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【背景及概況】[1][2][3][4]
隨著時代的進步和發展，人類對紙張質量的要求也進一步提高，對造紙過程有重要作用的助留助濾劑也提出了更高的要求。近年來，造紙研究人員致力于研發新型的、高效的助留助濾劑。聚丙烯酰胺作為一種新型高效的助留助濾劑被越來越多的研發人員所關注。聚丙烯酰胺(PAM) 是丙烯酰胺均聚物及共聚物的統稱，主要包括非離子型聚丙烯酰胺(NPAM)、陽離子型聚丙烯酰胺(CPAM) 、陰離子聚丙烯酰胺( APAM) 、兩性聚丙烯酰胺( AmPAM) 等 4類。
聚丙烯酰胺由于結構中含有大量的酰胺基，易形成氫鍵，從而具有較好的穩定、絮凝作用，在污水處理、石油開采、造紙工業等行業都有十分廣泛的應用，素有“百業助劑”之稱。聚丙烯酰胺又易于進行化學改性，可以制備功能性聚丙 烯酰胺材料，例如在聚丙烯酰胺中引入少量疏水基團可得到疏水締合型聚丙烯酰胺，此類聚丙烯酰胺對溫度、pH 等因素表現出特殊的性質，可做成智能聚合物; 交聯型聚丙烯酰胺有較好的吸水性，可以制備水凝膠與高吸水樹脂，在生物醫藥、整形等領域有著重要的應用與研究。隨著我國經濟的發展，聚丙烯酰胺產品的消費不斷增長。我國聚丙烯酰胺產品主要消費在石油開采領域，歐美國家主要消費在水處理領域，日本主要消費在造紙工業，但是隨著我國對環保要求的不斷提高，聚丙烯酰胺在水處理領域的消費也呈現出較大的增長。
【分類及結構】[3]
1. 陽離子型聚丙烯酰胺(CPAM)：CPAM 是一類應用廣泛、性能較好的干強劑、助留劑、助濾劑和絮凝劑，主鏈上有活潑的酰胺基和雙鍵，通過電性中和、吸附架橋和包絡作用來使固體顆粒脫穩、絮凝。作為造紙過程中的助留助濾劑使用，可以減少纖維的流失量和對環境的污染，同時也有利于提高過濾和沉淀等過程的效率，其結構如圖：
2. 陰離子聚丙烯酰胺( APAM)：陰離子型聚丙烯酰胺是由丙烯酰胺單體與丙烯酸的共聚物，或由非離子型聚丙烯酰胺水解改性而得，結構中含有-COOH、-SO3H、-OSO3等基團。目前 APAM 已廣泛用于采油、造紙、選礦、洗煤、冶金、建材、食品加工、土壤改良等領域，尤其在工業水處理方面得到了極大應用，結構如圖：
3. 兩性聚丙烯酰胺( Am PAM)：兩性聚丙烯酰胺一般是指在大分子鏈節上同時含有正、負兩種電荷基團的水溶性高分子，其具有良好的水溶性，同時陰離子基團對陽離子基團起著保護作用，能夠排斥在紙漿體系中存在的“雜質陰離子，結構如圖：
4. 非離子型聚丙烯酰胺( NPAM)：NPAM 是一種分子量在 200-1200 萬具有水溶性的高分子聚電解質，由于其分子鏈中含有一定數量的極性基團，它能通過吸附水中懸浮的固體粒子，使粒子間架橋或通過電荷中和使粒子凝聚形成大的絮凝物。所以，它可加速懸浮液中粒子的沉降，加快溶液澄清，結構如圖：
【理化性質】[5]
通常是丙烯酰胺單體頭尾鍵接結構的聚合物，在常溫下為堅硬的玻璃態固體。由于制法不同，產品有白色粉末、半透明珠粒和片狀等。密度1.302g/cm3(23℃)，玻璃化溫度153℃，軟化溫度210℃。 具有良好的熱穩定性。溶于水，水溶液呈清 澈透明狀，其粘度隨聚合物分子量的增加明 顯變粘，并與聚合物的濃度變化呈對數增減關系。除乙酸、丙烯酸、氯乙酸、乙二醇、甘油和甲酰胺等少數溶劑外，一般不溶于有機溶劑。
【生產工藝】[1][2]
目前，聚丙烯酰胺的合成方法主要為水溶液聚合、反相乳液聚合、反相微乳液聚合、水相分散聚合等，近些年又有學者將輻射技術、活性/可控自由基聚合等新興的聚合方法與上述方法相結合，促進了聚丙烯酰胺生產技術的發展。
1.水溶液聚合
丙烯酰胺單體在水溶液中進行的聚合反應稱為水溶液聚合。丙烯酰胺單體易溶于水，其在水溶液中的聚合速率與相對分子質量要高于在有機溶劑中的反應。丙烯酰胺水溶液聚合主要采用氧化還原引發體系，其產品性質易受到溶劑、用量、溫度等因素影響。采用水溶液聚合生產的聚丙烯酰胺產品固含量較低但其具有操作簡單、設備要求低、單體轉化率較高、污染少等優點，因此即使水溶液聚合是生產的聚丙烯酰胺最早采用的方法，但至今仍是最為常用的生產方法。目前，水溶液聚合生產的聚丙烯酰胺產品主要為聚丙烯酰胺干粉，一般采用中濃度( 20%～35% ) 丙烯酰胺單體聚合。中濃度聚合工藝主要為帶式片狀聚合工藝和釜式大塊聚合工藝。我國主要采用中濃度聚合工藝，多為固定式和移動式聚合設備，熱風式連續干燥
2.反相乳液聚合與反相微乳液聚合
反相乳液聚合是由 Vanderhoff 于 1962 年提出，是指將水溶性聚合單體加入到非極性的有機溶劑中，在油包水型乳化劑的作用下發生聚合反應，其成核機理為膠束成核與均相成核機理。目前，聚丙烯酰胺的反相乳液生產工藝較為復雜，成本較高，但其固含量較高、黏度低，使用方便，因此反相乳液聚合產品受到了消費者的青睞。微乳液制備方法主要有Schulman 法與 Shah 法，反相微乳液一般為透明或者半透明狀態，比反相乳液具有更高的穩定性，而且微乳液具有各向同性的特。反相微乳液聚合反應速度快，聚合過程中沒有顯著的恒速期，成核機理主要為液滴連續成核和均相成核機理，而且乳化劑、單體濃度、溫度等因素對反應影響較大。
3.分散聚合
分散聚合是一種沉淀聚合，由 ICI 公司提出，其體系由穩定劑、反應單體、引發劑等組成。當聚合反應生成的聚合物分子鏈達到一定長度后，聚合物從溶劑中沉淀出來，形成微球，并在穩定劑的作用下，形成穩定的分散體系。對于非水溶性單體一般采取有機相分散聚合; 水溶性高分子采用水相分散聚合。水相分散聚合以水為溶劑，大大減少了有機溶劑及表面活性劑的使用，減少了對環境的污染，是一種綠色環保的高新技術，是聚丙烯酰胺生產技術的發展方向。
4.聚合技術的發展
目前，在傳統的聚丙烯酰胺合成技術的基礎上，引入了輻射聚合、活性可控聚合、種子聚合等技術，現已成為國內外學者研究的熱點，這些新方法促進了聚丙烯酰胺合成技術的發展。其中，對紫外光輻射聚合、活性/可控自由基聚合研究較多。紫外光引發聚合是一種簡單、應用最為廣泛的聚合技術，具有反應溫度低、反應時間短、反應速率快等優點，而且在紫外光作用下體系中添加少量引發劑即可引發反應，是一種綠色環保的聚合技術。可控/活性聚合技術是通過可逆的鏈終止或鏈轉移，使體系中自由基濃度控制很低而抑制雙鍵終止，而且還能夠控制產物相對分子質量及其分布，利用此技術可以合成各種特定結構和相對分子質量的聚丙烯酰胺聚合物。
【應用】[1][2]
聚丙烯酰胺產品作為高分子分散劑或高分子絮凝劑，可以使體系穩定或者是體系中的粒子絮凝沉淀，在水處理、石油開采工業、造紙等領域有著重要的應用;此外，聚丙烯酰胺水凝膠具有較好的組織相容性以及多孔結構，在生物醫藥行業也有著重要的應用研。
1.在水處理中應用
隨著人們對環保的日益重視，聚丙烯酰胺產品在水處理領域的消費日益增加。目前，聚丙烯酰胺主要在給水處理與污水處理中作為助凝劑和絮凝劑使用，具有降低絮凝劑的用量，提高廢水處理的質量，增加水處理效率，減少水垢的生成，保護處理設備等優點。聚丙烯酰胺處理水質的效果主要受到水溫、pH 值、攪拌速率和時間等因素的影響。Y采用冷凍干燥的方法制備了新型多孔陽離子聚丙烯酰胺 /氧化石墨烯氣凝膠，并將其應用在水溶液中對堿性顏料的吸附進行研究，發現此吸附過程是一個吸熱過程，而且溶液的pH 值、吸附劑用量、接觸時間、溫度對吸附效果有較大的影響，當溶液 p H 值從 2.6 增加到 8.9，吸附率相應地從 90% 增加到 99%，計算最大吸附量可達到 1034. 3mg / g，此外該吸附系統符合準二級動力學模型。
2.在石油開采工業中的應用
我國聚丙烯酰胺產品主要消費在油田化學處理領域。聚丙烯酰胺作為降濾失劑、絮凝劑、稀釋劑、堵漏劑在石油開采的鉆井、酸化、堵水、三次采油等工藝中有重要的應用。聚丙烯酰胺的研究和發展，對石油工業的發展與進步有著重大的影響。黃原膠/2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸( AMPS) /膨潤土三元復合型油田堵水劑，20 ℃ 時吸水可達 1677 g /g，放置 12 h 后吸水率仍可以到達 20% 以上，20 ℃ 時對0.9% 氯化鈉溶液吸收達到 165 g / g，而且此堵水劑具有較好的耐熱性。將 β-環糊精結構引入聚丙烯酰胺中，合成了一種陰離子聚丙烯酰胺與一種陽離子聚丙烯酰胺，研究發現由于引入了環糊精結構，因而提高了聚丙烯酰胺的表面張力、耐鹽性、剪切強度、耐熱性以及增粘作用，其中陽離子聚丙烯酰胺更適合應用到高溫、高鹽的油田石油回收。
3.在造紙工業中的應用
聚丙烯酰胺是造紙工業中使用最多的化學助劑之一。在長纖維抄紙中，聚丙烯酰胺可以更好地分散纖維，在草漿造紙中使用聚丙烯酰胺更能提高紙張性能。根據聚丙烯酰胺產品的相對分子質量及電性的不同，聚丙烯酰胺又有著不同的用途，陰離子聚丙烯酰胺可作為紙漿分散劑; 低相對分子質量聚丙烯酰胺可以作為紙張增強劑；中等相對分子質量聚丙烯酰胺作為助留助濾劑使用；高相對分子質量聚丙烯酰胺在造紙廢水處理中作為絮凝劑使用。目前，陰離子聚丙烯酰胺在造紙工業中應用最多，亟待研究和開發陽離子聚丙烯酰胺以及兩性聚丙烯酰胺在造紙工業的應用。將蔗渣微纖維化纖維素(MFC) 加入到蔗渣漿中，同時加入助留劑陽離子聚丙烯酰胺 ( C-PAM) ，當加入 1% MFC 以及0.1% C-PAM 時，其濾水性能和參照樣品基本一致，其紙張抗張指數、不透明度等均有不同程度的提高。
4.在生物醫藥領域中的應用
聚丙烯酰胺水凝膠具有類似人體組織的特性，并且水凝膠結構具有可控性和可調性，又具有較好的生物相容性及惰性，對細胞無毒，因此適合植入體內及作
為粘彈體在醫學上應用。目前，聚丙烯酰胺水凝膠主要應用在外科整形、栓塞劑、藥物緩釋等醫學領域。將抗癌藥物多西紫杉醇(DTX) 裝載在氨基功能化的粘膜附著劑聚丙烯酰胺納米凝膠(PAm-NH2) 上，用于研究治療膀胱癌，研究發現 PAm-NH2載藥效果和直接使用多西紫杉醇療效相當，而且沒有對正常的膀胱上皮細胞造成傷害，此技術有望被開發成一種新型高效的膀胱癌新療法。使用 PP 無紡布為基材，連蛋白為模板分子，海藻酸鈉和丙烯酰胺為功能單體，通過 UV 光輻射聚合制備了印跡聚合物聚丙烯接枝海藻酸鈉/聚丙烯酰胺(PP-s-CA/PAM MIP) 薄膜，與非印跡聚合物相比，印跡聚合物 PP-s-CA/PAM MIP 表現出優異的吸附性，而且在培養細胞中表現出較好的粘附性能。
5.在其他領域中的應用
聚丙烯酰胺聚合物不僅在上述領域有著廣泛的應用，還常在礦冶工業生產中作為絮凝劑、助濾劑；在紡織印染工業中作為紡紗上漿劑、織物整理劑；在建筑行業作為裝飾粘接劑、水泥添加劑、水下灌漿材料等；在農林業中可以用來防止水土流失，作為保水劑等。目前聚丙烯酰胺聚合物在納米材料、復合材料等新領域也得到了應用研究。
【參考文獻】
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[5] 王大全 主編.精細化工辭典.北京：化學工業出版社.1998.第350頁.