聚丙烯酰胺是一种无定形的水溶性聚合物，它 在工业和农业中应用广泛3]，同时人们在催化化 学[4]、共聚化合物[5]、生物医学[6]等基础研究领域 对它的应用和性质进行了研究和探索。它在水悬 浮液中的絮凝作用使其广泛应用于造纸、水处理和 采矿等领域^3，^，部分水解的聚丙烯酰胺还应用 于油田的三次采油的聚合物驱油中[8,9]。粘度是 聚丙烯酰胺水溶液应用中的重要工艺参数，人们对 聚丙烯酰胺溶液粘度产生机理[10]、溶液浓度[1112]、 剪切速率[13]、离子强度[14]对聚丙烯酰胺溶液粘度 性质的影响进行了大量研究，发现粘度大小与溶液 浓度、剪切速率、温度、离子强度密切相关。聚丙烯酰胺的溶解与搅拌速度和溶解温度的关系，有些作 者从聚丙烯酰胺降解的角度进行研究，如Marcus J Cauffield[15，16]发现，聚丙烯酰胺溶液在95°C热处 理和紫外线照射的情况下只有少量降解，粘度也表 现出相当的稳定。唐康泰等[17，18]测定了水在聚丙 烯酰胺中的扩散活化能和颗粒聚丙烯酰胺溶解活 化能，推测溶解过程主要是克服分子链间 -CONH2的氢键缔合，研究了影响聚丙烯酰胺溶 解的因素，并借助聚丙烯酰胺溶解机制阐述了聚丙 烯酰胺结构对其溶解性能的影响。本研究发现在 不同的搅拌速度和温度下溶解，聚丙烯酰胺水溶液 的最终粘度相差很大，经溶解后溶液粘度稳定，并 对此现象进行了分析和解释。

2实验部分 2.1试剂与仪器

ND-1型旋转粘度计，90^ 1B型数显恒温磁力 搅拌器。

2.2实验方法

量取一定量去离子水，置于烧杯中在磁力搅拌 器上搅拌，称取一定量的聚丙烯酰胺置于烧杯中， 溶解完全后，将烧杯置于30°C水浴中，用ND-1型 旋转粘度计测量动力粘度。改变搅拌速度一段时 间后再测粘度，或者搅拌速度不变改变溶解时的搅 拌温度，测定粘度，步骤同上。

3结果与讨论

3.1溶解中搅拌速度对溶液最终粘度的影响

在配制过程中米用200r/ min和600r/ min的

搅拌速度，测定了一系列不同浓度的聚丙烯酰胺水 溶液在30°C时的粘度，发现同一质量分数的聚丙 烯酰胺溶液在不同的搅拌速度下溶解得到的溶液 最终粘度相差较大，较高转速下得到的溶液粘度大 约只有低转速得到溶液粘度的60% ~ 70%，见 图1。

溶解过程主要是克服分子链间-CONH2的 氢键缔合，当聚丙烯酰胺溶于水时，聚丙烯酰胺的溶解与搅拌速度和溶解温度的关系，在溶胀和溶解 过程中，其酰胺基既形成分子内氢键，又与水分子 形成氢键，分子内氢键构成聚丙烯酰胺的环结构和 螺旋结构的刚性链段，这种结构使得溶液的粘度较 大。搅拌速度快，分子内氢键构成聚丙烯酰胺的环 结构和螺旋结构的刚性链段受机械剪切的作用容易被破坏和解离，当溶液受到的剪切速率增加时, 原已渗透到大分子内部的内含溶剂,在剪切作用下 被迫挤出，无规线团尺寸减小，溶剂分布在无规线 团之间,从而使聚丙烯酰胺的酰胺基更多地与水分 子作用而使大分子变得柔顺,流体力学体积和粘度 也变小[19]。

 

完全溶解后的溶液再经过长时间高速搅拌，发 现粘度没有变化。可见搅拌速度对聚丙烯酰胺溶 液粘度的影响只限于溶解过程中。作者认为溶解 后，聚丙烯酰胺分子内氢键与水分子形成的分子外 氢键达到了平衡状态,形成了一种二次结构，破坏 这种二次结构所需要的活化能比较大，即使提高搅 拌速度，也不会破坏这种二次结构，从而不会再影 响聚丙烯酰胺溶液的粘度。

3.3溶解中温度对溶液粘度的影响

选取6个不同的温度配制聚丙烯酰胺水溶液, 溶解完全后在搅拌速度600r/min，温度30°C的条 件下测定聚丙烯酰胺溶液粘度。

 

p - 1.0%; w - 1.2%； " - 1.4%

由图2可知，同一质量分数的聚丙烯酰胺溶液

烯酰胺溶液浓度低(0. 8%，1.0%)时，溶解温度超 过40°C，粘度明显下降；聚丙烯酰胺溶液浓度高 (1. 2%，1.4%)时,溶解温度超过45 °C，粘度明显 下降。温度有利于克服分子链间-CONH2的氢 键缔合，但要高于阈值温度后粘度才有明显下降的 现象，这与水在聚丙烯酰胺中的扩散活化能和颗粒 聚丙烯酰胺溶解活化能[16]有关，只有超过水在聚 丙烯酰胺中的扩散活化能和颗粒聚丙烯酰胺溶解 活化能，才能克服分子链间-CONH2的氢键缔 合，导致聚丙烯酰胺的酰胺基更多地与水分子作用 而使粘度变小。

3.4溶解后温度对粘度的影响

在30 °C溶解得到的聚丙烯酰胺水溶液升温至 35〜55 °C，保持2h，然后降温至30 °C测量溶液粘 度，粘度基本保持不变，可见温度对聚丙烯酰胺溶 液粘度的影响只限于溶解过程中。溶解后再提高 温度不能破坏二次结构，不影响二次结构的稳定 性,从而不会再影响聚丙烯酰胺溶液的粘度。

4结论

配制溶解过程中不同的搅拌速度和温度导致 聚丙烯酰胺水溶液的最终粘度相差很大，聚丙烯酰胺的溶解与搅拌速度和溶解温度的关系，较快的搅 拌速度和较高的温度溶解得到的聚丙烯酰胺水溶 液粘度较小。聚丙烯酰胺在溶解过程中有可能形 成了一种决定粘度的二次结构，这种结构的形成与 溶解过程中的搅拌速度和溶解温度有关，这种二次 结构相当稳定，不易再受搅拌速度和温度的影响。

二次结构的形成可能是由于聚丙烯酰胺分子 内氢键的分解与再生成，聚丙烯酰胺的溶解与搅拌速度和溶解温度的关系，同时聚丙烯酰胺分子与水 分子之间形成氢键，二者达到了一种动态的解离和 形成的平衡状态。而破坏这种平衡状态所需活化 能较大，因此这种二次结构稳定，宏观上表现为溶 液的最终粘度受到配制条件的影响，而配制溶解完 成后表现稳定。