專利名稱：光引發(fā)溶液聚合的實(shí)驗(yàn)儀器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光引發(fā)溶液聚合的實(shí)驗(yàn)儀器，屬于高聚物的光聚合合成技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
水溶性超高分子量聚合物(分子量大于IO7)主要是指聚丙烯酰胺(PAM)類聚合物，是由丙烯酰胺均聚或與其它單體共聚而成，高分子量聚丙烯酰胺主要用作絮凝劑和增稠劑(《水溶性聚合物》嚴(yán)瑞瑄、陳振興等，化學(xué)工業(yè)出版社，1988)。水溶性超高分子量聚合物的合成是一個(gè)自由基聚合或自由基共聚的過程，按照所提供能源的不同可以分為熱引發(fā)聚合和光引發(fā)聚合。在熱引發(fā)聚合反應(yīng)過程中，熱引發(fā)劑吸收熱量生成初級(jí)活性自由基引發(fā)聚合反應(yīng)，熱引發(fā)劑一旦加入聚合體系，隨著聚合反應(yīng)的進(jìn)行聚合熱會(huì)不斷的積累，導(dǎo)致熱引發(fā)劑分解出現(xiàn)自加速現(xiàn)象，聚合體系中自由基濃度不易控制。在聚合中期，自加速現(xiàn)象明顯，聚合體系自由基濃度和體系溫度高，自由基相互作用而終止的概率增加，這是熱引發(fā)聚合難以提高聚合物分子量的主要原因，同時(shí)自由基濃度變化幅度大，合成聚合物分子量分布較寬。相對(duì)于熱引發(fā)聚合反應(yīng)，光引發(fā)聚合反應(yīng)是由光引發(fā)劑吸收光子分解而產(chǎn)生初級(jí)活性自由基，引發(fā)聚合反應(yīng)。因此，就聚合過程的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)而言光引發(fā)聚合反應(yīng)只有在鏈引發(fā)階段需要吸收光輻射能量，并且，光引發(fā)劑對(duì)熱不敏感，引發(fā)作用與溫度無關(guān)(《高分子光化學(xué)原理及應(yīng)用》李善君、紀(jì)才圭等，復(fù)旦大學(xué)出版社，2003)。所以控制聚合體系接收的光輻射能量就能實(shí)現(xiàn)對(duì)聚合體系中初級(jí)活性自由基的生成速率或生成量的控制。
為實(shí)現(xiàn)對(duì)聚合體系接收到的光輻射能量的控制，必須選擇合適的實(shí)驗(yàn)儀器:待聚合溶液接受光照強(qiáng)度可測(cè)量，光照強(qiáng)度可通過一種或多種方式調(diào)節(jié)控制，相同位置待聚合溶液接受光照均勻，聚合體系局部受到光照強(qiáng)度可變化并且有一定規(guī)律性。目前，光化作用儀器分為光化學(xué)儀器和光聚合儀器，其中光化學(xué)儀器依據(jù)光源輻射方式的不同可分為側(cè)面光照光化學(xué)儀器、內(nèi)置式光照光化學(xué)儀器和頂置式光照光化學(xué)儀器。光聚合儀器集中應(yīng)用于合成材料，依據(jù)待聚合材料接收到光照強(qiáng)度調(diào)節(jié)方式的不同，可以分為光照強(qiáng)度不可調(diào)節(jié)(或不連續(xù)調(diào)節(jié))的光聚合儀器和可連續(xù)調(diào)節(jié)光照強(qiáng)度的光聚合儀器?；谧杂苫行舛日{(diào)控水溶性超高分子量聚合物分子量的光聚合合成實(shí)驗(yàn)儀器尚未見有報(bào)導(dǎo)。
側(cè)面光照又分為內(nèi)腔光源光照和外部光源光照，專利申請(qǐng)CN102056848A公開了一種光化學(xué)反應(yīng)器，其 反應(yīng)容器使用套管式結(jié)構(gòu)，光源安置在反應(yīng)容器的內(nèi)腔中，這就限制了其對(duì)待反應(yīng)液接收到輻射能量的調(diào)控，另外，套管式反應(yīng)容器不利于光聚合實(shí)驗(yàn)產(chǎn)物的取出。專利申請(qǐng)CN101947426A公開了一種多試管攪拌-旋轉(zhuǎn)式光化學(xué)反應(yīng)裝置，其試管由磁子對(duì)試管內(nèi)進(jìn)行攪拌，多個(gè)試管圍繞光源旋轉(zhuǎn)，光源經(jīng)濾光后照射到旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的試管。該裝置保證了反應(yīng)溶液濃度的均勻性及各試管之間接受光照的均勻性，通過濾光處理使待反應(yīng)液接收到較窄波長(zhǎng)范圍的光子，但是，該裝置同樣面臨不能通過距離調(diào)節(jié)光照強(qiáng)度的制約，使用長(zhǎng)度和內(nèi)徑之比較大的試管作為反應(yīng)容器也不利于光聚合實(shí)驗(yàn)產(chǎn)物的取出。
文件申請(qǐng)CN2689411Y公開了一種生產(chǎn)電線電纜用紫外光交聯(lián)設(shè)備，其紫外光照箱由若干個(gè)無極燈模塊單元沿待交聯(lián)電纜中心軸線方向依次排列并在距中心軸線一定距離的空間圓周上均勻分布組合組成。雖然設(shè)備實(shí)現(xiàn)了電纜絕緣層同一厚度的均勻交聯(lián)，但是，該設(shè)備無極燈模塊單元的位置是不可移動(dòng)的，這就限制了該設(shè)備對(duì)光輻射能量的控制，不能連續(xù)調(diào)控光輻射能量。文件EP0933801敘述了一種聚合燈，其具有用于測(cè)量光源與待聚合材料之間的距離的裝置、以及根據(jù)所述距離調(diào)整光源的照射功率或時(shí)間的燈控制單元。雖然聚合燈表現(xiàn)出考慮了以聚合參數(shù)的變化來控制光源的優(yōu)點(diǎn)，但它并不能確保獲得良好的聚合。測(cè)量光源與待聚合材料之間的距離不足以確保對(duì)聚合的精確控制，特別是對(duì)聚合體系微觀部分的控制。光引發(fā)聚合體系包含光引發(fā)劑，光引發(fā)劑的激活特別取決于接收到的指定波長(zhǎng)的光子數(shù)量。但是，測(cè)量距離并不能揭示應(yīng)用于材料的焦平面的角度或形狀，而材料接收到的光輻射能量取決于這些參數(shù)，所以，憑借光源與待聚合材料之間的測(cè)量距離不足以表示材料接收到的光輻射能量。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種光引發(fā)溶液聚合的實(shí)驗(yàn)儀器，使聚合體系微分單元接收到的光輻射能量可測(cè)量、可計(jì)算，并以此為函數(shù)控制光引發(fā)聚合體系中初級(jí)活性自由基的生成速率，使光聚合體系中自由基濃度能保持在一個(gè)動(dòng)態(tài)的穩(wěn)定濃度。本發(fā)明能適用于普通光引發(fā)劑的水溶液聚合，可控制分子量和分子量分布。
本發(fā)明所提供的一種光引發(fā)溶液聚合的實(shí)驗(yàn)儀器，它包括機(jī)箱；所述機(jī)箱內(nèi)設(shè)有若干個(gè)窄波紫外燈和聚合反應(yīng)容器；
所述機(jī)箱的底部設(shè)有滑動(dòng)支撐架，所述若干個(gè)窄波紫外燈豎直設(shè)置在所述滑動(dòng)支撐架上，且可沿所述滑動(dòng)支撐架移動(dòng)；
沿所述若干個(gè)窄波紫外燈移動(dòng)的方向上設(shè)置所述聚合反應(yīng)容器，且所述若干個(gè)窄波紫外燈與所述聚合反應(yīng)容器之間設(shè)有間距；所述聚合反應(yīng)容器可繞其軸心進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)；
在所述窄波紫外燈移動(dòng)的方向上設(shè)有光強(qiáng)傳感器I和光強(qiáng)傳感器II，且分別設(shè)置在所述聚合反應(yīng)容器的兩側(cè)，所述光強(qiáng)傳感器I設(shè)置在靠近所述窄波紫外燈端，所述光強(qiáng)傳感器II設(shè)置在遠(yuǎn)離所述窄波紫外燈端，且所述光強(qiáng)傳感器I和所述光強(qiáng)傳感器II分別位于所述聚合反應(yīng)容器的底部所處平面的下部和上部。
上述的實(shí)驗(yàn)儀器中，所述滑動(dòng)支撐架包括相連接的滑桿和螺旋桿，所述若干個(gè)窄波紫外燈設(shè)置在所述滑桿上，所述螺旋桿與電動(dòng)機(jī)I相連接，當(dāng)所述電動(dòng)機(jī)I工作時(shí)帶動(dòng)所述螺旋桿旋轉(zhuǎn)使所述窄波 紫外燈移動(dòng)來控制光源與所述聚合反應(yīng)容器之間的距離。
上述的實(shí)驗(yàn)儀器中，所述若干個(gè)窄波紫外燈固定于燈座支架上，所述燈座支架固定于所述滑桿上。
上述的實(shí)驗(yàn)儀器中，所述聚合反應(yīng)容器設(shè)于一轉(zhuǎn)盤上，所述轉(zhuǎn)盤與電動(dòng)機(jī)II相連接，以所述電動(dòng)機(jī)II的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)所述轉(zhuǎn)盤上的所述聚合反應(yīng)容器的轉(zhuǎn)動(dòng)。
上述的實(shí)驗(yàn)儀器中，所述轉(zhuǎn)盤由鐵、鈷或鎳制成，如鋼材；
所述聚合反應(yīng)容器的底盤由磁性材料制成，進(jìn)而通過磁性效應(yīng)，所述聚合反應(yīng)容器就能牢牢地固定在所述轉(zhuǎn)盤上。
上述的實(shí)驗(yàn)儀器中，所述轉(zhuǎn)盤上設(shè)有一個(gè)圓臺(tái)形的孔洞，所述孔洞的大口端面與所述聚合反應(yīng)容器相連接；
所述聚合反應(yīng)容器的底盤的下表面上設(shè)有一個(gè)與所述孔洞形狀相應(yīng)的圓臺(tái)體，所述圓臺(tái)體可放置于所述孔洞內(nèi)；所述圓臺(tái)體的高度小于所述孔洞的高度。
上述的實(shí)驗(yàn)儀器中，所述若干個(gè)窄波紫外燈與所述聚合反應(yīng)容器之間設(shè)有遮光板。
上述的實(shí)驗(yàn)儀器中，所述機(jī)箱外設(shè)有一個(gè)帶有刻度尺的測(cè)量裝置，所述刻度尺的一端固定在所述燈座支架上，且所述刻度尺與所述滑桿平行設(shè)置，用于測(cè)量光源移動(dòng)的距離、標(biāo)定光源及檢測(cè)紫外燈源衰減程度。
上述的實(shí)驗(yàn)儀器中，所述燈座支架的背光面設(shè)有送風(fēng)機(jī)I，在所述機(jī)箱的箱壁上設(shè)有送風(fēng)機(jī)II，且所述送風(fēng)機(jī)I與所述送風(fēng)機(jī)II位于同一水平面上；
所述機(jī)箱內(nèi)還設(shè)有一個(gè)排風(fēng)機(jī)，所述排風(fēng)機(jī)設(shè)置在所述聚合反應(yīng)容器的另一側(cè)，且為遠(yuǎn)離所述窄波紫外燈的方向。
上述的實(shí)驗(yàn)儀器中，所述若干個(gè)窄波紫外燈之間、所述機(jī)箱的內(nèi)壁上、所述聚合反應(yīng)容器的內(nèi)部和所述聚合反應(yīng)容器的外壁上均設(shè)有溫度探頭，所述溫度探頭測(cè)量的溫度信號(hào)可響應(yīng)到計(jì)算機(jī)上，根據(jù)顯示溫度調(diào)節(jié)所述送風(fēng)機(jī)I的功率，以改變冷卻介質(zhì)的流量，保證紫外燈源溫度穩(wěn)定；根據(jù)所述機(jī)箱內(nèi)側(cè)的溫度調(diào)節(jié)所述送風(fēng)機(jī)II和所述排風(fēng)機(jī)的功率，控制冷卻介質(zhì)適當(dāng)?shù)牧髁?，保證所述機(jī)箱內(nèi)溫度在合適的允許溫度范圍內(nèi)，冷卻介質(zhì)從所述送風(fēng)機(jī)I進(jìn)入所述機(jī)箱，經(jīng)過光源、光照區(qū)和反應(yīng)裝置，由排風(fēng)機(jī)送入風(fēng)道排出，同時(shí)帶走光照區(qū)的臭氧和其它揮發(fā)物 以凈化機(jī)箱環(huán)境；測(cè)量石英反應(yīng)容器內(nèi)外溫度，通過熱交換理論，可以初步判斷聚合進(jìn)行的程度。
上述的實(shí)驗(yàn)儀器中，所述機(jī)箱使用對(duì)紫外光有屏蔽作用的白鐵皮制作而成，其內(nèi)層涂有非光滑的吸光材料，以防因光的反射對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的影響。所述機(jī)箱的底部可以使用較厚的鋼材或結(jié)合混凝土使用，增加機(jī)箱的重量，以減少電動(dòng)機(jī)和風(fēng)機(jī)工作時(shí)帶來的震動(dòng)。機(jī)箱的一個(gè)側(cè)面可做成可活動(dòng)開合的箱蓋，以便聚合樣品的取放及儀器的檢修。機(jī)箱所有在光照區(qū)與外界相通的部分均使用百葉窗模式設(shè)計(jì)，以防止紫外線的泄露。
本發(fā)明提供的光引發(fā)溶液聚合實(shí)驗(yàn)儀器，能實(shí)現(xiàn)控制聚合體系微分單元中初級(jí)活性自由基的生成速率或生成量，其控制原理如下:
由于使用的反應(yīng)容器的尺寸遠(yuǎn)小于光源的尺寸，可以認(rèn)為反應(yīng)裝置接收到的光是一束平行光；因折射現(xiàn)象光在反應(yīng)容器器壁中的光程發(fā)生變化，使用對(duì)紫外線吸收較小的石英材質(zhì)制成器壁較薄的反應(yīng)容器，就可以忽略反應(yīng)容器對(duì)紫外線的吸收，即相同光照強(qiáng)度不同照射角度下，透射到石英器壁內(nèi)的光照強(qiáng)度是相同的；為了簡(jiǎn)化計(jì)算，假設(shè)光的傳播方向不隨傳播介質(zhì)的不同或傳播介質(zhì)的濃度梯度的變化而改變。
如圖4所示，光穿過微分單元404距離平行光401之間的空氣與反應(yīng)液照射到距離轉(zhuǎn)動(dòng)中心軸線r處，由于能量具有加和性，微分單元404接收到的光輻射能量就等于光源輻射能量減去空氣與反應(yīng)液吸收的光輻射能量。依據(jù)朗伯-比爾定律，微分單元404處的光照強(qiáng)度是:
權(quán)利要求
1.一種光引發(fā)溶液聚合的實(shí)驗(yàn)儀器，它包括機(jī)箱；其特征在于:所述機(jī)箱內(nèi)設(shè)有若干個(gè)窄波紫外燈和聚合反應(yīng)容器； 所述機(jī)箱的底部設(shè)有滑動(dòng)支撐架，所述若干個(gè)窄波紫外燈豎直設(shè)置在所述滑動(dòng)支撐架上，且可沿所述滑動(dòng)支撐架移動(dòng)； 沿所述若干個(gè)窄波紫外燈移動(dòng)的方向上設(shè)置所述聚合反應(yīng)容器，且所述若干個(gè)窄波紫外燈與所述聚合反應(yīng)容器之間設(shè)有間距；所述聚合反應(yīng)容器可繞其軸心進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)； 在所述窄波紫外燈移動(dòng)的方向上設(shè)有光強(qiáng)傳感器I和光強(qiáng)傳感器II，且分別設(shè)置在所述聚合反應(yīng)容器的兩側(cè)，所述光強(qiáng)傳感器I設(shè)置在靠近所述窄波紫外燈端，所述光強(qiáng)傳感器II設(shè)置在遠(yuǎn)離所述窄波紫外燈端，且所述光強(qiáng)傳感器I和所述光強(qiáng)傳感器II分別位于所述聚合反應(yīng)容器的底部所處平面的下部和上部。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的實(shí)驗(yàn)儀器，其特征在于:所述滑動(dòng)支撐架包括相連接的滑桿和螺旋桿，所述若干個(gè)窄波紫外燈設(shè)置在所述滑桿上，所述螺旋桿與電動(dòng)機(jī)I相連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的實(shí)驗(yàn)儀器，其特征在于:所述若干個(gè)窄波紫外燈固定于燈座支架上，所述燈座支架固定于所述滑桿上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的實(shí)驗(yàn)儀器，其特征在于:所述聚合反應(yīng)容器設(shè)于一轉(zhuǎn)盤上，所述轉(zhuǎn)盤與電動(dòng)機(jī)II相連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的實(shí)驗(yàn)儀器，其特征在于:所述轉(zhuǎn)盤由鐵、鈷或鎳制成； 所述聚合反應(yīng)容器的底盤由磁性材料制成。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的實(shí)驗(yàn)儀器，其特征在于:所述轉(zhuǎn)盤上設(shè)有一個(gè)圓臺(tái)形的孔洞，所述孔洞的大口端面與所述聚合反應(yīng)容器相連接； 所述聚合反應(yīng)容器的底盤的下表面上設(shè)有一個(gè)與所述孔洞形狀相應(yīng)的圓臺(tái)體，所述圓臺(tái)體可放置于所述孔洞內(nèi)；所述圓臺(tái)體的高度小于所述孔洞的高度。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一項(xiàng)所述的實(shí)驗(yàn)儀器，其特征在于:所述若干個(gè)窄波紫外燈與所述聚合反應(yīng)容器之間設(shè)有遮光板。
8.根據(jù)權(quán)利要求3-7中任一項(xiàng)所述的實(shí)驗(yàn)儀器，其特征在于:所述機(jī)箱外設(shè)有一個(gè)帶有刻度尺的測(cè)量裝置，所述刻度尺的一端固定在所述燈座支架上，且所述刻度尺與所述滑桿平行設(shè)置。
9.根據(jù)權(quán)利要求3-7中任一項(xiàng)所述的實(shí)驗(yàn)儀器，其特征在于:所述燈座支架的背光面設(shè)有送風(fēng)機(jī)I，在所述機(jī)箱的箱壁上設(shè)有送風(fēng)機(jī)II，且所述送風(fēng)機(jī)I與所述送風(fēng)機(jī)II位于同一水平面上； 所述機(jī)箱內(nèi)還設(shè)有一個(gè)排風(fēng)機(jī)，所述排風(fēng)機(jī)設(shè)置在所述聚合反應(yīng)容器的另一側(cè)，且為遠(yuǎn)離所述窄波紫外燈的方向。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的實(shí)驗(yàn)儀器，其特征在于:所述若干個(gè)窄波紫外燈之間、所述機(jī)箱的內(nèi)壁上、 所述聚合反應(yīng)容器的內(nèi)部和所述聚合反應(yīng)容器的外壁上均設(shè)有溫度探頭。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種光引發(fā)溶液聚合的實(shí)驗(yàn)儀器，它包括機(jī)箱；機(jī)箱內(nèi)設(shè)有若干個(gè)窄波紫外燈和聚合反應(yīng)容器；機(jī)箱的底部設(shè)有滑動(dòng)支撐架，若干個(gè)窄波紫外燈豎直設(shè)置在所述滑動(dòng)支撐架上，且可沿所述滑動(dòng)支撐架移動(dòng)；沿若干個(gè)窄波紫外燈移動(dòng)的方向上設(shè)置所述聚合反應(yīng)容器，且若干個(gè)窄波紫外燈與所述聚合反應(yīng)容器之間設(shè)有間距；聚合反應(yīng)容器可繞其軸心進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)；在窄波紫外燈移動(dòng)的方向上設(shè)有光強(qiáng)傳感器Ⅰ和光強(qiáng)傳感器Ⅱ，且分別設(shè)置在聚合反應(yīng)容器的兩側(cè)，光強(qiáng)傳感器Ⅰ設(shè)置在靠近窄波紫外燈端，光強(qiáng)傳感器Ⅱ設(shè)置在遠(yuǎn)離窄波紫外燈端，且光強(qiáng)傳感器Ⅰ和光強(qiáng)傳感器Ⅱ分別位于聚合反應(yīng)容器的底部所處平面的下部和上部。本發(fā)明使用窄波紫外燈源作為光源，減少了高壓汞燈等波長(zhǎng)范圍較寬光源中能量較高波長(zhǎng)段對(duì)C-C鍵的破壞，同時(shí)能量較低的紅外線的減少抑制了紫外燈點(diǎn)燃后光能向熱能的轉(zhuǎn)化，降低了紫外燈的溫度對(duì)點(diǎn)燃時(shí)間的依賴，使光源更趨于穩(wěn)定。
文檔編號(hào)C08F2/48GK103145883SQ20131008852
公開日2013年6月12日 申請(qǐng)日期2013年3月19日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月19日
發(fā)明者馮茹森, 任濤, 孫建輝, 郭擁軍, 張健, 朱玥珺, 呂鑫, 崔盈賢 申請(qǐng)人:中國(guó)海洋石油總公司, 中海油研究總院, 西南石油大學(xué)