聚丙烯酸钠实验改进

2024-05-18

聚丙烯酸钠实验改进（共7篇）

聚丙烯酸钠实验改进篇1

碳酸钠与碳酸氢钠的性质是高中重要的知识点, 《普通高中课程标准》要求:“能通过实验研究碳酸钠的性质, 能通过实验对比研究碳酸钠、碳酸氢钠的性质”。如何进行实验设计就显的无比重要, 针对教材上实验设计的一些值得探讨的地方对实验进行改进。

1.问题的提出:

教材上比较Na2CO3和Na HCO3与盐酸反应的剧烈程度, 是分别把0.3克Na2CO3固体与0.3克Na HCO3固体装在气球里, 3ml的盐酸溶液装在集气瓶里进行实验。不足之处: (1) 这套装置气球里的Na2CO3固体与Na HCO3固体不能分别同时倒入集气瓶中。 (2) 0.3克Na2CO3固体与0.3克Na HCO3固体和足量的盐酸溶液反应产生气体的量比Na HCO3固体要多出四分之一。 (3) 仅区分了碳酸钠与碳酸氢钠与盐酸反应的快慢, 没从本质解释原因。

2.实验改进:

2.1实验用品:

1.5mol/LNa2CO3溶液1.5mol/LNa HCO3溶液4.5mol/L盐酸溶液5ml注射器小试管小气球双孔塞导管

2.2 实验装置:

2.3 实验过程:

(1) 分别在5ml试管中装入3ml 1.5mol/L Na2CO3溶液和Na HCO3溶液, 针筒中装入2ml 4.5 mol/L盐酸溶液。

(2) 同时慢慢注入1ml的盐酸溶液, 观察现象。紧接着又注入1ml的盐酸溶液, 观察现象。

2.4 实验结果:

装有NaH CO3溶液的试管瞬时就出现了气泡。Na HCO3+HCl=Na Cl+H2O+CO2。装有Na2CO3溶液的试管在第一次注入1ml的盐酸溶液时几乎没什么现象又注入1ml的盐酸溶液马上产生很多气泡。

3.实验改进的优点:

(1) 方便了相同物质的量的Na2CO3和Na HCO3同时和盐酸溶液反应。

(2) 不仅区分了碳酸钠与碳酸氢钠与盐酸反应的快慢, 没从本质解释原因。

(3) 微型实验, 方便随堂学生实验。培养了学生的创新思维。

参考文献

[1]宋心琦主编.普通高中课程标准实验教科书.化学1 (必修第3版) [M].北京:人民教育出版社, 2007:99

[2]化学实验的小助手——注射器[J].化学教学, 2013. (8) :40—41

[3]张庆云.微型化学实验, 2006 (2) :45

聚丙烯酸钠实验改进篇2

一、部分版本教材实验设计存在的问题

1.高级中学课本化学（必修）第一册（人民教育出版社1990年10月第1版），其中第四章第二节有关内容片段：

“【实验4-5】把少量盐酸分别加入盛着碳酸钠和碳酸氢钠的两个试管。比较它们放出二氧化碳的快慢程度。

碳酸氢钠遇到盐酸放出二氧化碳的反应，要比碳酸钠剧烈得多。”

存在问题：该实验设计很不严密，没有给出盐酸的浓度及量的多少、也没有给出碳酸钠和碳酸氢钠的量，无法进行比较，其结果没有说服力。

2.全日制普通高级中学教科书（必修）化学第一册（人民教育出版社2003年6月第1版），其中第二章第二节有关内容片段：

“【实验2-7】在两支试管中分别加入3 mL稀盐酸，将两个各装有0.3 g碳酸钠或碳酸氢钠粉末的小气球分别套在两支试管口。将气球内的碳酸钠和碳酸氢钠同时倒入试管中（如图2-8，略），观察反应现象。

从上述实验可以看出，碳酸钠和碳酸氢钠都能与稀盐酸反应，但碳酸氢钠与稀盐酸反应要比碳酸钠与稀盐酸反应剧烈得多。”

存在问题：该实验设计也不严密，主要存在两个问题：（1）没有给出稀盐酸的浓度是多少，盐酸的量可能都过量也可能都不够或者一个过量一个不够。（2）碳酸钠和碳酸氢钠质量一样多是不合理的，因为碳酸钠比碳酸氢钠的物质的量少，在酸过量的情况下碳酸氢钠产生二氧化碳比碳酸钠多，气球理应大，这样就不能根据气球的大小来判断反应的剧烈程度。

通过以上分析可知，这个看似简单的实验，看来并不简单，需要认真研究和分析。

二、实验研究与改进

1.理论分析

要想比较碳酸氢钠、碳酸钠分别与同浓度的盐酸反应的剧烈程度，必须根据控制变量法设计实验。碳酸氢钠、碳酸钠的物质的量要相等；盐酸的浓度及体积要相等，酸要适当过量，保证产生的气体的量一样；反应温度要相差不大。盐酸与碳酸钠反应放热，温度会升高；盐酸与碳酸氢钠反应吸热，温度会降低。因此，需要测量反应后的温度，了解温度变化的情况。

2.实验目的、实验设计、现象及结论

（1）实验目的：了解反应前后温度变化

【实验1】取2支相同规格的大试管（直径1.8 cm，高度14.5 cm），分别加入0.5 g

（0.0047 mol）碳酸钠粉末和0.4 g（0.0047 mol）碳酸氢钠粉末，然后直立在试管架上，各加入3 mL 9 mol·L-1盐酸于试管中，待反应结束后将温度计分别插入溶液中测量溶液的温度。重复以上实验，只是将盐酸体积及浓度分别变为：3 mL 8 mol·L-1、3 mL 7 mol·L-1、3 mL 3 mol·L-1、10 mL 3mol·L-1、10 mL 2 mol·L-1、10 mL 1 mol·L-1。（实验温度15℃）

实验结果见表1。

实验结果分析及结论：同浓度盐酸分别与碳酸钠、碳酸氢钠反应，当盐酸的体积比较大（10 mL）时溶液温度相差比较小（只有3℃～4℃），当盐酸的体积比较小（3 mL）时溶液温度相差比较大（13℃～16℃）。因此，从温度变化情况看，宜选用体积较大（10 mL）的盐酸做该对比实验。

（2）实验目的：比较反应的剧烈程度

通过反应产生泡沫的最高高度以及反应结束的先后，来比较反应的剧烈程度。

【实验2】向两支相同规格的大试管（直径1.8厘米，高度14.5厘米）中分别加入0.5 g（0.0047 mol）碳酸钠和0.4 g（0.0047 mol）碳酸氢钠粉末，然后直立在试管架上，同时将10 mL 3 mol·L-1盐酸倒入上述两支试管中，先观察比较反应瞬间产生泡沫达到的最高高度情况，再观察比较反应结束（不再产生气泡）的先后。重复以上实验，只是将盐酸体积及浓度分别变为：10 mL 2 mol·L-1、10 mL 1 mol·L-1。

实验现象：都是盛碳酸氢钠试管产生泡沫高，反应结束的早。但3 mol·L-1盐酸过于剧烈，1 mol·L-1盐酸有点慢，2 mol·L-1盐酸快慢适中。

实验结论：在相同条件下，碳酸氢钠与同浓度的盐酸反应比碳酸钠更剧烈。

三、实验改进

【实验3】向两支相同规格的大试管（直径1.8厘米，高度14.5厘米）中分别加入0.5 g

（0.0047 mol）碳酸钠和0.4 g（0.0047 mol）碳酸氢钠粉末，然后直立在试管架上，同时将10 mL 2 mol·L-1盐酸倒入上述两支试管中，先观察比较反应瞬间产生泡沫达到的最高高度情况，再观察比较反应结束（不再产生气泡）的先后。

实验现象：盛碳酸氢钠试管产生泡沫高，反应结束的早。

四、改进优点

实验设计科学合理，现象明显，操作简单。

（收稿日期：2014-12-23）

改性聚丙烯酸钠的制备及应用现状篇3

1 改性聚丙烯酸钠的合成及表征

1.1 制备工艺

合成改性聚丙烯酸钠的聚合反应为加聚反应, 反应机理为自由基反应机理。首先, 引发剂分子在热、光、辐射等的作用下分解为初级自由基, 然后初级自由基和单体反应, 使得链增长;由于歧化反应、偶合反应或者链转移反应使得链终止。丙烯酸类单体性质活波, 可在热、辐射及引发剂的作用下聚合, 其合成方法影响产品的性质、分子量大小和应用功能, 所以在实际应用中研究出多种合成方法, 如水溶液聚合法、反相乳液聚合法、反相悬浮聚合法等, 可合成出粘液态、胶体、胶版或粉末状聚合物。常用的引发剂是过硫酸盐及其还原剂组成的氧化-还原引发体系[4], 如K2S2O8、 (NH4) 2S2O8-Na HSO3、K2S2O8-Na HSO3、K2S2O8-K2S2O3等。本实验以丙烯酸为主要原料, 过硫酸钾为引发剂, 氢氧化钠为p H值调节剂, 异丙醇为转移剂, 采用水溶液聚合法合成改性聚丙烯酸钠, 通过单因素设计的实验方法, 分析它们对影响聚合反应的影响程度。

1.2 试剂和仪器

实验试剂有:过硫酸钾、丙烯酸、氢氧化钠、异丙醇等。

实验仪器有:调制式热分析仪, 型号DSC-2910, 美国TA仪器公司;四口玻璃烧瓶, 250m L, 上海玻璃仪器厂;增力电动搅拌机, 金坛市丹阳门石石英玻璃厂;电动调速器, 金坛市丹阳门石石英玻璃厂;电子天平, Fa1004, 上海良平仪器仪表有限公司;真空干燥箱, ZK-82A, 上海市实验仪器总厂等。

1.3 操作步骤

实验的操作步骤如下:第一步是在装有回流冷凝器、温度计、搅拌器和液滴漏斗的250m L四口烧瓶中依次加入一定量的蒸馏水和异丙醇, 蒸馏水为去离子水级别, 异丙醇为转移剂。第二步是将它们于室温下在四口烧瓶中搅拌均匀, 加热混合溶液, 使之升温达到一定温度。第三步是滴加反应物丙烯酸和引发剂过硫酸钾的水溶液, 3.5h溶液滴加完毕。第四步是将混合物在烧瓶中保温反应3.2h, 然后冷却至30°C-45°C。第五步是将含30%的氢氧化钠水溶液滴加到混合溶液中, 使之中和至p H=7-8。第六步是将反应物送入蒸馏装置, 然后加热蒸发收集异丙醇以回收利用。第七步是将粘稠状的改性聚丙烯酸钠溶液, 洗涤后置于60°C左右的真空干燥箱中, 干燥至恒重, 粉碎包装。

1.4 改性聚丙烯酸钠分子量的测定

用乌氏粘度计 (毛细管内径为0.8mm) 在 (29-31) °C, 以水为溶剂, 测定水的流出时间t0和各种实验条件下合成的聚合物水溶液的流出时间t, 可由式 (1-1) 计算得出改性聚丙烯酸钠分子量。

C-聚合物的溶液质量浓度, g/m L;M-粘均分子量。

2 结果与讨论

制备改性聚丙烯酸钠的影响因素比较多, 主要有参与聚合反应的反应物浓度、助剂浓度、反应温度、反应时间等, 下面分别予以阐述。

2.1 反应物丙烯酸

本实验第一步是探索反应物丙烯酸浓度的变化对产品分子量的影响。随着单体丙烯酸浓度的下降, 改性聚丙烯酸钠的分子量显著减少。如果丙烯酸的浓度在25%以下时, 混合物的聚合速度非常缓慢, 而且反应不彻底, 残留的丙烯酸溶液很多, 并且不容易处理。因此, 将丙烯酸浓度控制在30%-35%范围内比较合适。

2.2 反应温度

本实验第三步是探索合成反应温度的变化对产品分子量的影响, 设计的反应温度分别为:85°C、80°C、75°C、70°C、65°C。实验结果发现, 随着聚合反应温度的升高, 产品的分子量逐步下降。如果聚合反应温度高于80°C时, 由于丙烯酸在聚合反应过程中回流速度比较快, 导致反应原料损耗较多, 因此聚合反应的温度控制在75-80°C的范围是比较合适的。

2.3 反应时间

本实验第四步是探索合成反应时间的变化对产品分子量的影响, 实验结果如表2所示。

由表1可知, 改性聚合丙烯酸钠的分子量随着反应时间的延长而增加。反应开始时, 丙烯酸浓度比较高, 聚合反应速度比较快, 因此产物的分子量的提高比较迅速。当聚合反应的时间增至3.2-3.5h时, 改性聚合丙烯酸钠的分子量变化缓慢, 因此故反应时间应控制在3.0-3.5h是比较恰当的。

3 改性聚丙烯酸钠的应用

改性聚丙烯酸钠的应用领域比较广

3.1 水质稳定剂

改性聚丙烯酸钠的具有很好的水质稳定性, 它在循环冷却水中的应用结构表明, 抑制管壁污垢的沉积效果显著。一旦溶液中的钙离子浓度很大的时候, 碳酸钙污垢就有可能沉积下来, 然而由于改性聚丙烯酸钠被吸附在溶液中的晶体粒子的表面, 阻止了晶体微粒的聚集, 导致管壁表面的污垢混合层比较疏松, 易于被流动的溶液冲刷掉, 从而实现了抑制污垢的目的。

3.2 絮凝剂

改性聚丙烯酸钠作为絮凝剂已经在污水处理领域得到了广泛的应用。一般用法是, 即在待处理的污水中加入一定量的改性聚丙烯酸钠, 并充分混合均匀, 可以达到使污水中悬浮的固体粒子 (包括磷酸盐) 沉淀下来的效果。

3.3 吸水性树脂

纸、棉和泡沫塑料等常用的吸水性物质, 只能吸收其自身重量的10-20倍水分, 而用改性聚丙烯酸钠作为吸水剂, 高的吸水量可以达到400倍以上的效果。由于吸水量巨大, 研究者很看好它的应用前景, 越来越受到社会的关注。

4 结语

本文阐述了改性聚丙烯酸钠的制备工艺, 以产物的分子量作为表征指标, 指出反应物丙烯酸浓度、过硫酸钾浓度、反应温度、反应时间4个因素对产物分子量的影响程度, 然后分别指出合适的工艺参数。改性聚丙烯酸钠在5个领域的应用, 未来需要研究产物的化学、物理性质, 优化生产工艺的过程, 提高产品的质量。

参考文献

[1]许东颖, 胡爱珍, 陈甲华等.聚丙烯酸钠的合成研究[J].广西师范学院学报 (自然科学版) , 2004, 21 (4) :4-6.

[2]王寿武, 邓应淼, 周雪婷等.聚丙烯酸钠的合成及性能研究[J].精细石油化工进展, 2010, 11 (5) :42-43.

[3]高凤芹, 宁荣昌.合成低分子量聚丙烯酸钠的新方法[J].华东理工大学学报 (自然科学版) , 2006, 32 (2) :221-224.

低分子量聚丙烯酸钠的合成及应用篇4

在染整行业中,活性染料上染织物后,织物上存在一定量的未固着的染料和水解染料,这些未固着的染料和水解染料必须要经过皂洗去除,否则会影响织物的色牢度。我们知道,高分子聚合物有很好的分散性和一定的抗再沾污性,主要通过与未固着的染料进行络合作用,清除织物表面的浮色。基于上述分析,要想有效的去除织物表面的浮色,这种聚合物必须要具备较强的分散能力,能有效的进行吸附,分散、络合等。因此,本文对低分子量的聚丙烯酸钠的合成进行了分析。

1 实验部分

1.1 实验仪器及试剂

试剂:丙烯酸,分析纯,成都市科龙化工试剂厂;异丙醇,分析纯,国药集团化学试剂有限公司;过硫酸铵[(NH4)2S2O8],分析纯,天津市福晨化学试剂厂;氢氧化钠(NaOH),分析纯,上海实验试剂有限公司。

仪器:水浴锅、运动粘度计、烧杯、三口瓶、冷凝管、温度计、滴液漏斗、搅拌器。

1.2 实验步骤

1.2.1 聚丙烯酸钠溶液的制备

在装有搅拌器、温度计和滴液漏斗的三口瓶中,加入去离子水和一定量的异丙醇,在水浴锅上加热到一定温度,然后配制一定量的引发剂和丙烯酸的混合溶液,加入到滴液漏斗中,控制滴加速度,在2 h内滴加完毕,然后再保温反应2 h,冷却至50 ℃,在不断搅拌的情况下加入一定量的浓度为30%的NaOH水溶液,中和至pH值为7～8,然后换成蒸馏装置加热蒸馏出链转移剂和水的混合物,回收循环使用。

1.2.2 聚丙烯酸钠溶液粘度的测定[1]

采用运动粘度计,以0.2 mol/L的NaOH作为溶剂,将聚丙烯酸钠配制成一定浓度的溶液,在(30±0.5)℃下分别测定溶剂和溶液流出时间,按下式分别求出[η]和M:

对于本试验所采用的温度-溶剂体系,其中两个参数k,α分别为0.176 mL/g、0.6,即 $Μ = \sqrt[0.6]{η / 0.176}$ 。

1.2.3 固含量的测定

称取一定量的产品,置于110 ℃恒温箱内,待干燥至恒重后,记录其重量,并按下式计算固含量:

固含量 $= \frac{干燥后恒重}{样品重量} \times 100 %$

2 结果与讨论

2.1 引发剂用量对聚合物分子量的影响

首先确定聚合温度为75 ℃,单体用量25 g,链转移剂用量4.5 g,考察引发剂用量对分子量的影响。

由表1可知,随着引发剂量的增加,相对分子质量逐渐降低,但是当引发剂用量到1.75后,相对分子质量有增加的趋势。动力学链长与引发剂浓度平方根成反比,即引发剂浓度越大,分子量越小。这是因为引发剂用量小时,分解出的自由基数目少,有利于多个单体聚合在同一条分子链上,从而导致聚合物分子量较大,增加引发剂用量后,此时分解出更多的自由基,出现更多的聚合活性点,这时单体分别聚合在不同的分子链上,所以聚合物分子量降低。但是随着引发剂用量的继续增加,聚合反应速率较快,导致单体迅速的聚集在一起,使得聚合物分子量又有一定程度的提高。

2.2 单体用量对聚合物分子量的影响

确定引发剂用量为单体用量的7%,其他量不变,通过改变单体用量,来考察单体用量对分子量的影响。

由表2可知,随着单体用量的增加,聚合物相对分子质量先降低后升高。按照自由基聚合的动力学理论,增大单体浓度,则聚合速度加快,分子量增高。起初单体浓度较低,聚合速度较慢,导致反应不完全,但是随着单体浓度的升高,聚合速度加快,分子量增高,但是如果浓度过大,由于反应剧烈,巨大的反应热不能及时传出,反而影响聚合物的性能。因此选择单体用量为25 g。

2.3 链转移剂用量对聚合物分子量的影响

确定单体用量为25 g,引发剂为单体用量的7%(1.75 g),温度75 ℃,变化链转移剂的量,来分析链转移剂对聚合物分子量的影响。

由表3可知,随着链转移剂用量的增加,聚合物的相对分子质量不断减小,在链转移过程中,终止了链增长自由基,使得聚合物的相对分子质量降低。而且随着异丙醇用量增大,链增长反应速度常数越大,每个活性中心从引发到终止所消耗的单体定义的动力学链长越小,即这种终止链增长的作用越明显。

2.4 聚合温度对聚合物分子量的影响

确定单体用量25 g,引发剂用量1.75 g,链转移剂用量为7.5 g,通过改变温度,来分析温度对聚合物分子量的影响。

由表4可知,随着聚合温度的升高,聚合物分子量是逐渐减小的。聚合温度对分子量的影响,主要表现在它对引发剂分解速度的影响,当聚合的温度升高时,引发剂分解速率提高。由于聚合温度升高时,导致引发剂产生更多的自由基,使得反应单体在不同的分子链上聚合的趋势增加,从而使得相对分子质量降低。

3 结论

引发剂用量、聚合温度、单体用量、链转移剂用量对聚丙烯酸钠的相对分子质量都有一定程度的影响,应选择合理的合成工艺条件,合成相对分子质量较低的聚丙烯酸钠,使其具有较好的分散能力和吸附能力,最终用于皂洗剂的复配过程中。经分析可知,制取低分子量聚丙烯酸钠的最佳试验条件为:单体用量25 g、引发剂为单体用量的7%、链转移剂量为7.5 g、聚合温度为80 ℃。

参考文献

[1]何静,吴玉英,刘六军,等.低分子量PAANa分散性的研究[J].北京林业大学学报,2002,24(5):217-218.

[2]张坤,王志才,王洪涛,等.低分子量聚丙烯酸(钠)的合成及表征[J].阜阳师范学院学报,2008,25(4):51-53.

[3]韩秀山.聚丙烯酸钠的应用[J].四川化工与腐蚀控制,2002,5(2):17-20.

[4]孙晓日.低分子量聚丙烯酸钠的合成[J].化学研究与应用,2002,14(3):334-335.

[5]张会宜,孙晓然.合成条件对聚丙烯酸钠相对分子质量的影响[J].河北化工,2007,30(6):13-15.

[6]韩慧芳,崔英德,蔡立彬,等.聚丙烯酸钠的合成及应用[J].日用化学工业,2003,33(1):36-39.

[7]蒋永华,彭晓宏.聚丙烯酸钠的合成[J].石油化工,2003,32(6):513-516.

[8]徐东平.聚丙烯酸钠助沉剂的合成[J].河北化工,2000(3):16-17.

[9]刘伟,武玉民,段洪东.低分子量聚丙烯酸钠的合成研究[J].精细石油化工,1999(5):43-44.

聚丙烯酸钠实验改进篇5

Mg(OH)2作为一种无机添加型阻燃剂,具有无毒、无烟、填充效果好等多种功能,还具有高效促基材成炭作用、强除酸能力、分解后生成的氧化镁化学性质稳定等优点,是目前广泛使用的一种阻燃剂[1]。但是纳米Mg(OH)2的表面能高,易团聚;晶体表面亲水疏油,和亲油性的聚合物分子亲和力欠佳,在聚合物中难以均匀分散,阻燃效率低[2,3]。因此,必须对纳米Mg(OH)2进行表面改性,以改变其天然“亲水疏油”的表面性质,提高其在聚合物中的分散性和相容性。

本研究以聚丙烯酸钠为改性剂,利用其长链的空间位阻稳定作用以及离解产生大量电荷的静电稳定作用,在合成Mg(OH)2的过程中同时进行表面改性处理,一步合成了表面包覆PA-Na的纳米Mg(OH)2,考察了改性工艺以及改性剂用量对改性效果的影响。并通过FT-IR,XRD,TEM对所得样品进行表征。本方法流程短、工艺简单、改性效果明显,可得到分散性高的针状纳米Mg(OH)2。

1 实验

1.1 主要原料和仪器

Mg(NO3)2·6H2O(分析纯),NaOH(分析纯),聚丙烯酸钠(PA-Na 分子量8000 质量分数45% 工业级),无水乙醇(分析纯),液体石蜡(分析纯);SHB-Ⅲ循环水式多用真空泵(郑州长城科工贸有限公司);202-1型干燥箱(上海实验仪器厂);ME2.1型超声波清洗器(美国Metter Electronics公司制造);JB90-D型强力电动搅拌器(上海标本模型厂制造)。

1.2 实验方法

将Mg(NO3)2·6H2O和NaOH按确定的反应配比配成所需浓度的溶液,称取一定质量的PA-Na,溶于Mg(NO3)2溶液中,将该混合溶液加入装有温度计、搅拌器、恒压滴液漏斗的四口烧瓶中,恒温水浴中加热至反应温度,搅拌条件下缓慢滴加NaOH溶液。滴加完毕,减压过滤,反复水洗,再用20mL无水乙醇洗涤3次进行溶剂置换,将滤饼在110℃干燥箱中烘干2h即得改性纳米Mg(OH)2粉体。通过单因素试验,根据样品沉降体积、平均直径确定改性的最佳条件。

1.3 表征方法

沉降体积的测定:称取1.00g左右的纳米Mg(OH)2粉体放入25mL的具塞量筒中,添加液体石蜡至刻度线,超声振荡20min,摇匀后静置,读取不同时间固体的体积。未改性的Mg(OH)2表面亲水,与液体石蜡的相容性差,在其中不能很好地分散,沉降速度快;改性后Mg(OH)2表面疏水,与液体石蜡的相容性好,能较好地分散。因此,可以用沉降速度来预先评价改性效果[1]。

采用美国Nicolet公司的Magna750傅里叶变换红外光谱仪检测PA-Na在Mg(OH)2颗粒表面的吸附情况。日本电子公司的JEM-1011透射电子显微镜观察颗粒形貌和大小。日本Rigaku D/Max-γ B型X射线衍射仪分析样品的物相和晶型。

2 结果与讨论

2.1 反应温度对改性效果的影响

图1为不同反应温度下改性样品沉降体积的变化曲线,改性条件为:时间60min,Mg2+初始浓度0.5mol/L,PA-Na添加量为Mg(OH)2质量的0.5%。从图中可以看出,随着反应温度升高,改性样品沉降速度变慢。这是由于PA-Na在纳米Mg(OH)2表面的吸附是吸热过程[4],温度越高,吸附量越大,改性效果越好,沉降速度越慢。但从表1反应温度对平均直径的影响可以看出,反应温度达到90℃时,平均直径变大,这可能是因为温度高时,颗粒的布朗运动加快,颗粒间碰撞的几率随之增大,部分颗粒容易重新聚集。因此,本着粒径适中、沉降速度慢的原则,确定最佳反应温度为80℃。

2.2 反应时间对改性效果的影响

图2是反应时间与沉降体积的关系曲线,改性条件为:温度80℃,Mg2+初始浓度0.5mol/L,PA-Na添加量为Mg(OH)2质量的0.5%。从图中可以看出,反应时间越长沉降速度越慢,但反应60min与反应100min对沉降体积影响不大。因为反应时间短,反应不彻底[5],PA-Na对纳米Mg(OH)2颗粒表面包覆不完全,沉降速度快;随着时间的延长,PA-Na对纳米Mg(OH)2颗粒的包覆作用逐渐增强,改性效果越好,沉降速度越慢。表2是反应时间对平均直径的影响,从中可以看出,反应时间小于60min时,对平均直径的影响不大,但延长反应时间到100min时,平均直径明显增大。因为反应时间过长,容易引起颗粒再生长。因此,确定最佳反应时间是60min。

2.3 Mg2+初始浓度对改性效果的影响

图3是Mg2+初始浓度与沉降体积的关系曲线,改性条件为:温度80℃、时间60min、PA-Na添加量为Mg(OH)2质量的0.5%。由图3可见,Mg2+初始浓度对沉降体积有很大影响,Mg2+初始浓度过大、过小沉降速度都很快,Mg2+初始浓度为1mol/L时沉降速度最慢。Mg2+初始浓度较小时,溶液过饱和度小,成核速率小于晶体生长速率,平均直径大,可能导致PA-Na对纳米Mg(OH)2颗粒的包覆不完全,使两个相邻颗粒带不同电荷的区域相互吸引,改性效果变差。随着Mg2+浓度的增大,平均直径减小,改性效果越来越好。但当Mg2+浓度增大到一定程度,过量的Mg2+使溶剂对PA-Na的溶解能力下降;对PA-Na离解后产生的活性基团(即R—COO-)有很大的屏蔽作用;对颗粒周围的双电层起压缩作用,减弱PA-Na与Mg(OH)2颗粒表面的相互作用,这都会使改性效果变差[4]。表3是Mg2+初始浓度对平均直径的影响,由表3可见,随着Mg2+初始浓度的增加,平均直径逐渐减小,这是因为Mg2+初始浓度增加,溶液过饱和度增大,成核速率大于晶体生长速率,导致平均直径变小。综合Mg2+初始浓度对沉降体积和平均直径的影响,确定Mg2+的最佳初始浓度为1mol/L。

2.4 PA-Na添加量对改性效果的影响

图4是PA-Na添加量与沉降体积关系曲线,改性条件为:温度80℃、时间60min、Mg2+初始浓度1.0 mol/L。由图可见,PA-Na添加量为Mg(OH)2质量的0.2%时沉降速度最慢,添加0.1%次之,未添加与添加0.5%,1.0%的沉降速度较快。这是因为添加量少时,随着添加量增大,PA-Na在Mg(OH)2颗粒表面吸附量逐渐增大,在液体石蜡中越稳定,沉降速度越慢;当PA-Na加入量达到饱和后,吸附在Mg(OH)2颗粒表面的PA-Na不再增加,继续增加PA-Na用量,过多加入的PA-Na将进入液相,这反而增加了离子强度,压缩双电层,减小颗粒间的静电斥力,同时过量的PA-Na分子链也容易发生桥连效应,使沉降速度加快[4,6]。表4是PA-Na添加量与平均直径的关系,由表中数据可以看出,与未添加改性剂时相比,加入改性剂后平均直径都变小。这是因为改性剂PA-Na的存在对已生成的Mg(OH)2颗粒产生空间位阻作用,抑制了团聚现象的发生。添加量少时,由于PA-Na对Mg(OH)2颗粒包覆作用差,颗粒在一定程度上得以继续生长,颗粒尺寸较大,随着PA-Na用量的增加,包覆作用增强,溶液中颗粒生长受到阻碍,颗粒的最终尺寸较小[7]。根据沉降体积、平均直径的分析结果,确定改性剂添加量为Mg(OH)2质量的0.2%。

2.5 Mg(OH)2红外光谱分析

为了研究PA-Na分子在Mg(OH)2颗粒表面的吸附情况,将最佳工艺条件下改性Mg(OH)2与未改性Mg(OH)2样品进行红外光谱分析,结果如图5。从图中可知,波数3698cm-1的强峰是Mg(OH)2晶体中O-H的伸缩振动,3424cm-1为缔合—OH的伸缩振动吸收峰,1634,1417cm-1分别为晶体结构中结晶水和—OH的弯曲振动吸收峰。经PA-Na改性后,在波数2924,2854 cm-1出现亚甲基的伸缩振动吸收峰,表明有碳氢链的存在,改性剂在Mg(OH)2颗粒表面产生吸附。但在波数1400,1500cm-1左右并未出现—COO-1的特征吸收峰,可能是因为PA-Na用量太少(约0.018g)[8],也有可能是部分吸附在Mg(OH)2颗粒表面的PA-Na被无水乙醇洗掉[9],但从红外分析结果可以看出,仍然有一部分吸附在Mg(OH)2颗粒表面,从而改变颗粒的表面性质。

2.6 Mg(OH)2的形态结构表征

图6为最佳工艺条件下改性Mg(OH)2与未改性Mg(OH)2样品的透射电镜图,从图中可以看出,纳米Mg(OH)2为针状,改性前后平均直径分别为14.6,12.3nm。与改性前相比,改性后的平均直径减小、团聚程度降低。

图7为改性前后Mg(OH)2的XRD测试结果,改性后各衍射峰的位置和面间距(d)与Mg(OH)2的标准衍射谱图(PDF44-1482)一致,比较如表5。

由图7,表5可见,合成的样品是Mg(OH)2,改性后的晶格结构保持不变仍为六方晶系结构,而且没有其它杂质峰出现,说明样品很纯,但改性后衍射峰主峰强度增大,说明改性后Mg(OH)2结晶性更好。根据scherrer公式[10]计算改性前后的晶粒尺寸分别为10.8,10.6nm,与透射电镜测定结果相符。

3 结论

(1)以Mg(NO3)2·6H2O,NaOH和PA-Na为原料,通过单因素实验确定改性纳米Mg(OH)2的最佳工艺条件为:反应温度80℃、反应时间60min,Mg2+初始浓度1.0mol/L,PA-Na用量为Mg(OH)2质量的0.2%。

(2)在最佳工艺条件下可以制备出粒度分布均匀,平均直径约12nm,分散性良好的针状纳米Mg(OH)2,改性后PA-Na在Mg(OH)2颗粒表面产生吸附,衍射峰主峰强度提高,团聚程度减少。

参考文献

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聚丙烯酸钠实验改进篇6

目前,制备SAPC主要包括将高岭土[1]、膨润土[2]、凹凸棒土[3]和云母[4]等不同的非金属矿物复合到聚丙烯酸钠或聚丙烯酸钠-丙烯酰胺吸水树脂体系中。将两种或两种以上无机粘土与单体进行复合,或对粘土进行有机改性,是进一步改善树脂吸水保水和耐盐性能的重要发展方向[5]。膨润土具有很高的阳离子交换容量、膨胀性、吸附性和分散性,能够稳定地分散在丙烯酸类亲水性单体水溶液中进行复合聚合,提高SAP的吸水倍率、吸水速率、高温保水和加压保水等性能。凹凸棒是一种链层结构的镁铝硅酸盐矿物,在我国储量丰富,价格低廉。本研究采用水溶液聚合法,氧化-还原引发体系合成凹凸棒/膨润土/聚丙烯酸钠三元复合吸水性树脂,研究复合粘土用量、混合粘土配比对聚合反应速率的影响,并对影响SAPC吸水速率的因素进行探讨。

1 实验部分

1.1 原料及规格

凹凸棒粘土,200目粉状颗粒,安徽明光市明涛凹凸棒矿品厂;膨润土,广州亿峰贸易有限公司(产地:河南);丙烯酸(AA),工业级,日本进口分装;氢氧化钠(NaOH):分析纯,广州化学试剂厂; N,N’-亚甲基双丙烯酰胺(Bis ),分析纯,天津市北联精细化学品开发有限分司;过硫酸铵((NH4)2S2O8 ):分析纯,广州化学试剂厂;亚硫酸氢钠(NaHSO3),分析纯,广州化学试剂厂。

1.2 三元复合高吸水性树脂的合成

称取一定量的NaOH,用适量蒸馏水溶解于烧杯中,放置在冰水浴中快速冷却。另称取一定量丙烯酸缓慢加入NaOH溶液中,在冰水浴下中和。随后加入膨润土、凹凸棒、Bis,搅拌均匀,再依次加入(NH4)2S2O4和NaHSO3。反应完成后置于100℃下恒温干燥至恒重,粉碎、过筛,即得三元复合高吸水树脂,取60~100目粒径的树脂材料备用。

1.3 性能测试

1.3.1 吸水倍率测定

采用自然过滤法测试吸水性树脂的吸水倍率。称0.5g树脂(60~100目)放入1 L的烧杯中,加入去离子水,室温下静置待溶胀饱和,用100目滤布将剩余的水滤去, 并使吸水凝胶在滤布上静置15min,然后称出凝胶质量。吸水倍率以Q(g·g-1)表示:

undefined

式中,m1为树脂吸水前质量,g;m2为树脂吸水后质量,g。

1.3.2 吸水速率

在数个1L烧杯中,分别加入0.5g树脂,加入去离子水,各自静置不同的时间,用100目滤布过滤,求得吸水倍率与吸水时间的关系即为该树脂的吸水速率。

2 结果与讨论

2.1 复合粘土对SAPC聚合反应速率的影响

SAPC的合成为放热过程,随着反应的不断进行,聚合体系反应温度不断升高。反应速率越快,聚合反应温度上升越快。由于聚合体系与环境存在热量交换,反应温度到达一峰值后开始缓慢下降。实验中测定不同时刻的反应温度,聚合反应速率用反应温度变化速率表示。

2.1.1 复合粘土用量的影响

保持m(凹凸棒)∶m(膨润土为)=2∶1,复合粘土用量对聚合反应速率的影响如图1所示。

由图可见,粘土的引入使聚合反应趋于复杂:聚合反应初期,粘土用量越大聚合反应速率越快,但随着反应的进行,粘土用量大的聚合体系其反应速率反而慢。粘土用量为5%时,聚合反应过程存在一个明显的放热高峰;而粘土用量为20%以上时,其放热峰不明显。这可能是由于无机粘土中一些微量金属离子和水溶液中的钠离子发生离子交换后,有利于加速引发剂的裂解产生自由基的速率,表现为聚合初期反应速率随粘土用量的增加而加快。但同时无机粘土可对聚丙烯酸(钠)活性链产生链转移或链终止,从而导致聚合反应速率降低,聚合温度的变化趋于平缓。

2.1.2 粘土配比的影响

固定粘土用量为丙烯酸质量分数的20%,改变凹凸棒和膨润土的相对用量,粘土配比对聚合反应速率的影响如图2所示。由图可看出,添加凹凸棒的丙烯酸(钠)水溶液反应速率比添加膨润土更快。而将膨润土和凹凸棒以不同比例混合加入后,随着膨润土用量的增加,聚合反应速率变慢。因此,聚合反应速率和粘土的种类有关,膨润土对丙烯酸钠活性自由基链的链转移或链终止速率速率常数比凹凸棒更大。

2.2 影响SAPC吸水速率的因素

2.2.1 粘土配比的影响

图3是固定复合粘土为丙烯酸单体质量分数的20%、不同凹凸棒和膨润土配比的复合树脂的吸水速率曲线。由图可见,相对膨润土,添加凹凸棒的吸水树脂其平衡吸水倍率更高,但吸水速率更慢。结合2.1.2可解释为,膨润土对丙烯酸(钠)自由基聚合的链转移能力比凹凸棒更强,形成的部分低分子量的聚丙烯酸链并未参与交联,使得聚合后树脂形成交联网络,交联密度偏低,其平衡吸水倍率稍低。添加膨润土的吸水树脂的吸水速率更快,其原因可能有二:一是由于膨润土层间表面亲水基团含量大,吸水时水相润湿速率快,进而增加吸水性凝胶网络的扩散速率;二是与粘土和丙烯酸钠溶液发生离子交换有关,导致吸水树脂离子浓度发生变化,具体原因有待进一步研究。另由图可看出,将凹凸棒和膨润土按一定比例复合加入后(m(凹凸棒)∶m(膨润土)=2∶1),可发挥两者间的协同作用,在保持较高的平衡吸水倍率的同时,提高吸水速率。

2.2.2 交联剂用量的影响

交联剂用量对吸水树脂吸水速率的影响见图4。由图可见,交联剂用量对吸水树脂的吸水速率和平衡吸水率影响明显。当交联剂用量为0.03%时,复合树脂已形成部分交联的网络,具有一定的吸水倍率。交联剂用量进一步增至0.07%,吸水倍率达到最大。此后随交联用量的增加,树脂的吸水倍率开始下降,而当交联剂用量增至0.8%时,吸水树脂的吸水速度迅速下降,40s时就已达到平衡吸水状态,且平衡吸水倍率低。

2.2.3 氧化剂用量的影响

保持n((NH4)2S2O8)∶n(NaHSO3)=1∶1,其他条件不变,(NH4)2S2O8用量对吸水速率的影响见图5。由图可知,随着氧化剂用量的增加,树脂的吸水速率和平衡吸水倍率均先增加后下降,氧化剂质量分数为0.8%时,吸水性能最佳。

2.2.4 中和度的影响

中和度对树脂吸水速率的影响见图6。由图可见,中和度越大,树脂吸水速率越快。随中和度增加,树脂内部与外部Na+浓度差增大,渗透压增加,树脂吸水速率加快。但从平衡吸水倍率来看,中和度为30%的吸水倍率最大,中和度为50%和90%的吸水倍率相近。综合考虑,SAPC中和度为90%时,吸水性能最佳。

3 结论

(1)添加粘土会加快氧化还原引发体系活性自由基的产生速率,并同时会降低链增长过程中聚合反应速率。聚合反应速率和粘土的种类有关,膨润土对丙烯酸钠活性自由基链的链转移或链终止速率常数比凹凸棒更大。在凹凸棒-膨润土复合粘土用量一定条件下,膨润土用量越大,聚合反应速率越慢。

(2)在相同膨润土和凹凸棒用量下,添加凹凸棒的吸水树脂其平衡吸水倍率更高,但吸水速率更慢。将膨润土和凹凸棒复合,可发挥两者间的协同作用,在保持较高的平衡吸水倍率的同时,提高吸水速率。

(3)当m(凹凸棒)∶m(膨润土)=2∶1,交联用量为0.07%,氧化剂用量为0.8%,中和度为90%时,SAPC的吸水速率最快。

参考文献

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聚丙烯酸钠实验改进篇7

关键词：坡缕石胶体,稳定性,聚丙烯酸钠,臭氧化

坡缕石黏土中常会伴有石英、白云石、长石、蒙脱石等多种杂质矿物。杂质矿物的存在,对坡缕石黏土的性能和质量会产生不利的影响[1]。提纯能显著提升坡缕石黏土的性能,稳定黏土质量,扩大其高端使用价值。坡缕石黏土的提纯研究主要以湿法为主,多采用高剪切力和分散剂相结合的方法[2,3,4,5,6,7,8,9]。坡缕石黏土在分散剂的帮助下制得的泥浆悬浮液能保持稳定的悬浮状态。在此状态下,黏土中的碎屑类杂质矿物在重力作用下沉降到沉降柱的底部,去除底部碎屑矿物即可实现坡缕石的提纯。接下来遇到的问题是如何从泥浆中得到提纯后的坡缕石矿粉。通常情况下对于高岭土、蒙脱石等黏土泥浆,可通过超细过滤或高速离心将泥浆中的水与黏土分离,得到粉体黏土。但对于纳米级矿物坡缕石来说,矿物的粒径比现有的最细的网筛还细,过滤会导致大量坡缕石随泥浆流失,使回收率下降。现存的坡缕石泥浆脱水的有效办法是“闪干”加热或喷雾干燥,泥浆制粉成本占整个提纯工艺的一半左右。此外,残存在粉体中的分散剂也可能会在不同程度上制约坡缕石的性能和应用范围。

坡缕石黏土提纯时使用的分散剂分有机分散剂和无机分散剂两类。有机分散剂主要指分子量大于2000的高分子聚合物聚丙烯酸钠。臭氧是一种强氧化剂,可氧化绝大多数有机化合物。有机物臭氧化后的中间产物是一系列小分子有机酸,最终产物是CO2和H2O。本研究证实臭氧化能使高分子聚丙烯酸钠的长链结构遭到破坏,使之丧失对坡缕石泥浆的稳定作用。不含聚丙烯酸钠的泥浆将失稳,发生泥水分离,使坡缕石矿物沉降到分离柱的底部。臭氧化作用使脱水的泥浆更容易获得黏土矿粉,显著降低提纯成本。

1 试验部分

1. 1 试验材料与药剂

试验材料: 试验黏土样品采自盱眙某坡缕石黏土矿山。原矿自然风干后呈灰白色,土渣状,遇水极易崩解成泥,高速搅拌后成浆效果较好,当地人称之为软质矿。样品的化学组成见表1。其提纯前后的XRD图谱见图1,原土的主要组分为坡缕石,其余主要是石英、白云石等。

试验药剂: 分散剂为聚丙烯酸钠( PAAS) ,化学纯,白色粉末状,分子量为5 100,分子式为: ( C3H3Na O2) n。

1. 2 试验方法

( 1) 将样品粗碎至直径约0. 5 cm大小的块状,加入适量蒸馏水,静置浸泡1 h后,沥干水分,用小型手动对辊机对辊2遍,并在低温( < 60°) 下烘干,制得1 ~ 2 mm厚的片状样品。

( 2) 在1 000 mL蒸馏水中加入0. 2g PAAS分散剂和10 g黏土上述片土,在600 r/min转速下用电动搅拌器搅拌6 h,制成坡缕石黏土的悬浮液( 泥浆) 。

( 3) 将泥浆倒入高筒沉降柱中静置12 h以上,弃掉下部沉降的杂质部分,将上部泥浆转入2 000m L的大量筒中,作为试验组。

( 4) 在1 000 m L蒸馏水同样加入0. 2 g PAAS,配制成聚丙烯酸钠( PAAS) 水溶液作为对照组。

( 5) 使用臭氧发生器,在流速为150 L/h的工作条件下,分别向试验组和对照组中通入浓度为16. 6mg / L的臭氧。

( 6) 根据臭氧曝气时间,对试验组进行取样,并依次标记为a ~ j( 表2) 。在相同条件下,另取对照组的水样。

1. 3 分析方法

臭氧化反应过程中体系性质的变化通过p H值和总有机碳( TOC) 值表征。

p H值测量: 根据臭氧曝气时间,分别取适量试验组和对照组的水样,用上海精科PHBJ-260型便携式p H计进行测量。

总有机碳( TOC) 检测: 根据臭氧曝气时间取样完成后,取适量水样,在日本岛津TOC-5 000A型碳分析仪上进行测试。

2 结果与分析

2. 1 臭氧化体系的化学性质变化

试验组和对照组体系的p H值、TOC值变化见图2和图3。从图2中可以看出: 在臭氧曝气之初,试验组 ( 图中PASS + Palgorskite) 和对照组 ( 图中PASS) 的p H值都呈弱碱性( 分别为8. 3和7. 8) . 随着臭氧化反应的进行,体系的p H值均经过了先缓慢下降,并在2 h达到最低值( 分别为8. 2和7. 6) ,再经过快速上升,并在8 h之后保持不变( 分别为9. 1和8. 3) 。这一变化规律与多数有机物的臭氧化过程一致: 第一段p H值降低反映了有机物经过臭氧化后的酸化过程( 即小分子有机酸阶段)[10 - 11]。酸化之后的p H值持续升高则主要与PASS断链后,位于长链端点的Na离子积累有关。试验组体系的p H值始终高于对照组体系的,可能反映了坡缕石黏土一般呈弱碱性的特征。

从图3可以明显看出,随着臭氧化反应的进行,体系的TOC经过6 h曝气后基本为零。说明高分子化合物经过持续的开链和断键等氧化作用,最终完成了无机化进程,有机物全部转化为CO2和H2O。对照组中的TOC值先于试验组达到零值,这可能与有机化合物臭氧化中间产物被吸附在坡缕石表面,增加了臭氧化难度有关。

2. 2 臭氧曝气时间对坡缕石泥浆沉降的影响

将试验组曝气后的样品分别移入50 m L比色管中静置,发现在一定的时间段内,臭氧曝气时间对坡缕石泥浆的稳定性有显著的影响作用。主要表现为: 静置2. 5 h后,臭氧曝气时间大于2 h的坡缕石泥浆( f ~ j) 开始出现分层; 随着静置时间延长到25h后,d ~ j组的分层效果趋于一致,而未通入臭氧的坡缕石泥浆( a) 仍然保持较好的悬浮性,没有出现分层。

将相同静置时间的上清液体积比的变化绘制成图4,可以更明显地看出,静置25 h后,d ~ j组分层上清液体积明显大于臭氧曝气不足的b ~ c组。而未通入臭氧的a组悬浮稳定性始终很好。

2. 3 臭氧化作用对含坡缕石泥浆回收率的影响

将上述试验中( 图2和图3) 臭氧曝气时间分别为0 h和8 h后的坡缕石泥浆移入50 m L离心管中,在1 000 r/min速率下离心5 min,对比两组试验条件下的坡缕石回收率。未进行臭氧化曝气的泥浆离心后依然呈乳白色,泥浆中仍有较多悬浮态坡缕石矿物; 而臭氧曝气8 h的泥浆离心后泥水分离明显,离心管上部透明,浓的坡缕石泥浆约占离心管体积的20% 。试验所配置的泥浆中黏土固含量为1% 。经过提纯分离后泥浆中坡缕石含量估计略低于1% 。臭氧曝气后经过一次离心分离,即可将坡缕石泥浆浓度从略低于1% 增加到4% 。因此,如经多次离心或增加离心时间、增大离心转速,可望大幅提高黏土泥浆的回收率。

3 结论

( 1) 加入PAAS的坡缕石泥浆有助于黏土中碎屑颗粒物沉降分离的同时,也使得去除杂质的泥浆难以实现泥水分离。臭氧可使PAAS对坡缕石泥浆的悬浮稳定性作用丧失,显著降低泥水分离的难度。

( 2) 在试验条件下,PASS经过6 ~ 8 h的臭氧曝气,高分子长碳链被破坏,含PASS溶液体系经历了酸化( 降解出小分子有机酸) 和碱化( Na离子积累)阶段,最终实现无机化的转变。

( 3) 对含PASS的坡缕石泥浆进行臭氧化处理,能显著减小泥浆固液分离的难度,有助于降低坡缕石提纯的成本,提高坡缕石矿物的回收率。

参考文献

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