聚丙烯酰胺

聚丙烯酰胺

1、定义

丙烯酰胺聚合物是丙烯酰胺的均聚物及其共聚物的统称。工业上凡是含有50%以上的丙烯酰胺（AM）单体结构单元的聚合物，都泛称聚丙烯酰胺。其他单体结构单元含量不足5%的通常都视为聚丙烯酰胺的均聚物。

聚丙烯酰胺，polyacrylamide（PAM），CAS RN：[9003-05-8]，结构式为：

n是聚合度。n的范围很宽，数量级为102~105，相应的相对分子质量由几千到上千万。

分子量是PAM的最重要参数。按其值得大小有低分子量（<100×104）、中等分子量（100×104~1000×104）、高分子量（1000×104~1500×104）和超高分子量（>1700×104）四种。不同分子量范围的PAM有不同的应用性质和用途。

2、分类

聚丙烯酰胺按在水溶液中的电离性可分为非离子型、阴离子型、阳离子型、两性型。

非离子型聚丙烯酰胺（NPAM）的分子链上不带可电离基团，在水中不电离；阴离子型聚丙烯酰胺（APAM）的分子链上带有可电离的负电荷基团，在水中可电离成聚阴离子和小的阳离子；阳离子型聚丙烯酰胺（CPAM）的分子链上带有可电离的正电荷基团，在水中可电离成聚阳离子和小的阴离子；两性的聚丙烯酰胺（AmPAM或ZPAM）的分子链上则同时带有可电离的负电荷基团和正电荷基团，在水中能电离成聚阴离子和聚阳离子，ZPAM的电性依溶液体系的PH值和何种类型的电荷基团多寡而定。

PAM的电性称谓和所带的电荷基团解离后的电性称谓相同。

按照聚合物分子链的几何形状可把PAM分为线型、支化型和交联型。PAM分子链的形状一般是线型结构。但是在丙烯酰胺自由基聚合反应的过程中会发生链转移反应。

3、聚丙烯酰胺的结构和性质

PAM在结构上的最基本的特点是：（1）分子链具有柔顺性和分子形状（即构象）的易变性。（2）分子链上具有与丙烯酰胺单元数相同的侧基---酰胺基，而酰胺基具有高极性、易形成氢键和高反应活性。

4、APM的应用和消费

APM在我国石油、水处理和造纸三大领域中的应用尤其显重要。

APM在石油工业中用作驱替剂、钻井泥浆和压裂液添加剂、堵水剂及油田污水处理剂等。

PAM在水处理中是作为污水处理的絮凝剂和污泥的脱水剂。在工业水和饮用水的原水处理中，起絮凝澄清作用，低分子的PAM还可以用作工业循环水的水质稳定剂，使工业冷却水得以循环使用。

PAM在造纸工业中主要用作助留助滤剂、纸张增强剂和废水处理剂。

5、纯PAM固体的物理性质

5、溶解特点与速溶问题

PAM的溶解性有两个特点：一是实际上使用的溶剂只有水；二十溶解时间特别长。

水是PAM的最好溶剂，它们能以任何比例混合。PAM在水中的稀释是吸热过程，原因可能是酰胺基与水分子之间的作用极强，在低水含量时形成络合体。PAM不溶于大多数有机溶剂，在PAM的水溶液中加入大量的与水互溶的有机溶剂（如无水甲醇或丙酮）时，会使PAM从水溶液中沉析出来。这也是提纯PAM常用的方法。41%（体积）的甲醇水溶液时PAM的T溶剂。

PAM的溶解时间远长于一般高聚物，有的长达几个星期。PAM的溶解速率与其分子量、离子度、分子的几何结构、产品的剂型、溶解温度、搅拌和投料方式等因素有关。溶解速率随分子量的增大和化学交联程度的增加而变慢，整体交联将使PAM只溶胀不溶解。不同产品剂型的溶解时间有很大差异，通常情况下粉末型的20~120min，水溶胶型（浓度5%~10%）的20~120min，乳液型的3~5min,水分散型的5~10min。固体粉末的PAM通常比水溶胶型的易溶，前者与水的接触面面积大，且溶解速率随颗粒直径的减小而以2.5次方的关系增加。疏松的固体粉末PAM比密实的易溶解。溶解速率的影响因素涉及以下两个要素：

（1）分子的扩散速率。物质的溶解过程是溶质分子和溶剂分子互相渗透和扩散的过程，因此溶质和溶剂分子的运动能力是决定溶解时间的重要因素。由

于溶质大分子和溶剂小分子在分子尺寸上十分悬殊，分子量1440万的PAM

分子体积比水分子大20万倍。因此两者的扩散速率相差十分悬殊。在溶解

的初期实际上只有水分子向PAM的单向扩散，PAM分子不可能向水的方向扩

散，所以先溶胀是溶解的必经阶段。也不难理解分子量、分子的几何结构、

溶解温度和搅拌等因素对溶解时间的影响。

（2）氢键和缠结。在PAM的分子链内和分子链间，酰胺侧基间能形成氢键。氢键是最强的分子间作用力，高分子量的PAM分子链上存在大量的氢键。高

分子量PAM的分子链很长，分子量1440万的分子链伸直后的长径比高达2

×105。这样大的长径比的分子链必然卷曲，它们聚集在一起也必然缠结在

一起。因此，要使PAM快速溶解需要依靠溶剂水分子的快速渗入和攻击，

将氢键解离和分子链解缠。

根据以上讨论，加快PAM溶解的主要技术途径是从合成方面着手，常采用如下

技术措施。①选择适宜的聚合工艺和条件，以减少支链和交联；引入更亲水的

离子型结构单元（如羧基）或适量的其他单体共聚改性，以减少PAM链上酰胺

基及其氢键的数量。②在制造过程中加入适量的能与酰胺基产生氢键的低分子

物质（如尿素等），以减少PAM分子链间的氢键数量；混入致孔剂（如硫酸钠

等），遇水时这些低分子物质很快向水中扩散溶解，形成有利于水分子向PAM

方向渗透扩散的通道；加入亲水型的表面活性剂即所谓渗透剂（如烷基聚氧乙

烯醚类），PAM颗粒与水接触后在表面形成亲水膜，降低水的表面张力，促进水

向颗粒内的扩散和聚合物的溶解。③改变产品剂型，采用反向乳液聚合法生产

方向乳液（W/O）产品产品或水分散聚合法生产所谓的水包水乳液（W/W）。这

两种产品的分散实际上高浓度的聚合物溶液，分散粒子尺寸很小（微米级），

溶解时不需要经过溶胀阶段只是浓溶液的稀释，它们可以直接在管道的输送过

程中溶解。此外，也有用物理的方法对粉状产品进行后处理，制成反向的分散

悬浮液。

6、聚丙烯酰胺水溶液的依时性

人们经常发现，PAM水溶液的黏度、特性黏数和絮凝速率等性质在长时间（几个星期）内随时间而降低。溶液黏度随时间变化的这种不稳定现象称为依时性。

PAM水溶液性质的依时性①

①PAM的分子量6.1×106,温度25℃。

许多科学家工作者已从不同的方面对它进行了详细的研究，归纳如下。①纯度

的影响。从工业产品水溶液黏度的降低提出其起因是样品不纯，产品中含有剩

余引发剂等氧化性杂质能使其降解，但是实验室除去残留引发剂的高纯样品同

样存在依时性。②环境因素的影响。认为是温度、光、大气中的氧、二氧化碳

等环境因素造成的，但是即使把样品溶液保存在室温下、避光的黑暗中、无机

械振动的环境中，仍能观察到黏度随时间的降低，将PAM样品至于氮气中保存