专利名称：一种光引发溶液聚合的实验仪器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种光引发溶液聚合的实验仪器，属于高聚物的光聚合合成技术领域。
背景技术：
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)类聚合物，是由丙烯酰胺均聚或与其它单体共聚而成，高分子量聚丙烯酰胺主要用作絮凝剂和增稠剂(《水溶性聚合物》严瑞瑄、陈振兴等，化学工业出版社，1988)。水溶性超高分子量聚合物的合成是一个自由基聚合或自由基共聚的过程，按照所提供能源的不同可以分为热引发聚合和光引发聚合。在热引发聚合反应过程中，热引发剂吸收热量生成初级活性自由基引发聚合反应，热引发剂一旦加入聚合体系，随着聚合反应的进行聚合热会不断的积累，导致热引发剂分解出现自加速现象，聚合体系中自由基浓度不易控制。在聚合中期，自加速现象明显，聚合体系自由基浓度和体系温度高，自由基相互作用而终止的概率增加，这是热引发聚合难以提高聚合物分子量的主要原因，同时自由基浓度变化幅度大，合成聚合物分子量分布较宽。相对于热引发聚合反应，光引发聚合反应是由光引发剂吸收光子分解而产生初级活性自由基，引发聚合反应。因此，就聚合过程的链式反应而言光引发聚合反应只有在链引发阶段需要吸收光辐射能量，并且，光引发剂对热不敏感，引发作用与温度无关(《高分子光化学原理及应用》李善君、纪才圭等，复旦大学出版社，2003)。所以控制聚合体系接收的光辐射能量就能实现对聚合体系中初级活性自由基的生成速率或生成量的控制。为实现对聚合体系接收到的光辐射能量的控制，必须选择合适的实验仪器:待聚合溶液接受光照强度可测量，光照强度可通过一种或多种方式调节控制，相同位置待聚合溶液接受光照均匀，聚合体系局部受到光照强度可变化并且有一定规律性。目前，光化作用仪器分为光化学仪器和光聚合仪器，其中光化学仪器依据光源辐射方式的不同可分为侧面光照光化学仪器、内置式光照光化学仪器和顶置式光照光化学仪器。光聚合仪器集中应用于合成材料，依据待聚合材料接收到光`照强度调节方式的不同，可以分为光照强度不可调节(或不连续调节)的光聚合仪器和可连续调节光照强度的光聚合仪器。基于自由基有效浓度调控水溶性超高分子量聚合物分子量的光聚合合成实验仪器尚未见有报导。侧面光照又分为内腔光源光照和外部光源光照，专利申请CN102056848A公开了一种光化学反应器，其反应容器使用套管式结构，光源安置在反应容器的内腔中，这就限制了其对待反应液接收到辐射能量的调控，另外，套管式反应容器不利于光聚合实验产物的取出。专利申请CN101947426A公开了一种多试管搅拌-旋转式光化学反应装置，其试管由磁子对试管内进行搅拌，多个试管围绕光源旋转，光源经滤光后照射到旋转状态下的试管。该装置保证了反应溶液浓度的均匀性及各试管之间接受光照的均匀性，通过滤光处理使待反应液接收到较窄波长范围的光子，但是，该装置同样面临不能通过距离调节光照强度的制约，使用长度和内径之比较大的试管作为反应容器也不利于光聚合实验产物的取出。文件申请CN2689411Y公开了一种生产电线电缆用紫外光交联设备，其紫外光照箱由若干个无极灯模块单元沿待交联电缆中心轴线方向依次排列并在距中心轴线一定距离的空间圆周上均匀分布组合组成。虽然设备实现了电缆绝缘层同一厚度的均匀交联，但是，该设备无极灯模块单元的位置是不可移动的，这就限制了该设备对光辐射能量的控制，不能连续调控光辐射能量。文件EP0933801叙述了一种聚合灯，其具有用于测量光源与待聚合材料之间的距离的装置、以及根据所述距离调整光源的照射功率或时间的灯控制单元。虽然聚合灯表现出考虑了以聚合参数的变化来控制光源的优点，但它并不能确保获得良好的聚合。测量光源与待聚合材料之间的距离不足以确保对聚合的精确控制，特别是对聚合体系微观部分的控制。光引发聚合体系包含光引发剂，光引发剂的激活特别取决于接收到的指定波长的光子数量。但是，测量距离并不能揭示应用于材料的焦平面的角度或形状，而材料接收到的光辐射能量取决于这些参数，所以，凭借光源与待聚合材料之间的测量距离不足以表示材料接收到的光辐射能量。
实用新型内容本实用新型的目的是提供一种光引发溶液聚合的实验仪器，使聚合体系微分单元接收到的光辐射能量可测量、可计算，并以此为函数控制光引发聚合体系中初级活性自由基的生成速率，使光聚合体系中自由基浓度能保持在一个动态的稳定浓度。本实用新型能适用于普通光弓I发剂的水溶液聚合，可控制分子量和分子量分布。本实用新型所提供的一种光引发溶液聚合的实验仪器，它包括机箱；所述机箱内设有若干个窄波紫外灯和聚合反应容器；所述机箱的底部设有滑动支撑架，所述若干个窄波紫外灯竖直设置在所述滑动支撑架上，且可沿所述滑动支撑架移动；沿所述若干个窄波紫外灯移动的方向上设置所述聚合反应容器，且所述若干个窄波紫外灯与所述聚合反应容器之间设有间距；所述聚合反应容器可绕其轴心进行转动；在所述窄波紫外灯移动的方向上设有光强传感器I和光强传感器II，且分别设置在所述聚合反应容器的两侧，所述光强传感器I设置在靠近所述窄波紫外灯端，所述光强传感器II设置在远离所述窄波紫外灯端，且所述光强传感器I和所述光强传感器II分别位于所述聚合反应容器的底部所处平面的下部和上部。上述的实验仪器中，所述滑动支撑架包括相连接的滑杆和螺旋杆，所述若干个窄波紫外灯设置在所述滑杆上，所述螺旋杆与电动机I相连接，当所述电动机I工作时带动所述螺旋杆旋转使所述窄波紫外灯移动来控制光源与所述聚合反应容器之间的距离。上述的实验仪器中，所述若干个窄波紫外灯固定于灯座支架上，所述灯座支架固定于所述滑杆上。上述的实验仪器中，所述聚合反应容器设于一转盘上，所述转盘与电动机II相连接，以所述电动机II的转动带动所述转盘上的所述聚合反应容器的转动。上述的实验仪器中，所述转盘由铁、钴或镍制成，如钢材；所述聚合反应容器的底盘由磁性材料制成，进而通过磁性效应，所述聚合反应容器就能牢牢地固定在所述转盘上。上述的实验仪器中，所述转盘上设有一个圆台形的孔洞，所述孔洞的大口端面与所述聚合反应容器 相连接；[0017]所述聚合反应容器的底盘的下表面上设有一个与所述孔洞形状相应的圆台体，所述圆台体可放置于所述孔洞内；所述圆台体的高度小于所述孔洞的高度。上述的实验仪器中，所述若干个窄波紫外灯与所述聚合反应容器之间设有遮光板。上述的实验仪器中，所述机箱外设有一个带有刻度尺的测量装置，所述刻度尺的一端固定在所述灯座支架上，且所述刻度尺与所述滑杆平行设置，用于测量光源移动的距离、标定光源及检测紫外灯源衰减程度。上述的实验仪器中，所述灯座支架的背光面设有送风机I，在所述机箱的箱壁上设有送风机II，且所述送风机I与所述送风机II位于同一水平面上；所述机箱内还设有一个排风机，所述排风机设置在所述聚合反应容器的另一侧，且为远离所述窄波紫外灯的方向。上述的实验仪器中，所述若干个窄波紫外灯之间、所述机箱的内壁上、所述聚合反应容器的内部和所述聚合反应容器的外壁上均设有温度探头，所述温度探头测量的温度信号可响应到计算机上，根据显示温度调节所述送风机I的功率，以改变冷却介质的流量，保证紫外灯源温度稳定；根据所述机箱内侧的温度调节所述送风机II和所述排风机的功率，控制冷却介质适当的流量，保证所述机箱内温度在合适的允许温度范围内，冷却介质从所述送风机I进入所述机箱，经过光源、光照区和反应装置，由排风机送入风道排出，同时带走光照区的臭氧和其它挥发物以净化机箱环境；测量石英反应容器内外温度，通过热交换理论，可以初步判断聚合进行的程度。上述的·实验仪器中，所述机箱使用对紫外光有屏蔽作用的白铁皮制作而成，其内层涂有非光滑的吸光材料，以防因光的反射对实验数据准确性的影响。所述机箱的底部可以使用较厚的钢材或结合混凝土使用，增加机箱的重量，以减少电动机和风机工作时带来的震动。机箱的一个侧面可做成可活动开合的箱盖，以便聚合样品的取放及仪器的检修。机箱所有在光照区与外界相通的部分均使用百叶窗模式设计，以防止紫外线的泄露。本实用新型提供的光引发溶液聚合实验仪器，能实现控制聚合体系微分单元中初级活性自由基的生成速率或生成量，其控制原理如下:由于使用的反应容器的尺寸远小于光源的尺寸，可以认为反应装置接收到的光是一束平行光；因折射现象光在反应容器器壁中的光程发生变化，使用对紫外线吸收较小的石英材质制成器壁较薄的反应容器，就可以忽略反应容器对紫外线的吸收，即相同光照强度不同照射角度下，透射到石英器壁内的光照强度是相同的；为了简化计算，假设光的传播方向不随传播介质的不同或传播介质的浓度梯度的变化而改变。如图4所示，光穿过微分单元404距离平行光401之间的空气与反应液照射到距离转动中心轴线r处，由于能量具有加和性，微分单元404接收到的光辐射能量就等于光源辐射能量减去空气与反应液吸收的光辐射能量。依据朗伯-比尔定律，微分单元404处的光照强度是:I 二 10 exp[-s0c0(R -」R2 -r2 sin2 Θ)].Qxp[-spcp(sj R2 -r1 sin' Θ -r cos ^)] (I)= /,:) Cxpf-^0C1Zs! + ε,tc,/ co^(1- {ε,;α^ - ε0α1:,)\jR ' -r" sin~ θ\式(I)中=Itl是离光源最近的反应容器内壁402光强，^是空气的消光系数，C。是空气吸光组分的浓度，ε p是溶液的消光系数，Cp是溶液吸光组分的浓度，R是反应容器截面圆环的内径，Θ是微分单元404和转动中心的连线与光照方向所成的角度。微分单元404处光辐射功率:
权利要求1.一种光引发溶液聚合的实验仪器，它包括机箱；其特征在于:所述机箱内设有若干个窄波紫外灯和聚合反应容器； 所述机箱的底部设有滑动支撑架，所述若干个窄波紫外灯竖直设置在所述滑动支撑架上，且可沿所述滑动支撑架移动； 沿所述若干个窄波紫外灯移动的方向上设置所述聚合反应容器，且所述若干个窄波紫外灯与所述聚合反应容器之间设有间距；所述聚合反应容器可绕其轴心进行转动； 在所述窄波紫外灯移动的方向上设有光强传感器I和光强传感器II，且分别设置在所述聚合反应容器的两侧，所述光强传感器I设置在靠近所述窄波紫外灯端，所述光强传感器II设置在远离所述窄波紫外灯端，且所述光强传感器I和所述光强传感器II分别位于所述聚合反应容器的底部所处平面的下部和上部。
2.根据权利要求1所述的实验仪器，其特征在于:所述滑动支撑架包括相连接的滑杆和螺旋杆，所述若干个窄波紫外灯设置在所述滑杆上，所述螺旋杆与电动机I相连接。
3.根据权利要求2所述的实验仪器，其特征在于:所述若干个窄波紫外灯固定于灯座支架上，所述灯座支架固定于所述滑杆上。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的实验仪器，其特征在于:所述聚合反应容器设于一转盘上，所述转盘与电动机II相连接。
5.根据权利要求4所述的实验仪器，其特征在于:所述转盘由铁、钴或镍制成； 所述聚合反应容器的底盘由磁性材料制成。
6.根据 权利要求5所述的实验仪器，其特征在于:所述转盘上设有一个圆台形的孔洞，所述孔洞的大口端面与所述聚合反应容器相连接； 所述聚合反应容器的底盘的下表面上设有一个与所述孔洞形状相应的圆台体，所述圆台体可放置于所述孔洞内；所述圆台体的高度小于所述孔洞的高度。
7.根据权利要求1-3中任一项所述的实验仪器，其特征在于:所述若干个窄波紫外灯与所述聚合反应容器之间设有遮光板。
8.根据权利要求7所述的实验仪器，其特征在于:所述机箱外设有一个带有刻度尺的测量装置，所述刻度尺的一端固定在所述灯座支架上，且所述刻度尺与所述滑杆平行设置。
9.根据权利要求7中任一项所述的实验仪器，其特征在于:所述灯座支架的背光面设有送风机I，在所述机箱的箱壁上设有送风机II，且所述送风机I与所述送风机II位于同一水平面上； 所述机箱内还设有一个排风机，所述排风机设置在所述聚合反应容器的另一侧，且为远离所述窄波紫外灯的方向。
10.根据权利要求9所述的实验仪器，其特征在于:所述若干个窄波紫外灯之间、所述机箱的内壁上、所述聚合反应容器的内部和所述聚合反应容器的外壁上均设有温度探头。
专利摘要本实用新型公开了一种光引发溶液聚合的实验仪器，它包括机箱；机箱内设有若干个窄波紫外灯和聚合反应容器；机箱的底部设有滑动支撑架，若干个窄波紫外灯竖直设置在所述滑动支撑架上，且可沿所述滑动支撑架移动；沿若干个窄波紫外灯移动的方向上设置所述聚合反应容器，且若干个窄波紫外灯与所述聚合反应容器之间设有间距；聚合反应容器可绕其轴心进行转动；在窄波紫外灯移动的方向上设有光强传感器Ⅰ和光强传感器Ⅱ，且分别设置在聚合反应容器的两侧，光强传感器Ⅰ设置在靠近窄波紫外灯端，光强传感器Ⅱ设置在远离窄波紫外灯端，且光强传感器Ⅰ和光强传感器Ⅱ分别位于聚合反应容器的底部所处平面的下部和上部。本实用新型使用窄波紫外灯源作为光源，减少了高压汞灯等波长范围较宽光源中能量较高波长段对C-C键的破坏，同时能量较低的红外线的减少抑制了紫外灯点燃后光能向热能的转化，降低了紫外灯的温度对点燃时间的依赖，使光源更趋于稳定。
文档编号C08F2/01GK203144317SQ201320125959
公开日2013年8月21日 申请日期2013年3月19日 优先权日2013年3月19日
发明者冯茹森, 任涛, 孙建辉, 郭拥军, 张健, 朱玥珺, 吕鑫, 崔盈贤 申请人:中国海洋石油总公司, 中海油研究总院, 西南石油大学