[科普中国]-水溶性高分子

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。所以水溶性高分子分为阳离子型，阴离子型及非离子型水溶性高分子三类。

行业背景中国水溶性高分子化合物已经有一定规模，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。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。1

分类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：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

合成方法水溶性高分子一般采用水溶液聚合的方法合成。用水作溶剂，用水溶性引发剂进行引发，这些引发剂有过硫酸盐、氧化还原引发体系、偶氮二异丁脒盐酸盐（V-50引发剂）、偶氮二异丁咪唑啉盐酸盐（VA-044引发剂）、偶氮二异丁咪唑啉（VA061引发剂）、偶氮二氰基戊酸引发剂等。

材料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80%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。3

行业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。

石油勘探**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。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。

水处理**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。

造纸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。

纺织纺织工业中的应用：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。

涂料涂料工业中的应用：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。

产品聚丙烯酰胺汉语名称：聚丙烯酰胺 中文发音：jù bǐng xī xīan ān英文名称：Polyacrylamide 简 称：PAM 聚丙烯酰胺为水溶性高分子聚合物，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磨擦阻力，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。

阴离子聚丙烯酰胺阴离子聚丙烯酰胺（APAM）产品描述：阴离子聚丙烯酰胺（APAM）外观为白色粉粒，分子量从600万到2500万水溶解性好，能以任意比例溶解于水且不溶于有机溶剂。有效的PH值范围为7到14，在中性碱性介质中呈高聚合物电解质的特性，与盐类电解质敏感，与高价金属离子能交联成不溶性凝胶体。

工业废水处理：对于悬浮颗粒，较出、浓度高、粒子带阳电荷，水的PH值为中性或碱性的污水，钢铁厂废水，电镀厂废水，冶金废水，洗煤废水等污水处理，效果最好。饮用水处理：我国很多自来水厂的水源来自江河，泥沙及矿物质含量高，比较浑浊，虽经过沉淀过滤，仍不能达到要求，需要投加絮凝剂，投加量是无机絮凝剂的1/50，但效果是无机絮凝剂的几倍，对于有机物污染严重的江河水可采用无机絮凝剂和阳离子聚丙烯酰胺配合使用效果更好。阴离子聚丙烯酰胺，使淀粉微粒絮凝沉淀，然后将沉淀物经压滤机压滤变成饼状，可作饲料，酒精厂的酒精也可采用阴离子聚丙烯酰胺脱水，压滤进行回收。用于河水泥浆沉降。用于造纸干强剂。

用于造纸助剂、助率剂。在造纸前泵口式储浆池中加入微量PAM-LB-3阴离子聚丙烯酰胺可使水中填料与细小纤维在网上存留提高20-30%。每吨可节约纸浆20-30kg。

举例：在洗煤过程中产生大量废水，直接排放污染环境，必须沉清后循环利用，回收水中煤泥，也很有价值，但靠自然沉降，费时费力，同时水也不清。

另外，阴离子聚丙烯酰胺在制香行业的应用也越来越受欢迎，阴离子聚丙烯酰胺产品特点：具溶解性好，粘度高，韧性强，易燃无（少）烟、燃烧无异味、无毒等特点；产品性能稳定，避免了其它植物胶粉和普通淀粉因产地、时间不同，粘结质量参差不齐，在香业生产时需要反复调试配方，以免造成产品质量不稳定的现象；香制品外表光洁平整、成型好、不易破碎；尤其是其冷水可糊化性，无需煮糊，将物料直接混和均匀、加水搅拌既可生产，而且加水混合后的物料较长时间放置也不会有物料干硬无法使用的现象发生，有效地节约了能源和方便了生产操作。

**使用效果：**使用本品做成的香坯（香制品）外观平整、无断裂、无霉斑，抗折力强，产品成色好、烘晒后不褪色，燃点时间足，可燃性好，过铁齿盘不“断头”熄火，有利于蚊香有效成份的挥散率的提高及可减少成品在烘干过程中的损失，同时，可大大减轻工人的劳动强度、提高工作效率。此外，本品对环境无污染，可满足绿色环保方面对产品的要求。

**经济效益：**使用本品可减少原料成本5—12%,节约能耗20—30%。4

阳离子聚丙烯酰胺阳离子聚丙烯酰胺（CPAM）产品特性：阳离子聚丙烯酰胺（CPAM）外观为白色粉粒，离子度从20%到55%水溶解性好，能以任意比例溶解于水且不溶于有机溶剂。呈高聚合物电解质的特性，适用于带阴电荷及富含有机物的废水处理。适用于染色、造纸、食品、建筑、冶金、选矿、煤粉、油田、水产加工与发酵等行业有机胶体含量较高的废水处理，特别适用于城市污水、城市污泥、造纸污泥及其它工业污泥的脱水处理。

用途

1)用于污泥脱水根据污泥性质可选用本品的相应型号，可有效在污泥进入压滤之前进行污泥脱水，脱水时，产生絮团大，不粘滤布，压滤时不散，流泥饼较厚，脱水效率高，泥饼含水率在80%以下。

2)用于生活污水和有机废水的处理，本品在配性或碱性介质中均呈现阳电性，这样对污水中悬浮颗粒带阴电荷的污水进行絮凝沉淀，澄清很有效。如生产粮食酒精废水，造纸废水，城市污水处理厂的废水，啤酒废水，味精厂废水，制糖废水，有机含量高 废水、饲料废水，纺织印染废水等，用阳离子聚丙烯酰胺要比用阴离子、非离子聚丙烯酰胺或无机盐类效果要高数倍或数十倍，因为这类废水普遍带阴电荷。

3)用于以江河水作水源的自来水的处理絮凝剂，用量少，效果好，成本低，特别是和无机絮凝剂复合使用效果更好，它将成为治长江、黄河及其它流域的自来水厂的高效絮凝剂。

4)造纸用增强剂及其它助剂。提高填料、颜料等存留率、纸张的强度。

5)用于油田经学助剂，如粘土防膨剂，油田酸化用稠化剂。

6)用于纺织上浆剂、浆液性能稳定、落浆少、织物断头率低、布面光洁。

研究发展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

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间的相互作用力2。

本词条内容贡献者为:

石季英 - 副教授 - 天津大学