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有不同的使用性质和用途。 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）分子链上具有和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的使用和消费

APM在我国石油、水处理和造纸三大领域中的使用尤其显重要。

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

数值 性质

密度（23℃）/（g/cm3） 临界表面张力/(mN/m) 玻璃化转变温度Tg/℃ 软化温度/℃ 热失重/℃ 热分解气体 <300℃ >300℃ 溶解性 溶剂 T溶剂 非溶剂 1.302 35~40 153,165,188,194,204 210 初失重，约290 失重70%，约430 失重98%，约550 NH3 H2、CO、NH3 水、乙二醇、二甲基甲酰胺、吗啉、熔融尿素 水（59）/甲醇（41）（体积比） 烃类、醇类、醚类、酯类、四氢呋喃 5、溶解特点和速溶问题

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，原因可能是酰胺基和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和水互溶的有机溶剂（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的溶解速率和其分子量、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，前者和水的接触面面积大，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和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颗粒和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

参数 特性黏数 均方根回旋半径 35天的降低值/% -16 -16 参数 絮凝速率 2g/L 4g/L 35天的降低值/% -10 -13 ① PAM的分子量6.1×10,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也观察到不稳定性；固体样品储存期间受到潮气的影响后即使在经充分干燥，

6

和聚合后立即干燥的样品相比，特性黏度也有明显的降低。③微生物的降解。发现不清洁的样品溶液存在黏度的不稳定性，提出是由微生物降解引起的，但是加了生物杀伤剂并不能排除。④稳定剂。试图以缓冲剂调节溶液的PH值（PH1~12的一个系列的标准溶液）来稳定溶液，但是没有起到任何作用，而加入2%（体积）的异丙醇，水溶液的黏度没有降低。⑤流体力学体积。由GPC测定和絮凝试验证明PAM的流体力学体积变小。⑥分子量的影响。对一个系列的分子量样品测定特性黏数的依时性，发现只要分子量低于1.5×10就不出现不稳定性；用光散射法和黏度法进行平行研究，分子量高于1.5×10的样品溶液由明显的黏度不稳定性。散射光强度也随时间而下降，但是把放置不同天数的样品溶液的散射光强度对散射角度作图并向零角度外推，在纵坐标上相交于一点。这表明经存放的样品分子量没有降低，意味着分子链没有降解。

66