聚丙烯酰[xiān]胺（polyacrylamide，簡(jiǎn)稱PAM），有機(jī)化合物，分子式為(CH2CHCONH2)n，是一種線型水溶性高分子聚合物，是水溶性高分子化合物中應(yīng)用最為廣泛的品種之一。它是丙烯酰胺(acrylamide，簡(jiǎn)稱AM，分子式CH?=CHCONH?)及其衍生物的均聚物和共聚物的統(tǒng)稱。工業(yè)上凡是含有50%以上丙烯酰胺單體結(jié)構(gòu)單元的聚合物，都泛稱聚丙烯酰胺，其他單體結(jié)構(gòu)單元含量不足5%的通常都視為聚丙烯酰胺的均聚物。聚丙烯酰胺按照分子所帶的電性質(zhì)，可將其分為非離子聚丙烯酰胺、陰離子聚丙烯酰胺、陽(yáng)離子聚丙烯酰胺和兩性離子型聚丙烯酰胺。此外，也能按照幾何形狀、疏水性進(jìn)行分類。聚丙烯酰胺及其衍生物等水溶性高分子材料在現(xiàn)代工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活等各方面起著重要的作用。特別是高相對(duì)分子質(zhì)量（150萬～600萬）的聚丙烯酰胺，作為絮凝劑、增稠劑、增強(qiáng)劑及表面活性劑等，被廣泛地應(yīng)用于污水處理、豁合劑、涂料、造紙以及石油鉆采等工業(yè)領(lǐng)域中。
發(fā)現(xiàn)歷史
聚丙烯酰胺在1893年由穆勒(Moureu)從實(shí)驗(yàn)室生產(chǎn)后，又經(jīng)過相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間，聚丙烯酰胺工業(yè)才從20世紀(jì)50年代開始發(fā)展起來。美國(guó)氫氨公司于1952年率先開展聚丙烯酰胺工業(yè)生產(chǎn)開發(fā)與研究工作，兩年后正式投入規(guī)模化工業(yè)生產(chǎn)，最初品種只有單一非離子型聚丙烯酰胺，很快又研制出堿性水解陰、陽(yáng)離子型聚丙烯酰胺。聚丙烯酰胺優(yōu)異的物理化學(xué)性質(zhì)展示了其巨大的市場(chǎng)潛力與應(yīng)用前景。1962年，上海珊瑚化工廠在中國(guó)建立了首套聚丙烯酰胺生產(chǎn)設(shè)備，用于礦產(chǎn)品處理及石油鉆采工業(yè)中水溶膠產(chǎn)品的生產(chǎn)。20世紀(jì)70年代初期美國(guó)、日本發(fā)展丙烯銅催化水合法技術(shù)，1985年日本發(fā)展了丙烯腈生物酶催化水合法技術(shù)。美國(guó)陶氏化工( Dow Chemical Co.)在80年代初期就有了萬噸級(jí)生產(chǎn)線。到20世紀(jì)末，全世界的年生產(chǎn)能力將超過40萬噸。聚丙烯酰胺及其衍生物可作為高效絮凝劑，增稠劑，紙張?jiān)鰪?qiáng)劑及液體的減阻劑等，在水處理、造紙、石油、煤炭、礦冶、地質(zhì)、輕紡、建筑等工業(yè)部門具有廣泛的用途。
化學(xué)結(jié)構(gòu)
聚丙烯酰胺作為一種線型有機(jī)高分子化合物，分子鏈具有柔順性和構(gòu)象易變性，例如分子量為710萬聚丙烯酰胺，其分子鏈伸直后長(zhǎng)徑比可達(dá)到100000，和直徑1mm，長(zhǎng)100m的細(xì)絲不相上下，極易卷曲，分子鏈之間容易纏結(jié)。分子鏈的結(jié)構(gòu)單元包含酰胺基，容易和其它材料形成氫鍵，使之水溶性好，化學(xué)活性強(qiáng)，易于接枝或者交聯(lián)，獲得支鏈或者網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)修飾衍生物。分子鏈上帶有大量極性基團(tuán)，可與水及某些陰離子表面活性劑等進(jìn)行絡(luò)合，從而獲得各種性能優(yōu)良的聚合物產(chǎn)品。對(duì)于離子型的聚丙烯酰胺而言，分子鏈上的電荷使其在水溶液的形態(tài)發(fā)生變化，使分子鏈變得更加伸展，容易產(chǎn)生靜電吸引作用等。
聚合物種類
聚丙烯酰胺在水溶液中的電離性表現(xiàn)出多種類型，包括非離子型、陰離子型、陽(yáng)離子型以及兩性型。在水中，非離子型聚丙烯酰胺的分子鏈上不含有任何可電離的基團(tuán)，因此不會(huì)發(fā)生電離現(xiàn)象；陰離子型聚丙烯酰胺的分子鏈上存在可電離的負(fù)電荷基團(tuán)，這些基團(tuán)可以被電離并形成聚陰離子和小型陽(yáng)離子；陽(yáng)離子型聚丙烯酰胺的分子鏈上存在可電離的正電荷基團(tuán)，這些基團(tuán)可以被電離并形成小的陰離子和聚陽(yáng)離子；兩性聚丙烯酰胺的分子鏈上同時(shí)存在可電離的負(fù)電荷基團(tuán)和正電荷基團(tuán)，這些基團(tuán)能夠被電離并形成聚陰離子和聚陽(yáng)離子。
根據(jù)聚合物分子鏈的幾何形態(tài)，可以將其區(qū)分為線性、支化和交聯(lián)三種類型。其中以線性結(jié)構(gòu)為主要形式，但在丙烯酰胺自由基聚合反應(yīng)中，會(huì)發(fā)生鏈轉(zhuǎn)移反應(yīng)，導(dǎo)致無規(guī)支化的形成。此外，在聚合的過程中，還會(huì)發(fā)生酰氨基的酰亞胺化反應(yīng)，從而形成支鏈或三維的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。通過向聚合體系中引入雙烯單體，可以實(shí)現(xiàn)聚丙烯酰胺的交聯(lián)反應(yīng)。通過與丙烯酰胺聚合物分子鏈上的活性基團(tuán)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，引入交聯(lián)劑，從而實(shí)現(xiàn)了聚丙烯酰胺的交聯(lián)反應(yīng)。這種交聯(lián)聚丙烯酰胺在水中不溶，但卻能夠高效地吸收大量的水分子，可制造出具有水凝膠和高吸水性能的沒藥樹材料。
理化性質(zhì)
聚丙烯酰胺為白色粉末，無毒，在100℃時(shí)熱穩(wěn)定性好，但當(dāng)加熱溫度過高（150℃以上）時(shí)會(huì)分解出氮?dú)猓灰兹苡谒⒕哂形鼭裥裕蝗苡谝话愕挠袡C(jī)溶劑（如苯、酯類以及丙酮等）。
水溶液性質(zhì)
聚丙烯酰胺的主要應(yīng)用領(lǐng)域與水有關(guān)，其遇水電離生成聚離子，和與其電性相反的反離子（又稱抗衡離子），二者具有相等的電量。聚離子間的靜電排斥作用和聚離子與反離子間的靜電吸引作用，以及在上述靜電作用調(diào)控下大分子構(gòu)象發(fā)生改變，使得聚電解質(zhì)溶液有很多與中性有機(jī)高分子化合物溶液和小分子電解質(zhì)溶液都不一樣的性質(zhì)。同時(shí)這些性質(zhì)又使聚丙烯酰胺電解質(zhì)具有很多特殊的功能性質(zhì)與功能，例如絮凝性，分散性，增稠效果，減阻效果等等。這些特性受到聚合物鏈中可電離基團(tuán)個(gè)數(shù)和其離解性質(zhì)以及其他結(jié)構(gòu)因素的影響、溶液pH值，外加鹽離子強(qiáng)度及其他外界因素影響。
絮凝性
高分子量聚丙烯酰胺優(yōu)秀的絮凝性體現(xiàn)在，其能夠在吸附粒子之間形成的“架橋”，使幾個(gè)乃至幾十個(gè)粒子連接產(chǎn)生絮團(tuán)，加快粒子下沉。靜電排斥力導(dǎo)致分子鏈的伸展，同時(shí)攜帶的電荷能出對(duì)粒子產(chǎn)生靜電吸引作用，分子長(zhǎng)度提供了良好吸附性能及與氫健結(jié)合的位值，使得絮凝效果得到進(jìn)一步改善。
粘度
聚丙烯酰胺水溶液的粘度隨濃度的增加而增加。在相同濃度下，有機(jī)高分子化合物質(zhì)量的聚丙烯酰胺存在黏度較高的缺點(diǎn)。粘度也受pH值的影響。在高pH值的溶液中，由于水解，分子中往往會(huì)產(chǎn)生羧基陰離子，分子鏈容易受到靜電排斥，這有利于分子的拉伸，表現(xiàn)為溶液粘度的增加。
穩(wěn)定性
聚丙烯酰胺水溶液的穩(wěn)定性可以滿足許多要求，但溶液的粘度隨時(shí)間、溫度、剪切速率和環(huán)境因素而變化。與許多水溶性聚合物一樣，聚丙烯酰胺水溶液放置時(shí)間長(zhǎng)了，粘度會(huì)逐漸降低。一般認(rèn)為，這是大分子鏈氧化降解的結(jié)果。光、熱和機(jī)械作用也可引起降解。當(dāng)聚丙烯酰胺溶液需要長(zhǎng)時(shí)間放置時(shí)，應(yīng)添加適量的穩(wěn)定劑，以防止其氧化和降解。
化學(xué)性質(zhì)
聚丙烯酰胺及其共聚物分子中的酰胺基能發(fā)生脂肪族酰胺所發(fā)生的一般反應(yīng)，通過這些反應(yīng)可獲得多種功能性的衍生物。
水解反應(yīng)
聚丙烯酰胺可以通過酰胺基水解成含有羧基的聚合物。這種聚合物具有與丙烯酰胺-丙烯酸鈉共聚物相似的結(jié)構(gòu)，所得產(chǎn)物稱為部分水解聚丙烯酰胺。丙烯酰胺結(jié)構(gòu)單元產(chǎn)生丙烯酸根結(jié)構(gòu)單元，可由下圖所示的方程式表示。水解基本上是不可逆的。在酸性條件下，水與質(zhì)子化酰胺羰基發(fā)生親核加成，然后氨被消除，丙烯酰胺的結(jié)構(gòu)單元水解為丙烯酸單元。酸能增強(qiáng)聚丙烯酰胺的水解，但聚丙烯酰胺在酸性條件下的水解速度比堿性水解慢得多，因此一般需要在較高的溫度下進(jìn)行。
羥甲基化反應(yīng)
聚丙烯酰胺與甲醛反應(yīng)生成羥甲基化聚丙烯酰胺，該反應(yīng)可以在酸性或堿性條件下進(jìn)行，在堿性條件下時(shí)反應(yīng)速度很快，在酸性條件下反應(yīng)要慢得多，因?yàn)榧兹┐蟛糠忠枣湹男问酱嬖冢档土似溆行舛取＞郾０放c甲醛水溶液可在酸性條件下交聯(lián)，分子間酰胺基團(tuán)通過亞甲基交聯(lián)成不溶性凝膠。凝膠速率隨聚丙烯酰胺和甲醛的濃度和溫度增加而增加。
磺甲基化反應(yīng)
磺甲基化反應(yīng)也是在堿性條件下進(jìn)行的，進(jìn)料方式有兩種：聚丙烯酰胺與亞硫酸氫鈉和甲醛在堿性條件下直接反應(yīng)生成陰離子衍生物-磺甲基化聚丙烯酰胺；或?qū)喠蛩釟溻c加入甲基化聚丙烯酰胺溶液中，經(jīng)第二次反應(yīng)得到磺甲基化聚丙烯酰胺。磺甲基化反應(yīng)對(duì)pH值很敏感。pH值小于10時(shí)，在70℃下，磺甲基化反應(yīng)非常緩慢；當(dāng)pH值大于10時(shí)，反應(yīng)速率顯著增加。但是隨反應(yīng)的進(jìn)行，甲醛在堿性條件下發(fā)生副反應(yīng)，導(dǎo)致體系pH值不斷下降，如不進(jìn)行干預(yù)調(diào)節(jié)，磺甲基化反應(yīng)又會(huì)變慢。
胺甲基化反應(yīng)
胺、醛與活性氫化合物的不對(duì)稱羥醛縮合稱為曼尼希(Mannich)反應(yīng)，也稱為胺甲基化反應(yīng)。此反應(yīng)可在酸性或堿性條件下進(jìn)行，一般認(rèn)為反應(yīng)機(jī)理是活性氫化合物與N-羥甲胺或亞甲亞胺陽(yáng)離子的縮合反應(yīng)。聚丙烯酰胺和二甲胺、甲醛經(jīng)曼尼奇反應(yīng)生成二甲胺-N-甲基丙烯基鄰苯二胺聚合物。該反應(yīng)是制備陽(yáng)離子聚丙烯酰胺的一種方法。由于分子鏈上有活性基團(tuán)側(cè)鏈，用作絮凝劑可提高廢水的澄清率。
霍夫曼降解反應(yīng)
聚丙烯酰胺可與次鹵酸鹽如次氯酸鈉或次溴酸鈉在堿性條件下反應(yīng)，生成陽(yáng)離子的聚氨基乙烯，該反應(yīng)稱為霍夫曼降解反應(yīng)。
交聯(lián)反應(yīng)
聚丙烯酰胺水溶液在酸性條件下加熱，生成不溶性交聯(lián)聚丙烯酰胺凝膠。這種交聯(lián)可以通過加入堿而破壞，并發(fā)生水解。乙二醛、醛樹脂、蜜胺樹脂、PF和聚丙烯酰胺均可交聯(lián)反應(yīng)。此外，水解聚丙烯酰胺和丙烯酰胺共聚物水溶液，與高金屬離子如鋁鹽、鉻鹽、鋯鹽、錳鹽、鈦鹽等生成的多核羥基橋離子可交聯(lián)反應(yīng)生成凝膠。
制備方法
水溶液聚合法
水聚合是生產(chǎn)聚丙烯酰胺最古老的方法，生產(chǎn)安全、經(jīng)濟(jì)，是聚丙烯酰胺重要的生產(chǎn)方法。水溶液聚合還可以通過改變反應(yīng)條件，例如引發(fā)劑體系，介質(zhì)的pH值，添加劑的類型及劑量，溶劑，聚合溫度等因素，探究其對(duì)聚合反應(yīng)特性及產(chǎn)物性質(zhì)的影響。因以水為溶劑，體系雜質(zhì)含量較低，單體在水溶液中鏈轉(zhuǎn)移常數(shù)較低。另外還受到工藝條件的制約，水溶液中聚合產(chǎn)物的固含量較少，容易進(jìn)行酰亞胺反應(yīng)形成凝膠，無法獲得高相對(duì)分子質(zhì)量聚丙烯酰胺。
沉淀聚合法
如果產(chǎn)生的聚合物不能溶解于丙酮、乙醇等溶劑中，那么聚合物在隨著反應(yīng)進(jìn)行的過程中，就會(huì)不斷從溶液中沉淀出來，所以這種聚合方法又被稱為沉淀聚合。這種方法制備的聚丙烯酰胺的相對(duì)分子質(zhì)量較高、均勻性較好。
分散聚合法
分散性聚合是自由基聚合的一種方法，它具有類似本體聚合的動(dòng)力學(xué)行為，聚合方式可以看作是一種特殊沉淀聚合。分散聚合的原理是將單體分散到水中，使之產(chǎn)生一定濃度的水溶液，然后再加入引發(fā)劑來進(jìn)行聚合作用。分散分散聚合過程具有以下特征：將預(yù)聚單體與引發(fā)劑溶于反應(yīng)介質(zhì)，構(gòu)成均相體系；所產(chǎn)生的聚合物由于在反應(yīng)介質(zhì)中不易溶解而析出。析出的聚合物在溶液中相互團(tuán)聚，而在穩(wěn)定劑的作用下，聚合物能夠以細(xì)顆粒的形態(tài)穩(wěn)定地懸浮在反應(yīng)溶液之中，形成非均相的分散體。這種分散聚合體系固含量較高，粘度較小、剪切穩(wěn)定性良好、蒸發(fā)熱低，揮發(fā)性強(qiáng)、分散劑的類型可選以及其他優(yōu)點(diǎn)。
反相乳液聚合法
反相乳液聚合法，是水溶性丙烯酰胺單體在表面活性劑（大都是非離子表面活性劑）作用下，分散于油相，形成乳液體系，并在引發(fā)劑存在下的乳液聚合，生成有機(jī)高分子化合物量、瞬間型聚丙烯酰胺穩(wěn)定性膠乳。反相乳化液是一種新型高效環(huán)保節(jié)能技術(shù)。聚合時(shí)，熱分布均一，反應(yīng)體系較穩(wěn)定，反應(yīng)程度易控制，但是仍存在產(chǎn)物平均分子量偏低、粒徑分布寬廣、容易凝結(jié)的缺點(diǎn)。
應(yīng)用領(lǐng)域
造紙領(lǐng)域
聚丙烯酰胺在造紙工業(yè)中是應(yīng)用最廣泛的化工助劑。長(zhǎng)纖維紙中聚丙烯酰胺對(duì)纖維的分散效果更好。草漿紙中聚丙烯酰胺能提高紙張性能。基于聚丙烯酰胺制品相對(duì)分子質(zhì)量及電性能的差異，聚丙烯酰胺的應(yīng)用范圍也不相同，其中陰離子型聚丙烯酰胺可以作為紙漿分散劑使用；低分子量的聚丙烯酰胺可以作為紙張的增強(qiáng)劑。采用中分子量聚丙烯酰胺作為助留助濾劑，高分子量聚丙烯酰胺作為絮凝劑處理造紙廢水。在造紙過程中加入陽(yáng)離子聚丙烯酰胺作為助留助濾劑，可提高纖維、填料和助劑的留取率，創(chuàng)造穩(wěn)定的濕化學(xué)環(huán)境。
石油開采
聚丙烯酰胺被用作降濾失劑，絮凝劑，稀釋劑，堵漏劑等，在鉆井，酸化，堵水，三次采油中具有重要的用途。利用聚合物驅(qū)油可以提高注入水粘度、改善水油流度比、減小水侵帶巖石水相滲透率，從而來提高最終采收率。性質(zhì)優(yōu)秀的聚丙烯酰胺可以大大提高非均質(zhì)油田采收率，比如三次采油時(shí)，若添加高相對(duì)分子質(zhì)量和高粘度聚丙烯酰胺，將改變注入水流變性和提高三次油驅(qū)油液粘度，水驅(qū)效率增加，水相中油滲透率下降，水油均勻前進(jìn)。
水處理
聚丙烯酰胺主要作為助凝劑及絮凝劑應(yīng)用于水處理及污水處理。帶來的好處有，降低絮凝劑的使用量，改善廢水處理質(zhì)量，提高水處理效率，降低水垢的生成，保護(hù)處理設(shè)備。聚丙烯酰胺可以作為絮凝劑廣泛地應(yīng)用在原水、工業(yè)廢水，生活廢水及其他污水處理中，聚丙烯酰胺對(duì)水質(zhì)的處理主要是受溫度，pH值，攪拌速度及攪拌時(shí)間影響。
煤炭開采
聚丙烯酰胺是礦產(chǎn)領(lǐng)域的絮凝劑和助濾劑，它主要用于煤炭，金屬等礦物開采，加工以及尾礦處置過程中，其作用在于提高固液分離效率與回收率。其中在煤炭工業(yè)上主要用于煤漿及尾礦沉降澄清，尾礦過濾及離心時(shí)固液分離。
生物醫(yī)藥
聚丙烯酰胺水凝膠與人體組織相似，水凝膠結(jié)構(gòu)可控可調(diào)、生物相容性好、惰性好、對(duì)細(xì)胞無毒，適用于體內(nèi)植入或醫(yī)學(xué)應(yīng)用上作粘彈性體。聚丙烯酰胺水凝膠主要應(yīng)用于整形外科、栓塞劑、藥物緩釋等醫(yī)療領(lǐng)域。
其他領(lǐng)域
聚丙烯酰胺聚合物不但在這些領(lǐng)域有著廣泛的用途，并經(jīng)常作為洗滌劑行業(yè)的洗劑使用；用作建筑行業(yè)的裝飾膠粘劑、水泥外加劑，水下灌漿材料等；用于食品加工業(yè)的稠化，乳化，成型，膨化及其他作用，節(jié)約消耗，提升食品檔次、提升口感、延長(zhǎng)保質(zhì)期；就復(fù)合材料而言，用做粉碎中等大小的玻璃纖維，能使玻璃纖維由束狀變成單絲狀，滿足材料成型；對(duì)化妝品制造業(yè)有著增稠，分散，懸浮和穩(wěn)定等功能。
除此之外，聚丙烯酰胺聚合物還可用作土壤改良劑以防治水土流失，用作土壤保濕劑以及種子培養(yǎng)劑的黏結(jié)添加劑，而且可以用來增加水的透光性和加速水的光合作用。聚丙烯酰胺水凝膠具有良好的生理組織相容性及生物學(xué)惰性，適合用作手術(shù)擴(kuò)充空間黏彈劑及體內(nèi)植入物用于醫(yī)學(xué)。除臨床應(yīng)用外，這種凝膠可做為電泳用基質(zhì)應(yīng)用于蛋白多肽，抗體，免疫蛋白以及多種蛋白質(zhì)和聚糖等物質(zhì)的分離鑒定。
安全事宜
聚乙烯酰胺自身對(duì)于哺乳動(dòng)物來說、水生生物及大田作物均無毒性，對(duì)環(huán)境的影響不大，不存在燃燒與爆炸的問題。甚至當(dāng)聚合物的濃度達(dá)到高達(dá)2%的時(shí)候，對(duì)人體刺激亦極輕。進(jìn)入人體以后，多數(shù)在短期內(nèi)被排出，極少經(jīng)消化道吸收。聚乙烯酰胺以丙烯腈為原料得到，中間產(chǎn)物為丙烯酰胺。原料丙烯腈及其中間產(chǎn)物丙烯酰胺都是有毒物質(zhì)。聚乙烯酰胺部分水解體時(shí)可產(chǎn)生殘堿，在重復(fù)，長(zhǎng)時(shí)間暴露可產(chǎn)生刺激性。所以美國(guó)食品及藥物管理局認(rèn)為聚乙烯酰胺及其水解產(chǎn)物是低毒或無毒的。聚丙烯酰胺的大部分毒性來源于生產(chǎn)過程中殘留的丙烯酰胺單體和夾帶的有毒重金屬，丙烯酰胺屬于中等神經(jīng)毒性物質(zhì)，損害神經(jīng)系統(tǒng)。中毒后出現(xiàn)體弱多病、運(yùn)動(dòng)障礙及其他癥狀。所以美國(guó)衛(wèi)生局的條款，單體殘留量大于0.5%時(shí)（質(zhì)量），聚乙烯酰胺產(chǎn)品在包裝上應(yīng)該有“有毒”字樣。
水溶液聚合制備聚乙烯酰胺粉末時(shí)，粉塵污染、氨污染是難以避免的。建議每日丙烯酰胺攝入量小于0.05mg/kg，每人每天8h空氣攝入量為10m3。所以車間空氣中的丙烯酰胺允許濃度低于0.3毫克/立方米。氨的最高容許濃度為每立方米不超過35mg。生產(chǎn)車間要有良好通風(fēng)設(shè)備，使用密閉破碎，包裝設(shè)備。操作人員在操作時(shí)，應(yīng)穿戴長(zhǎng)袖工作服，戴帽，戴口罩，戴防護(hù)眼鏡、防滲手套及膠靴，避免丙烯酰胺通過皮膚接觸、呼吸等途徑進(jìn)入體內(nèi)。
參考資料 >
polyacrylamide.PubChem COMPOUND SUMMARY.2023-05-12
polyacrylamide.Common Chemistry.2023-05-12