高分子聚合物

高分子聚合物聚丙烯酰胺

1、有机高分子

高分子化合物即高分子量化合物（又称高聚物），一般常把分子量上万者称为高分子化合物。而高分子化合物的分子量相差较大，从几万、几十万、几百万到上千万不等。一般常见的高分子化合物其分子量虽高，但其组成元素的种类一般很少，以PAM为例。无论其分子高达几百万、上千万，其组成元素只有碳（C）、氢（H）、氧（O）、氮（N）四种。所以，高分子从其结构上大多是由几种相同的元素按同一比例构成，组成完全相同的简单结构单元以共价键重复结合而成的大分子。它的结构尤如一根链条，其简单结构单元好比链节，共价键好比销子，形成的链条就好比高分子化合物。所以高分子化合物的分子常称为高分子链，而其简单结构单元称之为链节（m）。链节数目（n）称之为高分子聚合度。链节数目的多少决定了其分子量的大小。显然，聚合度愈大，高分子的相对分子质量（M）也愈大。分子量的大小代表聚合度的高低或分子链的长短。因此：

高分子的相对分子质量=聚合度×链节数即M = n × m。

2、聚丙烯酰胺（PAM）的结构

聚丙烯酰胺在聚合过程中所得的产品分子量并不完全一样，它一般是分子大小不同的同系物的混合物，即每个分子都是由同种链节组成，但各个分子中所含链节数并不都相等。即每个分子的聚合度并不一定相同。故常说的分子量（或聚合度）系指其平均值。

若高分子链没有分支链者称为直链型高分子，若有分支则称为支链型高分子。若高分子链之间有支链连接而形成网状结构者称为体型高分子。

应该注意的是线型和体型之间并无明显的界限。例如含支链很多的线型其性质就接近于体型；而线型在某些低分子（如高价金属盐、甲醛……等）的作用下也可变为体型，这个变化过程称之为交联。

对于线型高分子而言，其平均分子量愈大（或平均聚合度愈大）则其分子链愈长。

在PAM的分子中决定其链节特性的是酰胺基（参见图四），它是亲水的极性基，但由于它不电离，故其亲水性有限。因此，PAM分子中它的数目的多少，即聚合度（链节数）是决定PAM性质，如溶解于水的能力，在水溶液中的状态等的关键因素，也将严重影响其絮凝能力。国内使用的PAM一般含有50 ~70万个链节（即聚合度为50 ~70万，分子量350 ~500万）。

3、部分水解聚丙烯酰胺（PHP）的结构

将PAM与碱共热，则其链节上的酰胺基将发生水解而生成羧钠基（参见图五），这种反应称为PAM的水解，生成产物叫水解聚丙烯酰胺。在水解过程中聚合度不变。

随着水解反应的条件（一般为碱量多少，水解温度，反应时间……）的不同，则PAM中发生水解的酰胺基数目（即其链节数）也不相同。一般情况下是使部分链节上的酰胺基发生水解，得到的产物称为部分

水解聚丙烯酰胺（PHP）。（参见图六）

PHP分子中发生了水解的酰胺基，占分子中原酰胺基的总数（即链节数）的百分比称之为PHP的水解度。水解度对于PAM的性质和絮凝作用有重要的影响。

若聚合物中所有链节上的酰胺基均发生了水解而变为羧钠基，则生成了聚丙烯酸钠。

4、PAM和PHP的性质

⑴溶解性

在搅拌情况下线性PAM能溶于水，升高温度溶解能力增加。体型结构的PAM不溶于水。PAM的分子量愈大，在水中的溶解能力愈低，其水解度愈高，则分子中亲水性能强的羧钠基愈多，亲水性能增强，在水中的溶解性愈好。

PAM分子链是柔软的，在水溶液中其高分子链绻曲成球形，其绻曲程度与分子链长度有关，分子链愈长，愈易绻曲，绻曲程度愈高。未水解的PAM分子在溶液中绻曲成一团。在PHP分子中由于羧钠基的作用其分子链则比较伸展。一般而言随水解度的增加，分子链绻曲程度降低，分子链趋于伸展开。水解度30﹪左右分子链伸展成直线，水解度继续增加分子链伸展程度稍有下降。

⑵水溶液的粘度和润滑性

PAM的高分子链在水溶液中对流动的阻力较大，故其水溶液粘度高，且此粘度随PAM的浓度、分子量及水解度不同而异。一般说

来在其它条件相同时，分子量愈大，则水溶液粘度愈高，浓度愈大粘度愈高。随水解度增加粘度增大，水解度50﹪左右粘度出现极大值后又略有下降。

另外，粘度还随温度上升而下降，随溶液矿化度升高而降低。

PAM和PHP水溶液有很好的润滑性能。它能像润滑油一样附着于固体表面形成润滑性很好的薄膜，大大减少其摩擦力，因此使用PAM的泥浆其泥饼粘滞系数很小，能防止泥饼粘附卡钻。

⑶pH值的影响

PAM分子中含有的酰胺基在水溶液中部电离，故它受pH值影响不大。但pH值过高，溶液中游离碱过多，它将使酰胺基发生水解，从而引起PAM性能发生变化。

PHP中含有一定比例的羧钠基，它在溶液中将发生电离，产生负离子基：羧基。故PHP属于多负离子型高分子电解质，而由于羧基能与高价金属离子形成不溶盐，这一点在使用时应予以考虑。

同时由于羧酸为弱酸，故在溶液pH值不高时（pH＜11.5）将产生大量的羧酸基。由于羧酸基与羧钠基对于粘土的作用迥然不同，因此，虽然PHP的分子量相同，水解度也相同，但由于pH值不同将使PHP在泥浆中的作用发生很大的区别。故调整泥浆的pH值可改变PHP的絮凝能力。

⑷稳定性

PAM分子链主链中为C-C键，故比较稳定，热稳定性较强，实验证明在230℃高温下仍不发生明显的降解反应，保持其作用性能。

5、影响絮凝的原因

⑴分子量

分子量高，意味着分子链长，链节也多，则其吸附基也多。吸附基多则易于吸附，链长则易于“架桥”。因此一般来说，在其它条件相同时分子量小则絮凝效果差；分子量愈高，絮凝效果愈好。但这也并不是无限的，分子量过大，在水中难溶解，且易受外界影响，达不到预期的效果，同时生产产品困难，成本也较高。国内目前使用的PAM 分子量一般为300万~500万。

⑵水解度

水解度的大小直接表示了分子链中羧基和酰胺基的比例。水解度愈大，酰胺基愈少，对吸附不利而影响絮凝能力。而水解度愈小，则酰胺基愈多，对增加吸附能力有利；但由于羧基钠太少，不足以使PAM分子链伸展，而绻曲成一团。这样虽有大量酰胺基，但多数被包在线团内部而不能对粘土产生吸附，致使有效的酰胺基数目大为减少。同时分子绻曲以后相当与缩短了分子链的长度，不利于“架桥”，也对絮凝不利。从理论上讲水解度33﹪左右，PAM分子链已伸展近于直线。

此外，水解度很高时，其吸附能力便大为减弱，水化能力大为增强，因而保护作用增强，临界浓度降低，降失水作用明显增加。若水解度大于95﹪，就成为失水降低剂-聚丙烯酸钠了。

⑶絮凝剂浓度