水pH值和废水温度对絮凝效果的影响。

结果表明当阳离子度为25%，单体含量45%，引发剂和乳化剂含量分别为0.02%和7.3%时，可以得到分子量为339.2×104、乳液颗粒粒径小于70 nm的聚合产物。

当絮凝剂投加量为0.05%、pH 值为5-6时，对废水的絮凝率和脱水率分别为62.2％和82％。

3、水分散聚合法
CPAM 的水分散聚合技术研究起步相对较晚，开始于二十世纪八九十年代。

该方法是将水溶性的阳离子单体和丙烯酰胺单体溶解在无机盐水溶液中，然后向其中加入分子量适中的水溶性聚合物作分散稳定剂，经搅拌形成均相体系后加入引发剂引发的聚合反应，其产品外观为乳液状。

以AM和DMC为单体，二乙二醇丁醚为分散稳定剂，在氧化还原引发体系的作用下通过水分散聚合制备得到了CPAM水包水乳液。

利用FT-IR、X射线衍射（XRD）、TG、紫外光谱（UV）、TEM 等表征手段对聚合物的结构和稳定性进行了考察。

结果表明所制备的CPAM为无定形非晶态分子，动力学不稳定指数≤0.13，具有良好的热稳定性，外观为100~500nm的球形或椭球形颗粒。

以AM和DMC作聚合反应单体，V-50作引发剂，在自制的分散稳定剂聚甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵（PDMC）的分散作用下，采用水分散聚合技术成功合成了CPAM 水包水乳液。

通过正交试验得出影响CPAM 分子量的四个主要因素从大到小依次为：分散剂分子量、引发剂浓度、分散剂浓度和硫酸铵水溶液浓度。

其制备的CPAM 相对分子量达到 2.03×106 ~ 2.54×106 g/mol，稳定性可达6个月以上。

以AM 和丙烯酰氨基二羟丙基三甲基氯化铵（AMHP）作反应单体，分别以K2S2O8和PDMC作水分散聚合的引发剂和分散稳定剂，在硫酸铵水溶液中合成了一种水溶性的阳离子聚合物，将该聚合物作絮凝剂来处理高岭土悬浊液有良好的絮凝效果。

絮凝实验结果表明，在中性和碱性条件下，共聚产物的絮凝性能均优于聚丙烯酰胺（PAM）絮凝剂。

通过分散聚合法合成了疏水缔合阳离子聚丙烯酰胺（HACPAM）“水包水”乳液。

制备的“水包水”乳液具有高固含量、低粘度、良好的稳定性和溶解性的特点。

将产物进行了动态排水实验，结果表明HACPAM“水包水”乳液可以直接用作助留剂，明显提高了漂白阔叶果肉的留着率。

以AM和DMDAAC作反应单体，AIBN作引发剂，聚乙烯吡咯烷酮（PVP）作分散稳定剂，N-N亚甲基双丙烯酰胺（MBA）作交联剂，在叔丁醇（TBA）/水的混合溶液中通过分散聚合法合成了水溶性阳离子微凝胶（CMG）。

将其与商业上广泛使用的CPAM 和聚二烯丙基二甲基氯化铵（poly-DADMAC）进行了比较。

CMGs 被认为是有效的絮凝剂，其效率取决于其分子量和电荷密度。