具有磺酸盐结构的疏水缔合水溶性共聚物的制备与性能研究

论文摘要

聚丙烯酰胺是一种用途广泛的水溶性高分子，但该聚合物在抗盐抗温性能及抗剪切能力比较差，在一定程度上限制了聚合物的应用，解决这些问题的途径有：增加聚合物用量和提高聚合物分子量，增加用量即意味着增加成本，而提高聚合物分子量又面临着技术及工艺极限的难题。在聚合物分子中引入某种缔合或者微交联结构并提高其性能才是提高聚合物水溶液粘度及耐温抗盐性的有效途径。本文合成的是带有磺酸盐结构的2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸（AMPS）、常见的聚合单体丙烯酰胺（AM）和三种特点各异的疏水单体合成了阴离子型疏水缔合共聚物。选用AMPS的目的在于引入具有支链构型的强极性阴离子单体，支链构型具有较强稳定性的阴离子性基团，一方面可以增强链段刚性及提高抵御外界离子侵袭的能力，提高聚合物的稳定性，另一方面在强化聚合物的水化作用的同时又可改善聚合物的水溶性；三种疏水单体分别是α-甲基苯乙烯（α-MSt）、α-甲基丙烯酸十八醇酯（α-MOcA）和全氟己氧基乙基甲基丙烯酸酯（PFHEMA），选择α-甲基苯乙烯是因为它有着一个苯环，这就增加了聚合物链的刚性，使聚合物的抗温性能得到了提高，而α-甲基丙烯酸十八醇酯的使用是因为它有着很长的碳链，碳数目的增加对提高聚合物的抗温抗盐性能也好，第三种单体是全氟己氧基乙基甲基丙烯酸酯这种含氟单体，因为C-F键内聚力小，与极性分子的作用力强，并且氟原子有很大的电负性，键能大，键距短，分子链不易发生断裂，大大提高了其聚合物的稳定性。本文采用乳液聚合的方法合成了三种不同的阴离子型疏水缔合聚合物，固定了α-甲基苯乙烯（α-MSt）、α-甲基丙烯酸十八醇酯（α-MOcA）和全氟己氧基乙基甲基丙烯酸酯（PFHEMA）三种疏水单体的比例，通过改变丙烯酰胺（AM）和2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸（AMPS）的投料比例，在表面活性剂为1．5g和引发剂的量为0．5g，反应温度70℃的条件下每组分别合成了五个聚合物。采用红外光谱、元素分析和热失重分别对三种不同类型的疏水改性水溶性聚合物进行了结构分析和热稳定分析，分析得知由三种单体单元合成的所设计的聚合物符合其结构，用激光光散射测定了聚合物的分子量。这三种聚合物分子链中都引入了结构较为稳定的磺酸基，大大提高了共聚物的耐盐和耐热性能。对这三种疏水缔合聚合物进行了表面张力测试，粘度和聚集行为的研究和讨论。研究得出盐的加入有利于降低表面张力，但是聚丙烯酰胺／2-丙烯酰胺基-2-甲基-丙磺酸钠／α-甲基苯乙烯（AM／AMPSNa／α-MSt）的表面张力从无盐时的40．39mN／m到相对盐度较高时的38．0 mN／m，说明对盐不是很敏感；而粘度是随着浓度的升高是增加的，随着温度的升高而降低，其中AM／AMPSNa／α-MSt有着很好的抗温性能，粘度下降很小，基本上满足了我们设计其聚合物的初衷，随着剪切时间和剪切速率的增加这三种共聚物的粘度是降低的，随着盐的加入先降低后升高。但是值得我们注意的是，虽然在聚丙烯酰胺/2-丙烯酰胺基-2-甲基-丙磺酸钠／全氟己氧基乙基甲基丙烯酸酯（AM／AMPSNa／PFHEMA）中没有苯环，但是它同样体现出了较好的抗温性能、抗剪切性能和抗温性能。通过综合的分析和比较，AM／AMPSNa／PFHEMA体现出了很好的性能，含氟疏水单体的使用有着很大的实验研究潜力。用动态光散射的实验研究了三种聚合物稀溶液的聚集行为，考察了温度、盐浓度对溶液中的聚合物的动力学半径的影响，从实验中我们可以看出其粒径的大小随着本身聚合物浓度、加入电解质的种类和浓度、温度都比较敏感，加入Mg2+、Ca2+之后，聚合物溶液的动力学半径都有一个变小，然后变大的过程，随着温度的提高聚合物溶液中的动力学半径也在逐渐增大。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 聚丙烯酰胺在耐温耐盐性能上的不足
• 1.2 耐温耐盐共聚物
• 1.2.1 两性聚合物
• 1.2.2 疏水缔合聚合物
• 1.2.3 多元组合聚合物
• 1.2.4 梳形聚合物
• 1.3 丙烯酰胺共聚物的合成
• 1.3.1 共聚合成
• 1.3.2 胶束共聚
• 1.4 水溶性聚合物的改性
• 1.5 疏水缔合型聚合物的分子设计
• 1.5.1 分子结构与聚合物增粘性的关系
• 1.5.2 温度及矿化度等条件对聚合物水溶液粘度的影响机理
• 1.5.3 影响疏水缔合型聚合物增粘性的因素
• 1.5.4 疏水缔合型聚合物的分子结构及组成
• 1.6 研究的意义和主要内容
• 第二章 聚丙烯酰胺/2-丙烯酰胺基-2-甲基-丙磺酸钠钠/α-甲基苯乙烯三元共聚物（AM/AMPSNa/α-MSt）的合成与性质
• 2.1 前言
• 2.2 实验方法
• 2.2.1 原料和仪器
• 2.2.2 合成方法
• 2.3 聚合物的表征和分析
• 2.3.1 红外光谱（FTIR）
• 2.3.2 元素分析（EA）
• 2.3.3 热重分析（TGA）
• 2.3.4 聚合物的分子量测定
• 2.3.5 表面张力的测定
• 2.3.6 聚合物的流变性能的研究
• 2.3.7 激光光散射研究
• 2.4 结果与讨论
• 2.4.1 红外的表征
• 2.4.2 元素分析
• 2.4.3 热失重
• 2.4.4 聚合物的分子量的测定
• 2.4.5 表面张力
• 2.4.6 粘度
• 2.4.7 动态光散射
• 2.5 小结
• 第三章 聚丙烯酰胺/2-丙烯酰胺基-2-甲基-丙磺酸钠/α-甲基丙烯酸十八醇酯三元共聚物（AM/AMPSNa/α-MOcA）的合成与性质
• 3.1 前言
• 3.2 实验方法
• 3.2.1 原料和仪器
• 3.2.2 合成方法
• 3.2.3 聚合物的表征和测试
• 3.3 结果和讨论
• 3.3.1 红外的表征
• 3.3.2 元素分析
• 3.3.3 热失重
• 3.3.4 分子量的测定
• 3.3.5 表面张力
• 3.3.6 粘度
• 3.3.7 动态光散射
• 3.4 小结
• 第四章 聚丙烯酰胺/2-丙烯酰胺基-2-甲基-丙磺酸钠/全氟己氧基乙基甲基丙烯酸酯三元共聚物（AM/AMPSNa/PFHEMA）的合成与性质
• 4.1 前言
• 4.2 实验方法
• 4.2.1 原料和仪器
• 4.2.2 合成方法
• 4.2.3 聚合物的表征
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 红外
• 4.3.2 元素分析
• 4.3.3 热失重
• 4.3.4 分子量的测定
• 4.3.5 表面张力
• 4.3.6 粘度
• 4.3.7 动态光散射
• 4.4 小结
• 第五章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文
• 学位论文评阅及答辩情况表