聚丙烯酰胺的特性及应用:
聚丙烯酰胺的特性及应用,聚丙稀醜胺（Polyacryamide，简称PAM)是一 类重要的水溶性高分子聚合物，源于分子结构上的 特性，聚丙烯酰胺具有特殊的物理化学性质,易通过 接枝或交联得到支链或网状结构的多种改性物，广 泛应用于国民经济各个行业，享有“百业助剂”之称。 随着我国工业化迅速发展，聚丙烯酰胺应用范围不 断扩大,需求量也不断增加。
聚丙烯酰胺(PAM)产品主要有3大剂型，即水 溶液胶体、粉状和乳液，聚丙烯酰胺的特性及应用,每种剂型中都有不同离子型 产品。根据PAM大分子链上官能基在水溶液中的 离解性质，可将其分为阴离子型（CPAM)、阳离子型 (APAM)、非离子型（NPAM)及两性离子型⑴。表 1是Tran Tech统计的2004年各种类型PAM的产
鲁[a
〇
表1各种类型聚丙烯酰胺的产量W/a
类型乳液/分散体系微珠粉末溶液小计
非离子1631.447.4
阴离子1402122912402
阳离子12235186.38.0351.3
小计27856446.720800. 7
PAM的应用主要视其水溶液的性质而定，因 此全面了解聚丙烯酰胺水溶液的特性，对聚丙烯酰 胺的扩大应用和工业化快速发展具有重要意义。
1聚丙烯酰胺水溶液的性质
1.1物理性盾
PAM能以任意比例溶于水，溶解不受温度影 响，其水溶液为均一清澈的髙黏度液体。在适宜的 低浓度下，聚合物溶液可视为网状结构，链间机械的 缠结和氢键共同形成网状节点；浓度较髙时，由于溶 液含有许多链-链接触点，使得PAM溶液呈凝胶 状。PAM水溶液与许多能和水互溶的有机物有很 好的相容性，对电解质有很好的相容性，对氯化胺、 硫酸钙、硫酸铜、氢氧化钾、碳酸钠、硼酸钠、硝酸钠、 磷酸钠、硫酸钠、氣化锌、硼酸及磷酸等物质不 敏感[3_4]。
PAM水溶液的黏度不仅与相对分子质量、浓 度、温度有关，而且还受pH值、水解度及含盐量等 因素影响。在一定温度下，黏度随PAM分子量和浓度的增髙而增加，近似可成对数关系，对高分子量 的PAM而言，即使百分之几的质量分数，其溶液已 相当黏稠。升高温度能降低黏度但不显著。水解度 增加，黏度增大,无机盐的存在会使溶液黏度下降。 pH的大小直接影响水解PAM分子中羧基的解离 程度，进而影响分子在水中的伸展程度，使黏度发生 变化。PAM水溶液为假塑性流体，浓度稍髙时机 械缠绕足以影响黏度，其黏度随剪切速率增加而下 降，这是由于在剪切作用下大分子链伸展，堆积密度 降低的结果[‘]。
PAM水溶液的稳定性已能满足许多应用方面 的要求，但会受物理应力和化学反应的影响，或因细 微的链构象重排而使溶液在陈放数日或数周内，黏 度越来越小，这将会降低它的使用效能。所以在制 造和贮运时，要细心控制条件，一般贮存温度不宜超 过50‘C或更低的温度。其他因素包括剪切、光、超 声波和加热都可使聚合物降解。
1.2化学性质 1.2.1水解反应
PAM在80〜100 C碱性条件下，可以通过它的 酰胺基水解而转化为含有羧基的聚合物，这种聚合 物和丙烯酰胺-丙烯酸钠共聚物的结构相似。反应
式如下[2]:
CH 厂 CH 子,+ H2 0+ NaOH —►
I
CONH2
4CHJ—CH)T -(CHZ—CH-^ + NH3
II
CONH2COONa
由于水解产物中还含有酰胺基团，这表示酰胺 基并未完全水解，聚丙烯酰胺的特性及应用,因此这种水解产物称为部分水解 PAM。工业生产中，常采用在AM聚合前的溶液中 加进碱，或者在聚合后的PAM胶体中拌进碱制造 部分水解的PAM。用这种方法很容易得到水解度 为30%(物质的量分数）的阴离子PAM产品。但要 制备高水解度（特别是70%以上）的阴离子PAM产 品时，要用AM和丙烯酸钠共聚的方法。
1.2.2交联反应
PAM与甲醛水溶液在酸性条件下共热可发生 交联反应，分子间的酰胺基通过亚甲基而交联成不 溶性凝胶。反应式如下
-CH 厂 CH
CONHz, H+CONH
+CH2O—»
A
CONH2
1CONH
CH—'—
-CH2—CH—
/CH2 + HaO
凝胶生成速率随PAM和甲醛的浓度及温度增 加而增加，乙二醛、脲醛树脂、密胺树脂、酚醛树脂等
均可与PAM发生交联反应。
1.2.3羟甲基化反应
在碱性条件下,PAM水溶液与甲醛在40〜6(TC 可发生羟甲基化反应。反应式如下
一CHa_CH h CH2O一CH2_CH—
IA 1
CONH2CONHCH2OH
PAM和甲醛的羟甲基化反应在酸性和碱性条件 下均可进行，在碱性条件(pH值8〜10)时反应速率 很快;而在酸性条件下反应进行得较慢。因为这时大 多数甲醛都以链状形式存在，降低了其有效浓度。在 高pH值下，上述反应在室温下也能进行，若加热到 100’C以上则发生交联反应，生成不溶性凝胶。
1.2.4磺甲基化反应
PAM与亚硫酸氢钠和甲醛在碱性条件下反应， 可在酰胺基上引人磺甲基生成阴离子衍生物——磺 甲基化PAM。反应式如下
—CH；—CR—+ HCHO+NaHSOi 〇H >
I
CONH2
一 CH厂CR—+HjO
I
CONHCH2SOjNa
1.2.5霍夫曼降解反应
PAM可与次卤酸盐(如次氣酸钠或次溴酸钠)在 碱性条件下反应，该反应称为霍夫曼降解反应[7]。反 应式如下：
—CH2—CH— + NaOX~►
I
CONH2
CH2—CHh Na2 CO3 + NaX 十 H2 0
I
NH2
1.2.6胺甲基化反应
PAM与甲醛和胺在碱性条件下作用，可生成N -甲基化丙烯酰胺聚合物，该反应称曼尼奇反应[8]。 反应式如下：
OH-
—CHZ—CH—+ CH20-hR,NHR2
I
CONH2
—CH2—CH—+H20
R,
/
CONHCH2N
Rz
2聚丙烯酰胺在工业上的应用
目前PAM在我国用量最大的领域是油田的三 次采油，其次是水处理和造纸。其消费结构为油田开 采占81 %,水处理占9%，造纸占5%，矿山占2%，其 他占3%w。世界上应用最广的是水处理和造纸，还 用于选矿、洗煤、冶金、纺织、制糖和土壤改良等 领域[2’4’6_7_9~1
2.1石油工±
PAM在石油工业中主要用于以下几个方面：
a)提高采收率。在提高石油采收率的三次采油 诸方法中，用PAM作驱油剂占有重要地位。加人 PAM的作用是调节注人水的流变性，增加驱动液的 黏度，改善水驱波及效率，降低地层中水相渗透率，使 水与油能匀速地向前流动，提髙开采率™。
b)用作钻井液调整剂。PAM可用作钻井泥浆的 增稠剂、稳定剂和沉降絮凝剂。将聚丙烯酰胺加入钻 井泥浆中，可以增加泥浆的稠度，提高悬浮力，使泥浆 分散均匀，控制失水，增加稳定性，降低摩阻，提高固 井速度。
c)用作堵水调配剂。PAM用作堵水剂，选择性 堵水这一特点是其他堵水剂没有的，可以减少油田产 水,保持地层能量，提高最终采收率。
d)用作压裂液添加剂。PAM交联而成的压裂 液，由于具有高黏度、低摩阻、良好的悬砂能力、滤失 性小、黏度稳定性好、残渣少、货源广、配制方便及成 本低的优势而被广泛应用。
2.2水处理
PAM及其衍生物的分子链上含有大量的酰胺 基，具有良好的水溶性、优良的絮凝性能和吸附性能, 可与许多物质亲和、吸附形成氢键。在水处理中，作 为絮凝剂，可用于城市污水、生活污水、工业废水等的 处理以及各种地下水和工业悬浮液固液分离工程中。 PAM是目前世界上应用最广、效能最髙的髙分子有 机合成絮凝剂、沉降剂及助滤剂，它的絮凝效果远远 优于无机絮凝剂，品种多,规格全，用量小，成本低，效 率高，生成的泥渣少，后处理容易PAM在水处理 中用作絮凝剂，主要有以下几种情况：（1)减少絮凝剂 用量,在达到同等水质的前提下，PAM作为助凝剂与 其他絮凝剂配合使用，可大大降低絮凝剂的使用量; (2)改善水质，在原水处理中与活性炭等配合使用，用 于生活水中悬浮颗粒的凝聚、澄清，在污水处理中用 作污泥脱水，在工业水处理中用作一种重要的配方药 剂；（3)提髙絮体强度与沉降速率，减少了无机絮凝剂 的使用量，避免循环冷却系统的腐蚀与结垢。 2. 3纺织、印染工业
在纺织工业中，PAM作为织物的上浆剂和整理 剂,可以生成柔顺、防皱、耐霉菌的保护层，利用它的 吸湿性强、较好的成膜性及浆膜的光滑度、高强低弹 性、对纤维良好的亲和性、与天然浆料和合成浆料良 好的互溶性等特点，能减少纺细纱时的断线率，防止 织物的静电和阻燃。用作印染助剂时,PAM可使产 品附着牢度大、鲜艳度高，还可作为漂白的非硅髙分 子稳定剂及匀染剂纺织助剂等。此外，PAM还可用 于纺织印染污水的高效净化剂、脱色剂等。
2.4农业
PAM作为土壤结构改良剂，可有效改善土壤结 构，增加土壤表层颗粒间的凝聚力，增大土壤表面粗 糙度,降低土壤容重，使土壤总孔隙率和毛管孔隙度 上升，进而使土壤颗粒和孔隙结构保持稳定，防止土 壤结皮，增加土壤的入渗，减少地表径流量，防止土壤 流失以及抑制土壤水分蒸发等作用。PAM通过对土 壤结构的改善，增加了土壤水稳性团粒数量,增强了 土壤的透气、渗透性能，有效地增强了土壤的抗蚀能 力，使PAM处理过的土壤具有很好的保水、保土、保 肥、增产的作用[1M8]。
2.5医药工业
PAM及疏水缔合衍生物由于分子链上同时带有 亲水与憎水基团，使其水凝胶具有温敏性，它在水中 的溶胀性在某一临界温度随温度的微小变化发生激 烈的突变,体积变化可达数十到数百倍，可以做成智 能性凝胶，用于药物的控制释放和酶的包埋、蛋白质 电泳、人工器官材料、接触眼镜片等™。PAM水凝胶 早在1987年就开始应用于整形美容外科，大部分用 于乳房增大和塑型，还可用于软组织填充，如薄唇变 厚、大小腿外形塑造。另外，PAM可用作分离抗菌素 的絮凝剂、用作药片的赋型粘接剂以及药物缓释剂 等。PAM共聚物混合到憎水的高分子生物培养基上 的所得物具有类似肝磷脂的光滑表面和良好的生物 兼容性,可用来抗血栓，广泛用在起搏器、动脉嫁接、 心脏真空管、人造心脏、导尿管、肾透析中。
2. 6 食品加工
PAM可用于制糖工业用化学助剂。此外，可用 于各种肉类、水果和蔬菜清洗水的净化以及果酒和啤 酒的澄清。使用高分子量的PAM作为絮凝剂可用 于糖浆澄清处理，聚丙烯酰胺的特性及应用,加速蔗汁中细粒子下沉，促进i 和提高滤液清澈度，可以尽可能多的除去非糖分 高清汁质量。利用PAM能从采用发酵法生产界 酿造业中分离和回收稀糟水中的固体物质，既做至 物利用又环保[2°]。
2.7造纸工业
PAM在造纸工业中的应用主要表现在2个方 面:一是提高填料、颜料等的存留率以降低原材料的 流失和对环境的污染；二是提髙纸张的强度（包括干 强度和湿强度）。PAM用作分散剂，可以改善纸页的 均匀度，降低纸料的打浆度，促进长纤维在抄纸时的 分散，增加纸浆液的稳定性及填料和颜料的粘结性; 用作增强剂，能有效地提高纸张的强度，提髙纸张的 抗撕性和多孔性;用作助留剂、滤水剂、沉降剂，能提 髙填料粒子和细小纤维的存留率，加快脱水速度，减 少纤维在白水中的流失量，有利于提高过滤和沉淀等 回收设备的效率，减少污染[H’H]»
2.8矿冶行业
PAM在矿冶业中的应用主要涉及采矿、选矿和 冶金，在这些过程中需要使用大量的水，最后常需回 收水中的有用固体，并将废水净化回收使用。应用 PAM作为絮凝剂和助滤剂，可促进有用固体矿物的 快速下沉，加速细粒物料的浓缩、液体的澄清及泥饼 的脱水，从而可提髙生产效率，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.铀 矿提取是PAM最早的重要应用领域之一，用酸或磺 酸盐溶液沥取铀矿石时，在沥取物的浓缩和过滤中， 添加PAM处理非常有效。PAM在选煤厂中主要用 于2个方面:一是在煤泥水深度净化浓缩机中，添加 PAM絮凝剂，加速煤泥的沉降，降低溢流水浓度；二 是在真空过滤机或压滤机中，添加PAM絮凝剂，改 善滤饼结构，降低滤饼水分，提高过滤速度。
2.9建筑工业
在建筑工业中，PAM可以增强石裔水泥的硬度， 提高湿法水泥制造中沉降槽的生产能力和水泥的可 滤性，改善窑料均一性，加速石棉水泥的脱水速度。 用高压水柱切割金属或大理石时，在水中添加极少量 的PAM便可极大地提髙切割效率。PAM可用作涂 料增稠分散剂、锯石板材冷却剂以及陶瓷粘接剂，可 用作墙板(纸）、石棉制品等的胶粘剂。PAM还可用 作矿床、池塘、水坝、地基等的灌浆材料，可增强土壤 团粒结构的坚固性，增加土壤结构的承载负荷。 PAM凝胶可用于建筑物的填缝、修复及堵漏。此外， PAM还可以用作隧道、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。
2.10日化工业
利用PAM制成的高吸水性树脂具有较高的强 度，吸水量可达自重的数百倍以上，近几年用于生产 尿不湿和卫生巾的PAM需求量增加较快™.在化 妆用品工业中，含有PAM的两性电解质聚合物作为 角蛋白调理剂可用在头发、皮肤和指甲的护理中。 PAM与硅溶胶复合为消光剂，可降低革面的光泽，防 止因树脂涂层过于光亮而引起的塑料感，以满足人们 追求真皮感风格。马中飞研究表明™ ,自激式除尘器 使用PAM复配物溶液不但可以提高除尘效率，而且 降低除尘器的阻力损失，减少能耗。此外，聚丙烯酰胺的特性及应用,PAM还可 用作天然或合成皮革的保护涂层以及农药的造粒助 剂等。
2.11其他方面的应用
在电镀工业中，添加PAM可改善金属在阴极沉 积的质量，并增加电流效率，能使金属沉淀匀化，使镀 层更加光亮。在养殖业中，PAM可改善水质,增加水 的透光性能，从而改善水的光合作用。在游泳池水里 添加极少量共聚物(质量浓度约1 mg/L)，可抑制游 泳池表面水分蒸发。PAM水凝胶还可用于凝胶炸 药、电池的凝胶电解液、火箭燃料中使用的凝胶联胺、 色谱柱等™。此外，PAM涂于船舶表面，可降低航行 阻力。PAM还可用作金属铸造中的砂模胶合剂，金 属的防锈保护膜以及油墨、乳胶漆的稳定剂等。
3结语
综上所述,经过近40年的努力，我国PAM的生 产和应用得到了较大发展。随着我国整体工业生产 能力和技术水平的提髙，PAM的应用范围正在日益 扩大，用量逐步增加，PAM在以上各领域的市场潜力 逐步显现，今后除了继续扩大PAM在石油开采、水 处理上的应用外，还要大力开发PAM在其他领域中 的应用，继续加强PAM应用方面的研究，为拓宽应 用提供技术支持，全面提升国内PAM的应用水平。
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