聚丙烯酰胺(PAM)是丙烯酰胺(AM)均聚或与其 他单体共聚而成的质量分数为50%以上的线型水溶 性高分子化学品的总称。由于其结构单元中含有酰 胺基，易形成氢键，所以具有良好的水溶性，广 泛应用于石油、金属及化学矿山开采、水处理、纺 织、造纸等行业[1~3^PAM系列产品可分为非离子 型（NPAM)、阳离子型（CPAM)、阴离子型（APAM) 和两性4大类。相对分子质量大小是PAM主要性能 指标之一。

1 PAM的合成方法

PAM—般由自由基引发聚合合成，主要有本 体法、水溶液法、乳液法和悬浮法等合成方法。根 据聚合是否加入其他单体，又可分为均聚和共聚2 种，PAM产品形态有水溶液、乳剂和粉剂等。

1.1水溶液聚合法

水溶液聚合法是将单体AM和引发剂溶解在水 中的聚合反应，是目前应用较广泛和成熟的技术。 所得PAM产品有胶状和粉状2种，其胶体采用质量 分数为8%~10%或2 0%~30% AM的水溶液在引发剂 作用下直接聚合而得，产物经脱水干燥后可得粉状 产品。产物相对分子质量为7万700万。该法优 点为安全、工艺设备简单、环境污染小，缺点是 产物固含量低，仅为8%~ 15%，且易发生酰亚胺 化反应，生成凝胶。

在PAM的水溶液聚合中，引发剂在很大程度 上决定了聚合反应后得到产物的相对分子质量、产 率，因而新型引发体系的开发是AM水溶液聚合研 究的关键。蔡开勇等人[4]研究了过硫酸钾-胺体系、 过硫酸钾一连二硫酸钠体系、有机过氧化物、溴酸 盐或氯酸盐、金属离子等五类氧化还原引发体系对 合成PAM相对分子质量的影响，发现过硫酸钾-连 二硫酸钠体系是合成高相对分子质量PAM的有效引 发体系。吴挡兰等人[5]采用复合氧化还原引发体 系，得到相对分子质量为3.05X 106的PAM。穆志 坚[6]采用过硫酸钾-氮三丙酰胺引发体系，在最佳工 艺条件下，得到相对分子质量为6.2X105的PAM， 转化率为98.94%。张宝军等人[7]开发出一种新型氧 化还原引发体系，以AM和丙烯酸钠为单体，进行 水溶液自由基共聚合反应，合成了相对分子质量高 达1.8X107，过滤比为1.24的超高相对分子质量 PAM。

双官能度引发聚合是自由基聚合[8]中一个很活 跃的研究领域，它直接影响聚合速率和聚合物性 能，包括端基性能、相对分子质量大小、结构[9] 等。Shah和Smet首次提出自由基“逐步聚合”概 念，指出双官能度引发剂能够用于自由基均聚制备 超高相对分子质量聚合物[10~11]。日本江畸厚等人使用 双官能度过氧化物Luperox-2,5-2,5与NaHSQ及Fe2+ 组成的氧化还原引发体系引发AM溶液聚合，制备 了高相对分子质量的PAM[12]。黄利铭等人[13]以双官 能度氧化还原引发体系为主，配合偶氮化合物引发 剂组成新型复合引发体系，在低温下采用均相水溶 液聚合法引发AM均聚，制备相对分子质量高达 2 000 万的 PAM。

1.2乳液聚合法

乳液聚合包括反相乳液聚合和正相乳液聚合。 反相乳液聚合是以非极性液体如烃类溶剂为连续相 (油相），单体溶于水，水为分散相(水相），借助于 具有低表面活性剂的亲水亲油平衡值(HLB)的油包水 型乳化剂将分散相(水相)分散于非极性液体(油相） 中，形成W/0型乳液进行聚合。而正相乳液聚合 正好与之相反。反相乳液聚合具有聚合速率快、产 物相对分子质量高、相对分子质量分布窄、散热容 易、产品性能好等优点。该聚合体系至少由水溶性 单体、水、有机溶剂、W/0型乳化剂、引发剂 5部分组成。其中乳化剂的选择对PAM产品性能影 响较大，因此乳液聚合技术的发展有赖于新型乳化 剂的研究和新的乳化配方的出现。孟昆等人[17]采用 反相乳液聚合方法制备阴离子型PAM絮凝剂，选 用Span80乳化剂，亚硫酸氢钠、过氧化物为氧化- 还原引发体系，应用均匀设计研究引发剂、乳化剂 用量等因素对产物特性黏数的影响，得到特性黏数 为12.07 dL/g的产物。P. Alexander等人[18]研究了用 季戊四醇肉豆寇酸盐作乳化剂、油溶性偶氮类化合 物作引发剂的AM聚合反应，考察了其他因素对重 均相对分子质量、数均相对分子质量及反应动力学 的影响。R. Biswajit等人[19]在水/叔丁基乙醇(TBA) 介质中（其中TBA体积分数50%~80%)用聚乙烯甲酯 (PVME)作乳化剂，过硫酸胺作引发剂，成功进行 了 AM聚合。Xu Zushun等人[20 21]用聚苯乙烯接枝 聚氧化乙烯(PSt-g-PEO)作乳化剂，在水/甲苯中引 发AM乳液聚合。

在乳液聚合中，引发体系的选择对产品性能的 影响也至关重要。T. Mircea等人[22]发现：聚丙烯酰胺的合成技术及其应用，当引发 体系用原子转移自由基聚合中常见的双吡啶时，单 体转化率很低(90°C反应20h以上)，但当用1,4,8, 11-四甲基-1,4,8,11-四环硅烷作配合体时在很短时 间内就可得到较高产率。0. Miklos等人[23]用八厘， W, W'-二甲基双丙烯酰胺和三乙醇胺混合得到PAM 凝胶，待凝胶固化后，向其上洒水，由于高速放 热的聚合反应引起的对流可使之形成立体结构。

S. J. Fang等人[24]考察了水溶性引发剂2,2W禺 氮二[W-(2-羧乙基)-2-甲基丙酰胺]水合物(VA057) 引发下AM与苯乙烯的共聚反应。由于VA0 57在 pH = 10时因水解作用而降解，造成共聚速率低，粒 子尺寸大，而在pH>10和pH〈10时则有不同的现象 出现。这是一种典型的不使用乳化剂的乳液聚合。 1.3反相微乳液聚合法

自从J. P. Hoar125]和J. H. Schulman26]等人利用 乳化剂、水和油制得均一透明的微乳液以来，微乳 液在许多领域中得到广泛应用。20世纪80年代初， Candau首次提出反相微乳液聚合，并成功合成了粒 径为40~60nm、分布均匀的PAM微胶乳[27]及AM与 丙烯酸钠共聚的微胶乳[28~29]。反向微乳液聚合解决 了胶乳产品稳定性问题，反应速度更快，粒子细小 均一，产物水溶性极好。

无论正相还是反相微乳液，选择适宜的乳化体 系是制备稳定微乳液的关键，可选用单一乳化剂体 系，也可选用多种乳化剂体系配合使用。李文兵等 人[30]以Span-60乳化剂、环己烷为连续相，K2S2〇8- NaHS〇3为引发剂，用正交试验法研究了 AM反相微 乳液聚合。在最佳聚合条件下，可合成相对分子质 量达1 300万速溶的PAM。

根据Griffin方法[31]，选择复合乳化剂体系时， 使性质不同的乳化剂从亲油到亲水之间逐渐过渡， 在亲油性与亲水性表面活性剂分子间作用力下，可 形成稳定、致密的复合乳化剂层，可得到高度透 明、热力学上极为稳定的微乳液。张乾等人[32]探讨 了用Span-80、Tween60为复合乳化剂，煤油为分 散介质，制备AM的反相微乳液，并对微乳液的微 观结构和影响微乳液体系聚合反应的因素作了研 究。结果表明：在AM-水-Span80，Tween60-煤 油体系中，在总乳化剂质量分数>15%时，形成微 乳液的最佳条件是 ffi(Span80): fl(Tween60)=0.47。 赵勇等人[33]用反相微乳液聚合法合成了疏水缔合型 聚丙烯酰胺(HAPAM)，并与传统胶束聚合法制备的 HAPAM作了比较，结果显示前者有更优越的耐盐

和抗剪切性能。

李晓等人[34]对AM反相微乳液聚合的动力学， 引发剂浓度、单体浓度和乳化剂浓度的影响进行了 研究，从成核方式、聚合环境、离子成长等方面 比较了反相微乳液聚合和经典乳液聚合的异同。他 们[35]在另一篇论文中还提出了AM反相微乳液聚合 过程的物理模式，并对反相微乳液聚合模型化处理 时的关键问题作了探讨。

1.4反相悬浮聚合法

反相悬浮聚合是近十几年发展起来的新方法。 反相悬浮聚合法生产工艺简单、成本低，易于实现 工业化，产品相对分子质量可达千万以上，溶解性 能比水溶液聚合产品好，可直接得到粉状或粒状产 品，包装和运输方便。刘莲英等人[36]采用反相悬浮 聚合、加碱水解、共沸脱水的方法合成了相对分子 质量达1〇7数量级的粉状速溶阴离子型PAM，并发 现适当増加有机溶剂可解决反应后期体系黏度大、 易交联产生不溶物、不易成粉等问题。张忠兴等人[37] 以AM和丙烯酸钠为单体，采用反相悬浮自由基共 聚进行了合成阴离子型PAM的中试研究，并得到 了相对分子质量达1.45 X107的超高相对分子质量 PAM，比较了中试与实验室小试2种情况下聚合条 件的不同，研究了中试条件下引发剂浓度、脱水时 间等对产品相对分子质量和溶解性能的影响，发现 随着脱水时间延长，PAM的相对分子质量和溶解性 能均呈下降趋势。

1.5新的聚合方法

近年来对PAM合成中自由基引发方式的研究有 了新进展，采用更为节能环保的引发体系，聚丙烯酰胺的合成技术及其应用，如光引 发聚合、热引发聚合、辐射聚合、等离子体引发 聚合、沉淀聚合、胶束聚合等。徐初阳等人[38]采 用光引发聚合技术进行PAM合成，选取了二苯甲 酮类、硫杂蒽酮类和苯偶酰类等光引发剂进行改性 处理，使之能用于AM水溶液的光聚合。在紫外光 照射下，可获得特性粘数为8~14dL/g，AM残留量 <0.05%的高纯PAM。聂容春等人[39]采用光引发聚 合方式，利用二甲基二烯丙基氯化铵（DMDAAC)与 AM合成阳离子型聚丙烯酰胺(CPAM)，其絮凝性能 优于单纯的PAM，特别是对粒度细、富含高岭土 的难沉降煤泥水，CPAM的絮凝效果更佳。

P. James等人[40]研究了热引发AM聚合反应， 找出了热引发机理的直接证据。叶强等人[41]用〇〇60 Y射线引发AM反相乳液聚合，研究了吸收剂量、 剂量率、乳化剂含量和单体含量及辐射后效应等对 PAM相对分子质量的影响，特别是采用高剂量率引 发和特低剂量率辐射聚合的手段，取得良好效果。

何彦刚[42]研究了等离子体引发水溶液聚合制备 聚(丙烯酰胺-c〇-2-(甲基丙烯酰氧乙基)三甲基氯化 铵）（Poly(AM-DMC))阳离子型聚电解质，通过测定 不同反应压力下反应液的沸点，选择反应液引发温 度为-9°C，以保证整个引发过程反应器内辉光稳 定；在反应室压力133Pa，单体配比为1:1(质量比） 时优化了反应条件：单体质量浓度3 0%，聚合时 间24h，聚合温度40C，pH值4.5，放电时间40s， 放电功率60W，所得聚合物特性黏数达9.66dL/g。

李万捷等人[43]研究了在微波场中PAM絮凝剂的 合成，探讨了不同微波辐射功率对单体转化率、 PAM相对分子质量及引发聚合时间、水溶解时间的 影响，并用所制产品进行了洗煤废水处理试验，取 得了良好应用效果。J. C. Paul等人[44]用双电子引 发聚合反应，并用扫描电镜分析了产物，发现光学 引发可得到3-D(3-dimensiona)结构，这种PAM由 于其良好的生物兼容性可用于医药行业。

王久芬等人[45]采用沉淀聚合法制得PAM，然 后将其与甲醛(碱性条件下)和二氰二胺依次反应得到 PAM-MG阳离子聚电解质。

王玉鹏等人[46]WAM单体为主要原料，引入辅 助共聚单体2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)， 选择氧化还原/水溶性偶氮化合物复合引发体系， 采用胶束聚合技术和前加碱共水解法，以热稳定剂 改性技术为辅助手段，制备了耐温抗盐驱油聚合物 AM/丙烯酸(AA)/AMPS，该共聚物对一价金属离子 表现出较好的抗盐性能。

2 PAM的应用

PAM作为一种线型高分子聚合物，具有优良 的増稠、絮凝、沉降、过滤、増黏、助留、净 化等功能，因此在石油、采矿、造纸、水处理、 纺织等行业中用途广泛，其需求量也在不断増加。 2.1在采油中的应用

PAM在石油开采中，可増加注水的黏度，避 免击穿油层提高采油率。在第3次采油中也用作増 稠剂，提高采油率。大庆油田大面积注入实验后， 每吨PAM可増产179.7 t原油。在油田领域，PAM 还可用于钻井泥浆増稠剂、水油比控制剂、压裂液 添加剂、润滑剂、降阻剂等。各国依其国情应用 上亦有所不同，美国用于石油开采的不到4%，日 本约12%，西欧约11%，而中国的PAM主要用于 此领域，约占8 1 %。

2.2在造纸中的应用

不同相对分子质量的PAM在造纸业中有多种 用途：用作分散剂可改善纸张的均匀度；用作増 强剂可有效提高纸的强度；用作助留剂、滤水剂、 沉降剂可提高填料和细小纤维的存留率，加强脱水 速度，还可沉淀污水，减少它们在白水中的流失量 等。美国造纸工业每年所使用的PAM约占其总产 量的2 5%，日本约32%，西欧约32%，而中国仅 约5 %。

2.3在水处理中的应用

在水处理领域，PAM絮凝剂能简单有效脱除水 中8 0%~95%的悬浮物和65%~95%的胶体物，因 而对降低废水中C0D有重要作用；对去除水中的 细菌、病毒效果稳定，使水的进一步消毒、杀菌 变得比较容易。美国PAM产量的6 0%用于水处理， 日本约45%，西欧约29%，而中国仅有9%左右。 2.4在纺织工业中的应用

在纺织工业中，PAM作为织物后处理的上色 剂、整理剂，可生成柔顺、防皱、耐霉菌的保护 层。利用其吸湿性强的特点，能降低纺细纱时的断 线率。各国在此领域的应用都较少，中国用于纺织 的不到3 %。

2.5在选矿工业中的应用

采矿过程中，通常使用大量的水，最后需回 收水中有用固体物，并将废水净化回收使用。聚丙烯酰胺的合成技术及其应用，应用 PAM絮凝，可促进固体的下沉，液体的澄清和泥 饼的脱水，从而可提高生产效率，减少尾矿流失和 水消耗，降低设备投资和加工成本，并避免环境污 染。美国的PAM用于采矿约占11%，日本约占 8%，西欧不到4%，而中国的PAM最早就用于矿 物精选，而后才在其他领域得到应用，现在用于此 领域的PAM约占2%。

2.6在其他领域中的应用

在电解冶金中，添加PAM可改善金属在阴极 沉积的质量，并増加电流效率。用作印染助剂时， 可使产品附着牢度大，鲜艳度高。在制糖业，PAM 可加速蔗汁中细粒子的下沉，促进过滤性能和提高 滤液清澈度。此外，PAM还可用作隧道、水坝等 工程堵水固沙的化学灌浆和水下、地下建筑物的防 腐剂，以及作土壤改良剂、纤维改性剂、黏结剂、 光敏树脂交联剂等[48]。美国的PAM在这些领域的 应用共占4%，日本占3%，西欧占4%，而中国 占3%。

3国内外生产和消费状况[47]

目前世界上PAM的总产能约55万t/a，总产量 约50万t/a。中国PAM的产能不断増加，目前总 产能约18万t/a，总产量约14万t/a。美国、西欧、 日本和中国是PAM主要生产国和消费国，这些国 家约占其总产能9 3%。各国的消费结构有所不同， 美国和西欧主要用于水处理，日本主要用于造纸， 中国主要用于采油，2005年油价的突然上涨促使美 国用于石油的PAM用量増加，与此同时西欧用于 造纸部分的PAM用量也在増加，每年増长4.5%， 而美国和日本造纸部分的増长分别是1%和0.5%。 预计在未来五年，P A M总消费量中国将达到7 % ~ 10%，美国1.8%，西欧3.6%，日本0.5%，其他 地区4%~5%。

4结束语

聚丙烯酰胺的合成技术及其应用，纵观中国PAM历年生产情况，在20世纪90年 代之前因技术、市场等原因，产量和使用量相对稳 定，后随着石油行业中的大量应用，推动了 PAM 产能不断増加。鉴于PAM具有较大的市场潜力， 国内不少企业纷纷计划新建或扩建产能，据不完全 统计，2005年中国PAM产能己达到15万t，但产 品结构较单一，品种和产量不能满足市场需求，产 品质量与国外仍有差距，国外PAM的相对分子质 量大都在1 800万以上，而国内产品大都小于100 万，且分布宽，水溶性、抗剪切性、耐热性、质 量均一性差，残留单体质量分数<0.5%，水不溶物 含量高，技术经济指标落后等，使得许多高质量产 品不得不依靠进口来解决。近几年，PAM年进口 量都在万吨以上，随着国家经济的快速发展和公众 环保意识的増强，必将促进PAM的消费，因此国 内PAM开发利用前景广阔。建议：①逐步淘汰一 些落后的小规模生产装置，以提高行业整体水平。 ②引进国外先进的工艺技术和设备，建设万吨级以 上规模，适应市场需求。③加快PAM生产工艺的 研发，进一步提高产品质量。④大力开发PAM在 制糖、感光材料、电镀、船舶、陶瓷、矿冶等 方面的应用，提高我国PAM总体使用水平。