聚丙烯酰胺（Polyacrylamide，PAM)及其衍生物 是目前全球主流的合成类水溶性高分子聚合物，由 丙烯酰胺（Acrylamide, AM)单体及其他单体聚合而 成。高相对分子质量的PAM在被吸附的粒子之间 形成“桥联”，使悬浮颗粒生成絮团并在外力的作用 下加速下沉，故在煤矿浮选和污水处理方面主要用 作絮凝剂，其絮凝效果远优于无机絮凝剂[@。
PAM的合成方法多见于溶液聚合法、悬浮聚合 法等。水溶液聚合法反应体系往往黏稠，聚合热难 以移出，反应体系容易爆聚，产品干燥以及后处理 工序比较复杂[4~;悬浮聚合中存在搅拌速度较难 控制，分散颗粒容易聚结，共沸时产品易交联出现 凝胶等问题[7_8]。为解决反应过程中聚合热的移出 问题，使反应体系达到平稳且易控制，制备相对分 子质量高且分布窄的PAM粉状产品，本研究采用反 相乳液聚合法1WU。PAM絮凝剂除了要求相对分子质量大以外，还要求溶解速度快，根据速溶理论， 若高分子聚合物含有结构与其相似的小分子，则该 小分子能加快高分子聚合物在溶剂中的溶解速 度[12]，PAM絮凝剂的反相乳液聚合中添加脲作为 助溶剂的报导较少，本工作研究了反相乳液聚合法 合成PAM及其对煤泥水的絮凝效果，同时考察了添 加脲作为助剂对产品的溶解速度的影响。
1材料与方法
1.1试验材料及仪器
材料：丙烯酰胺（AR),西陇化工股份有限公 司；过硫酸铵（AR)，国药集团化学试剂有限公司； 环己烷（AR)，西陇化工股份有限公司；四甲基乙二 胺（AR),国药集团化学试剂有限公司；Span-60 (CP),西陇化工股份有限公司；Tween-80 (CP),西 陇化工股份有限公司；尿素（AR),国药集团化学试 剂有限公司；工业氮气（纯度>99%),煤泥水（福建 省龙岩地区）。
仪器:恒温水浴锅；非稀释型乌氏黏度计（4- 0. 54);可控磁力搅拌器(79 -1);傅立叶变换红外/拉 曼光谱仪（VECTOR33);真空干燥箱（DZF-W50);干 燥烘箱(DHG-9240);实验室电导率仪（FE30)。
1.2试验方法
聚合试验：取一定量的环己烷作为油相，将乳 化剂与环己烷加人到装有搅拌器、冷凝管的四口瓶 中，将丙烯酰胺与去离子水配置成一定浓度加人其 中，通人氮气一段时间以除去体系中的氧。调节搅 拌器的转速，使水相与油相充分乳化，加人氧化还 原复配引发剂和添加剂，并保持搅拌器一定转速, 转人设定好温度的水洛锅中。充分反应后，产物用 无水乙醇反复洗涤，并将产物在干燥箱中烘干，粉 碎，即得到PAM粉末产品。
絮凝试验:称量粉末PAM并配置成质量分数为 0. 1%的水溶液，用1 〇〇〇 mL量筒量取一定浓度的煤 泥水，用注射器取5 mL絮凝剂溶液加人到煤泥水中， 搅拌60 s后，静置30 min,检测上层清液透光率。
1.3聚合物的性能检测与指标
特性黏数[r?]的测定:采用一点法，以乌氏 黏度计检测聚合物的特性黏数。
上层清液透光率P的测定：取絮凝后煤泥水上 层清液，分光光度计测定透光率。
PAM溶解速率的测定：将一定量的试样溶于去 离子水中，恒温下记录开始溶解到电导率无变化时 所经历的时间。
聚合物结构表征:用红外光谱仪对聚合物进行 分析，得到红外光谱图表征其结构，并将与标准图 谱进行比对，验证聚合物结构。
2结果与讨论
2.1引发剂用置与PAM性能的关系
本次聚合采用的引发剂是过硫酸铵-四甲基乙二 胺的氧化还原引发体系，其组成中过硫酸铵量略多于 四甲基乙二胺，对引发剂用量进行试验。AM单体的 质量分数为25%、聚合温度45 t；、八油）/F(水）为 1.3以及相同的反应时间下，考察引发剂的用量（占单 体质量分数，下同)对聚合物性能的影响，结果见图1。
从图i中可以看出特性黏数和上层清液的透光 率随着引发剂浓度的变化均出现一个最优值，引发 剂浓度较低时，体系产生的活性中心较少，引发速 率较低，链增长反应较慢，所得到的聚合物聚合度 较低，从而相对分子质量较小；引发剂过多，活性中 心引发得到的链自由基数量激增，导致聚合反应过 快，偶合终止的几率增大，反应聚合物的相对相对 分子质量也不高，综合分析选取体系中引发剂占单 体质量浓度为〇. 1%较适宜。
2.2单体浓度与PAM性能的关系
单体浓度是影响聚合反应的另一重要影响因素， 选取合适的单体浓度有利于乳液的稳定以及聚合反 应的平稳性，单体AM是聚合活性很高的单体，在其 它条件不变的情况下，产品的特性黏数随单体的浓度 的增大而增大。以引发剂用量〇. 1%、聚合温度从图2中可知在单体AM浓度的29%之前，聚 合得到的PAM的特性黏数随着AM浓度的增加而 增加，反应速率与单体的浓度成正比，得到聚合物 的相对分子质量也随之增大;但单体浓度到达29% 后，聚合物水溶液的特性黏数随单体浓度的增加而 下降。单体浓度到达30%后，体系单体浓度增大， 反应热聚集较快得不到及时移出，造成体系温度上 升，自动加速现象明显，反应可能出现产品凝胶化， 得到的部分交联产品不溶解于水导致特性黏数降 低，所以单体的浓度优选在26% ~ 29%。
2.3反应温度与PAM性能的关系
氧化还原引发体系往往在温度不高的情况下 就能获得较快的引发速率，反应低温有利于乳液的 稳定性。固定引发剂用量0.1%、单体浓度25%、F (油）/VX水）为1.3以及相同的反应时间下，考察聚 合温度与聚合物性能的影响，结果见图3。
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氧化还原复配引发体系产生自由基所需要的 反应活化能比较低，聚合过程不需要为反应提供热 源，但是聚合热要不停移出才能有利于反应过程的 稳定和控制。由图3中可以看出PAM特性黏数随 着聚合体系的温度的变化出现了最优值，温度过低 反应速率相对较低，聚合物的特性黏数偏低；温度 过高有可能导致乳液的稳定性，部分乳状液破乳使 反应液滴聚结，聚合反应加速，容易爆聚，不溶交联 产物变多导致相对分子质量降低，因此确定体系较 好的反应温度为35
2.4 V(油）/V(水）与PAM性能的关系
以油）/以水）是影响工业反相乳液聚合生产 PAM的另一重要影响因素，油相的比例往往涉及到 生产的成本。反相乳液聚合过程中油相作为连续 相，分散丙烯酰胺溶液，同时又起到移走反应热量 的作用。油相太少，很难充分形成乳液，聚合过程 中容易破乳而聚集在一起，反应中出现块状黏结 物[14];油相过多，虽然有利于分散反应物和热量传 递，但乳化剂用量的限制不利于生成乳液，同时生 产的成本加大，因此只有在合适的油水用量的情况 下才能形成比较稳定的W/0型乳液。图4为引发 剂用量〇. 1%、单体浓度25%、反应温度为4〇尤以 及相同的反应时间下，K(油）/F(水）对聚合物性能 的影响。
K油)/以水)
图4油相与丙烯酰胺水溶液体积比对聚合物性能的彩响 Fig. 4 Effect of volume ratio of oil to AM solution on polymerization
从图4中可以确定最适宜的F(油）/F(水） 为 1.5。
2. S助剂对PAM溶解性能的影响
聚合过程中，若单体的浓度过高或者反应速率 过快容易导致酰胺基相互缔合从tfU'生成交联的产 物，这样会严重导致聚合物的使用性能。为了防止
不溶交联物的生成和提高PAM的速溶性，往往在聚 合的单体中加人一定量的助剂[151。脲的结构类似 于丙烯酰胺的酰胺基，聚合过程中，可以分散于分 子链之间，防止长链分子之间的交联反应，避免了 不溶交联聚合物的生成，同时添加脲有助于提高聚 合物的溶解速率。图5为脲的添加量对PAM的特 性黏数和絮凝效果影响结果；图6表示了脲的添加 量与PAM的溶解速率关系，反应条件均是引发剂用 量0. 1%、单体浓度27%、7(油）/F(水）为1. 5、反 应温度为35弋以及相同的反应时间。_
一1500'
图6中可以看出，脲的加人明显提高了 PAM的 溶解速率，图5中当脲的含量低于5%时，聚合物 PAM的特性黏数随着脲浓度的增大而加大；当脲的 用量高于5%时，聚合物PAM的特性黏数反而下 降，这同时也会给体系带来杂质；当随着脲添加量 逐渐递增时，得到的聚合物的水溶解能力明显提 高，综合考虑脲的加人与PAM的溶解性，以及其对 PAM的使用性能的影响，确定反应体系中脲的最适 宜加人量为5%。
3 PAM的结构表征
对单体AM以及产物PAM采用红外光谱仪进 行结构分析，AM和PAM的红外光谱图见图7。
图7中3 437 cm — 1为胺基_NH2的伸缩振动吸 收峰，2 913 cirT1附近为亚甲基一CH2—的伸缩振动 吸收峰，1 636为酰胺基团中羰基的伸缩振动
吸收峰，3 181 cnT1为=C_H的振动吸收峰； 1 900 cnT1为C=C双键的振动吸收峰。AM红外 光谱图中不饱和碳氢伸缩振动的吸收峰在PAM红 外光谱图中已不存在，表明AM双键已断开生成单 键的PAM，通过对产品聚合物的红外光谱鉴定可得 所生产的聚合物即为PAM。
4结论
1)选择合适的乳化体系，采用反相乳液聚合技术 合成PAM是可行的，聚合物的红外光谱图结果也证 实了 PAM的结构;试验过程中优化了操作条件，获得 了聚合最适宜工艺参数;聚合过程中添加了脲作为助 剂，明显提高了 PAM的特性黏数和溶解速度。
2)优化工艺参数为：过硫酸铵-四甲基乙二胺复 配引发剂〇. 1% (占单体质量分数），单体水溶液质 量分数26% ~29%,反应温度35 t，脲添加量（水 溶液质量分数）5%,以油）/F(水）为1.5较适宜。
3)在优化聚合条件下合成特性黏数可达 1 400 mL/g高相对分子质量的PAM,溶解速度明显高于未添加脲作为助剂的PAM;产品对煤泥水的絮凝效果较好，煤泥水的上层清液透光率可 达 95%。