一种具有球形微观形貌的聚丙烯腈的制备方法与流程

本发明涉及一种球形聚丙烯腈的制备方法，具体涉及一种丙烯腈单体在紫外光的照射下通过光催化引发剂引发合成聚丙烯腈的方法。

背景技术：

聚丙烯腈材料是一种具有优良化学和物理特性的聚合物，其具有耐化学溶刹、耐细菌侵蚀、优良的热稳定性等优点，已被广泛应用于制备腈纶、纳米纤维、碳纤维材料等多种材料，在纺织、生物医药、航空航天以及军工等领域有着广泛的应用前景。目前，合成聚丙烯腈常用的方法有溶液聚合、水相沉淀聚合、悬浮聚合、反相乳液聚合等。溶液聚合所制备聚丙烯腈由于向溶剂链转移导致聚合物分子量较低，且大量有机溶剂的使用致使后处理复杂；水相沉淀聚合虽然所得聚合物分子量较大，但是聚合物的规整性较差且产率不高；水相悬浮聚合和反相乳液聚合虽然能够合成高分子量的聚丙烯腈，但是产物规整性较差，且后处理繁琐。

技术实现要素：

为解决现有技术中的问题，本发明提出一种对环境无污染、设备简单、反应条件温和、产率较高且产物形貌呈规则球形的聚丙烯腈的制备方法。

本发明采用以下技术方案予以实现：

一种具有球形微观形貌的聚丙烯腈的制备方法，包括以下步骤：

a.准确称取丙烯腈单体置于光反应仪所用试管中，再加入蒸馏水，所述丙烯腈单体和蒸馏水的摩尔比为1:12；

b.将光催化引发剂加入步骤a试管中，所述光催化引发剂为tio2，光催化引发剂与丙烯腈单体的摩尔比为1:20~200；

c.向步骤b试管中加入电子转移剂，所述电子转移剂为二甲基亚砜，二甲基亚砜与丙烯腈单体的摩尔比为7～35:25；

d.将步骤c中盛有反应液的试管置于超声波清洗仪上进行超声；

e.反应前向步骤d试管中通入n2；

f.将步骤e试管放入光反应仪中，开启搅拌，打开500w的汞灯进行光照反应。

g.反应3-7h后，取出试管，将试管中的白色沉淀抽滤，用蒸馏水洗涤，将滤饼置于表面皿上，放入烘箱中60-65℃烘干至恒重，得到的白色聚合物即为聚丙烯腈。

进一步的，步骤d超声时长为20min，使tio2充分分散于反应液中。

进一步的，步骤e通入n2时长为20min，赶出试管中的o2，通完n2后用试管塞将试管密封，防止o2再次进入试管。

进一步的，步骤f搅拌的转速为80-120转/分钟，整个反应过程中通循环水，反应温度为24-26℃。

进一步的，步骤g中用蒸馏水洗涤，蒸馏水和白色沉淀的质量比为100:1-200:1。

进一步的，所述步骤b中光催化引发剂与丙烯腈单体的摩尔比为1:100。

进一步的，所述步骤c中电子转移剂用量与丙烯腈单体的摩尔比为21:25。

进一步的，所述步骤g中光催化反应时间为5h。

进一步的，所述光反应仪为xpa-ⅱ型光反应仪。

所述步骤b中tio2的用量对聚丙烯腈的粒径大小起主要作用。

步骤e置换过程中管道输送氮气的气流速度为2m/s。

本发明与现有技术相比有以下优点：

本发明以丙烯腈（an）为单体，二氧化钛（tio2）作为光催化引发剂，二甲基亚砜（dmso）为电子转移剂，水为沉淀剂，在紫外光照射下，tio2受激发产生光生电子-空穴，空穴和水反应产生羟基自由基（·oh），dmso捕获电子增强电子与空穴的分离，羟基自由基引发丙烯腈单体聚合，最终得到聚丙烯腈。本发明制备过程操作简单，催化剂便宜易得，产率较高，且所制备的聚丙烯腈呈均匀的球形颗粒，颗粒粒径大小可以调控，形貌规整，在纺织、生物医药、航空航天以及军工等领域有着广泛的应用前景。

附图说明

图1是本发明实施例1聚丙烯腈的红外光谱图；

图2是本发明实例1的扫描电镜图像；

图3是本发明实例2的扫描电镜图像；

图4是本发明实例3的扫描电镜图像；

图5是本发明实例4的扫描电镜图像；

图6是本发明实例5的扫描电镜图像；

图7是本发明实例6的扫描电镜图像。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

实施例1

准确称取0.02g(0.25mmol)tio2置于光反应仪试管中，再向其中加入1.1g(14mmol)二甲基亚砜，2.65g(50mmol)丙烯腈单体，10.8g(600mmol)蒸馏水。将试管置于超声波清洗仪上超声，时长为20min，使tio2充分分散于反应液中；之后向试管中通入n2，时长为20min，以排去试管中的氧气；将试管密封后放入光反应仪中进行光照，时长为5h。将反应产物进行抽滤、蒸馏水2000g洗涤，随后将滤饼放入烘箱中60℃烘干，研磨，最终制得聚丙烯腈，产率为63.08%。利用粘度法测其分子量为2.41×10⁵。聚丙烯腈的红外光谱图如图1所示，横坐标为波数(cm^-1)，纵坐标为透光率(%)。特征峰2245cm⁻¹对应腈基基团，特征峰2928cm⁻¹和1451cm⁻¹对应c–h伸缩振动峰。聚丙烯腈的扫描电镜图像如图2所示。由图中可以清晰的看出聚丙烯腈呈规则的球形，直径为250nm左右。

实施例2

准确称取0.04g(0.5mmol)tio2置于光反应仪试管中，再向其中加入1.1g(14mmol)二甲基亚砜，2.65g(50mmol)丙烯腈单体，10.8g(600mmol)蒸馏水。将试管置于超声波清洗仪上超声，时长为20min，使tio2充分分散于反应液中；之后向试管中通入n2，时长为20min，以排去试管中的氧气；将试管密封后放入光反应仪中进行光照，时长为5h。将反应产物进行抽滤、蒸馏水2000g洗涤，随后将滤饼放入烘箱中65℃烘干，研磨，最终制得聚丙烯腈，产率为69.27%。利用粘度法测其分子量为2.31×10⁵。聚丙烯腈的扫描电镜图像如图3所示。由图中可以清晰的看出聚丙烯腈呈规则的球形，直径为200nm左右。

实施例3

准确称取0.04g(0.5mmol)tio2置于光反应仪试管中，再向其中加入3.3g(42mmol)二甲基亚砜，2.65g(50mmol)丙烯腈单体，10.8g(600mmol)蒸馏水。将试管置于超声波清洗仪上超声，时长为20min，使tio2充分分散于反应液中；之后向试管中通入n2，时长为20min，以排去试管中的氧气；将试管密封后放入光反应仪中进行光照，时长为5h。将反应产物进行抽滤、蒸馏水2000g洗涤，随后将滤饼放入烘箱中62℃烘干，研磨，最终制得聚丙烯腈，产率为79.82%。利用粘度法测其分子量为2.42×10⁵。聚丙烯腈的扫描电镜图像如图4所示。由图中可以清晰的看出聚丙烯腈呈规则的球形，直径为200nm左右。

实施例4

准确称取0.06g(0.75mmol)tio2置于光反应仪试管中，再向其中加入1.1g(14mmol)二甲基亚砜、2.65g(50mmol)丙烯腈单体、10.8g(600mmol)蒸馏水。将试管置于超声波清洗仪上超声，时长为20min，使tio2充分分散于反应液中；之后向试管中通入n2，时长为20min，以排去试管中的氧气；将试管密封后放入光反应仪中进行光照，时长为3h。将反应产物进行抽滤、蒸馏水2000g洗涤，随后将滤饼放入烘箱中63℃烘干，研磨，最终得到聚丙烯腈，产率为62.09%。利用粘度法测其分子量为2.08×10⁵。聚丙烯腈的扫描电镜图像如图5所示。由图中可以清晰的看出聚丙烯腈呈规则的球形，直径为160nm左右。

实施例5

准确称取0.06g(0.75mmol)tio2置于光反应仪试管中，再向其中加入1.1g(14mmol)二甲基亚砜，2.65g(50mmol)丙烯腈单体，10.8g(600mmol)蒸馏水。将试管置于超声波清洗仪上超声，时长为20min，使tio2充分分散于反应液中；之后向试管中通入n2，时长为20min，以排去试管中的氧气；将试管密封后放入光反应仪中进行光照，时长为5h。将反应产物进行抽滤、蒸馏水2000g洗涤，随后将滤饼放入烘箱中65℃烘干，研磨，最终制得聚丙烯腈，产率为69.90%。利用粘度法测其分子量为2.41×10⁵。聚丙烯腈的扫描电镜图像如图6所示。由图中可以清晰的看出聚丙烯腈呈规则的球形，直径为180nm左右。

实施例6

准确称取0.2g(2.5mmol)tio2置于光反应仪试管中，再向其中加入3.3g(42mmol)二甲基亚砜，2.65g(50mmol)丙烯腈单体，10.8g(600mmol)蒸馏水。并置于超声波清洗仪上超声，时长为20min，使tio2充分分散于反应液中；之后向试管中通入n2，时长为20min，以排去试管中的氧气；将试管密封后放入光反应仪中进行光照，时长为5h。将反应产物进行抽滤、蒸馏水2000g洗涤，随后将滤饼放入烘箱中60℃烘干，研磨，最终制得聚丙烯腈，产率为84.78%。利用粘度法测其分子量为2.53×10⁵。聚丙烯腈的扫描电镜图像如图7所示。由图中可以清晰的看出聚丙烯腈呈规则的球形，直径为100nm左右。

本发明实施例1-6所用的光反应仪为xpa-ⅱ型光反应仪。

本发明实施例2-6聚丙烯腈的红外光谱图与实施例1的红外光谱图一致，故没有一一列出。