阳离子聚合物在石油开采、造纸、采矿、纺织印染、日用化工及水处理等领域有着广泛的用途,二甲基二烯丙基氯化铵(简称DMDAAC)与丙烯酰胺(简称AM)的共聚物Poly(DMDAAC-co-AM)(简称PDA)是其中的代表。作为阳离子高分子聚合物,其阳离子度和相对分子质量大小(以特征黏度值计)直接决定了其性质和应用性能。本文合成了高相对分子质量且系列化阳离子度PDA,并对其聚合反应机理、结构与性质进行了系统研究。主要研究内容及结果如下:　　 第一、高相对分子质量且系列化阳离子度PDA产物的制备工艺及其中试放大　　 以本课题组已有工作为基础,使用高纯工业品DMDAAC和AM为原料,过硫酸铵-亚硫酸氢钠(APS-RH)为氧化还原引发体系,乙二胺四乙酸四钠(Na4EDTA)为金属离子络合剂,采用一次性加入原料和引发剂-两步升温聚合工艺,制备5％～50％阳离子度PDA产物。经过正交优化和单因素实验,以产物特征黏度为主要考核指标,研究各自的最佳工艺条件及影响因素,如单体质量分数、引发剂用量、Na4EDTA用量和聚合反应温度对产物特征黏度和残余双键摩尔分数的影响规律。实验结果表明,在最佳工艺条件下,5％、10％、20％、30％、40％和50％阳离子度PDA产物的特征黏度分别达到19.4、17.1、12.2、9.50、7.74和6.35dL·g-1。由此为进一步提高共聚物PDA特征黏度,研究其聚合反应机理及产物结构与性能关系奠定基础。　　 对高特征黏度且系列化阳离子度PDA制备工艺进行逐级放大,最终在年产300t的中试生产线上对PDA制备工艺进行中试,制得5％～50％阳离子度PDA产品特征黏度分别达到16.8、15.3、12.6、9.53、7.27和5.78dL·g-1,为工业化生产及应用打下基础。　　 第二、聚合反应过程的机理研究　　 使用过硫酸铵-亚硫酸氢钠氧化还原引发体系,在总单体浓度为2.5mol/L,氧化剂浓度和还原剂浓度均为2.0×10-4mol/L,聚合反应温度为45℃时,通过截距斜率法计算得到DMDAAC和AM的竞聚率分别为0.14和6.11。同时通过膨胀计法测定得到了单体摩尔比nAM∶nDMDAAC分别为95∶5、9∶1、8∶2、7∶3、6∶4和5∶5时的聚合反应速率方程分别为Rp1=k[M]2.47[Io]0.51[IR]0.51,Rp2=k[M]2.61[Io]0.51[IR]0.52,Rp3=k[M]2.70[Io]0.50[IR]0.53,Rp4=k[M]2.73[Io]0.50[IR]0.56,Rp5=k[M]2.77[Io]0.51[IR]0.59和Rp6=k[M]2.84[Io]0.51[IR]0.61,聚合反应活化能分别为Ea1=61.73kJ.mol-1,Ea2=79.10kJ·mol-1,Ea3=81.39kJ·mol-1,Ea4=85.15kJ·mol-1,Ea5=88.88kJ·mol-1和Ea6=90.61kJ·mol-1。得到的动力学数据系统并定量证实了单体反应活性差异对于聚合反应活化能和聚合反应速率方程的影响规律,完善了PDA聚合反应过程的动力学研究。　　 第三、含偶氮复合引发体系下高特征黏度且系列化阳离子度PDA产物的制备工艺及絮凝脱水性能验证　　 使用高纯工业品DMDAAC和AM为原料,偶氮二异丙基咪唑啉盐酸盐-过硫酸铵(AIBI-APS)为复合引发体系,经过正交优化和单因素实验,以产物特征黏度为主要考核指标,研究制备不同阳离子度PDA最佳工艺条件及影响因素,如AIBI用量、APS用量、聚合反应温度和熟化温度及其对产物特征黏度和残余双键摩尔分数的影响规律。实验结果表明,在最佳工艺条件下,5％～50％阳离子度PDA产物的特征黏度分别达到21.5、19.0、14.7、10.9、8.71和7.03dL·g-1。由此为通过引发体系的优选而提高产物特征黏度奠定了一定的研究基础。　　 采用系列化阳离子度PDA和市售代表性絮凝剂,对南京市城东污水处理厂二沉池污泥进行絮凝脱水性能验证实验。实验结果表明,所选絮凝剂中,特征黏度为10.5dL·g-1的30％阳离子度PDA絮凝脱水效果最好,在最佳投加量为50mg·L-1时,滤饼含水率最低为81.44％,上清液透过率为81.1％,优于市售商品中絮凝脱水效果最好的C-635P,其在50mg·L-1最佳絮凝剂投加量时得到的滤饼含水率为83.11％,上清液透过率为78.1％。该结果验证了高特征黏度的PDA在污泥絮凝脱水方面的应用效果。　　 第四、系列化阳离子度PDA的结构表征和热稳定性质　　 采用FTIR和1HNMR的方法对系列化阳离子度PDA样品进行结构表征,测试结果表明随着PDA阳离子度增加,FTIR谱图中2870cm-1和968cm-1的吸收峰分别与2932cm-1吸收峰的相对峰面积比值增加,1HNMR谱图中δ2.1和δ2.3的H吸收峰相对峰面积降低而δ2.6、δ3.2和δ3.7的H吸收峰相对峰面积增加。研究结果完善了对不同阳离子度PDA的结构表征研究。　　 采用TG-DTA和TG-DSC的方法研究了系列化阳离子度PDA样品的热分解情况,结果表明:PDA样品的热分解主要分为两个阶段,随着阳离子度增加,PDA残渣质量分数降低,热分解第一阶段失重率和分解焓增加。研究结果完善了更宽温度范围内不同阳离子度PDA的热稳定性研究,为进一步深入研究不同阳离子度PDA的热稳定性质奠定了良好的基础。