聚丙烯酰胺的特性及應用:
聚丙烯酰胺的特性及應用,聚丙稀醜胺（Polyacryamide，簡稱PAM)是一 類重要的水溶性高分子聚合物，源於分子結構上的 特性，聚丙烯酰胺具有特殊的物理化學性質,易通過 接枝或交聯得到支鏈或網狀結構的多種改性物，廣 泛應用於國民經濟各個行業，享有“百業助劑”之稱。 隨著我國工業化迅速發展，聚丙烯酰胺應用範圍不 斷擴大,需求量也不斷增加。
聚丙烯酰胺(PAM)產品主要有3大劑型，即水 溶液膠體、粉狀和乳液，聚丙烯酰胺的特性及應用,每種劑型中都有不同離子型 產品。根據PAM大分子鏈上官能基在水溶液中的 離解性質，可將其分為陰離子型（CPAM)、陽離子型 (APAM)、非離子型（NPAM)及兩性離子型⑴。表 1是Tran Tech統計的2004年各種類型PAM的產
魯[a
〇
表1各種類型聚丙烯酰胺的產量W/a
類型乳液/分散體係微珠粉末溶液小計
非離子1631.447.4
陰離子1402122912402
陽離子12235186.38.0351.3
小計27856446.720800. 7
PAM的應用主要視其水溶液的性質而定，因 此全麵了解聚丙烯酰胺水溶液的特性，對聚丙烯酰 胺的擴大應用和工業化快速發展具有重要意義。
1聚丙烯酰胺水溶液的性質
1.1物理性盾
PAM能以任意比例溶於水，溶解不受溫度影 響，其水溶液為均一清澈的髙黏度液體。在適宜的 低濃度下，聚合物溶液可視為網狀結構，鏈間機械的 纏結和氫鍵共同形成網狀節點；濃度較髙時，由於溶 液含有許多鏈-鏈接觸點，使得PAM溶液呈凝膠 狀。PAM水溶液與許多能和水互溶的有機物有很 好的相容性，對電解質有很好的相容性，對氯化胺、 硫酸鈣、硫酸銅、氫氧化鉀、碳酸鈉、硼酸鈉、硝酸鈉、 磷酸鈉、硫酸鈉、氣化鋅、硼酸及磷酸等物質不 敏感[3_4]。
PAM水溶液的黏度不僅與相對分子質量、濃 度、溫度有關，而且還受pH值、水解度及含鹽量等 因素影響。在一定溫度下，黏度隨PAM分子量和濃度的增髙而增加，近似可成對數關係，對高分子量 的PAM而言，即使百分之幾的質量分數，其溶液已 相當黏稠。升高溫度能降低黏度但不顯著。水解度 增加，黏度增大,無機鹽的存在會使溶液黏度下降。 pH的大小直接影響水解PAM分子中羧基的解離 程度，進而影響分子在水中的伸展程度，使黏度發生 變化。PAM水溶液為假塑性流體，濃度稍髙時機 械纏繞足以影響黏度，其黏度隨剪切速率增加而下 降，這是由於在剪切作用下大分子鏈伸展，堆積密度 降低的結果[‘]。
PAM水溶液的穩定性已能滿足許多應用方麵 的要求，但會受物理應力和化學反應的影響，或因細 微的鏈構象重排而使溶液在陳放數日或數周內，黏 度越來越小，這將會降低它的使用效能。所以在製 造和貯運時，要細心控製條件，一般貯存溫度不宜超 過50‘C或更低的溫度。其他因素包括剪切、光、超 聲波和加熱都可使聚合物降解。
1.2化學性質 1.2.1水解反應
PAM在80〜100 C堿性條件下，可以通過它的 酰胺基水解而轉化為含有羧基的聚合物，這種聚合 物和丙烯酰胺-丙烯酸鈉共聚物的結構相似。反應
式如下[2]:
CH 廠 CH 子,+ H2 0+ NaOH —►
I
CONH2
4CHJ—CH)T -(CHZ—CH-^ + NH3
II
CONH2COONa
由於水解產物中還含有酰胺基團，這表示酰胺 基並未完全水解，聚丙烯酰胺的特性及應用,因此這種水解產物稱為部分水解 PAM。工業生產中，常采用在AM聚合前的溶液中 加進堿，或者在聚合後的PAM膠體中拌進堿製造 部分水解的PAM。用這種方法很容易得到水解度 為30%(物質的量分數）的陰離子PAM產品。但要 製備高水解度（特別是70%以上）的陰離子PAM產 品時，要用AM和丙烯酸鈉共聚的方法。
1.2.2交聯反應
PAM與甲醛水溶液在酸性條件下共熱可發生 交聯反應，分子間的酰胺基通過亞甲基而交聯成不 溶性凝膠。反應式如下
-CH 廠 CH
CONHz, H+CONH
+CH2O—»
A
CONH2
1CONH
CH—'—
-CH2—CH—
/CH2 + HaO
凝膠生成速率隨PAM和甲醛的濃度及溫度增 加而增加，乙二醛、脲醛樹脂、密胺樹脂、酚醛樹脂等
均可與PAM發生交聯反應。
1.2.3羥甲基化反應
在堿性條件下,PAM水溶液與甲醛在40〜6(TC 可發生羥甲基化反應。反應式如下
一CHa_CH h CH2O一CH2_CH—
IA 1
CONH2CONHCH2OH
PAM和甲醛的羥甲基化反應在酸性和堿性條件 下均可進行，在堿性條件(pH值8〜10)時反應速率 很快;而在酸性條件下反應進行得較慢。因為這時大 多數甲醛都以鏈狀形式存在，降低了其有效濃度。在 高pH值下，上述反應在室溫下也能進行，若加熱到 100’C以上則發生交聯反應，生成不溶性凝膠。
1.2.4磺甲基化反應
PAM與亞硫酸氫鈉和甲醛在堿性條件下反應， 可在酰胺基上引人磺甲基生成陰離子衍生物——磺 甲基化PAM。反應式如下
—CH；—CR—+ HCHO+NaHSOi 〇H >
I
CONH2
一 CH廠CR—+HjO
I
CONHCH2SOjNa
1.2.5霍夫曼降解反應
PAM可與次鹵酸鹽(如次氣酸鈉或次溴酸鈉)在 堿性條件下反應，該反應稱為霍夫曼降解反應[7]。反 應式如下：
—CH2—CH— + NaOX~►
I
CONH2
CH2—CHh Na2 CO3 + NaX 十 H2 0
I
NH2
1.2.6胺甲基化反應
PAM與甲醛和胺在堿性條件下作用，可生成N -甲基化丙烯酰胺聚合物，該反應稱曼尼奇反應[8]。 反應式如下：
OH-
—CHZ—CH—+ CH20-hR,NHR2
I
CONH2
—CH2—CH—+H20
R,
/
CONHCH2N
Rz
2聚丙烯酰胺在工業上的應用
目前PAM在我國用量最大的領域是油田的三 次采油，其次是水處理和造紙。其消費結構為油田開 采占81 %,水處理占9%，造紙占5%，礦山占2%，其 他占3%w。世界上應用最廣的是水處理和造紙，還 用於選礦、洗煤、冶金、紡織、製糖和土壤改良等 領域[2’4’6_7_9~1
2.1石油工±
PAM在石油工業中主要用於以下幾個方麵：
a)提高采收率。在提高石油采收率的三次采油 諸方法中，用PAM作驅油劑占有重要地位。加人 PAM的作用是調節注人水的流變性，增加驅動液的 黏度，改善水驅波及效率，降低地層中水相滲透率，使 水與油能勻速地向前流動，提髙開采率™。
b)用作鑽井液調整劑。PAM可用作鑽井泥漿的 增稠劑、穩定劑和沉降絮凝劑。將聚丙烯酰胺加入鑽 井泥漿中，可以增加泥漿的稠度，提高懸浮力，使泥漿 分散均勻，控製失水，增加穩定性，降低摩阻，提高固 井速度。
c)用作堵水調配劑。PAM用作堵水劑，選擇性 堵水這一特點是其他堵水劑沒有的，可以減少油田產 水,保持地層能量，提高最終采收率。
d)用作壓裂液添加劑。PAM交聯而成的壓裂 液，由於具有高黏度、低摩阻、良好的懸砂能力、濾失 性小、黏度穩定性好、殘渣少、貨源廣、配製方便及成 本低的優勢而被廣泛應用。
2.2水處理
PAM及其衍生物的分子鏈上含有大量的酰胺 基，具有良好的水溶性、優良的絮凝性能和吸附性能, 可與許多物質親和、吸附形成氫鍵。在水處理中，作 為絮凝劑，可用於城市汙水、生活汙水、工業廢水等的 處理以及各種地下水和工業懸浮液固液分離工程中。 PAM是目前世界上應用最廣、效能最髙的髙分子有 機合成絮凝劑、沉降劑及助濾劑，它的絮凝效果遠遠 優於無機絮凝劑，品種多,規格全，用量小，成本低，效 率高，生成的泥渣少，後處理容易PAM在水處理 中用作絮凝劑，主要有以下幾種情況：（1)減少絮凝劑 用量,在達到同等水質的前提下，PAM作為助凝劑與 其他絮凝劑配合使用，可大大降低絮凝劑的使用量; (2)改善水質，在原水處理中與活性炭等配合使用，用 於生活水中懸浮顆粒的凝聚、澄清，在汙水處理中用 作汙泥脫水，在工業水處理中用作一種重要的配方藥 劑；（3)提髙絮體強度與沉降速率，減少了無機絮凝劑 的使用量，避免循環冷卻係統的腐蝕與結垢。 2. 3紡織、印染工業
在紡織工業中，PAM作為織物的上漿劑和整理 劑,可以生成柔順、防皺、耐黴菌的保護層，利用它的 吸濕性強、較好的成膜性及漿膜的光滑度、高強低彈 性、對纖維良好的親和性、與天然漿料和合成漿料良 好的互溶性等特點，能減少紡細紗時的斷線率，防止 織物的靜電和阻燃。用作印染助劑時,PAM可使產 品附著牢度大、鮮豔度高，還可作為漂白的非矽髙分 子穩定劑及勻染劑紡織助劑等。此外，PAM還可用 於紡織印染汙水的高效淨化劑、脫色劑等。
2.4農業
PAM作為土壤結構改良劑，可有效改善土壤結 構，增加土壤表層顆粒間的凝聚力，增大土壤表麵粗 糙度,降低土壤容重，使土壤總孔隙率和毛管孔隙度 上升，進而使土壤顆粒和孔隙結構保持穩定，防止土 壤結皮，增加土壤的入滲，減少地表徑流量，防止土壤 流失以及抑製土壤水分蒸發等作用。PAM通過對土 壤結構的改善，增加了土壤水穩性團粒數量,增強了 土壤的透氣、滲透性能，有效地增強了土壤的抗蝕能 力，使PAM處理過的土壤具有很好的保水、保土、保 肥、增產的作用[1M8]。
2.5醫藥工業
PAM及疏水締合衍生物由於分子鏈上同時帶有 親水與憎水基團，使其水凝膠具有溫敏性，它在水中 的溶脹性在某一臨界溫度隨溫度的微小變化發生激 烈的突變,體積變化可達數十到數百倍，可以做成智 能性凝膠，用於藥物的控製釋放和酶的包埋、蛋白質 電泳、人工器官材料、接觸眼鏡片等™。PAM水凝膠 早在1987年就開始應用於整形美容外科，大部分用 於乳房增大和塑型，還可用於軟組織填充，如薄唇變 厚、大小腿外形塑造。另外，PAM可用作分離抗菌素 的絮凝劑、用作藥片的賦型粘接劑以及藥物緩釋劑 等。PAM共聚物混合到憎水的高分子生物培養基上 的所得物具有類似肝磷脂的光滑表麵和良好的生物 兼容性,可用來抗血栓，廣泛用在起搏器、動脈嫁接、 心髒真空管、人造心髒、導尿管、腎透析中。
2. 6 食品加工
PAM可用於製糖工業用化學助劑。此外，可用 於各種肉類、水果和蔬菜清洗水的淨化以及果酒和啤 酒的澄清。使用高分子量的PAM作為絮凝劑可用 於糖漿澄清處理，聚丙烯酰胺的特性及應用,加速蔗汁中細粒子下沉，促進i 和提高濾液清澈度，可以盡可能多的除去非糖分 高清汁質量。利用PAM能從采用發酵法生產界 釀造業中分離和回收稀糟水中的固體物質，既做至 物利用又環保[2°]。
2.7造紙工業
PAM在造紙工業中的應用主要表現在2個方 麵:一是提高填料、顏料等的存留率以降低原材料的 流失和對環境的汙染；二是提髙紙張的強度（包括幹 強度和濕強度）。PAM用作分散劑，可以改善紙頁的 均勻度，降低紙料的打漿度，促進長纖維在抄紙時的 分散，增加紙漿液的穩定性及填料和顏料的粘結性; 用作增強劑，能有效地提高紙張的強度，提髙紙張的 抗撕性和多孔性;用作助留劑、濾水劑、沉降劑，能提 髙填料粒子和細小纖維的存留率，加快脫水速度，減 少纖維在白水中的流失量，有利於提高過濾和沉澱等 回收設備的效率，減少汙染[H’H]»
2.8礦冶行業
PAM在礦冶業中的應用主要涉及采礦、選礦和 冶金，在這些過程中需要使用大量的水，最後常需回 收水中的有用固體，並將廢水淨化回收使用。應用 PAM作為絮凝劑和助濾劑，可促進有用固體礦物的 快速下沉，加速細粒物料的濃縮、液體的澄清及泥餅 的脫水，從而可提髙生產效率，減少尾礦流失和水消 耗，降低設備投資和加工成本，並避免環境汙染.鈾 礦提取是PAM最早的重要應用領域之一，用酸或磺 酸鹽溶液瀝取鈾礦石時，在瀝取物的濃縮和過濾中， 添加PAM處理非常有效。PAM在選煤廠中主要用 於2個方麵:一是在煤泥水深度淨化濃縮機中，添加 PAM絮凝劑，加速煤泥的沉降，降低溢流水濃度；二 是在真空過濾機或壓濾機中，添加PAM絮凝劑，改 善濾餅結構，降低濾餅水分，提高過濾速度。
2.9建築工業
在建築工業中，PAM可以增強石裔水泥的硬度， 提高濕法水泥製造中沉降槽的生產能力和水泥的可 濾性，改善窯料均一性，加速石棉水泥的脫水速度。 用高壓水柱切割金屬或大理石時，在水中添加極少量 的PAM便可極大地提髙切割效率。PAM可用作塗 料增稠分散劑、鋸石板材冷卻劑以及陶瓷粘接劑，可 用作牆板(紙）、石棉製品等的膠粘劑。PAM還可用 作礦床、池塘、水壩、地基等的灌漿材料，可增強土壤 團粒結構的堅固性，增加土壤結構的承載負荷。 PAM凝膠可用於建築物的填縫、修複及堵漏。此外， PAM還可以用作隧道、水壩等工程堵水固沙的化學 灌漿和水下、地下建築物的防腐劑。
2.10日化工業
利用PAM製成的高吸水性樹脂具有較高的強 度，吸水量可達自重的數百倍以上，近幾年用於生產 尿不濕和衛生巾的PAM需求量增加較快™.在化 妝用品工業中，含有PAM的兩性電解質聚合物作為 角蛋白調理劑可用在頭發、皮膚和指甲的護理中。 PAM與矽溶膠複合為消光劑，可降低革麵的光澤，防 止因樹脂塗層過於光亮而引起的塑料感，以滿足人們 追求真皮感風格。馬中飛研究表明™ ,自激式除塵器 使用PAM複配物溶液不但可以提高除塵效率，而且 降低除塵器的阻力損失，減少能耗。此外，聚丙烯酰胺的特性及應用,PAM還可 用作天然或合成皮革的保護塗層以及農藥的造粒助 劑等。
2.11其他方麵的應用
在電鍍工業中，添加PAM可改善金屬在陰極沉 積的質量，並增加電流效率，能使金屬沉澱勻化，使鍍 層更加光亮。在養殖業中，PAM可改善水質,增加水 的透光性能，從而改善水的光合作用。在遊泳池水裏 添加極少量共聚物(質量濃度約1 mg/L)，可抑製遊 泳池表麵水分蒸發。PAM水凝膠還可用於凝膠炸 藥、電池的凝膠電解液、火箭燃料中使用的凝膠聯胺、 色譜柱等™。此外，PAM塗於船舶表麵，可降低航行 阻力。PAM還可用作金屬鑄造中的砂模膠合劑，金 屬的防鏽保護膜以及油墨、乳膠漆的穩定劑等。
3結語
綜上所述,經過近40年的努力，我國PAM的生 產和應用得到了較大發展。隨著我國整體工業生產 能力和技術水平的提髙，PAM的應用範圍正在日益 擴大，用量逐步增加，PAM在以上各領域的市場潛力 逐步顯現，今後除了繼續擴大PAM在石油開采、水 處理上的應用外，還要大力開發PAM在其他領域中 的應用，繼續加強PAM應用方麵的研究，為拓寬應 用提供技術支持，全麵提升國內PAM的應用水平。
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