低分子量聚丙烯酸钠的合成实验报告.docx
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低分子量聚丙烯酸钠的合成实验报告
专业综合试验汇报
低分子量聚丙烯酸钠合成
院系:
材料与化工学院
专业:
高分子材料与工程
姓名:
李强强
学号:
指导老师:
牛小玲
12月
序言
伴随中国丙烯酸工业快速发展,对丙烯酸下游产品研究不停深入,应用范围不停扩大。
聚丙烯酸钠作为丙烯酸一个关键下游产品,多年来在中国外研究受到重视,生产也不停增加。
聚丙烯酸钠产品包含水溶性产品和水不溶性产品。
水溶性聚丙烯酸钠产品广泛应用于食品、纺织造纸、化工等领域。
水不溶性聚丙烯酸钠产品具高吸水性,关键用于农林园艺、生理卫生等领域。
聚丙烯酸钠分子量从几百至几千万以上,不一样分子量聚丙烯酸钠各有各用途。
超低分子量（700以下）用途还未完全开发;低分子量（1000-5000）关键起分散作用;中等分子量（104-106）显示有增稠性;高分子量（106-107）则关键做增稠剂和絮凝剂;超高分子量（107以上）在水中溶胀,生成水凝胶,关键用作吸水剂。
水溶性聚丙烯酸钠中又包含高分子量和低分子量两类。
现在高分子量聚丙烯酸钠合成是采取丙烯酸经氢氧化钠中和形成丙烯酸钠溶液,然后再聚合工艺路线。
在水溶性高分子量聚丙烯酸钠合成中,通常是高浓度丙烯酸钠溶液和低浓度氧化还原引发剂在低温下进行水溶液聚合。
制备关键是在聚合前要除去丙烯酸中阻聚剂。
去除阻聚剂方法有减压蒸馏或加人活性炭吸附。
高分子量聚丙烯酸钠聚合时往往因为自交联作用或聚合速度过快使产品水溶性降低,所以需加入抗交联剂和缓聚合剂。
日本专利报道了以过硫酸盐和有机苯胺复合引发体系,常温下催化丙烯酸钠水溶液聚合,制得溶解性能好聚丙烯酸钠。
戚银城等采取氧化-还原体系,添加氨水和氯化钠,在30℃时合成了分子量几百至几千万聚丙烯酸钠。
水溶液聚正当含有设备简单,操作轻易特点,但缺点是所得到聚合产物含水量高达60%-70%,难干燥。
反相悬浮聚正当也可用于合成高分子量聚丙烯酸钠。
韩淑珍[5]报道了北京化工大学开发出反相悬浮聚正当合成聚丙烯酸钠絮凝剂,并建成1000L聚合釜装置。
反相悬浮聚正当工艺复杂、设备利用率低。
聚丙烯酸钠是一个线状、可溶性高分子化合物,其分子链上梭基因为静电相斥,使聚合物链伸展,促成有吸附性功效团外露到表面上,这些活性点吸附在溶液中悬浮粒子上,形成粒子间架桥,从而加速了悬浮粒子沉降。
所以可作絮凝剂。
聚丙烯酸钠是多年来在各领域广泛使用一类功效性高分子材料,高分子量聚丙烯酸钠在各使用行业越来越受重视。
但在中国其研究还不深,生产规模还小,性能尚不如人意。
研究其生产过程,提升产品应用性能,扩大产品应用领域是目前关键任务。
以上分析可见高分子量聚丙烯酸钠在很多领域都广泛使用,但现在在中国企业使用多为国外产品。
中国近两年已经有生产,但厂家不多,生产能力不超出一千吨,其中还包含胶体产品。
由此可见中国高分子量聚丙烯酸钠生产缺口还很大,有必需增加生产满足中国需求。
所以建设高质量使用性能好聚丙烯酸钠生产厂非常必需。
1研究背景、意义
丙烯酸类聚合物是很关键一个水溶性化合物,它广泛用于石油、采矿业分散剂,合成洗涤剂分散剂,印染增稠剂及工业循环冷却水处理分散阻垢剂等。
聚丙烯酸又因其分子量大小用途有所差异,所以再合成方法上采取不一样工艺条件,合成不一样分子量聚丙烯产品,以满足应用上需求。
多年来,因为聚丙烯酸钠优越性能,其得到了广泛研究。
聚丙烯酸钠（PAANa）是一类高分子电解质,是一个新型功效高分子材料,用途广泛,可用于食品、饲料、纺织、造纸、水处理、涂料、石油化工、冶金等。
PAANa用途与其分子量有很大关系,通常来说,低分子量（500～5000）产品关键用作颜料分散剂、水处理剂等;中等分子量（104～106）关键用作增稠剂、粘度稳定剂、保水剂等;高分子量关键用作絮凝剂、增稠剂等。
在造纸工业,伴随高浓度涂布机引进和铜版纸生产发展,对分散剂需求越来越大。
低分子量PAANa作为造纸工业有机分散剂,能提升颜料细度、分散体系稳定性,提升纸张柔软性、强度、光泽、白度、保水性等,且含有可溶于水、不易水解、不易燃、无毒、无腐蚀性特点,所以低分子量PAANa在造纸工业越来越受到重视。
2研究内容
1.聚丙烯酸钠制备。
经过试验制得纯净聚丙烯酸钠,最终烘干得到白色粉末状成品。
2.分析影响聚丙烯酸分子量原因。
比如温度、单体浓度等原因。
3.低分子量聚丙烯酸合成方法。
3试验部分
3.1方案一
3.1.1试验原理
聚丙烯酸是水质稳定剂关键原料之一。
高分子量聚丙烯酸（相对分子质量在几万或几十万以上）多用于皮革工业、造纸工业等方面。
作为阻垢用聚丙烯酸,分子量都在一万以下,聚丙烯酸分子量大小对阻垢效果有极大影响,从各项试验表明,低分子量聚丙烯酸阻垢作用显著,而高分子量聚丙烯酸丧失阻垢作用。
丙烯酸单体极易聚合,能够经过本体、溶液、乳液和悬浮等聚合方法得到聚丙烯酸,它符合通常自由基聚合反应规律。
本试验用控制引发剂用量和应用调聚剂异丙醇,合成低分子量聚丙烯酸,并用端基滴定法测定其分子量。
3.1.2试验仪器和试剂
四口瓶,回流冷凝管,电动搅拌器,恒温水浴,温度计,滴液漏斗,pH计
丙烯酸,过硫酸铵,异丙醇,氢氧化钠标准溶液
3.1.3试验步骤
Ⅰ.低分子量聚丙烯酸合成
1.在装有搅拌器、回流冷凝管、滴液漏斗和温度计250mL四颈瓶中,加入100mL蒸馏水和1g过硫酸铵。
待过硫酸铵溶解后,加入5g丙烯酸单体和8g异丙醇。
开动搅拌器,加热使反应瓶内温度达成65~70℃。
2.将40g丙烯酸单体和2g过硫酸铵在40mL水中溶解,由滴液漏斗逐步滴入瓶内,因为聚合过程中放热,瓶内温度有所升高,反应液逐步回流。
滴完丙烯酸和过硫酸铵溶液约0.5h。
3.在94℃继续回流1h,反应即可完成。
聚丙烯酸相对分子质量约在500~4000之间。
4.如要得到聚丙烯酸钠盐,在已制成聚丙烯酸水溶液中,加入浓氢氧化钠溶液（浓度为30%）边搅拌边进行中和,使溶液pH值达成10~12范围内即停止,即制得聚丙烯酸钠盐。
Ⅱ.端基法测定聚丙烯酸分子量
正确称量约0.2g样品放入100mL烧杯中,加入1mol/L氯化钠溶液50mL,用0.2mol/L氢氧化钠标准溶液滴定,测定其pH值,用消耗氢氧化钠毫升数对pH值作图,找出终点所消耗碱量。
利用下式计算聚丙烯酸分子量
式中Mn——聚丙烯酸分子量;
V——试样滴定所消耗氢氧化钠标准溶液体积,mL;
M——氢氧化钠标准溶液摩尔浓度,mol/L;
m——试样质量,g;
1/72——每1g样品所含有羧基摩尔理论值;
2——聚丙烯酸1个分子链两端各有一个酯基。
3.1.4试验数据
药品量
蒸馏水1（ml）
过硫酸铵（g）
丙烯酸单体1
异丙醇（g）
丙烯酸单体2（g）
过硫酸铵2（g）
蒸馏水2（ml）
制得产品分子量
第一组
50
0.5
2.5
4.0
20
1.0
20
1552
第二组
100
1.0
5.0
8.0
40
2.0
40
1550
第三组
200
2.0
10.0
16.0
80
4.0
80
1556
3.1.5试验结果与分析
依据聚合反应动力学原理,合成聚丙烯酸钠分子量要受到很多原因影响,如聚合反应温度、链转移剂浓度、单体浓度、单体浓度。
下面给予讨论,从而得出制备低分子量聚丙烯酸最好条件。
链转移剂浓度影响改变链转移剂异丙醇加入量,经过滴定方法测出在不一样浓度转移剂下制取聚丙烯酸抵达滴定终点时所消耗氢氧化钠标准溶液量,从而计算出聚丙烯酸分子量。
分别测得在不一样浓度链转移剂下制取聚丙烯酸分子量。
结果表示在图1中。
依据图1可看出链转移能力与链转移剂键能强弱相关,键能强,链转移能力弱。
在聚合反应中,起到控制分子量大小和使分子量分布变窄作用,使聚合物性能稳定。
依据图1所表示我们能够得出,当异丙醇浓度增大,聚合物分子量先上升后下降,当要制取低分子量聚丙烯酸钠时需依据情况选择合适链转移剂浓度。
合成份子量（-3000）聚丙烯酸钠合适链转移剂浓度为130%-225%。
单体浓度影响改变加入丙烯酸单体质量,单体浓度以丙烯酸质量占水重计算。
为预防暴聚,在试验时,单体是从分液漏斗中逐滴加入到三颈烧瓶中。
用相同方法进行计算,结果表示在图2中。
依据图2能够看出,当单体浓度逐步增大但还不到90%时,分子量是逐步增大;不过当单体浓度大于90%时分子量又开始有降低趋势。
所以在合成低分子量聚丙烯酸钠时能够依据上述分析选择合适单体浓度。
合成份子量（-3000）聚丙烯酸钠合适单体浓度应小于100%。
将在不一样温度下制取聚合物用标准浓度氢氧化钠溶液进行滴定,将pH对所消耗氢氧化钠作图,然后再分别作图读出滴定终点时消耗标准浓度氢氧化钠溶液体积,利用和以上相同方法分别进行计算得出聚合物分子量,再将得出分子量对温度作图如图3。
聚合温度是影响聚丙烯酸钠分子量关键原因。
聚合温度对单体、引发剂、链转移剂都有影响。
聚合温度高低直接影响到引发剂活化分子含量,聚合温度高,向单体、溶剂链转移常数增大,链终止反应速度加紧。
经过观察图3能够看出:
随温度升高,分子量降低。
从而也能够得出聚丙烯酸钠分子量随温度改变规律。
不过当温度很高时,反应速度加紧,反应不轻易控制。
所以在制取低分子量聚丙烯酸钠时,我们能够依据上图所表示选择合适温度范围。
合成份子量（-3000）聚丙烯酸钠合适温度为低于57℃。
将在不一样引发剂浓度下制得聚合物用标准浓度氢氧化钠溶液进行滴定,也用上述一样方法进行操作和计算,能够得出聚合物分子量,然后将聚合物分子量对引发剂浓度进行作图如图4所表示。
本聚合反应采取引发剂引发下自由基聚合反应,遵照经典连锁反应机理[。
过硫酸铵热分解生成自由基,自由基引发单体进行聚合。
引发剂引发效率和引发剂热分解速率对聚合物分子量有影响。
经过对图4分析能够看出当引发剂浓度增大时,聚合物分子量会先降低以后又有一点升高,这也和理论上聚合反应速率与引发剂浓度平方根成反比;而聚合物分子量与引发剂浓度平方根成反比一致。
所以我们在合成份子量（-3000）聚丙烯酸钠时能够依据上述图4分析选择2%左右引发剂浓度。
3.2试验方案二
3.2.1试验原理
PAANa合成路线关键有先聚合再中和、先中和再聚合等多个。
本试验采取先中和再聚合路线。
其反应式以下所表示:
3.2.2试剂和仪器
试剂:
丙烯酸,CP;过硫酸铵,AR;氢氧化钠,CP;丙醇,CP;去离子水。
仪器:
四口烧瓶;滴液漏斗;球形冷凝管;电热套;调压器;水循环真空泵;布氏漏斗;真空烘箱;乌氏粘度计（0.6mm）;恒温水浴;干燥箱等。
3.2.3试验方法
在装有搅拌器、回流冷凝管、温度计、滴液漏斗250ml四口烧瓶中,加入20ml去离子水和100ml链转移剂丙醇,在不停搅拌下加热至80-82℃左右,开始滴加由1.8g引发剂过硫酸铵、10ml水和29g单体丙烯酸配成溶液（首先将引发剂溶解于水中,再加丙烯酸）,并在2～3h内将单体和引发剂滴加完成,以后保温反应2h。
改成蒸馏装置,加热蒸出链转移剂丙醇冷却至40～50℃时（取样5ml待测定分子量）,然后逐步滴加30%氢氧化钠溶液（约42g）中和至pH=7～8,得到淡黄色透明粘稠PAANa溶液。
将该溶液滴加至丙酮中,再过滤,真空干燥可得到聚丙烯酸钠固体粉末。
3.2.4试验数据
用端基法测定聚丙烯酸分子量,丙烯酸聚合物酸性比单体要弱,当其只溶解于水中不易被正确滴定,不过假如溶解于0.01-1mol/L中性电介质中时,滴定终点是清楚,滴定是正确,进而可求出对应聚丙烯酸钠分子量。
具体方法为:
在聚合反应结束蒸出链转移剂后而未进行中和前取样,称取0.2g（正确至0.0001g）样品,放入100ml烧杯中,加入50ml1mol/LNaCl溶液,用0.2NNaOH标准溶液滴定,测定其pH值,用消耗NaOH标准溶液毫升数对pH值作图,曲线拐点即为滴定终点。
找出终点所消耗碱量,按下式计算聚丙烯酸分子量:
M=2/[（1/72）-（V·N/W×1000）]
式中:
M聚丙烯酸分子量;
V滴定终点消耗NaOH标准溶液体积,mL;
NNaOH标准溶液摩尔浓度mol/L;
W试样重量,g;
2聚丙烯酸一个分子链两端各有一个内酯;
1/721g样品中所含有羧基克当量理论值。
经计算得M=1554
4试验感想
经过此次试验我学会了合成低分子量聚丙烯酸方法。
了解聚丙烯酸前景和用途。
也锻炼我动手能力,实际操作能力和理论计算分析能力。
在试验过程中,我们认真对待每一步,试验也最终圆满完成。
我熟悉掌握了基础操作步骤,深刻认识到搞科研必需认真严谨认真,还要有一丝不苟工作态度,不懂就问,不怕失败。
由衷感谢牛老师知道和帮助
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