聚丙烯酰胺是重要的精细化工产品。在国民经济的各个领域中有着广泛的用途。本文对聚丙烯酰胺的合成和应用作一简单概述。
一、合成
聚丙烯酰胺由丙烯酰胺单体经聚合反应得到。聚合方法可采用水溶液聚合、反相乳液聚合、反相悬浮聚合等。聚丙烯酰胺有非离子型、阳离子型、阴离子型和两性离子型之分。按其分子量大小可划分为低分子量、中分子量和高分子量等各级。产品有固体粉末、含水胶体及胶乳等形式。
聚丙烯酰胺的合成受诸多因素的影响。现着重讨论以下几个方面：
1、单体
工业丙烯酰胺主要由丙烯腈水解得到。将丙烯腈与水在骨架铜催化剂作用下进行反应，经精制即可得丙烯酰胺。与硫酸法相比，骨架铜法工艺成熟、过程短、设备简单、腐蚀性小，未水解的丙烯腈经闪蒸回收后可循环使用，得到的丙烯酰胺水溶液可直接用于聚合，是目前主要的工业方法。丙烯腈水溶液在固定化酶催化下水解成丙烯酰胺水溶液的微生物法也开始得到应用。
丙烯酰胺单体的浓度对聚合反应及聚合物的性能有着密切的关系。为了制得纯度较高的丙烯酰胺，丙烯腈需要经蒸馏，以减少水解原料中杂质含量，反应温度控制在105℃以下。采用闪蒸法浓缩丙烯酰胺水溶液，以免长时间的蒸馏。水解得到的丙烯酰胺水溶液用强阴离子、强阳离子混合离子交换柱除去无机离子，采用不锈钢设备以降低水溶液中的铁离子含量。水溶液聚合中，丙烯酰胺浓度不宜过高，浓度超过10-15%，聚合时易发生亚酰胺化反应，使产物难溶或不溶，浓度高于35%，聚合反应可能在两相体系中进行，一般控制浓度不超过30℃。
2、引发剂
制备聚丙烯酰胺除了可用辐射引发、光引发外，通常采用引发剂引发聚合。常用引发剂有过硫酸钾、过硫酸铵、特丁基过氧化氢、过氧化苯甲酰等。为了降低引发剂的活化能、缩短诱导期，还可采用氧化还原引发体系，使聚合在常温或室温下进行。如过硫酸盐一亚硫酸氢钠、过硫酸盐一胺类、高价金属盐等。我们曾采用过过硫酸钾一脲体系，有很好的引发效果。
用偶氮化合物作引发剂，聚合时产物不发生链转移反应。其中水溶性偶氮化合物，例如偶氮二（氰基戊酸）、偶氮二（二亚甲基异丁眯）氯化物等，特别引起人们的兴趣。在聚合反应后期补加偶氮化合物引发剂可以提高聚合转化率，降低残留单体量。
3、pH值
介质pH值会影响聚合物的结构与性能。酸性介质中聚合易伴生分子内和分子间的亚酰胺化反应，形成支链或交联高聚物。而在碱性介质中单体或聚合物分子上的酰胺基会发生水解反应，使均聚物变成含有丙烯酸链节的共聚物。用过硫酸钾一亚硫酸氢钠体系引发时，聚合速度在pH=6.7处出现峰值。
4、聚合温度
温度升高会加速引发剂的分解，从而加快聚合速度。温度升高还会增加链终止速度，使分子量降低。对已确定的聚合体系，应选择
较佳的聚合温度。
5、分子量调节
低分子量的聚丙烯酰胺阻垢作用显著，而高分子量者却丧失阻垢作用，采用控制引发剂用量和加调聚剂如异丙醇可合成出低分子量产品。添加某些无机、有机盐类。由于有些金属离子能与酰胺基发生络合，使x一碳原子上电子云密度增加，自由基活性增加。聚合速度增加，聚合物分子量降低。或者在反应体系内连续通入压缩空气，调节微气泡直径大小和反应温度，可制得不同分子量的低分子量聚丙烯酰胺。
6、聚合方法
目前聚丙烯酰胺的合成多采用水溶液聚合。溶剂有利于聚合热的导出。可采用连续的管道聚合方法，亦可采用分步聚合方法，即在反应釜中使聚合体系达到一定粘度后，再灌入塑料管或塑料袋中，在流动的水浴中继续聚合。得到的胶块可直接使用，也可在捏合机中加工破碎，同时加入变性淀粉作隔离剂，加入氨水等作为添加剂改善溶解溶能。经干燥、粉碎得粉状产品。水溶液聚合生产成本低，但投资较大，且产品中凝胶含量很高、溶解性差。
用反相乳液聚合制备聚丙烯酰胺胶乳，反应速度快、分子量高、体系粘度小、反应过程中传热快、操作易控制。胶乳产品聚合物含量高、粘度低、速溶、受到人们的注目。特别适用于直接使用乳液的场合。反相乳液聚合在油包水（w/o）乳液体系中进行。水溶性单体丙烯酰胺为内相，油相如芳香族或脂肪族化合物等为外相。常用非离子型的油包水乳化剂。我们曾用叔丁基过氧化氢一亚硫酸氢钠引发体系、正庚烷、石腊油、甲苯作连续相，司本60、司本20、气溶胶OT作乳化剂，进行反相乳液聚合的研究。得到稳定性较好的胶乳。胶乳的稳定性取决于乳化剂的种类、用量、两相比、搅拌速度以及容器器壁的性质等。必要时还可以加入助剂如异丙醇等。为了提高胶乳的水溶性，在聚合前、后加入水溶性表面活性剂，使胶乳溶于水时发生转相，提高溶解速度。
用反相悬浮聚合制得珠状聚合物。粒径取决于搅拌、分散剂种类和用量以及两相比。单体浓度约50%。连续相采用芳烃、环烷烃和饱和脂肪烃。两相比为3-1。无机分散剂如滑石粉、硅藻土；有机分散剂如司本类等。用量为单体的1%以下。用量大时粒径小，必要时加入增稠剂如改性纤维素，以调整两相粘度，提高粒子的悬浮稳定性。
二、应用
聚丙烯酰胺为水溶性聚合物中应用较为广泛的品种之一。主要应用于石油开采、冶金选矿、造纸纺织、食品加工、建材、水处理等方面。仅以石油工业为例，聚丙烯酰胺可用作钻井泥浆处理剂、二、三次采油驱油剂、油井酸化压裂液、堵水剂、水处理剂。
1、增稠剂
（1）油井压裂液
将聚丙烯酰胺配成0.01-4%浓度的水溶液，压入井下地层，使地层断裂。聚丙烯酰胺水溶液不仅具有增稠携砂、降低压裂液流失的作用，而且还有降阻作用，因而能使压力的传递损失下降。
（2）聚合物驱油
在注水采油工艺中，由于水的粘度低，有可能穿透油层，形成直径驱油，使油井中采出的石油含有大量的水。若注入0.05%聚丙烯酰胺水溶液，即可克服此弊病，且对油层的粘度和流动性无影响。使用聚丙烯酰胺可使采油量提高50-100%。
（3）纺织印染助剂
在用浆料转移法生产粘合衬布时，添加1%左右的聚丙烯酰胺水溶液于热熔胶浆料中，使浆料粘度增加，保持适当均匀的流动性。聚丙烯酰胺也可以在转移印花上做增稠剂使用。
2、絮凝剂
（1）水处理
即使是浑浊的黄河水，加入10ppm的高分子量聚丙烯酰胺便可以很快得到澄清。在我国聚丙烯酰胺仅用于工业水处理，而美国和西欧国家还正式用于饮用水处理。后者要求所用聚丙烯酰胺的游离单体含量低于0.05%。因为丙烯酰胺单体有毒。尤其对哺乳动物的神经有损害。聚丙烯酰胺、特别是阳离子型的，可用于处理淤泥的脱水工程。
（2）从氧化铝中分离赤泥
氧化铝生产工艺中，拜耳法赤泥的分离洗涤采用沉降槽。为了加速赤泥沉降，传统的方法是添加面粉、麦麸等天然高分子絮凝剂。随着氧化铝产量的不断提高，沉降槽常有跑浑现象出现。采用聚丙烯酰胺絮凝，大大增加了拜耳法赤泥的沉降速度，澄清效果好，从而提高了沉降槽的产能和精液质量。
（3）提高颜料等的存留率
在纸浆中加入聚丙烯酰胺，使颜料、填料和纤维沉积，而减少它们在白水中的流失量和对环境的污染；改进了填料、颜料在浆中的分布均匀性，从而改善了纸的结构，提高强度，同时减少堵塞，使纸机易于操作。
（4）糖汁澄清
制糖厂从压榨机提取的蔗汁混浊不清，含有蔗屑、泥粒及胶体等。添加少量聚丙烯酰胺后，可加速其沉降，使糖汁很快澄清。
（5）洗煤工业中的固液分离
加入聚丙烯酰胺有助于降低粘土和煤粉对环境的污染，回收煤粉和提高过滤速度，减少管线堵塞和泵的检修。
（6）土壤改良剂
聚丙烯酰胺能使土壤形成稳定的团粒，从而改善土壤的耕作和植物的生长，减少水从土壤中的流失，避免大雨时上层土壤被冲走。
3、分散剂
（1）水质稳定剂
采用低分子量聚丙烯酰胺作水质稳定剂，其防垢效果显著。循环冷却水中添加低分子量聚丙烯酰胺，能使钙离子的饱和浓度提高好几倍。钙离子浓度很高时，可能有垢析出。然而由于聚丙烯酰胺被吸附在晶粒表面，妨碍了晶粒的聚集，形成的垢层很疏松，易被水流冲刷掉，从而达到防垢、消垢的目的。
（2）钻井泥浆处理剂
在钻井泥浆中加入聚丙烯酰胺可提高泥浆的润滑性和稳定性，降低钻井泥浆的失水，有效地防止卡钻和解卡钻，提高钻井效率。
（3）长纤维抄纸的分散剂
用聚丙烯酰胺作分散剂代替植物粘液制长纤维抄纸。其各项技术经济指标都达到并超过植物胶水平，且提高了运转率和车速。
4、粘结剂
聚丙烯酰胺可配入泥浆、混凝土浆、石膏浆、嵌缝胶等之中。聚丙烯酰胺可用于特殊墙体粘结水泥的复合配方中。它对水的硬度不敏感，在很宽的温度范围内都显示很好的粘结性。浇铸成型的陶瓷在脱模时损伤率很大。若在泥浆中配入少量聚丙烯酰胺，毛坯强度提高，脱模容易，毛坯的成品率和质量均大大提高。把聚丙烯酰胺和淀粉以1：2的比例混合，作为良好的粘结剂而用于纸张涂布中。
聚丙烯酰胺还可用作凝胶炸药的组份、消防水的减阻剂、农药的缓释剂等。聚丙烯酰胺可在许多相反目的的领域中应用。它既是絮凝剂、又是分散剂；既是增稠剂，又是液化剂；既是织物浆料、又是织物整理剂；既是粘合剂，又是清洗剂等等。低分子量聚丙烯酰胺的性能和用途与高分子量聚合物往往相反。它具有分散性，因此在清洗剂、水质稳定剂、造纸、油墨等行业用作分散剂。而高分子量聚丙烯酰胺具有絮凝作用，在化学工业、废水处理、制药、制糖、选矿等行业应用。
