專利名稱：光引發(fā)溶液聚合的實驗儀器的制作方法
技術領域：
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領域。
背景技術：
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》嚴瑞瑄、陳振興等，化學工業(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，熱引發(fā)劑一旦加入聚合體系，隨著聚合反應的進行聚合熱會不斷的積累，導致熱引發(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，光引發(fā)聚合反應是由光引發(fā)劑吸收光子分解而產生初級活性自由基，引發(fā)聚合反應。因此，就聚合過程的鏈式反應而言光引發(fā)聚合反應只有在鏈引發(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(《高分子光化學原理及應用》李善君、紀才圭等，復旦大學出版社，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儀器和光聚合儀器，其中光化學儀器依據(jù)光源輻射方式的不同可分為側面光照光化學儀器、內置式光照光化學儀器和頂置式光照光化學儀器。光聚合儀器集中應用于合成材料，依據(jù)待聚合材料接收到光照強度調節(jié)方式的不同，可以分為光照強度不可調節(jié)(或不連續(xù)調節(jié))的光聚合儀器和可連續(xù)調節(jié)光照強度的光聚合儀器?；谧杂苫行舛日{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。
側面光照又分為內腔光源光照和外部光源光照，專利申請CN102056848A公開了一種光化學反應器，其 反應容器使用套管式結構，光源安置在反應容器的內腔中，這就限制了其對待反應液接收到輻射能量的調控，另外，套管式反應容器不利于光聚合實驗產物的取出。專利申請CN101947426A公開了一種多試管攪拌-旋轉式光化學反應裝置，其試管由磁子對試管內進行攪拌，多個試管圍繞光源旋轉，光源經濾光后照射到旋轉狀態(tài)下的試管。該裝置保證了反應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節(jié)光照強度的制約，使用長度和內徑之比較大的試管作為反應容器也不利于光聚合實驗產物的取出。
文件申請CN2689411Y公開了一種生產電線電纜用紫外光交聯(lián)設備，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。雖然設備實現(xiàn)了電纜絕緣層同一厚度的均勻交聯(lián)，但是，該設備無極燈模塊單元的位置是不可移動的，這就限制了該設備對光輻射能量的控制，不能連續(xù)調控光輻射能量。文件EP0933801敘述了一種聚合燈，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；所述機箱內設有若干個窄波紫外燈和聚合反應容器；
所述機箱的底部設有滑動支撐架，所述若干個窄波紫外燈豎直設置在所述滑動支撐架上，且可沿所述滑動支撐架移動；
沿所述若干個窄波紫外燈移動的方向上設置所述聚合反應容器，且所述若干個窄波紫外燈與所述聚合反應容器之間設有間距；所述聚合反應容器可繞其軸心進行轉動；
在所述窄波紫外燈移動的方向上設有光強傳感器I和光強傳感器II，且分別設置在所述聚合反應容器的兩側，所述光強傳感器I設置在靠近所述窄波紫外燈端，所述光強傳感器II設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，所述滑動支撐架包括相連接的滑桿和螺旋桿，所述若干個窄波紫外燈設置在所述滑桿上，所述螺旋桿與電動機I相連接，當所述電動機I工作時帶動所述螺旋桿旋轉使所述窄波 紫外燈移動來控制光源與所述聚合反應容器之間的距離。
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，所述聚合反應容器設于一轉盤上，所述轉盤與電動機II相連接，以所述電動機II的轉動帶動所述轉盤上的所述聚合反應容器的轉動。
上述的實驗儀器中，所述轉盤由鐵、鈷或鎳制成，如鋼材；
所述聚合反應容器的底盤由磁性材料制成，進而通過磁性效應，所述聚合反應容器就能牢牢地固定在所述轉盤上。
上述的實驗儀器中，所述轉盤上設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容器相連接；
所述聚合反應容器的底盤的下表面上設有一個與所述孔洞形狀相應的圓臺體，所述圓臺體可放置于所述孔洞內；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，所述若干個窄波紫外燈與所述聚合反應容器之間設有遮光板。
上述的實驗儀器中，所述機箱外設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置，用于測量光源移動的距離、標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有送風機I，在所述機箱的箱壁上設有送風機II，且所述送風機I與所述送風機II位于同一水平面上；
所述機箱內還設有一個排風機，所述排風機設置在所述聚合反應容器的另一側，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、所述機箱的內壁上、所述聚合反應容器的內部和所述聚合反應容器的外壁上均設有溫度探頭，所述溫度探頭測量的溫度信號可響應到計算機上，根據(jù)顯示溫度調節(jié)所述送風機I的功率，以改變冷卻介質的流量，保證紫外燈源溫度穩(wěn)定；根據(jù)所述機箱內側的溫度調節(jié)所述送風機II和所述排風機的功率，控制冷卻介質適當?shù)牧髁?，保證所述機箱內溫度在合適的允許溫度范圍內，冷卻介質從所述送風機I進入所述機箱，經過光源、光照區(qū)和反應裝置，由排風機送入風道排出，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；測量石英反應容器內外溫度，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)準確性的影響。所述機箱的底部可以使用較厚的鋼材或結合混凝土使用，增加機箱的重量，以減少電動機和風機工作時帶來的震動。機箱的一個側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:
由于使用的反應容器的尺寸遠小于光源的尺寸，可以認為反應裝置接收到的光是一束平行光；因折射現(xiàn)象光在反應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制成器壁較薄的反應容器，就可以忽略反應容器對紫外線的吸收，即相同光照強度不同照射角度下，透射到石英器壁內的光照強度是相同的；為了簡化計算，假設光的傳播方向不隨傳播介質的不同或傳播介質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之間的空氣與反應液照射到距離轉動中心軸線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處的光照強度是:
權利要求
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:所述機箱內設有若干個窄波紫外燈和聚合反應容器； 所述機箱的底部設有滑動支撐架，所述若干個窄波紫外燈豎直設置在所述滑動支撐架上，且可沿所述滑動支撐架移動； 沿所述若干個窄波紫外燈移動的方向上設置所述聚合反應容器，且所述若干個窄波紫外燈與所述聚合反應容器之間設有間距；所述聚合反應容器可繞其軸心進行轉動； 在所述窄波紫外燈移動的方向上設有光強傳感器I和光強傳感器II，且分別設置在所述聚合反應容器的兩側，所述光強傳感器I設置在靠近所述窄波紫外燈端，所述光強傳感器II設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容器的底部所處平面的下部和上部。
2.根據(jù)權利要求1所述的實驗儀器，其特征在于:所述滑動支撐架包括相連接的滑桿和螺旋桿，所述若干個窄波紫外燈設置在所述滑桿上，所述螺旋桿與電動機I相連接。
3.根據(jù)權利要求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:所述聚合反應容器設于一轉盤上，所述轉盤與電動機II相連接。
5.根據(jù)權利要求4所述的實驗儀器，其特征在于:所述轉盤由鐵、鈷或鎳制成； 所述聚合反應容器的底盤由磁性材料制成。
6.根據(jù)權利要求5所述的實驗儀器，其特征在于:所述轉盤上設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容器相連接； 所述聚合反應容器的底盤的下表面上設有一個與所述孔洞形狀相應的圓臺體，所述圓臺體可放置于所述孔洞內；所述圓臺體的高度小于所述孔洞的高度。
7.根據(jù)權利要求1-6中任一項所述的實驗儀器，其特征在于:所述若干個窄波紫外燈與所述聚合反應容器之間設有遮光板。
8.根據(jù)權利要求3-7中任一項所述的實驗儀器，其特征在于:所述機箱外設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置。
9.根據(jù)權利要求3-7中任一項所述的實驗儀器，其特征在于:所述燈座支架的背光面設有送風機I，在所述機箱的箱壁上設有送風機II，且所述送風機I與所述送風機II位于同一水平面上； 所述機箱內還設有一個排風機，所述排風機設置在所述聚合反應容器的另一側，且為遠離所述窄波紫外燈的方向。
10.根據(jù)權利要求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、所述機箱的內壁上、 所述聚合反應容器的內部和所述聚合反應容器的外壁上均設有溫度探頭。
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；機箱內設有若干個窄波紫外燈和聚合反應容器；機箱的底部設有滑動支撐架，若干個窄波紫外燈豎直設置在所述滑動支撐架上，且可沿所述滑動支撐架移動；沿若干個窄波紫外燈移動的方向上設置所述聚合反應容器，且若干個窄波紫外燈與所述聚合反應容器之間設有間距；聚合反應容器可繞其軸心進行轉動；在窄波紫外燈移動的方向上設有光強傳感器Ⅰ和光強傳感器Ⅱ，且分別設置在聚合反應容器的兩側，光強傳感器Ⅰ設置在靠近窄波紫外燈端，光強傳感器Ⅱ設置在遠離窄波紫外燈端，且光強傳感器Ⅰ和光強傳感器Ⅱ分別位于聚合反應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范圍較寬光源中能量較高波長段對C-C鍵的破壞，同時能量較低的紅外線的減少抑制了紫外燈點燃后光能向熱能的轉化，降低了紫外燈的溫度對點燃時間的依賴，使光源更趨于穩(wěn)定。
文檔編號C08F2/48GK103145883SQ20131008852
公開日2013年6月12日 申請日期2013年3月19日 優(yōu)先權日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 申請人:中國海洋石油總公司, 中海油研究總院, 西南石油大學