聚丙烯酰胺的合成、改性及應(yīng)用概述

王曉莉

0 前言

聚丙烯酰胺（PAM）是由丙烯酰胺（AM）單體經(jīng)自由基引發(fā)聚合而成的水溶性線性，高分子聚合物，不溶于大多數(shù)有機(jī)溶劑，具有良好的絮凝性，可以降低液體之間的摩擦阻力，由于其優(yōu)良的性質(zhì)，廣泛應(yīng)用于水處理、石油開采、造紙、紡織等工業(yè)領(lǐng)域，有“百業(yè)助劑”之稱。本文主要闡述了聚丙烯酰胺主要的合成方法、改性方案和特點(diǎn)以及對聚丙烯酰胺的發(fā)展趨勢做了分析。

1 聚丙烯酰胺的特點(diǎn)

高分子量聚丙烯酰胺因其結(jié)構(gòu)單元中含有酰胺基、易形成氫鍵，使其具有良好的水溶性和很高的化學(xué)活性，可通過接枝、交聯(lián)等反應(yīng)得到多種衍生物。

高分子量聚丙烯酰胺是由丙烯酰胺單體聚合而成的有機(jī)高分子聚合物，無色無味、無臭、易溶于水，沒有腐蝕性。

高分子量聚丙烯酰胺在常溫下比較穩(wěn)定，高溫、冰凍時易降解，故其貯存與配制投加時，溫度應(yīng)控制在2℃～55℃時。

2 聚丙烯酰胺的合成方法簡介

目前， PAM的合成方法根據(jù)聚合是否加入其他單體，又可分為均聚和共聚2種，PAM產(chǎn)品形態(tài)有水溶液、乳劑和粉劑等。國內(nèi)外常用的 AM聚合方法有水溶液聚合法，反相乳液聚合法，懸浮聚合法等，其基本原理都是基于AM在引發(fā)劑的作用下，進(jìn)行自由基引發(fā)聚合，生成聚丙烯酰胺。AM聚合過程中鏈增長，鏈引發(fā)及鏈終止反應(yīng)符合自由基引發(fā)聚合的一般規(guī)律， 故AM的聚合反應(yīng)為自由基引發(fā)聚合反應(yīng)。

2.1 水溶液聚合法

水溶液聚合法是將單體AM和引發(fā)劑溶解在水中的聚合反應(yīng)，是目前應(yīng)用較廣泛和成熟的技術(shù)。

2.2反相乳液聚合法

丙烯酰胺單體配制成濃度為30%～60%的水溶液作為分散相，其中加有少量的二乙胺四乙酸和Na2SO4以及氧化-還原引發(fā)劑和適量水溶性表面活性劑，其HLB值應(yīng)較低。用芳烴或飽和脂肪烴作為連續(xù)相，其中加有油溶性表面活性劑，其HLB值應(yīng)較高，如脫水山梨醇油酸酯。Na2SO4具有防止膠乳粒子粘結(jié)的作用。

2.4反相懸浮聚合法

反相懸浮聚合是近幾年發(fā)展起來的新方法。反相懸浮聚合法生產(chǎn)土藝簡單、成本低，易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化，產(chǎn)品相對分子質(zhì)量可達(dá)千萬以上，溶解性能比水溶液聚合產(chǎn)品好，可直接得到粉狀或粒狀產(chǎn)品，包裝和運(yùn)輸方便。

2.5新的聚合方法

近年來對PAM合成中自由基引發(fā)方式的研究有了新進(jìn)展，采用更為節(jié)能環(huán)保的引發(fā)體系，如光引發(fā)聚合、熱引發(fā)聚合、輻射聚合、等離子體引發(fā)聚合、沉淀聚合、膠束聚合等。

3 聚丙烯酰胺的改性

3.1 PAM水解反應(yīng)

高溫條件下，水解作用是影響部分水解聚丙烯酰胺（HPAM）溶液熱穩(wěn)定性的重要因素。因此在選擇聚合物和水質(zhì)時，應(yīng)充分考慮高溫水解作用的影響。影響聚丙烯酰胺水解的條件因素主要有：聚丙烯酰胺溶液濃度，加堿比及溫度。

3.2 PAM羥甲基化反應(yīng)

HPAM與甲醛的羥甲基化反應(yīng)除受反應(yīng)溫度、反應(yīng)時間、投料比等因素影響外，聚合物濃度、水解度對羥甲基化程度也有明顯影響。HPAM的羥甲基化反應(yīng)在n（甲醛）：n（PAM）=1：1，溫度60℃，pH=8-10，反應(yīng)2h，羥甲基化率可接近50%。

3.3 PAM磺甲基化反應(yīng)

磺甲基化聚丙烯酰胺是一種陰離子型高相對分子質(zhì)量的聚合物，易溶于水，水溶液呈弱堿性。用作鉆井短處理劑具有良好的增粘及調(diào)節(jié)流型的能力，抗溫、抗鹽能力強(qiáng)，能在高溫、高鹽、高鈣鎂離子等苛刻條件下保持鉆井液的粘度，同時還具有良好的降濾失能力，適用于水基鉆井液體系。

3.4 PAM胺甲基化反應(yīng)

胺甲基化聚丙烯酰胺是一種水溶性陽離子聚合物，主要用于市政污水和各種工業(yè)污水的處理，用于油田采油助劑以及造紙?zhí)砑觿┑取?/p>

3.5 PAM霍夫曼降解反應(yīng)

以氧化-還原反應(yīng)引發(fā)聚合AM水溶液，所得聚合物在堿性條件下以次氯酸鈉溶液進(jìn)行酰胺的霍夫曼降解反應(yīng)。

3.6 PAM交聯(lián)反應(yīng)

在酸性條件下加熱聚丙烯酰胺水溶液，通過亞胺化反應(yīng)面生成不溶于水的交聯(lián)的PAM凝膠。

3.7 PAM與天然高分子化合物的反應(yīng)

聚丙烯酰胺能與一些天然高分子進(jìn)行接枝共聚和交聯(lián)，從而賦予它新的結(jié)構(gòu)和使用性能，在石油工業(yè)、造紙工業(yè)、礦業(yè)、水處理等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

3.8 PAM改性存在的優(yōu)缺點(diǎn)

4 ?聚丙烯酰胺的未來發(fā)展趨勢

我國早期多為陰離子聚丙烯酰胺生產(chǎn)廠家，隨著全球?qū)Νh(huán)境保護(hù)的重視，作為一個嚴(yán)重缺水的國家，我國對水污染的治理力度也在不斷加大，由于陽離子聚丙烯酰胺在城市污水處理及工業(yè)污水處理污泥脫水環(huán)節(jié)的不可替代性，國內(nèi)陽離子PAM生產(chǎn)廠家也逐漸多了起來，由于起步較晚，國內(nèi)陽離子聚丙烯酰胺的市場規(guī)模和產(chǎn)能均較小，普遍存在產(chǎn)品單一、生產(chǎn)設(shè)備落后、技術(shù)不成熟、質(zhì)量不穩(wěn)定等情況，多數(shù)為小作坊及中小型企業(yè)，尚未達(dá)到規(guī)模化生產(chǎn)，產(chǎn)品競爭主要集中于低端市場，一些較高端的產(chǎn)品還需依賴進(jìn)口。而隨著國內(nèi)環(huán)保問題的不斷凸顯，以及各地污水處理廠的開工興建及投產(chǎn)運(yùn)行，水處理市場將進(jìn)一步增容，聚丙烯酰胺系列產(chǎn)品作為水處理領(lǐng)域的關(guān)鍵性產(chǎn)品，其需求量會越來越大，較大的需求量也會吸引更多廠商及國外資本涌入，而聚丙烯酰胺行業(yè)也會進(jìn)入下一個“黃金十年”。

聚丙烯酰胺的產(chǎn)品性質(zhì)和特點(diǎn)決定了其在多個應(yīng)用領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用。隨著我國石油開采技術(shù)的不斷創(chuàng)新和國家出臺各種環(huán)保治理制度與措施，聚丙烯酰胺在石油開采領(lǐng)域及水處理領(lǐng)域的用量將大大增加，未來我國聚丙烯酰胺的市場需求還會迅速增長。這對于聚丙烯酰胺生產(chǎn)企業(yè)來說既是機(jī)會也是挑戰(zhàn)。隨著聚丙烯酰胺產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的不斷優(yōu)化和聚丙烯酰胺企業(yè)自身的不斷完善，我國的聚丙烯酰胺產(chǎn)業(yè)必將迎來美好的明天。