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水溶性高分子材料及其应用

水溶性高分子材料及其应用

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ScienceandTechnOIOgyInnovationHerald

水溶性高分子材料及其应用

房存金

（商丘职业技术学院河南商丘476000）

研究报告

摘要:

水溶性高分子化合物是当今最受重视的聚合物之一,不管在生产上还是应用上,都处在迅速发展的阶段.在世界范围内受到

越来越高的重视,因为它对能源生产,环境保护,循环经济等都有重要作用.本文简要论述了水溶性高分子聚合物的分类,功能和应用,以及

研究发展现状.

关键词:

水溶性高分子发展应用

中图分类号:

To.1文献标识码:

A文章编号:

1674-098X（20o9）07（c）一0oo8—02

1水溶性高分子的概念和分类

水溶性高分子化合物又称为水溶性树

脂或水溶性聚合物.通常所说的水溶性高

分子是一种强亲水性的高分子材料,能溶

解或溶胀于水中形成水溶液或分散体系".

在水溶性聚合物的分子结构中含有大量的

亲水基团.亲水基团通常可分为三类:

①

阳离子基团,如叔胺基,季胺基等;②阴离

子基团,如羧酸基,磺酸基,磷酸基,硫酸基

等;③极性非离子基团,如羟基,醚基,胺

基,酰胺基等.

水溶性高分子按来源通常分为三大类:

（一）天然水溶性高分子.以天然动植物为

原料提取而得.如淀粉类,纤维素,植物胶,

动物胶等.

（二）化学改性天然聚合物.主要

有改性淀粉和改性纤维素.如羧甲基淀粉,

醋酸淀粉,羟甲基纤维素,羧甲基纤维素

等.（三）合成聚合物.有聚合类树脂和缩合

类树脂两类,如聚丙烯酰胺（PAM）,水解聚

丙烯酰胺（HPAM））,聚乙烯吡咯烷酮（PVP）

等.按大分子链连接的水化基团分为[2]:

非

离子型和离子型.按荷电性质分为:

非离

子,阳离子,阴离子和两性离子高分子,其

中后三类为聚电解质.按基团间是否存在

较强的非共价键联结又分为缔合聚合物和

非缔合聚合物.

2水溶性高分子的功能和应用

2.1功能

水溶性聚合物中的亲水基团不仅使其

具有水溶性,而且还具有化学反应功能,以

及分散,絮凝,增粘,减阻,粘合,成膜,成

胶,螯合等多种物理功能.水溶性高分子材

料的几种主要功能是:

①水溶性,水是最廉

价的溶剂,来源广,无污染.水溶性高分子

之所以溶于水,是因为在水分子与聚合物

的极性侧基之间形成了氢键.水溶性高分

子的溶解具有一个重要的条件,即溶质和

溶剂的溶度参数必须相近,但这仅为溶解

的必要条件而非充分条件,还需考虑高分

子的结晶结构的影响.②分散作用,由于绝

大多数水溶性高分子都含有亲水基团和一

定数量的疏水基团,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

张力,有助于水对固体的润湿,这对于颜

料,填料,粘土之类的物质在水中的分散特

别有利.此外,许多水溶性高分子可以起到

保护胶体的作用,即通过水溶性高分子的

亲水性,使水一胶体复合体吸附在胶体颗粒

上形成外壳,让其屏蔽起来免受电解质所

引起的絮凝作用,使分散体系保持稳定.③

絮凝作用,水溶性高分子中的极性基团吸

附于水中的固体粒子,使粒子间架桥而形

成大的聚集体.絮凝作用在水处理中有很

重要的应用,由于用量少,见效快,效率高

等优点,已成为目前水溶性高分子材料的

最大用途.④增粘性,作为增粘剂使用是水

溶性高分子的主要用途.增粘性是指水溶

性高分子有使别的水溶液或水分散体的表

观粘度增大的作用.⑤减阻作用,指向流体

中添加少量化学药剂以使流体通过固体表

面的湍流摩擦阻力得以大幅度减小的现

象.在一些情况下,添加少量水溶性高分子

材料,就可以使流动阻力减少50%甚至8O%

以上,这对于工业,交通,国防等领域都有

实际的应用价值.⑥流变性,指物质在外力

作用下流动变形的特性.流变性对水溶性

高分子的应用极其重要,不同水溶性高分

子溶液在不同条件下可以具有各种流变性

质,不同流变性可以满足不同的需要.⑦

悬浮作用,水溶性高分子本身或与其它物

质所形成的水基流体的悬浮性在石油和天

然气的开采及其它行业都具有极其重要的

意义,如涂料悬浮颜料离子,水煤浆的输送

等.

2.2应用

水溶性聚合物由于具有多种多样的品

种和宝贵性能,它与表面活性剂一起,被称

为精细化工的两大支柱,在石油勘探开发,

水处理,造纸,纺织,涂料,食品,日用化工

等领域得到了广泛的应用.

2.2.1在石油勘探开发中的应用:

水

溶性聚合物作为油田化学剂的重要组分,

在钻井,固井,酸化和三次采油中,都起着

十分重要的作用.

①粘土稳定剂:

粘土稳定剂可在钻井

过程中用于抑制地层中普遍存在的粘土矿

物的水化膨胀和分散运移,达到稳定粘土,

保护油气层的目的.水溶性阳离子聚合物

在粘土表面的吸附作用超过中性聚合物和

无机盐,具有永久性吸附的特征.

②用作压裂液添加剂的聚合物:

水力

压裂是油气井增产,水井增注的一项重要

措施.水基压裂液中常用的聚合物添加剂

有:

天然植物胶,纤维素衍生物,聚丙烯酰

胺,聚氧化乙烯及其共聚物等.

③缓蚀剂:

使用缓蚀剂是采油工业中

金属部件和设备防腐最为有效的方法之

一

.水溶性阳离子聚合物可作为酸化时的

缓蚀剂,如阳离子化聚丙烯酰胺.

④驱油剂:

在三次采油过程中,由于水

溶性聚合物能大幅度地改变流度比降低

油藏的非均质程度,因此,聚合物己广泛地

应用于三次采油中,包括聚合物驱,聚合物

胶束驱,APS（碱,聚合物,表面活性剂）三元

复合驱.包括调剖堵水在内的各种提高采

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收率方法中,聚合物驱油是三采技术中的

重要方法之一,它是利用聚合物溶液的高

粘度及残余阻力系数调整吸水剖面,改善

油水流度比,从而达到提高石油采收率的

目的.目前应用于提高采收率的水溶性聚

合物主要有两类:

一类是部分水解聚丙烯

酰胺,另一类是生物聚合物（如黄原胶）.相

对而言,由于前者具有来源广,价格便宜,

溶解性和增粘性好等优点,在提高石油采

收率中的使用比例大大超过生物聚合物,

除非在油藏环境恶劣,如在高温和高矿化

度条件下才用生物聚合物.

2.2.2在水处理中的应用:

水溶性聚合

物具有絮凝作用,是有效的高分子絮凝剂,

其带电部位能中和胶体粒子电荷,破坏胶

体粒子在水中的稳定性,促使其碰撞,通过

高分子长链架桥把许多细小颗粒缠结在一

起,聚集成大粒子,从而加速沉降.其絮凝

和沉降速度快,污泥脱水效率高,对某些废

水的处理有特效.高分子聚电解质的絮凝

能力,比无机絮凝剂如明矾,氯化铁等大数

十倍,而且具有许多无机絮凝剂所没有的

独特性能.高分子电解质絮凝剂[31具有除

浊,脱色的作用,还可除去废水中的病毒,

细菌,微生物,油脂,表面活性剂,农药,含

氮,磷等富营养物以及铅,铬,锡等重金属,

广泛应用于城市污水,石油化工,造纸,医

药,电镀等工业废水处理,在水处理技术中

占有十分重要的地位.聚丙烯酰胺,聚乙烯

亚胺等高分子电解质是常用的高分子絮凝

剂.

2.2.3在造纸工业中的应用:

随着合成

高分子工业的发展,水溶性聚合物作为造

纸助剂【4在造纸工业中的应用日益广泛,并

发挥重要作用.例如,季铵盐化聚丙烯酰

胺,阳离子淀粉等可用作干湿增强剂,以提

高纸张的干湿强度;羟甲基纤维素,阳离子

淀粉是纸张表面的施胶剂,同时亦可增加

填料及增白剂的留着率,阳离子聚丙烯酰

胺可絮凝沉降水中悬浮的微细纤维,具有

絮凝捕集作用,以达到回收纸机排放水中

流失的纤维素和填料及澄清水的目的.

2.2.4纺织工业中的应用:

纺织工业中

大量使用水溶性聚合物.利用其粘结性和

水溶性,可在织布中用作浆料,最广泛应用

的浆料是:

淀粉衍生物,聚丙烯酸类,羟甲

基纤维素等.利用聚电解质的增稠性和分

散性,可在印花中用作粘稠剂和分散剂,如

海藻酸钠,羟甲基纤维素等.季铵盐化的聚

丙烯酰胺可用作精纺防静电整饰剂.

2.2.5涂料工业中的应用:

在涂料工业

中,高分子电解质的粘结,成膜,增稠及分

（下转10页）

i圜{:

.....,......

表1试验机可实现的模式

壤掰说嘲备注

4S.

摇摆角艘±22.5零健井处擎水平挝鼹

馥遵艘O～100次,分（可设定）,默浃速瘦:

模式摇攒豫艘

6o次/分.姆摇摆一次计…1次

90.

擒攘角度±45,零挝外处子承能覆髓用于

试验速度0一一10O次/,5}（时搜定）,默认速度;GB60335,模溅援摇角度

60次/曩},姆摇拦…次计一次.GB4706,

180

鹕撵缃度士9O,零戳处子水平惋鼹

试验速度0～45次/（酵竣东）,默议进度透掰予模式壤摆角度

4o淡/分,姆摇摆一次静…次稠抛O5

测摇摆恕鏖±90攀德处于嫩平能黼

试帮边撂试虢速瞳O

～

457'J（t分（可没窀）默认速度

模横戏摇摆.群j艘40次/分

姆摇摆一.次计次.

我540,从零辍评始旋转剿蹬邂鹬瀣霸鼯艇转摇摇角艘

到韧始位黢540

试验速度O～2S次/分（研没霆）默认逮艘:

惩潮f模式

摇攒氟艘l20次/分,童唾搽摆一个采网为一一个绷辉.'_个l癣嚣9

循环计数一次

摇摆旃度O一18000,敞攀撼开始旋转刘设宠角度聪再

自定义反转到『蜘始位凝

模式试验遴度0--~30黼/玲《设定）l,默认遴艘:

扩腥功能

摇搬燕艘2t1次/分每个凝转为一个衢,卟循环

计数一次

蜗杆减速器3的连轴器4连接夹具支

架,夹具支架包括摇摆架5和夹具6.夹具6

有三种类型,一是安装在在摇摆架5上,夹

具6中心与摇摆架5中心重合,包括两组,共

两个;二是安装在摇摆架5上,夹具6中心高

出摇摆架5中心l50mm,包括一组,共一个;

三是安装在摇摆架5的尾架上,夹具6中心

与摇摆架5中心重合,包括一组,共六个.在

夹具6的下方设有可上下调节高度的档线

装置6l,档线装置6l包括设置在摇摆架5下

的三组防摆架夹块和设置在摇摆架5尾架

下的六组防摆杆.摇摆架5的尾架设有主动

轮7,多个连接夹具的从动轮9和紧张轮8,

主动轮7带动从动轮9驱动夹具转动,紧张

轮8设置在主动轮7和从动轮9之间.

本试验机的伺服电机1采用500W的松

下伺服电机,蜗杆减速器3为Wp80型蜗轮

减速器,摇摆架5为成型铝摇摆架,可方便

安装和更换夹具6.主控制器,伺服电机1,

同步轮2和蜗杆减速器3安装在机架ll内

部,机架11上还设有电源,开始和停止等按

键.使用时将被测样品101夹紧在夹具6上,

对软线施加负载104.本试验机在夹具支架

的一侧设有角度仪51,并在底侧设有六个

研究报告

电源插座52为样品测试提供电源.

3.3控制电路图原理

新型电源线弯曲试验机主控制器为三

菱Fx1s2OMT可编程控制器,伺服电机的伺

服驱动器设有脉冲和方向信号输出端与主

控制器连接,电源供应系统的控制端和感

应端与主控制器连接.控制系统可实现摇

摆角度控制,摇摆速度控制,试验次数计

数,样品通断电信号检测等,试验参数设定

通过三菱F930触摸屏进行,参数通过数据

线与PLC通讯,PLC根据设定的参数进行计

算并转换成伺服电机控制所需的脉冲数

量,脉冲速度等参数通过输出端口发出电

信号控制伺服电机.伺服电机驱动系统为

闭环系统,从PIc接收数字控制指令,伺服

驱动器根据指令驱动电机旋转一个角度,

同时编码器将电机主轴旋转角度信号反馈

给伺服驱动器,驱动器比较两个参数后精

确控制电机主轴的转角及速度.

4新型电源线弯曲试验机可实现的模式

用户通过简单的操作即按照不同标准

要求进行测试.随机附带电源插座及通电检

测装置可实时检测被测样品的供电状态,判

别样品的好坏.具体包括以下模式（见表1）.

5结语

新型电源线弯曲试验机所采用的技术

均为成熟的技术,符合现行的国家标准,

IEC标准和uL标准,使用简单,方便,克服

了传统电源线弯曲试验机的缺陷,具有以

下特点:

试验参数设定范围大,符合国家标

准,IEC标准,UL标准等的检测要求,还可

以自定义弯曲夹角和弯曲速度.设备调节

方便,设备参数调节无需专业人员,带自动

报警与断电停机功能,防止设备或被测样

品损坏.采用优化结构的夹具,测试角度大

于180.时不存在绞线问题.设备采用闭环

系统控制,长时间运行不移位,定位精确.

（上接8页）

散等性质得到应用.例如,离子型水溶性环

氧树脂,离子型顺酐化聚丁二烯树脂是优

良的电泳涂料,具有优良的耐水性能和颜

料分散性能,易交联成膜;阳离子型水溶性

聚氯树脂是性能优良的成膜物质.

此外,水溶性聚合物在食品工业,医药

工业,化妆品等领域都有着广泛应用.

3水溶性高分子的国内现状及研究发展

我国水溶性高分子化合物已经有一定

规模【5】,天然水溶性高分子聚合物的生产和

应用具有悠久的历史.淀粉,阿拉伯胶,藻

蛋白酸钠,骨粉,明胶,干酪素,等早以在造

纸,食品,粘和剂等中应用.半合成产品如

淀粉衍生物,羧甲基纤维素,甲基纤维素,

乙基纤维素,羟乙基纤维素等,在不断推广

应用.合成产品如聚丙烯酰胺,聚丙烯酸,

聚乙烯吡咯烷酮,聚乙烯醇,聚马来酸酐,

聚季胺盐,聚乙二醇等,生产规模也在逐年

增大.同时一些新的品种也不断的被试制

出来.近年人们把水溶性高分子作为精细

化工的骨干产品之一,越来越受到重视.他

的应用范围几乎涉及到人们生产生活的所

有领域.

可以说水溶性高分子物质是当今社会

最重要的聚合物之一,无论在生产还是应

用上都处在迅速发展阶段,如现代的食品

工业已经依赖于纤维素产品,亲水胶,改性

食用淀粉和果胶等相互配套的水溶性高分

子.大量的开发和研究都致力于脂肪代用

品.当前水溶性高分子的研究和开发主要

集中在以下几方面:

①不断解决生产中提出的新问题

②开发环境友好的合成聚合物

③根据性能要求设计聚合物

④发现和评价不同聚合物之间的协同

效应和相互影响

⑤遵守环境保护规定生产聚合物

⑥开发提供新的应用领域

近年来人们对高聚物的亚浓溶液和凝

胶给予了较大的关注.在这样的体系中,人

们认为较强的分子间作用力将会使高分子

从溶液中沉淀出来,但事实上,在生物高分

子和疏水缔合高分子中,都存在着较强的

分子间或分子内缔合作用,但高分子溶液

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都十分稳定,并具有特殊流变性能.这给高

分子科学带来十分有趣的课题.尽管这些

研究刚开始,缔合作用的机理尚不十分清

楚,但由于这类高聚物的重要性,人们热衷

于从合成和表征的方法去探索.随着现代

分子技术,特别是光谱技术的发展,已经有

可能去研究分子问的相互作用力.

参考文献

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化学工业出版社,l998.

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1996.

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化

学工业出版社,1987.

[4】《化工百科全书》编译委员会fM】.北京:

化学工业出版社,1994.

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究与应用进展[J】.精细石油化工进展,

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