摘要：對聚丙烯酰胺的研究成果進(jìn)行了分析歸納，簡述和討論了聚丙烯酰胺的制備方法和應(yīng)用情況，綜合評述了國內(nèi)外聚丙烯酰胺的新進(jìn)展，展望了聚丙烯酰胺的應(yīng)用前景。
丙烯酰胺（AM）是1893年Moureu合成的，由于丙烯酰胺分子中含有—C=C—和—CONH2兩種基團(tuán)，所以其易于自聚，也易于與其它烯類單體共聚。采用不同單體進(jìn)行共聚，可得到不同結(jié)構(gòu)和性能的共聚物。聚丙烯酰胺（Polyacrylamide，簡稱PAM），是丙烯酰胺及其衍生物的均聚物和共聚物的統(tǒng)稱。工業(yè)上凡含有50%以上AM單體的聚合物都泛稱聚丙烯酰胺。
1、聚丙烯酰胺的幾種主要合成方法
目前，丙烯酰胺類聚合物主要通過水溶液聚合、反相懸浮聚合、水分散型聚合法、無皂乳液聚合、反相微乳聚合等方法獲得。其基本原理都是基于丙烯酰胺在引發(fā)劑的作用下，進(jìn)行自由基引發(fā)聚合反應(yīng)。
1.1 水溶液聚合法
水溶液聚合法是生產(chǎn)聚丙烯酰胺中較為傳統(tǒng)的方法，所生產(chǎn)的粉末狀產(chǎn)品的生產(chǎn)單元操作繁瑣、生產(chǎn)周期長、技術(shù)裝備復(fù)雜，且存在相對分子質(zhì)量越高聚合物的溶解性就越差這一難以調(diào)和的矛盾，而且在溶解過程中易形成難溶的大膠粒。這些缺陷在一定程度上限制了粉末狀聚合物產(chǎn)品的使用及其聚合工藝技術(shù)的發(fā)展。
1.2 反向懸浮聚合法
反相乳液聚合法是指借助于表面活性劑（多采用非離子型的表面活性劑）的作用，使水溶性的丙烯酰胺單體分散在油相中形成乳化體系，在引發(fā)劑作用下進(jìn)行乳液聚合，形成穩(wěn)定的高相對分子質(zhì)量、速溶的聚丙烯酰胺膠乳產(chǎn)品，經(jīng)共沸蒸餾脫水后就得到粉狀聚丙烯酰胺。由于聚合反應(yīng)是在分散在油相中的丙烯酰胺微粒中進(jìn)行，因而在聚合過程中放出的熱量散發(fā)均勻。反應(yīng)體系平穩(wěn)使其易于控制。故該方法適合于制備高相對分子質(zhì)量且分子量分布窄的聚丙烯酰胺乳膠或干粉型產(chǎn)品。
1.3 反相微乳聚合法
近幾年來，在反相乳液聚合的基礎(chǔ)上又出現(xiàn)了反相微乳液聚合。用表面活性劑（如堿金屬脂肪酸鹽）穩(wěn)定微乳液而使丙烯酰胺聚合，可以制得熱力學(xué)穩(wěn)定、光學(xué)上透明的水溶性聚合物微乳膠，其分散均勻，相對分子質(zhì)量一般為106~107，且具有良好的流變學(xué)性質(zhì)。該方法制得的產(chǎn)品與用乳液聚合技術(shù)制得的產(chǎn)品相比，兩者的性質(zhì)和特點(diǎn)有很大的區(qū)別。
1.4 其它聚合方式
除了反相懸浮聚合、無皂乳液聚合和反相微乳液聚合外，丙烯酰胺類聚合物的聚合方法還有很多，如輻射聚合、熱引發(fā)聚合、光引發(fā)聚合、沉淀聚合、膠束聚合等。
輻射聚合的方法為：將丙烯酰胺水溶液加入到容器中，然后抽真空、充氮、封管，在30℃下用60Coγ射線輻射使其聚合，得到產(chǎn)品。此方法優(yōu)點(diǎn)為成本低，但存在聚合難以控制、產(chǎn)物難以分離、聚合產(chǎn)物中殘留的單體多等缺點(diǎn)。
James P等研究了熱引發(fā)丙烯酰胺聚合的反應(yīng)。并且找出了熱引發(fā)機(jī)理的直接證據(jù)。PaulJ.Campagnola用雙電子引發(fā)聚合反應(yīng)，并用電鏡分析了產(chǎn)品，發(fā)現(xiàn)光學(xué)引發(fā)可以得到3—D結(jié)構(gòu)，這種聚丙烯酰胺由于其具有良好的生物兼容性，故該產(chǎn)品可用于醫(yī)藥行業(yè)。
光引發(fā)聚合是作為區(qū)別于熱引發(fā)聚合的一種合成手段，具有許多優(yōu)越性和實(shí)用性。近年來，隨著性能穩(wěn)定、價格相對便宜的光源的不斷涌現(xiàn)，光引發(fā)聚合反應(yīng)的研究在科學(xué)界的受關(guān)注度大大提高。
沉淀聚合是指丙烯酰胺類聚合物的聚合反應(yīng)是在有機(jī)溶劑（如丙酮、乙腈、乙醇等）或水和有機(jī)溶劑的混合溶液中進(jìn)行。這些介質(zhì)對丙烯酰胺來說是溶劑，對于聚丙烯酰胺來說則是非溶劑。因此，聚合開始時反應(yīng)混合物是均相的，而在聚合反應(yīng)過程中，聚丙烯酰胺一旦生成就沉淀析出，使反應(yīng)體系出現(xiàn)兩相。因此，聚合是在非均相體系中進(jìn)行的，故稱為沉淀聚合。
2、聚丙烯酰胺的應(yīng)用
由于聚丙烯酰胺結(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，易通過接枝或交聯(lián)得到支鏈或網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的多種改性物質(zhì)，PAM及其衍生物可作為增粘劑、增稠劑、絮凝劑、油水分離劑、紙張?jiān)鰪?qiáng)劑和液體的減阻劑等，并且廣泛應(yīng)用于石油開采、水處理、造紙、紡織、印染、選礦、洗煤、醫(yī)藥、制糖、建材、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域之中。其主要用途已發(fā)展到約27個領(lǐng)域，享有“工業(yè)味精”、“酉業(yè)助劑” 之美譽(yù)。國外目前主要應(yīng)用在水處理、造紙、礦山、冶金等；國內(nèi)目前用量國較大的是采油領(lǐng)域，用量增長較快的是水處理領(lǐng)域和造紙領(lǐng)域。本文評述已報道的聚丙烯酰胺研究成果較為成熟的應(yīng)用情況。
2.1 聚丙烯酰胺在防治水土流失提高土壤保肥能力的應(yīng)用
在土壤中添加聚丙烯酰胺，在一定的條件下其能夠很好的改良土壤的物理性能、提高土壤的導(dǎo)水性能和土壤表層的抗蝕能力及抗沖性，從而達(dá)到防治水土流失的目的。此法對于防治土壤流失具有見效快、成本低的特點(diǎn)，特別是對防止無植被或少植被覆蓋裸土的水蝕和減小徑流等具有重要的應(yīng)用價值。目前在研究黃土高原的水土流失治理中有多個課題正研究對土壤入滲問題，有望在不久就會取得重大進(jìn)展。除此之外其還有提高土壤保肥能力的作用，王輝等通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：PAM 處理可減少泥沙中硝態(tài)氮、磷和鉀的流失量，分別為78%、95%和95%之處后土壤侵蝕量降低，因此養(yǎng)分隨土壤的流失量也大大降低。
2.2 聚丙烯酰胺造紙行業(yè)中的應(yīng)用
近年來，聚丙烯酰胺作為一種能在水中溶解形成溶液的高分子，具有性能優(yōu)異、使用方便、有利于環(huán)保等諸多優(yōu)點(diǎn)，已在造紙工業(yè)中發(fā)揮了重大作用。其中一個重要作用便是作為紙張的增強(qiáng)劑；此外，還被大量用作助留劑、助濾劑、處理造紙廢水用的絮凝劑、纖維分散劑等。目前，用于造紙工業(yè)中的PAM其分子量范圍一般在1~2000萬數(shù)量級，而作為紙張?jiān)鰪?qiáng)劑的適當(dāng)分子量一般在10萬~100萬之間。這是由于PAM使用時，其結(jié)構(gòu)中所帶的易與漿料纖維素結(jié)構(gòu)中的羥基之間形成大量氫鍵而使紙頁強(qiáng)度得到提高。
2.2 聚丙烯酰胺用作絮凝劑
PAM系列產(chǎn)品是水溶性高分子領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛的產(chǎn)品之一。PAM的-CONH2基團(tuán)可同許多物質(zhì)親和、吸附形成氫鍵。高相對分子質(zhì)量的PAM在被吸附的粒子間形成“架橋”，使數(shù)個甚至數(shù)十個粒子聯(lián)接在一起，生成絮團(tuán)，加速粒子下沉，這使PMA成為理想的絮凝劑，因此它是目前世界上應(yīng)用廣、效率高的有機(jī)合成高分子絮凝劑。合成類有機(jī)高分子絮凝劑是利用有機(jī)物高分子的分子量大、分子鏈官能團(tuán)多的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，經(jīng)化學(xué)合成的一類有機(jī)絮凝劑，該產(chǎn)品具有性能穩(wěn)定、容易根據(jù) 需要控制合成產(chǎn)物分子量等優(yōu)點(diǎn)。其中，應(yīng)用較多的主要是聚丙烯酰胺（PAM）及其衍生物，約占世界同類高分子絮凝劑總產(chǎn)量的80%以上，它們具有用量少、高絮凝性和低生產(chǎn)成本等優(yōu)點(diǎn)。近年來，科學(xué)工作者又研制出丙烯酰胺與功能性陽離子單體共聚物絮凝劑等新型改性合成有機(jī)高分子絮凝劑。但以聚丙烯酰胺為代表的合成高分子有機(jī)絮凝劑的殘留物不易被降解，且其單體丙烯酰胺有強(qiáng)烈的神經(jīng)毒性和“三致”效應(yīng)（致畸、致突變、致癌），容易造成二次污染，因此合有機(jī)高分子絮凝劑的應(yīng)用也受到了一定的限制。
2.3 聚丙烯酰胺凝膠在納米粉體制備中的應(yīng)用
納米粉體材料的發(fā)展非常迅速，其應(yīng)用也日漸廣泛，潛在的發(fā)展能力不可估量。制備粒徑均勻可控的粉體對于納米材料的研究就顯得至關(guān)重要。使用聚丙烯酰胺凝膠法制備粉體材料可以控制粉體粒徑，并可進(jìn)行有選擇摻雜而且原料還廉價易得。但在面對其優(yōu)點(diǎn)的同時，我們應(yīng)高度重視該方法采用，原料有毒性的缺點(diǎn)。
2.3 聚丙烯酰胺在開采石油中的應(yīng)用
高分子量大的部分水解的聚丙烯酰胺可以提高油田注入液的黏度、調(diào)整水油流度比、改善油藏的非均質(zhì)性、提高注入液的波及系數(shù)，因此其被廣泛用作三次采油中的聚合物驅(qū)油劑。但部分水解 聚丙烯酰胺在實(shí)際應(yīng)用中也存在一些問題，如耐溫抗鹽性能差等。
3、展望
綜上所述可知，由于我國特別是西北地區(qū)水土流失舉世矚目，并且許多地方出現(xiàn)了不同程度的沙漠化。要建立山川秀美的大西北首先需要保水保土保肥，特別是在無植被條件下采取短期有效的工程措施和化學(xué)措施尤為重要。國內(nèi)外使用聚丙烯酰胺防治土壤水土流失方面取得了一定的成果，但現(xiàn)在還處于實(shí)驗(yàn)階段沒有大面積的推廣應(yīng)用，相信在不久的將來它會得到廣泛的應(yīng)用的，能夠更好的造福于我們?nèi)祟悺?/p>
此外，利用PAM改良土壤也有很大的發(fā)展?jié)摿Γ摷夹g(shù)不僅操作簡單，成本收益較高，而且環(huán)境效益良好。但是，當(dāng)前關(guān)于PAM重復(fù)利用效率，PAM與PC、麥秸等混合施用時的效益，PAM與肥料、殺蟲劑等混合施用后防止農(nóng)用化學(xué)肥料、殺蟲劑等流失的效果，以及對不同作物質(zhì)量和產(chǎn)量的影響等實(shí)用研究尚不全，故對于PAN作用機(jī)理等的研究還有待進(jìn)一步深入。我國疆域遼闊，在不同的地區(qū)其地形地貌、土質(zhì)、植被、氣候條件有顯著的差異，這就需要在不同地區(qū)開展PAM改良土壤的針對性實(shí)用試驗(yàn)，建立一套規(guī)范體系，以便為大范圍推廣應(yīng)用PAM改良土壤提供完善的技術(shù)指導(dǎo)網(wǎng)，使其潛能的到充分的利用。
另外，聚丙烯酰胺在石油開采中的應(yīng)用也有巨大的發(fā)展?jié)摿?，針對目前我國的大部分油田開采已經(jīng)進(jìn)入了中后期，綜合含水率高，高溫和高鹽油藏多，但是目前的聚合物產(chǎn)品還不能適用于三類以上油藏，為更好的發(fā)展，故迫切需要新型的耐溫抗鹽、抗剪切的聚合物驅(qū)油劑。此外，由于采油成本的制約，新型聚合物的成本還要經(jīng)濟(jì)合理，因此聚丙烯酰胺單體應(yīng)參與新型聚合物的共聚，以降低新型聚合物的生產(chǎn)成本，并且較高相對分子質(zhì)量聚丙烯酰胺的耐溫耐鹽單體共聚物和梳形辮狀聚合物又具有良好的耐高溫抗鹽的性能，因此很有可能成為高溫、高鹽油藏的驅(qū)油劑。
