摘要：聚丙烯酰胺是是油田驅(qū)油過程中應(yīng)用較為廣泛的一種聚合物，本文簡單闡述了聚丙烯酰胺的物理特性，并且從聚丙烯酰胺的溶劑、聚丙烯酰胺的溶解速率等兩個方面綜述了溶解特點和速溶問題，又總結(jié)了加快聚丙烯酰胺溶解的3個技術(shù)途徑。

聚丙烯酰胺類聚合物是指丙烯酰胺的均聚物及丙烯酰胺與其他單體形成的共聚物。這類聚合物是線型水溶性聚合物，是油田中應(yīng)用較為廣泛的水溶性聚合物品種之一，其中較具有代表性的產(chǎn)品是聚丙烯酰胺及其水解產(chǎn)物。隨著油田開發(fā)進入后期，提高采收率技術(shù)成為油田可持續(xù)發(fā)展的重要措施之一，聚丙烯酰胺的生產(chǎn)、性能和應(yīng)用研究越來越收到人們的關(guān)注。

1、聚丙烯酰胺的物理特性

在室溫條件下，固體狀態(tài)的聚丙烯酰胺是一種堅硬的玻璃狀態(tài)的聚合物，具有不同形狀(隨著制造方法而變化)，如用冷凍方法制得的聚丙烯酰胺是白色的、松散的、非晶體固體；玻璃狀態(tài)的固體聚丙烯酰胺是由溶液沉析后干燥取得；半透明、硬脆的薄片聚丙烯酰胺是在玻璃板上澆筑干燥制得的。

2、聚丙烯酰胺的溶解特點、速溶問題以及改進措施

聚丙烯酰胺具有兩個溶解特性：①只有水才能作為聚丙烯酰胺的溶劑；②具有較長的溶解時間。

2.1 聚丙烯酰胺的溶劑

在聚丙烯酰胺分子鏈上每一個結(jié)構(gòu)單元皆有一個酰氨側(cè)基，酰氨基是親水大的極性基團，根據(jù)溶劑化原理和溶液的相似相溶原理，表明聚丙烯酰胺只能溶解在水中和較少數(shù)集中含氮化合物和含羥基化合物的有機溶劑中。

根據(jù)大量的實驗研究，聚丙烯酰胺較好的溶劑是水，可以和水以任一比例混合。聚丙烯酰胺溶解在水中是吸熱過程，與許多水溶性聚合物不同，是因為酰氨基與水分子之間的作用較強，在含水量時，聚丙烯酰胺與水形成絡(luò)合體；具有低于零攝氏度的上臨界溶解度，外推法取得的聚丙烯酰胺一水體系的溫度約為零下40攝氏度，沒有臨界溶解溫度。但是在氮原子上引入疏水側(cè)基的聚異丙基丙烯酰胺的水溶液側(cè)有上臨界溶解溫度，32.5℃，在上臨界溶解溫度以下溶解，而在上臨界溶劑溫度以上則不溶解。

聚丙烯酰胺不溶于大多數(shù)有機溶劑，在聚丙烯酰胺的水溶液中加入大量的與水互溶的有機溶劑(如無水甲醇或丙酮)時，會使聚丙烯酰胺從水溶液中沉析出來。

2.2 聚丙烯酰胺的溶解速率

聚丙烯酰胺的溶解過程與典型的高聚物一樣呈現(xiàn)先溶脹后溶解的現(xiàn)象。但對于聚丙烯酰胺，其溶解時間遠高于一般聚合物，有的甚至高達幾個星期。因此商品聚丙烯酰胺的溶解速率成為一項重要的技術(shù)指標(biāo)?，F(xiàn)在，許多研究人員一直致力于速溶產(chǎn)品的開發(fā)和研究。聚丙烯酰胺的溶解速率與其分子量、分子的幾何結(jié)構(gòu)、溶解溫度、產(chǎn)品的劑型、攪拌和投料方式、離子度等因素有關(guān)。

溶解速率隨化學(xué)交聯(lián)程度的增加和分子量的增加而減慢，整體交聯(lián)將使聚丙烯酰胺只溶脹不溶解。在粉末產(chǎn)品的制造過程中，長的干燥時間和高的干燥溫度會使部分產(chǎn)品輕度交聯(lián)和支化，如果加長溶解時間甚至出現(xiàn)部分不溶物。

溶解時間的長短隨著產(chǎn)品劑型的不同而有所差異，一般情況下水溶膠型的20-120min，水分散型的5-10min，粉末型的20-120min，乳液型的3-5min。固體粉末的聚丙烯酰胺通常比水溶膠型的易溶，前者與水的接觸面積大，且溶解速率隨顆粒直徑的減小而以2.5次方的關(guān)系增加；疏松的固體粉末聚丙烯酰胺比密實的易溶解。溶解粉末產(chǎn)品的投料方式十分重要，正確的投料方式是將粉末逐漸投入到水中而攪拌，以防止聚丙烯酰胺結(jié)團，一旦聚丙烯酰胺結(jié)團就會延長聚丙烯酰胺的溶解時間。聚丙烯酰胺具有強烈的吸水性，粉末產(chǎn)品還易吸潮或遇水結(jié)團，因此，需要防止聚丙烯酰胺結(jié)團。

溶劑溫度和攪拌速率的提高有利于分子擴散，從而提高聚丙烯酰胺溶解速率。但較高的溶解溫度和強烈的攪拌會使聚丙烯酰胺降解，性能降低。這對水溶膠型和粉末型的產(chǎn)品比較顯著。

有些情況使用混合溶劑較為有利，如聚丙烯酰胺均聚物在6mol/L尿素水溶液中比在純水中溶解快，因尿素能破壞聚丙烯酰胺分子鏈上的氫鍵。

以上溶解速率的影響因素都涉及到兩個主要因素：

① 分子的擴散速率。

物質(zhì)的溶解過程是溶劑分子和溶質(zhì)分子互相擴散和滲透的過程，因此溶劑和溶質(zhì)分子的運動能力時決定溶解時間的重要因素。由于溶劑小分子和溶質(zhì)大分子在分子尺寸上十分懸殊，分子量1440萬的聚丙烯酰胺分子體積比水分子大20倍。因此兩者的擴散速率相差十分懸殊。在溶解的初期實際上只有水分子向聚丙烯酰胺的單方面擴散，聚丙烯酰胺分子不可能向水的方向擴散、所以先溶脹是溶解的必經(jīng)階段。因此分子的幾何結(jié)構(gòu)、攪拌、溶解溫度和分子量等因素對聚丙烯酰胺的溶解時間有影響；

② 是氫鍵和纏結(jié)。

在聚丙烯酰胺的分子鏈內(nèi)和分子鏈間，酰胺側(cè)基間能形成氫鍵。氫鍵時較強的分子間作用力，高分子量的聚丙烯酰胺分子鏈上存在大量的氫鍵。這樣大的長徑比的分子鏈必然要卷曲，他們集中在一起也必然要纏結(jié)在一起。因此，要使聚丙烯酰胺快速溶解需要依靠溶劑水分子的快速滲入和攻擊，將氫鍵竭力和分子鏈解纏結(jié)。

3、提高聚丙烯酰胺溶解速率的技術(shù)措施結(jié)論

加快聚丙烯酰胺溶解的主要技術(shù)途徑是從合成方面開始的，主要采取3個措施。

① 選擇適宜的聚合工藝和條件，以減少交聯(lián)和支鏈；引入更親的離子型結(jié)構(gòu)單元或適量的其他單體共聚改性，以減少聚丙烯酰胺鏈上酰氨基及其氫鍵的數(shù)量；

② 在制造過程中加入適量的能與酰氨基產(chǎn)生氫鍵的低分子物質(zhì)，以減少聚丙烯酰胺鏈間氫鍵數(shù)量；混入致孔劑、遇水時這些低分子物質(zhì)很快向水中擴散溶解，形成有利于水分子向聚丙烯酰胺方向低滲透擴散的通道；加入親水性的表面活性劑即所謂滲透劑，聚丙烯酰胺顆粒與水接觸后在表面形成水膜，降低水的表面張力，促進水向顆粒內(nèi)的擴散和聚合物的溶解；

③ 改變產(chǎn)品劑型，采用反相乳液聚合法生產(chǎn)反相乳液產(chǎn)品或水分散聚合法生產(chǎn)所謂水包水乳液。這兩種產(chǎn)品的分散相實際上是高濃度的聚合物溶液，分散離子尺寸很小，溶解時不需要經(jīng)過溶脹階段只是濃溶液的稀釋，它們可直接在管道的輸送過程中溶解。

此外，也有用物理的方法對粉末狀產(chǎn)品進行后處理制造反相的分散懸浮液。