20世纪以来,聚丙烯酰胺(PAM)作为一种工业用途极为广泛的工业产品,需求量极大,目前主要原产国集中在中国、美国、欧洲和日本,被广泛用于水处理和造纸工业。聚丙烯酰胺主要生产方法是水溶液聚合、悬浮聚合、反相悬浮聚合等。水溶液聚合法制备的PAM胶块散热困难,产品容易交联导致水溶性差;悬浮聚合和反相悬浮聚合分离操作复杂,固含量低等缺点。因此,本课题研究了一种新型的油包水体系的聚合方法—非稳态体系聚合法。非稳态体系是依靠机械搅拌力实现油包水环境,让单体水溶液在分散介质中形成均匀的液滴,然后单体以液滴为聚合单位发生自由基聚合反应,形成颗粒状PAM产品;由于该体系没有加入表面活性剂或乳化剂,油包水体系是不稳定的,因此在停止搅拌后,聚合物颗粒即可沉淀到分散介质底部,从而简化分离操作;除了改善PAM的散热问题以外,还能极大提高聚合物的固含量。首先,探究了体系不同油相、搅拌速速和油水体积比的作用,通过对合成的聚合物研究,最终得出结论:非稳态体系选用聚二甲基硅氧烷为油相分散介质,最佳油水体积比至少为2:1,大于此比例会获得更小、更均匀的粒径,而搅拌速度大于300r/min时,则有更优良的分散效果。通过对温度的测定,非稳态体系散热性好,温度无骤增现象。在非稳态体系中分别应用氧化还原引发剂和偶氮类引发剂,使丙烯酰胺单体均聚。研究聚合温度,引发剂用量,单体溶液质量浓度以及体系酸碱度对聚合物的影响,并最终确定最佳实验条件:对于氧化还原引发剂,最佳聚合温度为50℃,引发剂用量0.05%,转化率能达到94%,分子量超过300万。偶氮引发剂最佳温度为60℃,用量0.02%,转化率可达99%,分子量接近600万。对比两种引发体系,在单体质量浓度在40%时分子量同时达到最高。对体系酸碱度研究发现:在pH=8的弱碱性环境下有利于颗粒状聚丙烯酰胺的聚合,并且有很好的溶解性。对产物进行FT-IR和~1H-NMR表征,结果表明丙烯酰胺双键断开,在非稳态环境中顺利发生自由基聚合反应。实验以甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(DMC)为阳离子单体,在非稳态体系中与丙烯酰胺单体共聚,来研究非稳态体系的共聚温度,不同单体质量比对共聚物产品分子量、转化率、阳离子度和电荷密度的影响,以及体系酸碱度对非稳态体系的共聚效果的作用,并与水溶液聚合法产品对比分析。研究结果表明:在非稳态体系中,当m(DMC):m(AM)=9:21时,得到的阳离子产品最优,转化率在98%左右,分子量780万,通过对阳离子聚丙烯酰胺带电性的测定,此时阳离子度达19.21%,电荷密度为51×10~5μeq。对酸碱性研究表明,共聚反应同均聚反应相同,弱碱性有利于自由基聚合的进行。同时,通过对比发现,非稳态体系聚合物颗粒固含量高,转化率高,但是对于阳离子度来说略低一些。再由产品的FT-IR和~1H-NMR表征分析,可以得出结论:在非稳态体系中两种单体发生了共聚反应,聚合成大分子聚合物,且分子长链上带有了阳离子的基团。对非稳态体系制备的PAM颗粒的干燥效率、溶解速度,粒径分布进行研究,与其他油包水体系合成方法比对,并对聚合物做絮凝性测试。根据数据结果发现:体系聚合物的粒径与油水体积比和搅拌速度有关,油水比越大、搅拌速度越快可以使颗粒粒径越小,非稳态体系合成的非离子型聚丙烯酰胺平均粒径为3mm左右,而阳离子聚丙烯酰胺颗粒平均粒径为1.9mm左右,相对于其他同类型油包水体系制备的聚丙烯酰胺粒径略大,但是产品固含量提高很大幅度;PAM产品固含量高,含水分少,因而干燥速度快,5~6个小时即可成为绝干状态;体系制备的PAM无交联现象,所以水溶性极好,在水中迅速溶胀然后溶解;最后通过对制备的聚丙烯酰胺的絮凝测试,能够较好的完成絮凝过程,并将高岭土悬浮液中的微粒吸附,效果优良,说明非稳态体系合成聚丙烯酰胺完全可以用于絮凝工作。