CN101372525A - 反相微乳液制备非离子疏水缔合聚合水溶性聚合物 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种反相微乳液制备非离子疏水缔合聚合水溶性聚合物及其制备方法，由一种具有表面活性的阳离子单体和一种非离子单体共聚而成。其中微乳液体系油相由白油和司班类表面活性剂与吐温类表面活性剂混合而成；水相为具有表面活性的阳离子单体和一种非离子单体的水溶液。该聚合物微胶乳特点是粘度非常低，接近油相粘度，且具明显的丁达尔效应，聚合物微胶乳能够迅速的在水中分散开来，可以直接使用，克服了传统疏水缔合水溶性聚合物的溶解速度慢、溶解性能差的缺点。因此本发明涉及新型的反相微乳液制备疏水缔合聚合物的制备方法，以及聚合物具有水溶性好、增粘性好、盐增粘等优点，可应用于石油开采等行业。
Description
技术领域
本发明涉及一种非离子疏水缔合水溶性聚合物及其合成方法，属水溶性高分子领域。
背景技术
近几年来，疏水缔合水溶性聚合物由于其强增粘能力和独特的溶液特性倍受人们的关注。疏水缔合水溶性聚合物是指在常规水溶性聚合物的亲水主链上引入极少量疏水单元(通常<2mol％)而形成的一类新型功能性水溶性聚合物。在水溶液中，当这类聚合物超过一定的浓度时，不同分子链上的疏水单元产生缔合效应，聚合物大分子在溶液中形成三维的网状结构，溶液的粘度显著增加。这种缔合效应是一种物理的连接，因而具有可逆性。而且溶液中加入电解质，可以诱导大分子链上疏水单元的缔合。使得这类聚合物具有重要的应用价值，特别是在原油开采、水基涂料、药物控释和污水处理等方面具有广泛的应用前景。
目前，疏水缔合水溶性聚合物多为丙烯酰胺与非离子性疏水单元共聚而成，普遍存在问题：疏水单体在聚合物链上不对称分布，在水中的溶解速度较慢。为增加溶解速度，往往通过以下方式加以改进：其一，加入离子型亲水单体与疏水单体共聚，形成离子型疏水缔合水溶性聚合物，增强其水溶性；其二，改变聚合方式，改进其在聚合物链上的对成分布。离子型亲水单体主要以阴离子单体丙烯酸(钠)为主(Geoffrey L.Smith，Charles L.McCormick.Macromolecules 2001，34，5579-5586)，其用量高达总单体含量的50mol％。但是当丙烯酸(钠)的用量超过40mol％时，聚合物中的羧酸根与Ca2+、Mg2+离子结合，易产生沉淀而使溶液分相，聚合物溶液的增粘能力显著下降。在油田开采当中，聚合物所接触到的油田水一般无机盐的含量高，其中含有较高Ca2+、Mg2+，若聚合物分子链上羧酸根过多，除粘度降低外，聚合物与多价阳离子作用产生的沉淀会堵塞原油流动的通道。因此，这样的分子设计不能满足油田实际应用的需要。为了增加对聚合物Ca2+、Mg2+等多价阳离子的忍耐性，用水溶性更强的2—丙烯酰胺基—2—甲基丙磺酸(AMPS)替代丙烯酸(B.Bangar Raju，
M.Winnik，YotaroMorishima.Langmuir 2001，17，4416-4421)。加入亲水性离子单体的另一个作用是：利用同性电荷的排斥作用，使聚合物链更易伸展，这样即使是在较低的聚合物浓度下，聚电介质在淡水中也有很强的增粘能力。然而在盐水中，聚电介质分子链上的电荷排斥作用受到屏蔽，增粘能力显著下降。目前，疏水缔合聚合物的制备方法主要是溶液聚合。由于疏水缔合聚合物在淡水中有较强的增粘能力，粘度很高，致使聚合物的固含量很低，而且通过干燥粉粹的方式制备最终产物，得到的产物分子链受损，性能下降，而且经过干燥的聚合物溶解速率更加低下，使其推广受到限制。另外，反相乳液聚合能够促使疏水单体在聚合物链上的对称分布，但是制得的聚合物乳液不稳定，容易分层，影响其使用。而反相微乳液聚合物在很多水溶性单体的聚合得到了应用，且产物水溶性好，乳液稳定，且能够进行分子设计。
因此，为了使疏水缔合水溶性聚合物真正得到应用，特别是聚合物能够很快溶解(高于聚丙烯酰胺)，必须对其聚合方式进行重新设计。
发明内容
本发明的目的是采用反相微乳液制备疏水缔合水溶性聚合物，利用反相微乳液来进行分子设计，利用离子型疏水大单体与非离子单体丙烯酰胺共聚，得到疏水缔合水溶性聚合物的微胶乳。这种微胶乳不仅可以直接使用，而且分子量提高，固含量比较高，即使是分离纯化后，聚合物的水溶性明显高于聚丙烯酰胺。
本发明具有以下特点：
1、本发明合成的非离子型疏水缔合水溶性聚合物微胶乳具有非常低的粘度，近似于油相的粘度；纯化后的聚合物在淡水中能够迅速溶解。
2、本发明合成的非离子型疏水缔合水溶性聚合物微胶乳能够在水中迅速分散开来。
3、本发明合成的非离子型疏水缔合水溶性聚合物具有疏水缔合功能，通过调节两种离子型单体的用量，控制聚合物的溶解速度，可以用于药物的控制释放。
本技术发明是通过以下措施实现的：
一种非离子疏水缔合水溶性聚合物，它是由单体(A)和单体(B)共聚而成的聚合物，其特征是：单体(A)为一种非离子丙烯酰胺，单体(B)为具表面活性的阳离子大单体。单体(B)的结构通式为：
其中：R1、R2为H或CH3；R3、R4为CH3或C2H5；R5为CH3或C2H5；m为1～6；n为8～26。
在非离子疏水缔合水溶性聚合物中，水溶性单体(A)丙烯酰胺的用量占单体(A)、(B)97％～99.25％，最好是98.75％～99.25％之间.
反相微乳液体系由以下物质组成。油相为：10号白油、15号白油或者其混合物，表面活性剂由司班60(Span60)、司班80(Span80)、吐温60(Tween60)、吐温80(Tween80)组成，其HLB值控制在8.4-9.6。
本发明采用的聚合方法如下：
在反应容器中，加入白油和表面活性剂，表面活性剂与白油的质量比为1:0.2～20，表面活性剂的混合物控制HLB值在8.4-9.6之间，控制温度在20～60℃，搅拌速度在300～3000rpm，搅拌时间为1～8h；按照用量将单体(A)和单体(B)配制成水溶液，溶液浓度在25～60wt％之间。然后再搅拌的情况下，缓慢滴入单体水溶液，继续搅拌1～8h，将溶液温度控制在20℃～70℃之间。继续搅拌，搅拌速度控制在300～1000rpm之间，通高纯氮气30min～1h，加入水溶性自由基引发剂，引发剂的用量为单体的0.01～0.9％(摩尔比)，继续通氮气反应2h～24h，得到透明的聚合物微胶乳。
本发明采用的是反相微乳液法聚合，所用的引发剂为过硫酸盐(过硫酸铵、过硫酸钾、过硫酸钠)、过氧化氢或其与亚硫酸氢钠、亚硫酸钠、硫代硫酸钠和三乙醇胺组成的氧化还原引发体系，或水溶性偶氮化合物(V50、偶氮双甲基戊酸盐)。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明：
实施例1
在反应容器中，加入白油80g和表面活性剂40g，表面活性剂的混合物控制HLB值在9.2之间，控制温度在40℃，搅拌速度在800rpm，搅拌时间为1.5h；按照用量将丙烯酰胺(单体A)、十二烷基二甲基(丙烯酰氧乙基)溴化铵(单体B)配制成水溶液，溶液浓度在55wt％之间(A与B的摩尔比为99：1)。然后再搅拌的情况下，缓慢滴入单体水溶液，继续搅拌5h，将溶液温度控制在40℃之间。继续搅拌，搅拌速度控制在300rpm之间，通高纯氮气30min，加入水溶性自由基引发剂V50 0.15g，，继续通氮气反应5h，得到透明的聚合物微胶乳，泛蓝光。
实施例2
在反应容器中，加入白油80g和表面活性剂40g，表面活性剂的混合物控制HLB值在9.2之间，控制温度在40℃，搅拌速度在800rpm，搅拌时间为1.5h；按照用量将丙烯酰胺(单体A)、十二烷基二甲基(丙烯酰氧乙基)溴化铵(单体B)配制成水溶液，溶液浓度在55wt％之间(A与B的摩尔比为99：1)。然后再搅拌的情况下，缓慢滴入单体水溶液，继续搅拌5h，将溶液温度控制在40℃之间。继续搅拌，搅拌速度控制在300rpm之间，通高纯氮气30min，加入水溶性自由基引发剂V50 0.70g，，继续通氮气反应5h，得到透明的聚合物微胶乳，泛蓝光。
实施例3
在反应容器中，加入白油80g和表面活性剂40g，表面活性剂的混合物控制HLB值在9.2之间，控制温度在40℃，搅拌速度在800rpm，搅拌时间为1.5h；按照用量将丙烯酰胺(单体A)、十二烷基二甲基(丙烯酰氧乙基)溴化铵(单体B)配制成水溶液，溶液浓度在55wt％之间(A与B的摩尔比为99：1)。然后再搅拌的情况下，缓慢滴入单体水溶液，继续搅拌5h，将溶液温度控制在40℃之间。继续搅拌，搅拌速度控制在300rpm之间，通高纯氮气30min，加入水溶性自由基引发剂V50 0.50g，，继续通氮气反应5h，得到透明的聚合物微胶乳，泛蓝光。
实施例4
在反应容器中，加入白油80g和表面活性剂40g，表面活性剂的混合物控制HLB值在8.8之间，控制温度在40℃，搅拌速度在800rpm，搅拌时间为1.5h；按照用量将丙烯酰胺(单体A)、十二烷基二甲基(丙烯酰氧乙基)溴化铵(单体B)配制成水溶液，溶液浓度在55wt％之间(A与B的摩尔比为99：1)。然后再搅拌的情况下，缓慢滴入单体水溶液，继续搅拌5h，将溶液温度控制在40℃之间。继续搅拌，搅拌速度控制在300rpm之间，通高纯氮气30min，加入水溶性自由基引发剂V50 0.50g，，继续通氮气反应5h，得到透明的聚合物微胶乳，泛蓝光。
实施例5
在反应容器中，加入白油80g和表面活性剂40g，表面活性剂的混合物控制HLB值在9.6之间，控制温度在40℃，搅拌速度在800rpm，搅拌时间为1.5h；按照用量将丙烯酰胺(单体A)、十二烷基二甲基(丙烯酰氧乙基)溴化铵(单体B)配制成水溶液，溶液浓度在55wt％之间(A与B的摩尔比为99：1)。然后再搅拌的情况下，缓慢滴入单体水溶液，继续搅拌5h，将溶液温度控制在40℃之间。继续搅拌，搅拌速度控制在300rpm之间，通高纯氮气30min，加入水溶性自由基引发剂V50 0.50g，，继续通氮气反应5h，得到透明的聚合物微胶乳，泛蓝光。
实施例6
在反应容器中，加入白油80g和表面活性剂40g，表面活性剂的混合物控制HLB值在8.4之间，控制温度在40℃，搅拌速度在800rpm，搅拌时间为1.5h；按照用量将丙烯酰胺(单体A)、十二烷基二甲基(丙烯酰氧乙基)溴化铵(单体B)配制成水溶液，溶液浓度在55wt％之间(A与B的摩尔比为99：1)。然后再搅拌的情况下，缓慢滴入单体水溶液，继续搅拌5h，将溶液温度控制在40℃之间。继续搅拌，搅拌速度控制在300rpm之间，通高纯氮气30min，加入水溶性自由基引发剂V50 0.50g，，继续通氮气反应5h，得到透明的聚合物微胶乳，泛蓝光。
Claims (10)
1.一种非离子疏水缔合水溶性聚合物，它是由单体(A)和单体(B)共聚而成的聚合物，其特征在于：单体(A)为一种非离子单体，单体(B)为具表面活性的阳离子大单体。
2.如权利要求1所述的一种非离子疏水缔合水溶性聚合物，其特征在于：单体(A)为非离子性的水溶性丙烯酰胺。
3.如权利要求1所述的一种非离子疏水缔合水溶性聚合物，其特征在于：单体(B)为具表面活性的阳离子大单体，其结构通式为：
其中：R1、R2为H或CH3；R3、R4为CH3或C2H5；R5为CH3或C2H5；m为1～6；n为4～26。
4.如权利要求1、2所述的一种非离子疏水缔合水溶性聚合物，其特征在于：单体(A)的用量占单体(A)、(B)总摩尔数的95％～99.75％。
5.如权利要求1、3所述的一种非离子疏水缔合水溶性聚合物，其特征在于：单体(B)的用量占单体(A)、(B)总摩尔数的0.25％～5％。
6.如权利要求1所述的一种非离子疏水缔合水溶性聚合物，采用反相微乳液法聚合成，其特征在于：在反应容器中，加入白油和表面活性剂，混合物HLB值控制在8.4-9.6之间，温度控制在20～60℃，搅拌速度在300～3000rpm，搅拌时间为1～8h；按照用量将单体(A)和单体(B)配制成水溶液，溶液浓度在25～60wt％之间；然后在搅拌的情况下，缓慢滴入单体水溶液，继续搅拌1～8h，将溶液温度控制在20℃～70℃之间；继续搅拌，搅拌速度控制在300～1000rpm之间，通高纯氮气30min～1h，加入水溶性自由基引发剂，引发剂的用量为单体摩尔数的0.01～0.9％，继续通氮气反应2h～24h，得到透明的聚合物微胶乳。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于：所述的引发剂为过硫酸盐、过氧化氢或其与亚硫酸氢钠、亚硫酸钠、硫代硫酸钠和三乙醇胺组成的氧化还原引发体系，或水溶性偶氮化合物，过硫酸盐为过硫酸铵、过硫酸钾或过硫酸钠，水溶性偶氮化合物为V50、偶氮双甲基戊酸盐。
8.如权利要求6所述的方法，其特征在于：油相中包含表面活性剂与10#白油、15#白油、或者其混合物的混合物；其中，表面活性剂为表面司班60、司班80、吐温60、吐温80中一种或其任意混合物；表面活性剂与油的质量比为1:0.2～20，HLB值控制在8.4-9.6之间。
9.如权利要求6所述的方法，其特征在于：水相为单体(A)和单体(B)配制成的水溶液，单体总的质量浓度在25％～60％之间。
10.如权利要求6所述的方法，其特征在于：油相与水相的质量比在1：0.2～5之间。
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