專利名稱：光引發(fā)溶液聚合的實驗儀器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光引發(fā)溶液聚合的實驗儀器，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)的進行聚合熱會不斷的積累，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，同時自由基濃度變化幅度大，合成聚合物分子量分布較寬。相對于熱引發(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現(xiàn)對聚合體系中初級活性自由基的生成速率或生成量的控制。為實現(xiàn)對聚合體系接收到的光輻射能量的控制，必須選擇合適的實驗儀器:待聚合溶液接受光照強度可測量，光照強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度調(diào)節(jié)方式的不同，可以分為光照強度不可調(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驗儀器尚未見有報導(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CN 102056848A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驗產(chǎn)物的取出。專利申請CN 101947426A公開了一種多試管攪拌-旋轉(zhuǎn)式光化學(xué)反應(yīng)裝置，其試管由磁子對試管內(nèi)進行攪拌，多個試管圍繞光源旋轉(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)光照強度的制約，使用長度和內(nèi)徑之比較大的試管作為反應(yīng)容器也不利于光聚合實驗產(chǎn)物的取出。專利申請CN 2675243Y公開了一種內(nèi)置式光化學(xué)反應(yīng)器，其使用光纖將光線直接引入反應(yīng)液中。雖然該反應(yīng)器避免了光輻射能量的損失，提高了光照效率，但是，由于光纖介入到反應(yīng)液中，光纖的外包層有可能對部分反應(yīng)液有一定的化學(xué)作用，有一定的局限性，同時光纖介入到反應(yīng)液中，其介入的位置變動性大，不易準(zhǔn)確控制，而這恰恰是控制局部自由基濃度的重要因素。專利申請CN10172968A公開了一種點光源光化學(xué)集成反應(yīng)器，其特點是使用頂置光源直接照射反應(yīng)溶液，可減少盛放反應(yīng)液的器皿對光輻射能量的吸收。頂置式光源設(shè)計對反應(yīng)容器的要求較低，受到初步研究光化作用的實驗工作者的親睞。但是，受到溶液接收光照均勻性和溶液厚度的影響，頂置式光照不利于對溶液局部自由基濃度的控制。專利申請CN 2689411Y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的，這就限制了該設(shè)備對光輻射能量的控制，不能連續(xù)調(diào)控光輻射能量。專利申請EP 0933801公開了一種聚合燈，其具有用于測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，但它并不能確保獲得良好的聚合。測量光源與待聚合材料之間的距離不足以確保對聚合的精確控制，特別是對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的光子數(shù)量。但是，測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)溶液聚合的實驗儀器，使聚合體系微分單元接收到的光輻射能量可測量、可計算，并以此為函數(shù)控制光引發(fā)聚合體系中初級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動態(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)溶液聚合的實驗儀器，它包括機箱；所述機箱內(nèi)設(shè)有若干個窄波紫外燈和聚合反應(yīng) 容器；所述機箱的底部設(shè)有滑動支撐架I，所述若干個窄波紫外燈豎直設(shè)置在所述滑動支撐架I上，且可沿所述滑動支撐架I移動；沿所述若干個窄波紫外燈移動的方向上設(shè)置所述聚合反應(yīng)容器，且所述若干個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)容器可繞其軸心進行轉(zhuǎn)動；所述聚合反應(yīng)容器的兩側(cè)設(shè)有滑動支撐架II，所述滑動支撐架II上設(shè)有狹縫調(diào)節(jié)裝置且可沿所述滑動支撐架II移動，所述狹縫調(diào)節(jié)裝置與所述窄波紫外燈移動的方向垂直設(shè)置；所述狹縫調(diào)節(jié)裝置上設(shè)有2個遮光板，所述遮光板可沿所述狹縫調(diào)節(jié)裝置移動；在所述窄波紫外燈移動的方向上設(shè)有光強傳感器I和光強傳感器II，且分別設(shè)置在所述聚合反應(yīng)容器的兩側(cè)，所述光強傳感器I設(shè)置在靠近所述窄波紫外燈端，所述光強傳感器II設(shè)置在遠離所述窄波紫外燈端，且所述光強傳感器I和所述光強傳感器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。上述的實驗儀器中，所述滑動支撐架I包括相連接的滑桿和螺旋桿，所述若干個窄波紫外燈設(shè)置在所述滑桿上，所述螺旋桿與電動機I相連接，當(dāng)所述電動機I工作時帶動所述螺旋桿旋轉(zhuǎn)使所述窄波紫外燈移動來控制光源與所述聚合反應(yīng)容器之間的距離。上述的實驗儀器中，所述滑動支撐架II與所述狹縫調(diào)節(jié)裝置通過滑動調(diào)節(jié)器相連接，所述滑動支撐架II與所述滑動調(diào)節(jié)器之間為嚙合配合，當(dāng)旋轉(zhuǎn)所述滑動調(diào)節(jié)器時帶動所述狹縫調(diào)節(jié)裝置移動。上述的實驗儀器中，所述若干個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。上述的實驗儀器中，所述狹縫調(diào)節(jié)裝置上設(shè)有螺旋測微器，所述遮光板在所述螺旋測微器的調(diào)節(jié)下移動。上述的實驗儀器中，所述聚合反應(yīng)容器設(shè)于一轉(zhuǎn)盤上，所述轉(zhuǎn)盤與電動機II相連接，以所述電動機II的轉(zhuǎn)動帶動所述轉(zhuǎn)盤上的所述聚合反應(yīng)容器的轉(zhuǎn)動。上述的實驗儀器中，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。上述的實驗儀器中，所述轉(zhuǎn)盤上設(shè)有一個圓臺形的孔洞，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)有一個與所述孔洞形狀相應(yīng)的圓臺體，所述圓臺體可放置于所述孔洞內(nèi)；所述圓臺體的高度小于所述孔洞的高度。上述的實驗儀器中，所述機箱外設(shè)有一個帶有刻度尺的測量裝置，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，用于測量光源移動的距離、標(biāo)定光源及檢測紫外燈源衰減程度。上述的實驗儀器中，所述燈座支架的背光面設(shè)有送風(fēng)機I，在所述機箱的箱壁上設(shè)有送風(fēng)機II，且所述送風(fēng)機I與所述送風(fēng)機II位于同一水平面上；所述機箱內(nèi)還設(shè)有一個排風(fēng)機，所述排風(fēng)機設(shè)置在所述聚合反應(yīng)容器的另一側(cè)，且為遠離所述窄波紫外燈的方向。上述的實驗儀器中，所述若干個窄波紫外燈之間、所述機箱的內(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，所述溫度探頭測量的溫度信號可響應(yīng)到計算機上，根據(jù)顯示溫度調(diào)節(jié)所述送風(fēng)機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)所述機箱內(nèi)側(cè)的溫度調(diào)節(jié)所述送風(fēng)機II和所述排風(fēng)機的功率，控制冷卻介質(zhì)適當(dāng)?shù)牧髁?，保證所述機箱內(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I進入所述機箱，經(jīng)過光源、光照區(qū)和反應(yīng)裝置，由排風(fēng)機送入風(fēng)道排出，同時帶走光照區(qū)的臭氧和其它揮發(fā)物以凈化機箱環(huán)境；測量石英反應(yīng)容器內(nèi)外溫度，通過熱交換理論，可以初步判斷聚合進行的程度。
上述的實驗儀器中，所述機箱使用對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，以防因光的反射對實驗數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的影響。所述機箱的底部可以使用較厚的鋼材或結(jié)合混凝土使用，增加機箱的重量，以減少電動機和風(fēng)機工作時帶來的震動。機箱的一個側(cè)面可做成可活動開合的箱蓋，以便聚合樣品的取放及儀器的檢修。機箱所有在光照區(qū)與外界相通的部分均使用百葉窗模式設(shè)計，以防止紫外線的泄露。本發(fā)明提供的光引發(fā)溶液聚合實驗儀器，能實現(xiàn)控制聚合體系微分單元中初級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501 ;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)容器對紫外線的吸收，即相同光照強度不同照射角度下，透射到石英器壁內(nèi)的光照強度是相同的；為了簡化計算，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5所示，光穿過微分單元504距離平行光501之間的空氣與反應(yīng)液照射到距離轉(zhuǎn)動中心軸線r處，由于能量具有加和性，微分單元504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504處的光照強度是:
權(quán)利要求
1.一種光引發(fā)溶液聚合的實驗儀器，它包括機箱；其特征在于:所述機箱內(nèi)設(shè)有若干個窄波紫外燈和聚合反應(yīng)容器； 所述機箱的底部設(shè)有滑動支撐架I，所述若干個窄波紫外燈豎直設(shè)置在所述滑動支撐架I上，且可沿所述滑動支撐架I移動； 沿所述若干個窄波紫外燈移動的方向上設(shè)置所述聚合反應(yīng)容器，且所述若干個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)容器可繞其軸心進行轉(zhuǎn)動； 所述聚合反應(yīng)容器的兩側(cè)設(shè)有滑動支撐架II，所述滑動支撐架II上設(shè)有狹縫調(diào)節(jié)裝置且可沿所述滑動支撐架II移動，所述狹縫調(diào)節(jié)裝置與所述窄波紫外燈移動的方向垂直設(shè)置；所述狹縫調(diào)節(jié)裝置上設(shè)有2個遮光板，所述遮光板可沿所述狹縫調(diào)節(jié)裝置移動； 在所述窄波紫外燈移動的方向上設(shè)有光強傳感器I和光強傳感器II，且分別設(shè)置在所述聚合反應(yīng)容器的兩側(cè)，所述光強傳感器I設(shè)置在靠近所述窄波紫外燈端，所述光強傳感器II設(shè)置在遠離所述窄波紫外燈端，且所述光強傳感器I和所述光強傳感器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所述的實驗儀器，其特征在于:所述滑動支撐架I包括相連接的滑桿和螺旋桿，所述若干個窄波紫外燈設(shè)置在所述滑桿上，所述螺旋桿與電動機I相連接； 所述滑動支撐架II與所述狹縫調(diào)節(jié)裝置通過滑動調(diào)節(jié)器相連接，所述滑動支撐架II與所述滑動調(diào)節(jié)器之間為嚙合配合。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的實驗儀器，其特征在于:所述若干個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2或3所述的實驗儀器，其特征在于:所述狹縫調(diào)節(jié)裝置上設(shè)有螺旋測微器，所述遮光板在所述螺旋測微器的調(diào)節(jié)下移動。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項所述的實驗儀器，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)盤與電動機II相連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的實驗儀器，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。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的實驗儀器，其特征在于:所述轉(zhuǎn)盤上設(shè)有一個圓臺形的孔洞，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)有一個與所述孔洞形狀相應(yīng)的圓臺體，所述圓臺體可放置于所述孔洞內(nèi)；所述圓臺體的高度小于所述孔洞的高度。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的實驗儀器，其特征在于:所述機箱外設(shè)有一個帶有刻度尺的測量裝置，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8所述的實驗儀器，其特征在于:所述燈座支架的背光面設(shè)有送風(fēng)機I，在所述機箱的箱壁上設(shè)有送風(fēng)機II，且所述送風(fēng)機I與所述送風(fēng)機II位于同一水平面上； 所述機箱內(nèi)還設(shè)有一個排風(fēng)機，所述排風(fēng)機設(shè)置在所述聚合反應(yīng)容器的另一側(cè)，且為遠離所述窄波紫外燈的方向。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的實驗儀器，其特征在于:所述若干個窄波紫外燈之間、所述機箱的內(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)溶液聚合的實驗儀器。它包括機箱；其特征在于所述機箱內(nèi)設(shè)有若干個窄波紫外燈和聚合反應(yīng)容器；所述機箱的底部設(shè)有滑動支撐架Ⅰ，所述若干個窄波紫外燈豎直設(shè)置在所述滑動支撐架Ⅰ上；沿若干個窄波紫外燈移動的方向上設(shè)置所述聚合反應(yīng)容器，且所述若干個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)容器可繞其軸心進行轉(zhuǎn)動；所述聚合反應(yīng)容器的兩側(cè)設(shè)有滑動支撐架Ⅱ，所述滑動支撐架Ⅱ上設(shè)有狹縫調(diào)節(jié)裝置且可沿所述滑動支撐架Ⅱ移動；在所述窄波紫外燈移動的方向上設(shè)有光強傳感器Ⅰ和光強傳感器Ⅱ。本發(fā)明可通過狹縫透射調(diào)節(jié)裝置調(diào)節(jié)狹縫寬度或遮蔽時間，控制紫外燈源的使用組合數(shù)，以及光源與反應(yīng)裝置的距離調(diào)節(jié)的方式調(diào)控聚合體系接收的光輻射能量，實現(xiàn)了多種控制方式控制初級活性自由基生成速率的方法。
文檔編號C08F2/01GK103145885SQ20131008859
公開日2013年6月12日 申請日期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, 孫建輝, 胡俊, 郭擁軍, 張健, 朱玥珺, 呂鑫, 梁守成 申請人:中國海洋石油總公司, 中海油研究總院, 西南石油大學(xué)