聚丙烯酰胺是重要的精細(xì)化工產(chǎn)品。在國民經(jīng)濟(jì)的各個領(lǐng)域中有著廣泛的用途。本文對聚丙烯酰胺的合成和應(yīng)用作一簡單概述。

一、合成

聚丙烯酰胺由丙烯酰胺單體經(jīng)聚合反應(yīng)得到。聚合方法可采用水溶液聚合、反相乳液聚合、反相懸浮聚合等。聚丙烯酰胺有非離子型、陽離子型、陰離子型和兩性離子型之分。按其分子量大小可劃分為低分子量、中分子量和高分子量等各級。產(chǎn)品有固體粉末、含水膠體及膠乳等形式。

聚丙烯酰胺的合成受諸多因素的影響。現(xiàn)著重討論以下幾個方面：

1、單體

工業(yè)丙烯酰胺主要由丙烯腈水解得到。將丙烯腈與水在骨架銅催化劑作用下進(jìn)行反應(yīng)，經(jīng)精制即可得丙烯酰胺。與硫酸法相比，骨架銅法工藝成熟、過程短、設(shè)備簡單、腐蝕性小，未水解的丙烯腈經(jīng)閃蒸回收后可循環(huán)使用，得到的丙烯酰胺水溶液可直接用于聚合，是目前主要的工業(yè)方法。丙烯腈水溶液在固定化酶催化下水解成丙烯酰胺水溶液的微生物法也開始得到應(yīng)用。

丙烯酰胺單體的濃度對聚合反應(yīng)及聚合物的性能有著密切的關(guān)系。為了制得純度較高的丙烯酰胺，丙烯腈需要經(jīng)蒸餾，以減少水解原料中雜質(zhì)含量，反應(yīng)溫度控制在105℃以下。采用閃蒸法濃縮丙烯酰胺水溶液，以免長時間的蒸餾。水解得到的丙烯酰胺水溶液用強(qiáng)陰離子、強(qiáng)陽離子混合離子交換柱除去無機(jī)離子，采用不銹鋼設(shè)備以降低水溶液中的鐵離子含量。水溶液聚合中，丙烯酰胺濃度不宜過高，濃度超過10-15%，聚合時易發(fā)生亞酰胺化反應(yīng)，使產(chǎn)物難溶或不溶，濃度高于35%，聚合反應(yīng)可能在兩相體系中進(jìn)行，一般控制濃度不超過30℃。

2、引發(fā)劑

制備聚丙烯酰胺除了可用輻射引發(fā)、光引發(fā)外，通常采用引發(fā)劑引發(fā)聚合。常用引發(fā)劑有過硫酸鉀、過硫酸銨、特丁基過氧化氫、過氧化苯甲酰等。為了降低引發(fā)劑的活化能、縮短誘導(dǎo)期，還可采用氧化還原引發(fā)體系，使聚合在常溫或室溫下進(jìn)行。如過硫酸鹽一亞硫酸氫鈉、過硫酸鹽一胺類、高價金屬鹽等。我們曾采用過過硫酸鉀一脲體系，有很好的引發(fā)效果。

用偶氮化合物作引發(fā)劑，聚合時產(chǎn)物不發(fā)生鏈轉(zhuǎn)移反應(yīng)。其中水溶性偶氮化合物，例如偶氮二（氰基戊酸）、偶氮二（二亞甲基異丁瞇）氯化物等，特別引起人們的興趣。在聚合反應(yīng)后期補(bǔ)加偶氮化合物引發(fā)劑可以提高聚合轉(zhuǎn)化率，降低殘留單體量。

3、pH值

介質(zhì)pH值會影響聚合物的結(jié)構(gòu)與性能。酸性介質(zhì)中聚合易伴生分子內(nèi)和分子間的亞酰胺化反應(yīng)，形成支鏈或交聯(lián)高聚物。而在堿性介質(zhì)中單體或聚合物分子上的酰胺基會發(fā)生水解反應(yīng)，使均聚物變成含有丙烯酸鏈節(jié)的共聚物。用過硫酸鉀一亞硫酸氫鈉體系引發(fā)時，聚合速度在pH=6.7處出現(xiàn)峰值。

4、聚合溫度

溫度升高會加速引發(fā)劑的分解，從而加快聚合速度。溫度升高還會增加鏈終止速度，使分子量降低。對已確定的聚合體系，應(yīng)選擇

較佳的聚合溫度。

5、分子量調(diào)節(jié)

低分子量的聚丙烯酰胺阻垢作用顯著，而高分子量者卻喪失阻垢作用，采用控制引發(fā)劑用量和加調(diào)聚劑如異丙醇可合成出低分子量產(chǎn)品。添加某些無機(jī)、有機(jī)鹽類。由于有些金屬離子能與酰胺基發(fā)生絡(luò)合，使x一碳原子上電子云密度增加，自由基活性增加。聚合速度增加，聚合物分子量降低。或者在反應(yīng)體系內(nèi)連續(xù)通入壓縮空氣，調(diào)節(jié)微氣泡直徑大小和反應(yīng)溫度，可制得不同分子量的低分子量聚丙烯酰胺。

6、聚合方法

目前聚丙烯酰胺的合成多采用水溶液聚合。溶劑有利于聚合熱的導(dǎo)出?？刹捎眠B續(xù)的管道聚合方法，亦可采用分步聚合方法，即在反應(yīng)釜中使聚合體系達(dá)到一定粘度后，再灌入塑料管或塑料袋中，在流動的水浴中繼續(xù)聚合。得到的膠塊可直接使用，也可在捏合機(jī)中加工破碎，同時加入變性淀粉作隔離劑，加入氨水等作為添加劑改善溶解溶能。經(jīng)干燥、粉碎得粉狀產(chǎn)品。水溶液聚合生產(chǎn)成本低，但投資較大，且產(chǎn)品中凝膠含量很高、溶解性差。

用反相乳液聚合制備聚丙烯酰胺膠乳，反應(yīng)速度快、分子量高、體系粘度小、反應(yīng)過程中傳熱快、操作易控制。膠乳產(chǎn)品聚合物含量高、粘度低、速溶、受到人們的注目。特別適用于直接使用乳液的場合。反相乳液聚合在油包水（w/o）乳液體系中進(jìn)行。水溶性單體丙烯酰胺為內(nèi)相，油相如芳香族或脂肪族化合物等為外相。常用非離子型的油包水乳化劑。我們曾用叔丁基過氧化氫一亞硫酸氫鈉引發(fā)體系、正庚烷、石臘油、甲苯作連續(xù)相，司本60、司本20、氣溶膠OT作乳化劑，進(jìn)行反相乳液聚合的研究。得到穩(wěn)定性較好的膠乳。膠乳的穩(wěn)定性取決于乳化劑的種類、用量、兩相比、攪拌速度以及容器器壁的性質(zhì)等。必要時還可以加入助劑如異丙醇等。為了提高膠乳的水溶性，在聚合前、后加入水溶性表面活性劑，使膠乳溶于水時發(fā)生轉(zhuǎn)相，提高溶解速度。

用反相懸浮聚合制得珠狀聚合物。粒徑取決于攪拌、分散劑種類和用量以及兩相比。單體濃度約50%。連續(xù)相采用芳烴、環(huán)烷烴和飽和脂肪烴。兩相比為3-1。無機(jī)分散劑如滑石粉、硅藻土；有機(jī)分散劑如司本類等。用量為單體的1%以下。用量大時粒徑小，必要時加入增稠劑如改性纖維素，以調(diào)整兩相粘度，提高粒子的懸浮穩(wěn)定性。

二、應(yīng)用

聚丙烯酰胺為水溶性聚合物中應(yīng)用較為廣泛的品種之一。主要應(yīng)用于石油開采、冶金選礦、造紙紡織、食品加工、建材、水處理等方面。僅以石油工業(yè)為例，聚丙烯酰胺可用作鉆井泥漿處理劑、二、三次采油驅(qū)油劑、油井酸化壓裂液、堵水劑、水處理劑。

1、增稠劑

（1）油井壓裂液

將聚丙烯酰胺配成0.01-4%濃度的水溶液，壓入井下地層，使地層斷裂。聚丙烯酰胺水溶液不僅具有增稠攜砂、降低壓裂液流失的作用，而且還有降阻作用，因而能使壓力的傳遞損失下降。

（2）聚合物驅(qū)油

在注水采油工藝中，由于水的粘度低，有可能穿透油層，形成直徑驅(qū)油，使油井中采出的石油含有大量的水。若注入0.05%聚丙烯酰胺水溶液，即可克服此弊病，且對油層的粘度和流動性無影響。使用聚丙烯酰胺可使采油量提高50-100%。

（3）紡織印染助劑

在用漿料轉(zhuǎn)移法生產(chǎn)粘合襯布時，添加1%左右的聚丙烯酰胺水溶液于熱熔膠漿料中，使?jié){料粘度增加，保持適當(dāng)均勻的流動性。聚丙烯酰胺也可以在轉(zhuǎn)移印花上做增稠劑使用。

2、絮凝劑

（1）水處理

即使是渾濁的黃河水，加入10ppm的高分子量聚丙烯酰胺便可以很快得到澄清。在我國聚丙烯酰胺僅用于工業(yè)水處理，而美國和西歐國家還正式用于飲用水處理。后者要求所用聚丙烯酰胺的游離單體含量低于0.05%。因為丙烯酰胺單體有毒。尤其對哺乳動物的神經(jīng)有損害。聚丙烯酰胺、特別是陽離子型的，可用于處理淤泥的脫水工程。

（2）從氧化鋁中分離赤泥

氧化鋁生產(chǎn)工藝中，拜耳法赤泥的分離洗滌采用沉降槽。為了加速赤泥沉降，傳統(tǒng)的方法是添加面粉、麥麩等天然高分子絮凝劑。隨著氧化鋁產(chǎn)量的不斷提高，沉降槽常有跑渾現(xiàn)象出現(xiàn)。采用聚丙烯酰胺絮凝，大大增加了拜耳法赤泥的沉降速度，澄清效果好，從而提高了沉降槽的產(chǎn)能和精液質(zhì)量。

（3）提高顏料等的存留率

在紙漿中加入聚丙烯酰胺，使顏料、填料和纖維沉積，而減少它們在白水中的流失量和對環(huán)境的污染；改進(jìn)了填料、顏料在漿中的分布均勻性，從而改善了紙的結(jié)構(gòu)，提高強(qiáng)度，同時減少堵塞，使紙機(jī)易于操作。

（4）糖汁澄清

制糖廠從壓榨機(jī)提取的蔗汁混濁不清，含有蔗屑、泥粒及膠體等。添加少量聚丙烯酰胺后，可加速其沉降，使糖汁很快澄清。

（5）洗煤工業(yè)中的固液分離

加入聚丙烯酰胺有助于降低粘土和煤粉對環(huán)境的污染，回收煤粉和提高過濾速度，減少管線堵塞和泵的檢修。

（6）土壤改良劑

聚丙烯酰胺能使土壤形成穩(wěn)定的團(tuán)粒，從而改善土壤的耕作和植物的生長，減少水從土壤中的流失，避免大雨時上層土壤被沖走。

3、分散劑

（1）水質(zhì)穩(wěn)定劑

采用低分子量聚丙烯酰胺作水質(zhì)穩(wěn)定劑，其防垢效果顯著。循環(huán)冷卻水中添加低分子量聚丙烯酰胺，能使鈣離子的飽和濃度提高好幾倍。鈣離子濃度很高時，可能有垢析出。然而由于聚丙烯酰胺被吸附在晶粒表面，妨礙了晶粒的聚集，形成的垢層很疏松，易被水流沖刷掉，從而達(dá)到防垢、消垢的目的。

（2）鉆井泥漿處理劑

在鉆井泥漿中加入聚丙烯酰胺可提高泥漿的潤滑性和穩(wěn)定性，降低鉆井泥漿的失水，有效地防止卡鉆和解卡鉆，提高鉆井效率。

（3）長纖維抄紙的分散劑

用聚丙烯酰胺作分散劑代替植物粘液制長纖維抄紙。其各項技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)都達(dá)到并超過植物膠水平，且提高了運(yùn)轉(zhuǎn)率和車速。

4、粘結(jié)劑

聚丙烯酰胺可配入泥漿、混凝土漿、石膏漿、嵌縫膠等之中。聚丙烯酰胺可用于特殊墻體粘結(jié)水泥的復(fù)合配方中。它對水的硬度不敏感，在很寬的溫度范圍內(nèi)都顯示很好的粘結(jié)性。澆鑄成型的陶瓷在脫模時損傷率很大。若在泥漿中配入少量聚丙烯酰胺，毛坯強(qiáng)度提高，脫模容易，毛坯的成品率和質(zhì)量均大大提高。把聚丙烯酰胺和淀粉以1：2的比例混合，作為良好的粘結(jié)劑而用于紙張涂布中。

聚丙烯酰胺還可用作凝膠炸藥的組份、消防水的減阻劑、農(nóng)藥的緩釋劑等。聚丙烯酰胺可在許多相反目的的領(lǐng)域中應(yīng)用。它既是絮凝劑、又是分散劑；既是增稠劑，又是液化劑；既是織物漿料、又是織物整理劑；既是粘合劑，又是清洗劑等等。低分子量聚丙烯酰胺的性能和用途與高分子量聚合物往往相反。它具有分散性，因此在清洗劑、水質(zhì)穩(wěn)定劑、造紙、油墨等行業(yè)用作分散劑。而高分子量聚丙烯酰胺具有絮凝作用，在化學(xué)工業(yè)、廢水處理、制藥、制糖、選礦等行業(yè)應(yīng)用。