聚丙烯酰胺的合成及在造纸中的应用Word文件下载.docx

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SynthesisandApplicationofPolyacrylamideinPapermaking

Xxxx

ChemicalEngineeringofChemicalEngineeringInstitute

NO.401301XXXX

Abstract:

Thispaperintroducesthesynthesistechniquesofpolyacrylamide,comparingtheadvantagesanddisadvantagesofvarioussyntheticmethodsofpolyacrylamide,andputforwardanewmethodandnewtechnologyofsynthesizingpolyacrylamideaswellaspolymerinpaper’sapplicationandprospectofstrengthleave,filter,fiberdispersionandwastewatertreatmentetc.,puttingforwardproposalsoffurtherdevelopment.

Keywords:

polyacrylamide;

synthesis;

application

1综述

聚丙烯酰胺是由丙烯酰胺（AM）单体经自由基引发聚合而成的水溶性线性高分子聚合物，不溶于大多数有机溶剂，具有良好的絮凝性，可以降低液体之间的摩擦阻力，按离子特性分可分为非离子、阴离子、阳离子和两性型四种类型。

1.1聚丙烯酰胺的物理性质

聚丙烯酰胺为白色粉末或者小颗粒状物，密度为1.32g/cm3（23℃），玻璃化温度为188℃，软化温度近于210℃。

一般方法干燥时含有少量的水，干时又会很快从环境中吸取水分；

用冷冻干燥法分离的均聚物是白色松软的非结晶固体，但是当从溶液中沉淀并干燥后则为玻璃状部分透明的固体；

完全干燥的聚丙烯酰胺PAM是脆性的白色固体。

商品聚丙烯酰胺干燥通常是在适度的条件下干燥的，一般含水量为百分之五至百分之十五，浇铸在玻璃板上制备的高分子膜，则是透明、坚硬、易碎的固体。

1.2聚丙烯酰胺的特性及其作用原理

1.2.1絮凝性

PAM用于絮凝时，与被絮凝物种类表面性质，特别是动电位、粘度、浊度及悬浮液的pH值有关，颗粒表面的动电位，是颗粒阻聚的原因。

加入表面电荷相反的PAM，能使动电位降低而凝聚。

1.2.2粘合性

能通过机械的、物理的、化学的作用，起粘合作用。

主要是由于PAM分子上的极性基团颗粒的各种吸附作用。

1.2.3降阻性

PAM能有效地降低流体的摩擦阻力，水中加入微量PAM就能降阻50~80%。

1.2.4增稠性

PAM在中性和酸条件下均有增稠作用，当PH值在10以上PAM易水解。

呈半网状结构时，增稠将更明显。

PAM分子链与分散相通过种种机械、物理、化学等作用，将分散相牵连在一起，形成网状，具有增强作用。

1.3聚丙烯酰胺的应用

1.3.1聚丙烯酰胺在造纸领域的应用

PAM在造纸领域中广泛用作助留剂、助滤剂、均度剂等。

它的作用是能够提高纸张的质量，提高浆料脱水性能，提高细小纤维及填料的留着率，减少原材料的消耗以及对环境的污染等。

PAM在造纸中使用的效果取决于其平均分子量、离子性质、离子强度及其它共聚物的活性。

非离子型PAM主要用于提高纸浆的滤性，增加干纸强度，提高纤维及填料的留着率；

阴离子型共聚物主要用作纸张的干湿增强剂和驻留剂；

阳离子型共聚物主要用于造纸废水处理和助滤作用，另外对于提高填料的留着率也有较好的效果。

此外，PAM还应用于造纸废水处理和纤维回收。

1.3.2聚丙烯酰胺在其他领域的应用

1.3.2.1水处理领域

PAM在水处理工业中的应用主要包括原水处理、污水处理和工业水处理3个方面。

在原水处理中，PAM与活性炭等配合使用，可用于生活水中悬浮颗粒的凝聚和澄清；

在污水处理中。

PAM可用于污泥脱水；

在工业水处理中，PAM主要用作配方药剂。

在污水处理中，采用PAM可以增加水回用循环的使用率。

1.3.2.2石油采油领域

在石油开采中，PAM主要用于钻井泥浆材料以及提高采油率等方面，广泛应用于钻井、完井、固井、压裂、强化采油等油田开采作业中，具有增粘、降滤失、流变调节、胶凝、分流、剖面调整等功能。

1.3.2.3纺织领域

在纺织工业中，PAM作为织物后处理的上浆剂、整理剂，可以生成柔顺、防皱、耐霉菌的保护层。

同时还能减少断线率、防止织物的静电；

用作印染助剂时，PAM可使产品附着牢度大、鲜艳度高，还可以作为漂白的非硅高分子稳定剂。

1.4聚丙烯酰胺的发展趋势

尽管全球聚丙烯酰胺市场在2009年受金融危机的影响呈现衰退迹象，但2011年今后将逐渐回暖，到2015年，市场规模将达到25.1亿美元。

市场发展的主要动力来自于下游行业的复苏、行业环保政策要求与产品相关的技术服务带来的利润以及新兴市场的快速成长等。

2012年，我国聚丙烯酰胺的主要应用领域为石油开采、水处理、造纸、高吸水性树脂、冶金和洗煤等。

其消费结构为：

油田开采占81%，水处理占9%，造纸占5%，矿山占2%，其他占3%。

石油开采是目前我国聚丙烯酰胺最大的消费领域，其消费量占国内总消费量的81%。

水处理是我国聚丙烯酰胺的第二大消费领域，我国城市污水处理率不足30%，工业水的重复利用率为60%，工业废水处理率为77%，与发达国家相比差距很大。

聚丙烯酰胺作为絮凝剂在我国城市水处理以及化工、冶金、造纸、印染、制糖、味精、煤炭、建材等行业的废水处理的用量将不断增加，在高吸水性树脂、水泥增强剂、粘合剂、皮革复鞣剂等领域也将得到大量应用。

预计，2012～2018年，聚丙烯酰胺在石油开采、采矿、造纸及水处理四大应用领域的市场将以7.2%的年均复合增长率持续增长。

1.5主要内容

介绍聚丙烯酰胺合成技术现状，对比了各种聚丙烯酰胺合成方法的优缺点，并提出了合成聚丙烯酰胺的新方法和新技术以及在造纸增强、助留、助滤、纤维分散和废水处理等方面的应用及前景，并提出进一步发展的建议。

2聚丙烯酰胺的合成

聚丙烯酰胺（PAM）是丙烯酰胺（AM）均聚或与其他单体共聚而成的质量分数为50%以上的线型水溶性高分子化学品的总称。

由于其结构单元中含有酰胺基，易形成氢键，所以具有良好的水溶性，广泛应用于石油、金属及化学矿山开采、水处理、纺织、造纸等行业[1~3]。

PAM系列产品可分为非离子型（NPAM）、阳离子型（CPAM）、阴离子型（APAM）和两性四大类。

相对分子质量大小是PAM主要性能指标之一。

PAM一般由自由基引发聚合合成，主要有本体法、水溶液法、乳液法和悬浮法等合成方法。

根据聚合是否加入其他单体，又可分为均聚和共聚物两种，PAM产品形态有水溶液、乳剂和粉剂等。

2.1水溶液聚合法

水溶液聚合法是将单体AM和引发剂溶解在水中的聚合反应，是目前应用较广泛和成熟的技术。

所得PAM产品有胶状和粉状两种，其胶体采用质量分数为8%~10%或20%~30%AM的水溶液在引发剂作用下直接聚合而得，产物经脱水干燥后可得粉状产品。

产物相对分子质量为7万~700万。

该法优点为安全、工艺设备简单、环境污染小，缺点是产物固含量低，仅为8%~15%，且易发生酰亚胺化反应，生成凝胶。

在PAM的水溶液聚合中，引发剂在很大程度上决定了聚合反应后得到产物的相对分子质量、产率，因而新型引发体系的开发是AM水溶液聚合研究的关键。

蔡开勇等人[4]研究了过硫酸钾—胺体系、过硫酸钾—连二硫酸钠体系、有机过氧化物、溴酸盐或氯酸盐、金属离子等五类氧化还原引发体系对合成PAM相对分子质量的影响，发现过硫酸钾-连二硫酸钠体系是合成高相对分子质量PAM的有效引发体系。

吴挡兰等人[5]采用复合氧化还原引发体系，得到相对分子质量为3.05×

106的PAM。

穆志坚[6]采用过硫酸钾-氮三丙酰胺引发体系，在最佳工艺条件下，得到相对分子质量为6.2×

105的PAM，转化率为98.94%。

张宝军等人[7]开发出一种新型氧化还原引发体系，以AM和丙烯酸钠为单体，进行水溶液自由基共聚合反应，合成了相对分子质量高达1.8×

107，过滤比为1.24的超高相对分子质量PAM。

双官能度引发聚合是自由基聚合[8]中一个很活跃的研究领域，它直接影响聚合速率和聚合物性能，包括端基性能、相对分子质量大小、结构[9]等。

Shah和Smet首次提出自由基“逐步聚合”概念，指出双官能度引发剂能够用于自由基均聚制备超高相对分子质量聚合物[10~11]。

日本江畸厚等人使用双官能度过氧化物Luperox与NaHSO3及Fe2+组成的氧化还原引发体系引发AM溶液聚合，制备了高相对分子质量的PAM[12]。

黄利铭等人[13]以双官能度氧化还原引发体系为主，配合偶氮化合物引发剂组成新型复合引发体系，在低温下采用均相水溶液聚合法引发AM均聚，制备相对分子质量高达2000万的PAM。

西南石油学院的胡星琪研究小组开发了一种新型的基于后过渡金属和亚硫酸氢钠的AM水溶液聚合用引发体系，该体系的特点是不需要氮气保护，在常温不搅拌的情况下即可引发AM的水溶液聚合反应，且反应过程平稳可控，不易发生爆聚，可得到相对分子质量在100万~500万的PAM，产率化学推进剂与高分子材料最高可达100%[14]。

已研发出的体系有氯化铜-亚硫酸氢钠、硫酸铜—亚硫酸氢钠、醋酸锌—亚硫酸氢钠、硫酸锰—亚硫酸氢钠、氯化钴-亚硫酸氢钠、氯化镍—亚硫酸氢钠和硫酸亚铁—亚硫酸氢钠等。

吴日韦等人[15]以铜络离子为引发剂，采用均聚共水解法合成带有支链的部分水解聚丙烯酰胺（HPAM）。

实验合成了水解度为10%~30%、黏均相对分子质量（Mη）为8.0×

106的聚合物；

同时发现增大铜络离子及链转移剂甲酸钠的浓度将会降低聚合物Mη，加入适量氨可提高聚合物Mη。

张秀莉[16]首次采用含季胺基化合物单体与过硫酸铵配合作为引发体系合成AM，发现这种新引发体系合成的PAM在产物增稠和耐盐性方面有较好的改善。

2.2乳液聚合法

乳液聚合包括反相乳液聚合和正相乳液聚合。

反相乳液聚合是以非极性液体如烃类溶剂为连续相（油相），单体溶于水，水为分散相（水相），借助于具有低表面活性剂的亲水亲油平衡值（HLB）的油包水型乳化剂将分散相（水相）分散于非极性液体（油相）中，形成W/O型乳液进行聚合。

而正相乳液聚合正好与之相反。

反相乳液聚合具有聚合速率快、产物相对分子质量高、相对分子质量分布窄、散热容易、产品性能好等优点。

该聚合体系至少由水溶性单体、水、有机溶剂、W/O型乳化剂、引发剂5部分组成。

其中乳化剂的选择对PAM产品性能影响较大，因此乳液聚合技术的发展有赖于新型乳化剂的研究和新的乳化配方的出现。

孟昆等人[17]采用反相乳液聚合方法制备阴离子型PAM絮凝剂，选用Span80乳化剂，亚硫酸氢钠、过氧化物为氧化-还原引发体系，应用均匀设计研究引发剂、乳化剂用量等因素对产物特性黏数的影响，得到特性黏数为12.07dL/g的产物。

P.Alexander等人[18]研究了用季戊四醇肉豆寇酸盐作乳化剂、油溶性偶氮类化合物作引发剂的AM聚合反应，考察了其他因素对重均相对分子