聚丙烯酰胺主要性質及其對生產成本的影響

劉軍鈦

(深圳市三力星實業有限公司，廣東深圳，518034)

聚丙烯酰胺主要性質及其對生產成本的影響

劉軍鈦

(深圳市三力星實業有限公司，廣東深圳，518034)

聚丙烯酰胺在造紙工業中用途廣泛，其使用效果和應用方法取決于產品的電性、電荷密度、分子質量、形態以及溶解性等性質，這些性質也是影響聚丙烯酰胺生產成本的重要因素。在這些性質中，電性和形態的影響最大。對于陽離子聚丙烯酰胺來說，電荷密度是決定生產成本的主要因素。

聚丙烯酰胺;生產成本;影響因素

聚丙烯酰胺 (PAM)是一種常用的造紙助劑，它主要用于紙張抄造和廢水處理過程，前者包括助留助濾、紙張增強和纖維分散(助留劑、增強劑、分散劑);后者則包含了廢水處理和污泥脫水 (絮凝劑)［1］。

PAM是合成聚合物，通過改變合成條件可以得到具有不同性質的PAM產品。在實際應用過程中，PAM的電性、電荷密度、分子質量、形態以及溶解性是用戶最關心的性質，這些性質不僅影響PAM的使用效果和應用方法，而且也是決定PAM生產成本的重要因素，本文對此做一簡要介紹。

1 PAM生產方法

在工業上，PAM基本都是在引發劑的作用下，由丙烯酰胺單體均聚或與其他單體共聚而成［2］，目前常用的單體見圖1。

PAM有非離子 (NPAM)、陰離子 (APAM)和陽離子 (CPAM)3種電性形式，常見的化學結構見圖2。

NPAM由丙烯酰胺單體均聚而成。APAM的生產過去大多采用丙烯酰胺均聚共水解或均聚后水解工藝，現在則以丙烯酰胺與丙烯酸共聚法為主。CPAM的合成有改性法和共聚法，前者利用酰胺改性反應制得叔胺型CPAM，后者利用丙烯酰胺和陽離子單體共聚生產季胺型CPAM，其中甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨是最常用的陽離子單體。

丙烯酰胺單體來自丙烯腈，其他與丙烯酰胺共聚的陰離子和陽離子單體也都是石油化工產品。因此，PAM的生產成本與原油價格息息相關，國際油價上漲必然引起PAM的生產成本上漲。

工業合成的PAM有膠體、分散液、乳液和干粉4 種物理形態［2］。

膠體是水溶液聚合得到的膠體狀產品。分散液和乳液相似，但產品結構不同，分散液是由很小的脫水PAM粒子分散于惰性碳氫化合物載體油中的液體產品;而乳液則是將含水PAM分散于輕質礦物油或水中的液體產品。兩種產品的生產工藝見圖3和圖4。

干粉有粉狀和珠狀兩種類型，其生產工藝不同。粉狀干粉是在水相中合成，然后經過干燥和磨碎成為細粒，所以產品具有不規則的外形，工藝流程見圖5;珠狀干粉則是在有機溶劑中合成，然后經過干燥而成，產品呈圓珠狀，工藝流程見圖6。

2 PAM產品

表1列出某跨國公司用于造紙工業的各種PAM產品，其中包括用于紙張抄造和廢水處理的兩類產品。這些產品經過長期應用和篩選，已成為造紙廠常用的PAM產品。整體而言，它們具有以下幾個特點:

(1)APAM的分子質量普遍高于CPAM;

(2)高分子質量的產品多為粉狀固體或乳液形態;

(3)CPAM的電荷密度以20%～40%為主;

(4)紙張抄造用產品多具有低至中等的電荷密度。

以上整體特點與PAM產品的生產和應用有關，說明具備這些特點的產品具有生產或應用上的優勢。

3 PAM的主要性質

PAM有多種性質，對于紙廠用戶來說，產品的電性、電荷密度、分子質量、形態和溶解性是可以選擇、并且可以被觀察或檢測的重要性質［3］。

3.1 電性

目前用于助留和增強的PAM以陽離子產品為主，纖維分散采用陰離子產品，廢水處理則可以根據廢水或污泥的性質選擇非離子、陰離子或陽離子產品。

PAM的電性決定了PAM與被處理顆粒之間是否發生反應以及發生何種反應。因此，電性是PAM最基本的性質，也是PAM發揮效果的基礎。在實際應用中，確定電性是選擇PAM產品的首要步驟。

表1 某跨國公司造紙用PAM產品

測定PAM的電性可以采用電荷分析儀 (PCD)，也可以把未知電性和已知電性的產品溶液混合，通過觀察是否發生反應，是否有混濁物生成來做判斷。如果有顯著反應，說明未知產品與已知產品的電性相反;如果反應微弱，說明未知產品是非離子型;如果完全沒有反應，則說明未知產品與已知產品的電性相同。

3.2 電荷密度

電荷密度是APAM或CPAM電性強弱的一種表示。電荷密度影響PAM與被處理顆粒之間的反應進程及吸附外形，從而影響PAM的使用效果。

電荷密度有不同的表示方法，本文所述的電荷密度指分子中電性單體所占的數量比例。例如電荷密度30%，表示PAM分子中，有30%的丙烯酰胺單體帶有電性。

測定PAM的電荷密度可以采用膠體滴定法［4］或紅外光譜法。前者利用具有相反電性的標準試劑滴定樣品PAM溶液，然后根據標準試劑的消耗量計算出樣品PAM的電荷密度;后者則將樣品PAM的紅外譜圖與標準譜圖進行比對，通過比較特征吸收峰的位置和形狀來推斷樣品PAM的電荷密度。

3.3 分子質量

聚合物由許多單體聚合而成，分子質量是聚合物聚合程度的一種表示。PAM含有的單體數目愈多，分子質量愈高。對于線性PAM來說，分子質量愈高，分子鏈就愈長。

使用時，為了達到預期的使用效果，需要選擇具有合適分子質量的PAM產品。一般來說，高分子質量的產品對助留助濾、纖維分散和廢水處理有利，而紙張增強和污泥脫水則要求產品有相對較低的分子質量。

黏度法是測定PAM分子質量最常用的方法［5］。該方法是測定產品稀溶液的黏度，然后根據黏度與分子質量之間的經驗公式計算出分子質量。在相同條件下，產品溶液的黏度愈大，產品的分子質量就愈高。

3.4 產品形態

PAM有膠體、分散液、乳液和干粉4種物理形態。

膠體產品的有效含量非常低，產品的運輸半徑和使用范圍受到很大限制，難以被大規模銷售。分散液和乳液的有效含量為30%～50%。干粉的固含量可達90%以上，是有效成分最高的一種物理形態，也是造紙工業使用最多的一類PAM產品。

無論使用哪種形態的PAM產品，都需要先將產品與水混合，制成低濃度的溶液后再添加。產品形態并不直接影響產品的使用效果，但它決定產品的制備及使用方法。一般而言，如果采用全自動溶解制備方式，干粉產品需要的設備最為復雜，涉及的設備投資也較大。

3.5 溶解性

溶解性包含兩方面的含義，一是溶解的快慢，二是不溶物含量。一般來說，產品的分子質量愈高，溶解就愈慢。離子型產品的溶解快于非離子型產品。提高溶解溫度有助于加快溶解。

不溶物含量是干粉產品的一項重要指標。合成PAM時，如果條件控制不好，會有高度支鏈聚合的情況出現，形成難溶于水的細小膠粒。產品如果含有過多的不溶物，容易在制備時出現不溶膠團，堵塞過濾器及在紙機上造成斷紙或紙病。紙張抄造這方面的要求比污水處理更高。

常用的測試方法是取1 g固體產品，溶解成質量分數為1%的水溶液，然后過一定目數的篩網，留存在網上的不溶物粒子數目即為產品的不溶物含量［6］。顯然，抄紙用PAM的不溶物含量越低越好。

4 PAM主要性質對生產成本的影響

為了說明PAM產品性質對其生產成本的影響，本研究選擇同一家公司的產品進行比較。這里所說的生產成本包括生產、包裝和運輸的各項費用，可以說是計算產品銷售贏利的原始基礎。

表2～表4列出了前述某跨國公司的PAM產品及成本系數，成本系數的計算方法是以表2～表4中非離子型產品 (1號產品)的生產成本為基準，成本系數為1，其他產品與之相比，得出各自的成本系數。成本系數愈低，產品的生產成本也愈低。

表2 助留劑產品的生產成本

表3 絮凝劑產品的生產成本

表4 陽離子珠狀絮凝劑產品的生產成本

4.1 電性

目前造紙工業使用的CPAM以共聚產品為主，通過陽離子單體和丙烯酰胺單體的共聚在丙烯酰胺的酰胺基上引入陽離子基團。陽離子單體價格昂貴，遠高于丙烯酰胺單體，因而提高了CPAM的生產成本。

從表2～表4可以看出，APAM的成本最低，NPAM的成本其次，CPAM的成本最高。

4.2 電荷密度

電荷密度對成本的影響主要表現在CPAM上。對于APAM來說，產品成本基本不受電荷密度的影響。

如前所述，CPAM的電荷密度愈高，需要的陽離子單體愈多，產品的成本也愈高 (見表4)。造紙工業常用的CPAM具有中等以下 (＜40%)電荷密度，在這個范圍內，電荷密度增加造成的成本上升幅度一般小于30%。

4.3 分子質量

生產高分子PAM需要增大丙烯酰胺單體濃度，消耗更多的丙烯酰胺，因此分子質量愈高，PAM的成本也愈高。但是，與陽電荷密度相比，分子質量增加引起的成本上升幅度要小得多。

4.4 產品形態

目前使用最多的液體產品是乳液形態。乳液產品的有效含量通常為30%～50%。相對于干粉產品，乳液的有效含量低，產品的包裝和運輸成本成倍增長。生產乳液產品需要使用大量的有機溶劑及乳化劑，也增加了生產成本。

在性質相同的條件下，珠狀產品和粉狀產品的效果并無差別。兩者最重要的差別是珠狀產品因為顆粒均勻溶解性更好一些，而且在使用過程中不易起塵。需要指出的是，許多紙廠使用自動溶解設備，在這種情況下，珠狀和粉狀產品的使用幾乎沒有什么區別。生產珠狀產品涉及使用有機溶劑和乳化劑，所以相比而言，珠狀產品的成本高于粉狀產品。

4.5 溶解性

紙張抄造用的PAM在紙漿中添加，對成紙質量有直接影響，溶解性要求遠高于污水處理用的絮凝劑。生產時，一方面要更加嚴格地控制原料和生產條件，另一方面要加大產品中非合格部分的去除比例，這樣自然會增加產品的成本。比較表2～表4可以看出這種影響。

5 結語

造紙工業常用的聚丙烯酰胺 (PAM)包括非離子(NPAM)、陰離子 (APAM)和陽離子 (CPAM)3類產品。除此之外，PAM的產品形態、電荷密度、分子質量和溶解性也是PAM的重要性質。在這些性質中，產品形態和電性對產品生產成本的影響最大。對于CPAM來說，電荷密度是決定生產成本的主要因素，這是造紙較少使用高陽電荷PAM的一個重要原因。

［1］王 平，宋建國．聚丙烯酰胺在造紙工業中的應用［J］．黑龍江造紙，2003(1):38．

［2］嚴瑞瑄．水溶性高分子［M］．北京:化學工業出版社，1998．

［3］劉軍鈦．助留劑效果的影響因素及影響規律［J］．湖南造紙，2009(4):20．

［4］陳夫山，謝來蘇，魏德津，等．用膠體滴定法測定聚合物的電荷［J］．中國造紙，2000，15(2):30．

［5］GB/T 12005．10—1992．聚丙烯酰胺分子量測定［S］．

［6］汽巴公司．CSMOT 001-Measurement of aqueous lump count for solid grade polymers［S］．2001．

Properties of Polyacrylamide and Their Impacts on Production Cost

LIU Jun-tai
(Shenzhen Sanlixing Industry Co．，Ltd．，Shenzhen，Guangdong Province，518034)
(E-mail:chuang@live．hk)

Polyacrylamide is widely used in the paper industry．The application and performance of the product depend on its molecular weight，ionic charge，charge density，physical form and solubility．These properties are also the main factors influencing its production cost．Among these properties，ionic charge and physical form have the most impact on production cost．For cationic polyacrylamide，the charge density is the crucial factor determining the production cost．

polyacrylamide;production cost;factors

TS727+.3

A

0254-508X(2011)09-0064-05

劉軍鈦先生，博士;長期從事助留劑的研發和應用工作。

2011-03-15(修改稿)

(責任編輯:常 青)