聚丙烯酰胺的溶解与搅拌速度和溶解温度的关系.pdf

1994 2010 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 收稿日期 2004212227 修改稿收到日期 2005203206 作者简介 石少波 1971 男 工程师 硕士研究生 主要从 事高分子方面的研究工作 聚丙烯酰胺的溶解与搅拌速度和溶解温度的关系 石少波 胡仰栋 韦钦胜 中国海洋大学化学化工学院 青岛266003 摘要 研究了配制条件对聚丙烯酰胺水溶液粘度的影响 实验结果表明 在不同的搅拌速度 温度下配制溶液 聚丙烯酰胺水溶液的最终粘度相差很大 同时发现聚丙烯酰胺溶解形成水溶液 后 粘度性质稳定 聚丙烯酰胺在溶解过程中可能形成了一种决定粘度的二次结构 这种结构的形 成与配制过程中的搅拌速度 温度等有关 一旦形成此结构 搅拌速度和温度的改变不再对溶液粘 度产生影响 关键词 聚丙烯酰胺 粘度 搅拌速度 温度 氢键 1 前 言 聚丙烯酰胺是一种无定形的水溶性聚合物 它 在工业和农业中应用广泛 1 3 同时人们在催化化 学 4 共聚化合物 5 生物医学 6 等基础研究领域 对它的应用和性质进行了研究和探索 它在水悬 浮液中的絮凝作用使其广泛应用于造纸 水处理和 采矿等领域 2 3 7 部分水解的聚丙烯酰胺还应用 于油田的三次采油的聚合物驱油中 8 9 粘度是 聚丙烯酰胺水溶液应用中的重要工艺参数 人们对 聚丙烯酰胺溶液粘度产生机理 10 溶液浓度 11 12 剪切速率 13 离子强度 14 对聚丙烯酰胺溶液粘度 性质的影响进行了大量研究 发现粘度大小与溶液 浓度 剪切速率 温度 离子强度密切相关 有些作 者从聚丙烯酰胺降解的角度进行研究 如Marcus J Caulfield 15 16 发现 聚丙烯酰胺溶液在95 热处 理和紫外线照射的情况下只有少量降解 粘度也表 现出相当的稳定 唐康泰等 17 18 测定了水在聚丙 烯酰胺中的扩散活化能和颗粒聚丙烯酰胺溶解活 化能 推 测 溶 解 过 程 主 要 是 克 服 分 子 链 间 CONH2的氢键缔合 研究了影响聚丙烯酰胺溶 解的因素 并借助聚丙烯酰胺溶解机制阐述了聚丙 烯酰胺结构对其溶解性能的影响 本研究发现在 不同的搅拌速度和温度下溶解 聚丙烯酰胺水溶液 的最终粘度相差很大 经溶解后溶液粘度稳定 并 对此现象进行了分析和解释 2 实验部分 2 1 试剂与仪器 聚丙烯酰胺 分析纯 相对分子质量3 106 中国亨达精细化学品有限公司生产 NDJ21型旋转粘度计 9021B型数显恒温磁力 搅拌器 2 2 实验方法 量取一定量去离子水 置于烧杯中在磁力搅拌 器上搅拌 称取一定量的聚丙烯酰胺置于烧杯中 溶解完全后 将烧杯置于30 水浴中 用NDJ21型 旋转粘度计测量动力粘度 改变搅拌速度一段时 间后再测粘度 或者搅拌速度不变改变溶解时的搅 拌温度 测定粘度 步骤同上 3 结果与讨论 3 1 溶解中搅拌速度对溶液最终粘度的影响 在配制过程中采用200r min和600r min的 搅拌速度 测定了一系列不同浓度的聚丙烯酰胺水 溶液在30 时的粘度 发现同一质量分数的聚丙 烯酰胺溶液在不同的搅拌速度下溶解得到的溶液 最终粘度相差较大 较高转速下得到的溶液粘度大 约只有低转速得到溶液粘度的60 70 见 图1 溶解过程主要是克服分子链间 CON H2的 氢键缔合 当聚丙烯酰胺溶于水时 在溶胀和溶解 过程中 其酰胺基既形成分子内氢键 又与水分子 形成氢键 分子内氢键构成聚丙烯酰胺的环结构和 螺旋结构的刚性链段 这种结构使得溶液的粘度较 大 搅拌速度快 分子内氢键构成聚丙烯酰胺的环 结构和螺旋结构的刚性链段受机械剪切的作用容 石 油 炼 制 与 化 工 2005年11月 PETROL EUM PROCESSING AND PETROCHEMICALS 第36卷第11期 1994 2010 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 易被破坏和解离 当溶液受到的剪切速率增加时 原已渗透到大分子内部的内含溶剂 在剪切作用下 被迫挤出 无规线团尺寸减小 溶剂分布在无规线 团之间 从而使聚丙烯酰胺的酰胺基更多地与水分 子作用而使大分子变得柔顺 流体力学体积和粘度 也变小 19 图1 聚丙烯酰胺在不同搅拌速度下溶解水溶液粘度 200r min 600r min 3 2 溶解后搅拌速度对溶液粘度的影响 完全溶解后的溶液再经过长时间高速搅拌 发 现粘度没有变化 可见搅拌速度对聚丙烯酰胺溶 液粘度的影响只限于溶解过程中 作者认为溶解 后 聚丙烯酰胺分子内氢键与水分子形成的分子外 氢键达到了平衡状态 形成了一种二次结构 破坏 这种二次结构所需要的活化能比较大 即使提高搅 拌速度 也不会破坏这种二次结构 从而不会再影 响聚丙烯酰胺溶液的粘度 3 3 溶解中温度对溶液粘度的影响 选取6个不同的温度配制聚丙烯酰胺水溶液 溶解完全后在搅拌速度600r min 温度30 的条 件下测定聚丙烯酰胺溶液粘度 图2 聚丙烯酰胺在不同温度下溶解的水溶液粘度 聚丙烯酰胺质量分数 0 8 1 0 1 2 1 4 由图2可知 同一质量分数的聚丙烯酰胺溶液 在不同温度下溶解得到的溶液粘度相差较大 聚丙 烯酰胺溶液浓度低 0 8 1 0 时 溶解温度超 过40 粘度明显下降 聚丙烯酰胺溶液浓度高 1 2 1 4 时 溶解温度超过45 粘度明显 下降 温度有利于克服分子链间 CONH2的氢 键缔合 但要高于阈值温度后粘度才有明显下降的 现象 这与水在聚丙烯酰胺中的扩散活化能和颗粒 聚丙烯酰胺溶解活化能 16 有关 只有超过水在聚 丙烯酰胺中的扩散活化能和颗粒聚丙烯酰胺溶解 活化能 才能克服分子链间 CONH2的氢键缔 合 导致聚丙烯酰胺的酰胺基更多地与水分子作用 而使粘度变小 3 4 溶解后温度对粘度的影响 在30 溶解得到的聚丙烯酰胺水溶液升温至 35 55 保持2h 然后降温至30 测量溶液粘 度 粘度基本保持不变 可见温度对聚丙烯酰胺溶 液粘度的影响只限于溶解过程中 溶解后再提高 温度不能破坏二次结构 不影响二次结构的稳定 性 从而不会再影响聚丙烯酰胺溶液的粘度 4 结 论 配制溶解过程中不同的搅拌速度和温度导致 聚丙烯酰胺水溶液的最终粘度相差很大 较快的搅 拌速度和较高的温度溶解得到的聚丙烯酰胺水溶 液粘度较小 聚丙烯酰胺在溶解过程中有可能形 成了一种决定粘度的二次结构 这种结构的形成与 溶解过程中的搅拌速度和溶解温度有关 这种二次 结构相当稳定 不易再受搅拌速度和温度的影响 二次结构的形成可能是由于聚丙烯酰胺分子 内氢键的分解与再生成 同时聚丙烯酰胺分子与水 分子之间形成氢键 二者达到了一种动态的解离和 形成的平衡状态 而破坏这种平衡状态所需活化 能较大 因此这种二次结构稳定 宏观上表现为溶 液的最终粘度受到配制条件的影响 而配制溶解完 成后表现稳定 参 考 文 献 1 Smith E A Oehme F W Rapid direct analysis of acrylamide residue in polyacrilamide thickening agents byHPLC J Chromatrogr Sci 1993 31 5 192 2 Maria Elisa S R e Silva Eider R Dutra Valdir Mano et al Preparation and thermal study of polymers derived from acryl2 amide Polymer Degradation and Stability 2000 67 491 495 3 严瑞王 宣 水溶性高分子 北京 化学工业出版社 1998 76 第11期 石少波等 聚丙烯酰胺的溶解与搅拌速度和溶解温度的关系 1994 2010 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 1 5 84 91 160 4 Jose L Pillai VNR Catalase2like activity of divinyl2 benzene DVB 2crosslinked polyacrylamide supported a2 mino metal complexes Eur Polym J 1996 32 12 1431 5 Parada L G Cesteros L C Meaurio E et al Miscibil2 ity in blends of poly vinyl2acetate2co2vinyl alcohol with poly N N2dimethylacrylamide Polymer 1997 39 5 1019 6 Kim S R Yuk S H Jhon M A A semi2interpenetra2 ting network system for a polymer membrane Eur Polym J 1997 33 7 1009 7 Bune Y V Barabanova A I Bogachev Y S et al Pol2 ymerization of acrylamide with various water2soluble monomers Eur Polym 1997 33 8 1313 8 Thomas W