摘要：文章介紹了聚丙烯酰胺合成技術(shù)現(xiàn)狀，對(duì)比了各種聚丙烯酰胺合成方法的優(yōu)缺點(diǎn)，并提出了合成聚丙烯酰胺的新方法和新技術(shù)以及在造紙?jiān)鰪?qiáng)、助留、助濾、纖維分散和廢水處理等方面的應(yīng)用及前景，提出進(jìn)一步發(fā)展的建議。
前言
聚丙烯酰胺是由丙烯酰胺（AM）單體經(jīng)自由基引發(fā)聚合而成的線性水溶性高分子聚合物，它不溶于大多數(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，按其離子特性可分為非離子、陰離子、陽離子和兩性型四種類型。
聚丙烯酰胺為白色粉末或者小顆粒狀物，密度為1.32g/cm3（23℃），玻璃化溫度為188℃，軟化溫度近于210℃。主要具有絮凝性、粘合性、降阻性及增稠性等四種特性。
1、聚丙烯酰胺的合成
聚丙烯酰胺（PAM）是丙烯酰胺（AM）均聚或與其他單體共聚而成的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%以上的一類高分子化學(xué)品的總稱。PAM一般通過自由基引發(fā)聚合合成，主要有本體法、水溶液法、乳液法和懸浮法等合成方法。根據(jù)聚合是否加入其他單體，又可分為均聚和共聚物兩種。
1.1 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)。所得PAM產(chǎn)品有膠狀和粉狀兩種，其膠體采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%-10%或20%-30%AM的水溶液在引發(fā)劑作用下直接聚合而成。該法工藝設(shè)備簡單、污染小，但是產(chǎn)物固含量較低，僅為8%-15%。
1.2 乳液聚合法
乳液聚合包括反相乳液聚合和正相乳液聚合。孟昆等人采用反相乳液聚合方法制備出了陰離子型PAM絮凝劑，選用Span80乳化劑、亞硫酸氫鈉、過氧化物為氧化-還原引發(fā)體系，得到特性黏度為12.07dL/g的產(chǎn)物。Xu Zushun等人研究了用季戊四醇肉豆寇酸鹽作乳化劑、油溶性偶氮類化合物作引發(fā)劑的AM聚合反應(yīng)，考察了其他因素對(duì)重均相對(duì)分子質(zhì)量、數(shù)均相對(duì)分子質(zhì)量及反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的影響。
1.3 反相懸浮聚合法
反相懸浮聚合是近十幾年發(fā)展起來的一種新方法。反相懸浮聚合法生產(chǎn)工藝簡單、成本低，易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化，產(chǎn)品相對(duì)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，產(chǎn)物為粉狀或粒狀產(chǎn)品，便于包裝、運(yùn)輸。劉蓮英等人采用反相懸浮聚合、加堿水解、共沸脫水的方法合成了相對(duì)分子質(zhì)量達(dá)107數(shù)量級(jí)的粉狀速溶陰離子型PAM，實(shí)驗(yàn)表明適當(dāng)增加有機(jī)溶劑可解決反應(yīng)后期體系黏度大、易交聯(lián)產(chǎn)生不溶物、不易成粉等問題。
1.4 新的聚合方法
近年來對(duì)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、等離子引發(fā)聚合、沉淀聚合、膠束聚合等。徐初陽等采用光引發(fā)聚合技術(shù)進(jìn)行PAM合成，選取了二苯甲酮類、硫雜蒽酮類和苯偶酰類等光引發(fā)劑進(jìn)行改性處理，使之能用于AM水溶液的光聚合。在紫外光照射下，可獲得特性粘數(shù)為8-14dL/g，AM殘留量＜0.05%的高純PAM。
2、聚丙烯酰胺在造紙中的應(yīng)用
聚丙烯酰胺的用途較為廣泛，它被廣泛地應(yīng)用于化工、煤炭、石油、冶金、地質(zhì)、輕紡、水處理、造紙等諸多工業(yè)部門。本文主要介紹聚丙烯酰胺在造紙工業(yè)中的應(yīng)用。PAM在造紙領(lǐng)域中廣泛用作助留劑、助濾劑、均度劑等，可提高紙張強(qiáng)度、漿料脫水性能及細(xì)小纖維、填料的留著等，減少原材料的消耗以及對(duì)環(huán)境的污染等。
2.1 傳統(tǒng)聚丙烯酰胺在造紙中的應(yīng)用
2.1.1 用作干濕強(qiáng)劑
紙張干強(qiáng)劑的發(fā)展隨著造紙工業(yè)對(duì)紙張質(zhì)量的要求的改變也出現(xiàn)了一系列的變化，對(duì)于質(zhì)量較次的造紙?jiān)?，聚丙烯酰胺是一類?yōu)良的造紙?jiān)鰪?qiáng)劑，它所帶的酰胺基較易和漿料纖維素的羥基之間形成較多的氫鍵而使紙張強(qiáng)度得到增強(qiáng)。同時(shí)它又具有干強(qiáng)功能，它在纖維之間形成長久網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并在紙頁表面形成薄膜，改善書寫、印刷性能。
2.1.2 用作助留、助濾劑
PAM具有相對(duì)分子質(zhì)量大、反應(yīng)活性點(diǎn)多等特點(diǎn)，能與纖維、填料等快速結(jié)合，顯著提高助留、助濾等效果，改善紙漿在網(wǎng)部的濾水性能和細(xì)小纖維及填料的留著。當(dāng)在紙漿中添加后，紙漿中的纖維及填料會(huì)很快產(chǎn)生絮聚現(xiàn)象，紙漿中的細(xì)小纖維和填料附著到較長纖維的表面并形成體積較大的絮凝體，從而使紙漿易于脫水，同時(shí)提高細(xì)小纖維及填料的留著率。助留、助濾往往是同時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)用效果。
2.1.3 用作纖維分散劑
PAM可作為纖維分散劑，減少纖維絮凝，改進(jìn)紙料成形，提高紙頁的均勻性和柔軟性。作為分散劑的PAM，其相對(duì)分子質(zhì)量不低于700萬，水解度為20%-30%，其水溶液穩(wěn)定性好，一般不受加熱和高剪切力的影響。雖然其加入量略多但價(jià)格便宜，特別適用于抄造生活用紙。
2.1.4 用作表面施膠劑
APAM也可用作表面施膠，主要用來取代部分淀粉以減少淀粉產(chǎn)生的生化耗氧量。APAM作為表面施膠時(shí)，用量不高于1%質(zhì)量分?jǐn)?shù)，但紙頁中需要含有硫酸鋁起到架橋作用，也可以在膠液中加入一些硫酸鋁。APAM具有良好的成膜性能，能提高紙張的表面強(qiáng)度，從而賦予紙頁對(duì)印刷油墨的附著能力。
2.2 兩性聚丙烯酰胺在造紙中的應(yīng)用
在兩性聚丙烯酰胺的一個(gè)分子鏈上同時(shí)含有可通過硫酸鋁固著的陰離子，和對(duì)紙漿纖維有自固性的陽離子兩種基團(tuán)。與僅含有一種電荷的水溶性陽離子或陰離子聚丙烯酰胺（ PAM）相比，AMPAM不僅兼具兩者綜合性能，更具有明顯的“反聚電解質(zhì)效應(yīng)”和pH值適用范圍廣等特點(diǎn)，能適應(yīng)高封閉白水循環(huán)系統(tǒng)的造紙抄造條件。
2.2.1 調(diào)節(jié)電荷平衡
AMPAM分子中既含有陽離子基團(tuán)，又含有陰離子基團(tuán)，能彌補(bǔ)APAM和CPAM的不足，陰、陽離子基團(tuán)能在紙漿中產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，調(diào)節(jié)體系中的電荷平衡，防止抄造系統(tǒng)的過電荷現(xiàn)象，維持紙機(jī)系統(tǒng)良好的運(yùn)轉(zhuǎn)性能，且具有較好的助留、助濾效果。其增強(qiáng)效果優(yōu)于APAM和CPAM。
2.2.2 用作增強(qiáng)劑
將AMPAM作為增強(qiáng)劑是由于其大分子中既含有季銨陽離子基，又含有羧基，其季銨陽離子基可以與帶負(fù)電荷的纖維形成離子鍵，羧基可與硫酸鋁中Al3+配位絡(luò)合，同時(shí)絡(luò)合的Al3+又可與纖維形成配位鍵，增加了纖維間的作用力，因此，也就提高了紙的裂斷長和耐破度等紙頁強(qiáng)度。
2.2.3 用于高封閉抄紙系統(tǒng)
由于工業(yè)用水成本上升，且對(duì)工廠排放廢水的要求較高，因此提高系統(tǒng)封閉化程度、增加水的循環(huán)利用成為必然。AMPAM就很好地解決了這方面的問題，其作用原理如下：
（1）AMPAM的陰離子基團(tuán)有助于清除體系內(nèi)干擾助劑對(duì)纖維吸附的陽離子垃圾，同時(shí)對(duì)其本身的陽離子基團(tuán)起到保護(hù)作用；也能夠排斥體系中存在的高活性陰離子基團(tuán)；
（2）由于纖維和填料通常帶有負(fù)電荷，且易于吸附陽離子助劑和其他帶正電荷的物質(zhì)，這樣就削弱了對(duì)陽離子助劑的吸附。
（3）由于AMPAM電荷基本平衡，未被留著的助劑可隨白水排出后再循環(huán)使用，不會(huì)失去電荷平衡，減輕白水處理負(fù)荷。
因此從AMPAM獨(dú)特的作用機(jī)理來看，能更有效地提高手抄片的強(qiáng)度、提高填料留著率和紙機(jī)的濾水。
2.3 較高分子量聚丙烯酰胺在造紙中的應(yīng)用
較高相對(duì)分子量聚丙烯酰胺是近年來研究的熱點(diǎn)，獲得高分子量、高轉(zhuǎn)化率、速溶產(chǎn)品是研究工作者們追尋的目標(biāo)。
2.3.1 用作造紙濕部的助留助濾劑
較高分子量陽離子聚丙烯酰胺的相對(duì)分子質(zhì)量一般為400萬-1500萬，每克分子的電荷密度為2%-30%。它吸附到纖維表面和填料表面的時(shí)間很短，幾乎不到1秒鐘，隨后就會(huì)進(jìn)入重構(gòu)階段，那將持續(xù)幾秒鐘。如果時(shí)間繼續(xù)延長，這種高聚物就會(huì)滲入纖維的微孔而逐漸失去橋聯(lián)作用。因此，為了在高速紙機(jī)上得到理想的助留助濾效果，需要采用抗剪切的較高分子量的高聚物。
2.3.2 用作造紙廢水處理的絮凝劑
采用高分子絮凝劑來進(jìn)行水處理，由于其特殊的分子結(jié)構(gòu)：帶有一定的電荷，通過電荷中和等化學(xué)作用可以有效且迅速地清除水中帶有相反電荷的離子；本身具有長長的分子鏈，通過架橋、吸附等物理作用可以使小粒子聚集體變成絮團(tuán)印。因此，具有用藥量少、效率高，固液分離快、處理后水質(zhì)好，可與無機(jī)絮凝劑并用等優(yōu)點(diǎn)。
2.4 接枝型聚丙烯酰胺共聚物在造紙工業(yè)中的應(yīng)用
聚丙烯酰胺是國內(nèi)外造紙工業(yè)大量使用的助劑，但因價(jià)格高，影響了廣泛使用。為此，國外近段又開發(fā)出支化或交聯(lián)型陽離子或兩性聚丙烯酰胺，其使用效果優(yōu)于傳統(tǒng)的合成高分子。
2.4.1 用作增強(qiáng)劑
在淀粉分子骨架上連接了聚丙烯酰胺支鏈，相對(duì)分子質(zhì)量大大增加，接枝支鏈上無數(shù)個(gè)酰胺基與紙漿的纖維素或半纖維素分子的羥基形成氫鍵結(jié)合，有較強(qiáng)的吸附作用。因此，淀粉-丙烯酰胺的接枝共聚物用作造紙?zhí)砑觿?，不僅可以提高紙的強(qiáng)度，而且比一般的聚丙烯酰胺降低了成本，增加了經(jīng)濟(jì)效益。
2.4.2 用作造紙廢水處理劑
國內(nèi)使用的絮凝劑多為聚丙烯酰胺及其改性產(chǎn)品，其中陽離子聚丙烯酰胺水溶液產(chǎn)品的制備工藝成熟，但它的水溶液濃度小、設(shè)備利用率低，不利于產(chǎn)品的儲(chǔ)存與運(yùn)輸，且不穩(wěn)定。用陽離子淀粉與丙烯酰胺接枝后的季銨化產(chǎn)品恰好替代了CPAM。這種產(chǎn)品同陽離子聚丙烯酰胺相比，產(chǎn)品的濃度高、粘度低、易溶解，存放穩(wěn)定，而成本僅為CP AM的一半左右。且實(shí)驗(yàn)證實(shí)，在用量較少的情況下，水中COD去除率達(dá)77%，固含量去除率達(dá)87%。
2.4.3 用作助留助濾劑
淀粉-丙烯酰胺的接枝共聚物能夠和纖維、填料產(chǎn)生靜電吸附、架橋作用、網(wǎng)絡(luò)作用，其結(jié)果導(dǎo)致纖維和填料的絮聚及比表面降低，從而使紙張中留下更多的細(xì)小纖維和填料，并加速了脫水過程，達(dá)到助留助濾的目的。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，這種聚合物的助留助濾的作用十分明顯，如果調(diào)節(jié)丙烯酰胺與淀粉的摩爾比和陽離子化程度，助留助濾效果可以超過聚丙烯酰胺系列助留劑的水平。
3、結(jié)語
我國造紙行業(yè)發(fā)展迅速， PAM的需求量在不斷增加。但隨著國家對(duì)環(huán)境保護(hù)的加強(qiáng)，廢紙?jiān)偕驮旒垙U水的處理對(duì)PAM需求日益迫切。由于再生紙漿中含有較多雜化學(xué)離子，普通的化學(xué)品應(yīng)用效果不夠理想，而PAM具有相對(duì)的優(yōu)勢(shì)；且我國造紙廢水治理中采用PAM作為廢水治理化學(xué)品也已越來越普及。由此可見，PAM在造紙上的應(yīng)用前景十分廣闊。
造紙工業(yè)的飛速發(fā)展，需要我們不斷地加快造紙用PAM系列產(chǎn)品的開發(fā)，不斷提高產(chǎn)品的質(zhì)量，加強(qiáng)應(yīng)用技術(shù)及機(jī)理的研究，努力增強(qiáng)國際競爭力，縮短與發(fā)達(dá)國家的差距，以適應(yīng)我國造紙行業(yè)的發(fā)展需要。
