聚丙烯酰胺綜合指南：「全行業添加劑」的驚人秘密和廣泛應用
一、什麼是聚丙烯醯胺？
聚丙烯醯胺（PAM），化學上是指由丙烯醯胺（AM）單體經自由基引發聚合而成的水溶性線性聚合物，分子式為(C₃H₅NO)n。它在室溫下呈現堅硬的玻璃狀固體，但在實際應用中，我們經常看到它以膠體液體、乳膠、白色粉末、半透明珠粒和薄片等形態存在。
聚丙烯醯胺有兩個重要的結構參數：分子量和離子性。根據分子量，聚丙烯醯胺可分為低分子量、中分子量、高分子量和超高分子量。根據離子性，即在水溶液中的電離特性，聚丙烯醯胺可分為非離子型、陰離子型、陽離子型和兩性離子型。不同類型的聚丙烯酰胺由於結構差異而表現出不同的性能，從而適應不同的應用場景。
二、聚丙烯醯胺的特性
（一）獨特的物理性質
溶解性：它能以任意比例溶於水，形成均勻透明的水溶液。這項特性使其在許多需要與水混合的場合極為便捷。然而，長期儲存後，由於聚合物緩慢降解，溶液黏度會降低，尤其是在儲存和運輸條件較差的情況下。
黏度：聚丙烯醯胺水溶液的黏度與濃度密切相關，濃度越高，黏度越高。且相同濃度下，分子量越大的聚丙烯醯胺溶液黏度相對較高。同時，溶液的pH值也會影響黏度。在高pH值的溶液中，由於水解作用，分子中生成羧酸根陰離子，分子鏈因靜電斥力而伸長，從而使溶液黏度增加。
絮凝：高分子量聚丙烯醯胺具有優異的絮凝性能。其分子鏈能夠在吸附顆粒之間巧妙地形成橋連結構，將數個甚至數十個顆粒連接在一起，促進絮凝體的快速形成，大大加快顆粒的沉降速度。分子鏈上攜帶的電荷可以對顆粒產生靜電吸引力，分子的長度提供了良好的吸附性能以及以氫鍵結合的結合位點。這些因素共同作用，進一步優化了絮凝效果。
（二）豐富的化學性質
水解反應：聚丙烯醯胺經由醯胺基的水解，轉化為含有羧基的聚合物，產物稱為部分水解聚丙烯醯胺。在酸性條件下，雖然酸能促進水解反應，但其速度比鹼性水解慢得多，通常需要較高的溫度。
羥甲基化反應：與甲醛反應生成羥甲基化聚丙烯醯胺。此反應在酸性和鹼性條件下均可進行，但在鹼性條件下反應速度較快。在酸性條件下，由於甲醛多以鏈狀存在，有效濃度降低，導致反應速度較慢。
磺甲基化反應：此反應在鹼性條件下進行，有兩種加料方式。一種是聚丙烯醯胺在鹼性條件下直接與亞硫酸氫鈉和甲醛反應，生成陰離子衍生物－磺甲基化聚丙烯醯胺；另一種是先將亞硫酸氫鈉加入磺甲基化聚丙烯醯胺溶液中，再進行二次反應得到磺甲基化聚丙烯醯胺。此反應對pH值極為敏感，在70℃下，pH值小於10時反應非常緩慢；當pH值大於10時，反應速率明顯加快。
氨甲基化反應：又稱Mannich反應，聚丙烯醯胺、二甲胺和甲醛經由此反應生成二甲胺-N-甲基丙烯基鄰苯二胺的聚合物。這是製備陽離子聚丙烯醯胺的常用方法，所得產物由於分子鏈上帶有活性基團側鏈，用作絮凝劑可提高廢水的澄清率。
霍夫曼降解反應：聚丙烯醯胺在鹼性條件下與次鹵酸鹽如次氯酸鈉或次溴酸鈉反應，生成陽離子聚乙烯胺。
交聯反應：聚丙烯醯胺水溶液在酸性條件下加熱可形成不溶性的交聯聚丙烯醯胺凝膠。此外，它還能與乙二醛、脲醛樹脂、三聚氰胺樹脂、酚醛樹脂等發生交聯反應。水解後的聚丙烯醯胺及丙烯醯胺共聚物水溶液也能與高價金屬離子如鋁鹽、鉻鹽、鋯鹽、錳鹽、鈦鹽等產生的多核羥基橋連離子產生交聯反應，形成凝膠。
三、聚丙烯醯胺的製備方法
（一）水溶液聚合
這是生產聚丙烯醯胺最古老的方法，具有生產安全、經濟等優點，是聚丙烯醯胺的重要生產路線。透過改變引發劑體系、介質pH值、添加劑種類及用量、溶劑、聚合溫度等反應條件，可以探討其對聚合反應特性及產物性能的影響。但由於以水為溶劑，系統中雜質含量低，單體在水溶液中的鏈轉移常數低，且受製程條件限制，導致聚合產物在水溶液中的固含量低，易發生亞胺化反應形成凝膠，難以獲得高相對分子量的聚丙烯醯胺。
(二)沉澱聚合
當生成的聚合物無法溶於丙酮、乙醇等溶劑時，隨著反應的進行，聚合物會不斷從溶液中析出，這種聚合方法因此而得名。以此方法製備的聚丙烯醯胺分子量較高，且均勻性佳。
（三）分散聚合
分散聚合屬於自由基聚合，動力學行為與本體聚合相似，可視為一種特殊的沉澱聚合。其原理是將單體分散到水中，形成一定濃度的水溶液，然後加入引髮劑進行聚合。聚合過程中，預聚的單體和引發劑溶於反應介質中，形成均相繫統；生成的聚合物因不易溶於反應介質而發生沉澱，沉澱的聚合物相互聚集，並在穩定劑的作用下，以細小顆粒的形式穩定地懸浮在反應溶液中，形成非均相分散體。此分散聚合體系固含量高、黏度低，具有良好的剪切穩定性。
四、聚丙烯醯胺的應用領域
（一）水處理領域
原水處理：在原水處理過程中，聚丙烯醯胺與活性碳等物質搭配使用，對生活水中的懸浮顆粒進行混凝澄清。與無機絮凝劑相比，使用有機絮凝劑聚丙烯醯胺，即使不改造沉澱池，也能提高淨水能力20%以上。
廢水處理：聚丙烯醯胺在廢水處理中扮演重要角色。它不僅可以提高中水回用率，還可以用作污泥脫水劑。此外，與無機絮凝劑複配使用，可顯著改善水質，降低絮凝劑用量。同時，聚丙烯醯胺形成的絮凝體強度高，沉降性能好，可有效提高固液分離速度，促進污泥脫水。
工業水處理：在工業水處理中，聚丙烯醯胺是一種重要的配方劑。它的使用可以大幅減少無機絮凝劑的投加量，避免無機物質在設備表面的沉積，從而減緩設備的腐蝕和結垢。據悉，全球聚丙烯酰胺總產量的37%用於廢水處理，其在水處理領域的重要性不言而喻。
（二）採油領域
聚丙烯醯胺是一種用途廣泛的油田化學處理劑，廣泛應用於鑽井、固井、完井、修井、壓裂、酸化、注水、堵水調剖、三次採油等採油作業，尤其在鑽井、堵水調剖和三次採油中效果顯著。其水溶液黏度高，具有優異的增稠、絮凝及流變調節作用。在採油中後期，為提高採收率，我國主要推廣聚合物驅和三元複合驅（ASP）技術。透過注入聚丙烯醯胺水溶液，可以改善油水流速比，提高采出液的含油率。在三次採油中添加聚丙烯醯胺，可增強驅油能力，防止油層突破，進而提高油藏的採收率。我國石油業是聚丙烯醯胺的最大用戶。
（三）造紙領域
在造紙領域，聚丙烯醯胺被廣泛用作助留劑、助濾劑和勻漿劑，可以改善紙張質量，增強紙漿的脫水性能，提高細小纖維和填料的保留率，減少原料的消耗和環境污染。作為分散劑，它還可以提高紙張的勻漿性。具體來說，聚丙烯醯胺在造紙工業的應用主要體現在兩個面向：一是提高填料、顏料等的保留率，減少原料的損耗和環境污染；二是增強紙張的強度，包括乾強度和濕強度。同時，使用聚丙烯醯胺還可以提高紙張的抗撕裂性和孔隙率，增強紙張的視覺和印刷性能，在食品和茶葉包裝紙中也有應用。
（四）其他領域
紡織業：聚丙烯醯胺可作為紡織上漿劑，上漿性能穩定，漿料損耗少，可有效降低織物的斷頭率，使織物表面光滑。
醫用材料：聚丙烯醯胺凝膠可用於製造非凝血酶原造粒劑、外科耗材、隱形眼鏡的原料、微膠囊的外包衣材料等，還可製成高品質的止血塞、婦女衛生棉、嬰兒尿布等。適當粒徑的聚丙烯醯胺可作為層析填料，用於蛋白質等物質的分離、脫鹽、濃縮等。
食品工業：在甘蔗糖、甜菜糖生產中，聚丙烯醯胺可用於果汁澄清和糖漿浮選萃取。也用於酵素製劑發酵液的絮凝澄清及飼料蛋白質的回收，且回收的蛋白粉對雞的存活率、增重、產蛋量無不良影響。
建築業：聚丙烯醯胺可起到土木工程灌漿材料的堵水作用，建材業水泥品質改良，建築膠合劑，接縫修補，堵水劑等作用。
土壤改良：聚丙烯醯胺可以提高土壤抵抗風蝕、水蝕的能力，在土壤改良上有一定的應用價值。此外，它也用於嬰兒紙尿褲中的吸水材料。