聚丙烯酰胺是一種無定形的水溶性聚合物，它 在工業(yè)和農(nóng)業(yè)中應(yīng)用廣泛3]，同時人們在催化化 學(xué)[4]、共聚化合物[5]、生物醫(yī)學(xué)[6]等基礎(chǔ)研究領(lǐng)域 對它的應(yīng)用和性質(zhì)進行了研究和探索。它在水懸 浮液中的絮凝作用使其廣泛應(yīng)用于造紙、水處理和 采礦等領(lǐng)域^3，^，部分水解的聚丙烯酰胺還應(yīng)用 于油田的三次采油的聚合物驅(qū)油中[8,9]。粘度是 聚丙烯酰胺水溶液應(yīng)用中的重要工藝參數(shù)，人們對 聚丙烯酰胺溶液粘度產(chǎn)生機理[10]、溶液濃度[1112]、 剪切速率[13]、離子強度[14]對聚丙烯酰胺溶液粘度 性質(zhì)的影響進行了大量研究，發(fā)現(xiàn)粘度大小與溶液 濃度、剪切速率、溫度、離子強度密切相關(guān)。聚丙烯酰胺的溶解與攪拌速度和溶解溫度的關(guān)系，有些作 者從聚丙烯酰胺降解的角度進行研究，如Marcus J Cauffield[15，16]發(fā)現(xiàn)，聚丙烯酰胺溶液在95°C熱處 理和紫外線照射的情況下只有少量降解，粘度也表 現(xiàn)出相當?shù)姆€(wěn)定。唐康泰等[17，18]測定了水在聚丙 烯酰胺中的擴散活化能和顆粒聚丙烯酰胺溶解活 化能，推測溶解過程主要是克服分子鏈間 -CONH2的氫鍵締合，研究了影響聚丙烯酰胺溶 解的因素，并借助聚丙烯酰胺溶解機制闡述了聚丙 烯酰胺結(jié)構(gòu)對其溶解性能的影響。本研究發(fā)現(xiàn)在 不同的攪拌速度和溫度下溶解，聚丙烯酰胺水溶液 的最終粘度相差很大，經(jīng)溶解后溶液粘度穩(wěn)定，并 對此現(xiàn)象進行了分析和解釋。

2實驗部分 2.1試劑與儀器

ND-1型旋轉(zhuǎn)粘度計，90^ 1B型數(shù)顯恒溫磁力 攪拌器。

2.2實驗方法

量取一定量去離子水，置于燒杯中在磁力攪拌 器上攪拌，稱取一定量的聚丙烯酰胺置于燒杯中， 溶解完全后，將燒杯置于30°C水浴中，用ND-1型 旋轉(zhuǎn)粘度計測量動力粘度。改變攪拌速度一段時 間后再測粘度，或者攪拌速度不變改變?nèi)芙鈺r的攪 拌溫度，測定粘度，步驟同上。

3結(jié)果與討論

3.1溶解中攪拌速度對溶液最終粘度的影響

在配制過程中米用200r/ min和600r/ min的

攪拌速度，測定了一系列不同濃度的聚丙烯酰胺水 溶液在30°C時的粘度，發(fā)現(xiàn)同一質(zhì)量分數(shù)的聚丙 烯酰胺溶液在不同的攪拌速度下溶解得到的溶液 最終粘度相差較大，較高轉(zhuǎn)速下得到的溶液粘度大 約只有低轉(zhuǎn)速得到溶液粘度的60% ~ 70%，見 圖1。

溶解過程主要是克服分子鏈間-CONH2的 氫鍵締合，當聚丙烯酰胺溶于水時，聚丙烯酰胺的溶解與攪拌速度和溶解溫度的關(guān)系，在溶脹和溶解 過程中，其酰胺基既形成分子內(nèi)氫鍵，又與水分子 形成氫鍵，分子內(nèi)氫鍵構(gòu)成聚丙烯酰胺的環(huán)結(jié)構(gòu)和 螺旋結(jié)構(gòu)的剛性鏈段，這種結(jié)構(gòu)使得溶液的粘度較 大。攪拌速度快，分子內(nèi)氫鍵構(gòu)成聚丙烯酰胺的環(huán) 結(jié)構(gòu)和螺旋結(jié)構(gòu)的剛性鏈段受機械剪切的作用容易被破壞和解離，當溶液受到的剪切速率增加時, 原已滲透到大分子內(nèi)部的內(nèi)含溶劑,在剪切作用下 被迫擠出，無規(guī)線團尺寸減小，溶劑分布在無規(guī)線 團之間,從而使聚丙烯酰胺的酰胺基更多地與水分 子作用而使大分子變得柔順,流體力學(xué)體積和粘度 也變小[19]。

 

完全溶解后的溶液再經(jīng)過長時間高速攪拌，發(fā) 現(xiàn)粘度沒有變化。可見攪拌速度對聚丙烯酰胺溶 液粘度的影響只限于溶解過程中。作者認為溶解 后，聚丙烯酰胺分子內(nèi)氫鍵與水分子形成的分子外 氫鍵達到了平衡狀態(tài),形成了一種二次結(jié)構(gòu)，破壞 這種二次結(jié)構(gòu)所需要的活化能比較大，即使提高攪 拌速度，也不會破壞這種二次結(jié)構(gòu)，從而不會再影 響聚丙烯酰胺溶液的粘度。

3.3溶解中溫度對溶液粘度的影響

選取6個不同的溫度配制聚丙烯酰胺水溶液, 溶解完全后在攪拌速度600r/min，溫度30°C的條 件下測定聚丙烯酰胺溶液粘度。

 

p - 1.0%; w - 1.2%； " - 1.4%

由圖2可知，同一質(zhì)量分數(shù)的聚丙烯酰胺溶液

烯酰胺溶液濃度低(0. 8%，1.0%)時，溶解溫度超 過40°C，粘度明顯下降；聚丙烯酰胺溶液濃度高 (1. 2%，1.4%)時,溶解溫度超過45 °C，粘度明顯 下降。溫度有利于克服分子鏈間-CONH2的氫 鍵締合，但要高于閾值溫度后粘度才有明顯下降的 現(xiàn)象，這與水在聚丙烯酰胺中的擴散活化能和顆粒 聚丙烯酰胺溶解活化能[16]有關(guān)，只有超過水在聚 丙烯酰胺中的擴散活化能和顆粒聚丙烯酰胺溶解 活化能，才能克服分子鏈間-CONH2的氫鍵締 合，導(dǎo)致聚丙烯酰胺的酰胺基更多地與水分子作用 而使粘度變小。

3.4溶解后溫度對粘度的影響

在30 °C溶解得到的聚丙烯酰胺水溶液升溫至 35?55 °C，保持2h，然后降溫至30 °C測量溶液粘 度，粘度基本保持不變，可見溫度對聚丙烯酰胺溶 液粘度的影響只限于溶解過程中。溶解后再提高 溫度不能破壞二次結(jié)構(gòu)，不影響二次結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定 性,從而不會再影響聚丙烯酰胺溶液的粘度。

4結(jié)論

配制溶解過程中不同的攪拌速度和溫度導(dǎo)致 聚丙烯酰胺水溶液的最終粘度相差很大，聚丙烯酰胺的溶解與攪拌速度和溶解溫度的關(guān)系，較快的攪 拌速度和較高的溫度溶解得到的聚丙烯酰胺水溶 液粘度較小。聚丙烯酰胺在溶解過程中有可能形 成了一種決定粘度的二次結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的形成與 溶解過程中的攪拌速度和溶解溫度有關(guān)，這種二次 結(jié)構(gòu)相當穩(wěn)定，不易再受攪拌速度和溫度的影響。

二次結(jié)構(gòu)的形成可能是由于聚丙烯酰胺分子 內(nèi)氫鍵的分解與再生成，聚丙烯酰胺的溶解與攪拌速度和溶解溫度的關(guān)系，同時聚丙烯酰胺分子與水 分子之間形成氫鍵，二者達到了一種動態(tài)的解離和 形成的平衡狀態(tài)。而破壞這種平衡狀態(tài)所需活化 能較大，因此這種二次結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，宏觀上表現(xiàn)為溶 液的最終粘度受到配制條件的影響，而配制溶解完 成后表現(xiàn)穩(wěn)定。