聚丙烯酰胺分子量影响因素的研究

高彬

摘要：以丙烯酰胺(AM)，丙烯酸（AA），氢氧化钠（NaOH）为原料，采用双引发剂体系（叔丁基过氧化氢-硫酸亚铁铵与偶氮引发剂）制备了阴离子聚丙烯酰胺产品。研究了不同反应条件对聚丙烯酰胺产品分子量的影响。

关键词：聚丙烯酰胺；分子量；反应条件

引言：聚丙烯酰胺是一种重要的化学品，具有优异的絮凝性、增粘性、增稠性、表面活性、降失水性、降摩阻性等特性，因此在油井钻井、采油、堵水、调剖、酸化、压裂、水处理等方面得到广泛的应用。随着市场需求的不断增加，聚丙烯酰胺的生产技术也在不断地改进和提升。聚丙烯酰胺作为主要的驱油主剂，主要功能是提高驱替液的粘度。因此，聚丙烯酰胺的表观粘度是驱油的一项重要指标。聚丙烯酰胺分子量越高，其表观粘度越高。如何制取高分子量聚丙烯酰胺是科研工作者面临的难题。本文将从反应起始温度、链转移剂、引发剂、pH值等方面，对聚丙烯酰胺分子量的影响进行研究，为聚丙烯酰胺产业的发展和进步提供参考。

1、实验部分

1.1 原料与试剂

丙烯酰胺（AM），工业级，安徽天润化学工业股份有限公司；丙烯酸(AA)，工业级，江苏裕廊化工有限公司；氢氧化钠，分析纯，国药集团化学试剂有限公司；乙二胺四乙酸二钠，分析纯，国药集团化学试剂有限公司；甲酸钠，分析纯，国药集团化学试剂有限公司；叔丁基过氧化氢，分析纯，国药集团化学试剂有限公司；硫酸亚铁铵，分析纯，国药集团化学试剂有限公司；偶氮二异丁咪唑啉盐酸盐，分析纯，国药集团化学试剂有限公司；尿素，硫脲。

1.2 实验方法

根据实验目的不同，将AM、AA、去离子水、尿素、硫脲加入烧杯中；用30%的NaOH溶液调配溶液的pH值，并搅拌均匀；将调制好的溶液放进具有保温的反应器中，降至需要温度，吹40分钟纯氮气（99.99%）；向溶液中加入定量的引发剂；待反应结束后，老化2小时；取出聚合物，用剪刀剪成3-5mm大小的颗粒放入烘干机（不高于100℃）中干燥，烘干至水分小于10%，碾磨粉碎制成20-80目的成品。

1.3 产品检测方法

按照《GB 17514-2017 水处理剂 阴离子和非离子型聚丙烯酰胺》，用乌氏黏度计测定产品分子量。

2、结果与讨论

2.1 起始温度对反应的影响

在其他条件不变的情况下，改变反应的起始温度，考查起始温度与分子量之间的关系，如图1。

     

由图1可以看出，聚丙烯酰胺的分子量随温度的升高先升高，后降低，然后逐渐不变的趋势。

2.2 链转移剂对反应的影响

在其他条件不变的情况下，改变甲酸钠的加入量，考查甲酸钠与分子量之间的关系，如图2。

由图2可以看出，聚丙烯酰胺的分子量随甲酸钠加入量的增加而先增长，后降低。在自由基聚合反应中，除了链引发、链增长、链终止三步基原反应外，往往伴有链转移反应。链转移结果使原来的自由基终止，聚合度因而减小。而甲酸钠加量减少后，增加了聚合时交联的产生，导致不溶物增加，由于不溶物的增加，会大大影响分子量的增加。在实际生产中为防止反应后期聚合物交联而不溶，需适量加入链转移剂。

2.3 引发剂对反应的影响

在其他条件不变的情况下，改变引发剂的加入量，考查叔丁基过氧化氢与分子量之间的关系，如图3。

     

由图3可以看出，叔丁基过氧化氢的用量对聚丙烯酰胺分子量的影响是先增长，后降低的趋势，这就和聚合自由基理论的反应机理是一致的，在引发剂剂量很少时，无法引发，聚合反应量少，最终表现为分子量低；当引发剂过量时，引发剂也会起到链转移剂的作用，造成分子量降低。

2.4 pH值对反应的影响

在其他条件不变的情况下，改变pH值的大小，考查pH值与分子量之间的关系，如图4。

      

由图4可以看出，不同的pH值，产品分子量相差很大，当pH值小于7.5时，分子量随着pH值的增大而增大，当pH值为7.5时，产物具有最大的分子量，之后分子量逐渐降低。原因在于pH值大于7时，引发速率过快，AM生成氮氚三丙烯酰胺，pH值越高，氮氚三聚丙烯酰胺生成越多，这种物质是链转移剂，所以pH值增加，分子量逐渐降低。

3、结论

采用双引发体系制备共聚聚丙烯酰胺，分别改变起始温度、链转移剂添加量、引发剂添加量、pH值，考察了以上改变对聚丙烯酰胺分子量的影响。实验发现，起始温度为0-2℃时，甲酸钠为8mg，叔丁基过氧化氢为6mg时，pH值为7.5左右时，聚丙烯酰胺的分子量最高，能达到1600万以上。

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