水溶性高分子

中國水溶性高分子化合物已經有一定規模，天然水溶性高分子聚合物的生產和應用具有悠久的歷史。澱粉、阿拉伯膠、藻蛋白酸鈉、骨粉、明膠、乾酪素、等早以在造紙、食品、粘和劑等中應用。半合成產品如澱粉衍生物、羧甲基纖維素、甲基纖維素、乙基纖維素、羥乙基纖維素等，在不斷推廣應用。合成產品如聚丙烯醯胺、聚丙烯酸、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、聚馬來酸酐、聚季胺鹽、聚乙二醇等，生產規模也在逐年增大。同時一些新的品種也不斷的被試製出來。人們把水溶性高分子作為精細化工的骨幹產品之一，越來越受到重視。他的應用範圍幾乎涉及到人們生產生活的所有領域。

可以說水溶性高分子物質是當今社會最重要的聚合物之一，無論在生產還是應用上都處在迅速發展階段，如現代的食品工業已經依賴於纖維素產品、親水膠、改性食用澱粉和果膠等相互配套的水溶性高分子。大量的開發和研究都致力於脂肪代用品。

水溶性高分子按來源通常分為三大類：

(一)天然水溶性高分子。以天然動植物為原料提取而得。如澱粉類、纖維素、植物膠、動物膠等。

(二)化學改性天然聚合物。主要有改性澱粉和改性纖維素。如羧甲基澱粉、醋酸澱粉、羥甲基纖維素、羧甲基纖維素等。

(三)合成聚合物。有聚合類樹脂和縮合類樹脂兩類，如聚丙烯醯胺(PAM)、水解聚丙烯醯胺(HPAM))、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)等。按大分子鏈連接的水化基團分為：非離子型和離子型。按荷電性質分為：非離子、陽離子、陰離子和兩性離子高分子，其中后三類為聚電解質。按基團間是否存在較強的非共價鍵聯結又分為締合聚合物和非締合聚合物。

水溶性高分子一般採用水溶液聚合的方法合成。用水作溶劑，用水溶性引發劑進行引發，這些引發劑有過硫酸鹽、氧化還原引發體系、偶氮二異丁脒鹽酸鹽（V-50引發劑）、偶氮二異丁咪唑啉鹽酸鹽（VA-044引發劑）、偶氮二異丁咪唑啉（VA061引發劑）、偶氮二氰基戊酸引發劑等。

水溶性聚合物中的親水基團不僅使其具有水溶性，而且還具有化學反應功能，以及分散、絮凝、增粘、減阻、粘合、成膜、成膠、螯合等多種物理功能。水溶性高分子材料的幾種主要功能是：

① 水溶性，水是最廉價的溶劑，來源廣，無污染。水溶性高分子之所以溶於水，是因為在水分子與聚合物的極性側基之間形成了氫鍵。水溶性高分子的溶解具有一個重要的條件，即溶質和溶劑的溶度參數必須相近，但這僅為溶解的必要條件而非充分條件，還需考慮高分子的結晶結構的影響。

② 分散作用，由於絕大多數水溶性高分子都含有親水基團和一定數量的疏水基團，因而都具有一定的表面活性，可以在一定程度上降低水的表面張力，有助於水對固體的潤濕，這對於顏料、填料、粘土之類的物質在水中的分散特別有利。此外，許多水溶性高分子可以起到保護膠體的作用，即通過水溶性高分子的親水性，使水一膠體複合體吸附在膠體顆粒上形成外殼，讓其屏蔽起來免受電解質所引起的絮凝作用，使分散體系保持穩定。

③絮凝作用，水溶性高分子中的極性基團吸附於水中的固體粒子，使粒子間架橋而形成大的聚集體。絮凝作用在水處理中有很重要的應用，由於用量少、見效快、效率高等優點，已成為水溶性高分子材料的最大用途。

④增粘性，作為增粘劑使用是水溶性高分子的主要用途。增粘性是指水溶性高分子有使別的水溶液或水分散體的表觀粘度增大的作用。

⑤ 減阻作用，指向流體中添加少量化學藥劑以使流體通過固體表面的湍流摩擦阻力得以大幅度減小的現象。在一些情況下，添加少量水溶性高分子材料，就可以使流動阻力減少50%甚至80%以上，這對於工業、交通、國防等領域都有實際的應用價值。

⑥ 流變性，指物質在外力作用下流動變形的特性。流變性對水溶性高分子的應用極其重要，不同水溶性高分子溶液在不同條件下可以具有各種流變性質，不同流變性可以滿足不同的需要。

⑦懸浮作用，水溶性高分子本身或與其它物質所形成的水基流體的懸浮性在石油和天然氣的開採及其它行業都具有極其重要的意義，如塗料懸浮顏料離子、水煤漿的輸送等。

水溶性聚合物由於具有多種多樣的品種和寶貴性能，它與表面活性劑一起，被稱為精細化工的兩大支柱，在石油勘探開發、水處理、造紙、紡織、塗料、食品、日用化工等領域得到了廣泛的應用。

在石油勘探開發中的應用：水溶性聚合物作為油田化學劑的重要組分，在鑽井、固井、酸化和三次採油中，都起著十分重要的作用。

① 粘土穩定劑：粘土穩定劑可在鑽井過程中用於抑制地層中普遍存在的粘土礦物的水化膨脹和分散運移，達到穩定粘土、保護油氣層的目的。水溶性陽離子聚合物在粘土表面的吸附作用超過中性聚合物和無機鹽、具有永久性吸附的特徵。

② 用作壓裂液添加劑的聚合物：水力壓裂是油氣井增產、水井增注的一項重要措施。水基壓裂液中常用的聚合物添加劑有：天然植物膠、纖維素衍生物、聚丙烯醯胺、聚氧化乙烯及其共聚物等。

③緩蝕劑：使用緩蝕劑是採油工業中金屬部件和設備防腐最為有效的方法之一。水溶性陽離子聚合物可作為酸化時的

緩蝕劑，如陽離子化聚丙烯醯胺。

④ 驅油劑：在三次採油過程中，由於水溶性聚合物能大幅度地改變流度比 降低油藏的非均質程度，因此，聚合物己廣泛地應用於三次採油中，包括聚合物驅、聚合物膠束驅、APS(鹼、聚合物、表面活性劑)三元複合驅。包括調剖堵水在內的各種提高採收率方法中，聚合物驅油是三采技術中的重要方法之一，它是利用聚合物溶液的高粘度及殘餘阻力係數調整吸水剖面，改善油水流度比，從而達到提高石油採收率的目的。應用於提高採收率的水溶性聚合物主要有兩類：一類是部分水解聚丙烯醯胺，另一類是生物聚合物(如黃原膠)。相對而言，由於前者具有來源廣、價格便宜、溶解性和增粘性好等優點，在提高石油採收率中的使用比例大大超過生物聚合物，除非在油藏環境惡劣，如在高溫和高礦化度條件下才用生物聚合物。

在水處理中的應用：水溶性聚合物具有絮凝作用，是有效的高分子絮凝劑，其帶電部位能中和膠體粒子電荷，破壞膠體粒子在水中的穩定性，促使其碰撞，通過高分子長鏈架橋把許多細小顆粒纏結在一起，聚集成大粒子，從而加速沉降。其絮凝和沉降速度快、污泥脫水效率高，對某些廢水的處理有特效。高分子聚電解質的絮凝能力，比無機絮凝劑如明礬、氯化鐵等大數十倍，而且具有許多無機絮凝劑所沒有的獨特性能。高分子電解質絮凝劑具有除濁、脫色的作用，還可除去廢水中的病毒、細菌、微生物、油脂、表面活性劑、農藥、含氮、磷等富營養物以及鉛、鉻、錫等重金屬，廣泛應用於城市污水、石油化工、造紙、醫藥、電鍍等工業廢水處理，在水處理技術中佔有十分重要的地位。聚丙烯醯胺、聚乙烯亞胺等高分子電解質是常用的高分子絮凝劑。

在造紙工業中的應用“隨著合成高分子工業的發展，水溶性聚合物作為造紙助劑在造紙工業中的應用日益廣泛，併發揮重要作用。例如，季銨鹽化聚丙烯醯胺、陽離子澱粉等可用作乾濕增強劑，以提高紙張的乾濕強度；羥甲基纖維素、陽離子澱粉是紙張表面的施膠劑，同時亦可增加填料及增白劑的留著率，陽離子聚丙烯醯胺可絮凝沉降水中懸浮的微細纖維，具有絮凝捕集作用，以達到回收紙機排放水中流失的纖維素和填料及澄清水的目的。

紡織工業中的應用：紡織工業中大量使用水溶性聚合物。利用其粘結性和水溶性，可在織布中用作漿料，最廣泛應用的漿料是：澱粉衍生物、聚丙烯酸類、羥甲基纖維素等。利用聚電解質的增稠性和分散性，可在印花中用作粘稠劑和分散劑，如海藻酸鈉、羥甲基纖維素等。季銨鹽化的聚丙烯醯胺可用作精紡防靜電整飾劑。

塗料工業中的應用：在塗料工業中，高分子電解質的粘結、成膜、增稠及分散等性質得到應用。例如，離子型水溶性環氧樹脂、離子型順酐化聚丁二烯樹脂是優良的電泳塗料，具有優良的耐水性能和顏料分散性能，易交聯成膜；陽離子型水溶性聚氯樹脂是性能優良的成膜物質。

此外，水溶性聚合物在食品工業、醫藥工業、化妝品等領域都有著廣泛應用。

漢語名稱：聚丙烯醯胺 中文發音：jù bǐng xī xīan ān英文名稱：Polyacrylamide 簡 稱：PAM　聚丙烯醯胺為水溶性高分子聚合物，不溶於大多數有機溶劑，具有良好的絮凝性，可以降低液體之間的磨擦阻力，按離子特性分可分為非離子、陰離子、陽離子和兩性型四種類型。

陰離子聚丙烯醯胺（APAM）產品描述：陰離子聚丙烯醯胺（APAM）外觀為白色粉粒，分子量從600萬到2500萬水溶解性好，能以任意比例溶解於水且不溶於有機溶劑。有效的PH值範圍為7到14，在中性鹼性介質中呈高聚合物電解質的特性，與鹽類電解質敏感，與高價金屬離子能交聯成不溶性凝膠體。

工業廢水處理：對於懸浮顆粒，較出、濃度高、粒子帶陽電荷，水的PH值為中性或鹼性的污水，鋼鐵廠廢水，電鍍廠廢水，冶金廢水，洗煤廢水等污水處理，效果最好。飲用水處理：我國很多自來水廠的水源來自江河，泥沙及礦物質含量高，比較渾濁，雖經過沉澱過濾，仍不能達到要求，需要投加絮凝劑，投加量是無機絮凝劑的1/50，但效果是無機絮凝劑的幾倍，對於有機物污染嚴重的江河水可採用無機絮凝劑和陽離子聚丙烯醯胺配合使用效果更好。陰離子聚丙烯醯胺，使澱粉微粒絮凝沉澱，然後將沉澱物經壓濾機壓濾變成餅狀，可作飼料，酒精廠的酒精也可採用陰離子聚丙烯醯胺脫水，壓濾進行回收。用於河水泥漿沉降。用於造紙干強劑。

用於造紙助劑、助率劑。在造紙前泵口式儲漿池中加入微量PAM-LB-3陰離子聚丙烯醯胺可使水中填料與細小纖維在網上存留提高20-30%。每噸可節約紙漿20-30kg。

舉例：在洗煤過程中產生大量廢水，直接排放污染環境，必須沉清后循環利用，回收水中煤泥，也很有價值，但靠自然沉降，費時費力，同時水也不清。

另外，陰離子聚丙烯醯胺在制香行業的應用也越來越受歡迎，陰離子聚丙烯醯胺產品特點：具溶解性好，粘度高，韌性強，易燃無（少）煙、燃燒無異味、無毒等特點；產品性能穩定，避免了其它植物膠粉和普通澱粉因產地、時間不同，粘結質量參差不齊，在香業生產時需要反覆調試配方，以免造成產品質量不穩定的現象；香製品外表光潔平整、成型好、不易破碎；尤其是其冷水可糊化性，無需煮糊，將物料直接混和均勻、加水攪拌既可生產，而且加水混合后的物料較長時間放置也不會有物料干硬無法使用的現象發生，有效地節約了能源和方便了生產操作。

使用效果：使用本品做成的香坯（香製品）外觀平整、無斷裂、無霉斑，抗折力強，產品成色好、烘曬后不褪色，燃點時間足，可燃性好，過鐵齒盤不“斷頭”熄火，有利於蚊香有效成份的揮散率的提高及可減少成品在烘乾過程中的損失，同時，可大大減輕工人的勞動強度、提高工作效率。此外，本品對環境無污染，可滿足綠色環保方面對產品的要求。

經濟效益：使用本品可減少原料成本5—12%,節約能耗20—30%。

陽離子聚丙烯醯胺（CPAM）產品特性：陽離子聚丙烯醯胺（CPAM）外觀為白色粉粒，離子度從20%到55%水溶解性好，能以任意比例溶解於水且不溶於有機溶劑。呈高聚合物電解質的特性，適用於帶陰電荷及富含有機物的廢水處理。適用於染色、造紙、食品、建築、冶金、選礦、煤粉、油田、水產加工與發酵等行業有機膠體含量較高的廢水處理，特別適用於城市污水、城市污泥、造紙污泥及其它工業污泥的脫水處理。

用途

1)用於污泥脫水根據污泥性質可選用本品的相應型號，可有效在污泥進入壓濾之前進行污泥脫水，脫水時，產生絮團大，不粘濾布，壓濾時不散，流泥餅較厚，脫水效率高，泥餅含水率在80%以下。

2)用於生活污水和有機廢水的處理，本品在配性或鹼性介質中均呈現陽電性，這樣對污水中懸浮顆粒帶陰電荷的污水進行絮凝沉澱，澄清很有效。如生產糧食酒精廢水，造紙廢水，城市污水處理廠的廢水，啤酒廢水，味精廠廢水，製糖廢水，有機含量高 廢水、飼料廢水，紡織印染廢水等，用陽離子聚丙烯醯胺要比用陰離子、非離子聚丙烯醯胺或無機鹽類效果要高數倍或數十倍，因為這類廢水普遍帶陰電荷。

3)用於以江河水作水源的自來水的處理絮凝劑，用量少，效果好，成本低，特別是和無機絮凝劑複合使用效果更好，它將成為治長江、黃河及其它流域的自來水廠的高效絮凝劑。

4)造紙用增強劑及其它助劑。提高填料、顏料等存留率、紙張的強度。

5)用於油田經學助劑，如粘土防膨劑，油田酸化用稠化劑。

6)用於紡織上漿劑、漿液性能穩定、落漿少、織物斷頭率低、布面光潔。

當前水溶性高分子的研究和開發主要集中在以下幾方面：

①不斷解決生產中提出的新問題

② 開發環境友好的合成聚合物

③ 根據性能要求設計聚合物

④ 發現和評價不同聚合物之間的協同效應和相互影響

⑤ 遵守環境保護規定生產聚合物

⑥ 開發提供新的應用領域

人們對高聚物的亞濃溶液和凝膠給予了較大的關注。在這樣的體系中，人們認為較強的分子間作用力將會使高分子從溶液中沉澱出來，但事實上，在生物高分子和疏水締合高分子中，都存在著較強的分子間或分子內締合作用，但高分子溶液都十分穩定，並具有特殊流變性能。這給高分子科學帶來十分有趣的課題。儘管這些研究剛開始，締合作用的機理尚不十分清楚，但由於這類高聚物的重要性，人們熱衷於從合成和表徵的方法去探索。隨著現代分子技術，特別是光譜技術的發展，已經有可能去研究分子間的相互作用力。