聚丙烯酰胺主要性质及其对生产成本的影响

2011-11-21刘军钛

中国造纸 2011年9期

关键词：电性干粉丙烯酰胺

刘军钛

(深圳市三力星实业有限公司，广东深圳，518034)

聚丙烯酰胺主要性质及其对生产成本的影响

刘军钛

(深圳市三力星实业有限公司，广东深圳，518034)

聚丙烯酰胺在造纸工业中用途广泛，其使用效果和应用方法取决于产品的电性、电荷密度、分子质量、形态以及溶解性等性质，这些性质也是影响聚丙烯酰胺生产成本的重要因素。在这些性质中，电性和形态的影响最大。对于阳离子聚丙烯酰胺来说，电荷密度是决定生产成本的主要因素。

聚丙烯酰胺;生产成本;影响因素

聚丙烯酰胺 (PAM)是一种常用的造纸助剂，它主要用于纸张抄造和废水处理过程，前者包括助留助滤、纸张增强和纤维分散(助留剂、增强剂、分散剂);后者则包含了废水处理和污泥脱水 (絮凝剂)［1］。

PAM是合成聚合物，通过改变合成条件可以得到具有不同性质的PAM产品。在实际应用过程中，PAM的电性、电荷密度、分子质量、形态以及溶解性是用户最关心的性质，这些性质不仅影响PAM的使用效果和应用方法，而且也是决定PAM生产成本的重要因素，本文对此做一简要介绍。

1 PAM生产方法

在工业上，PAM基本都是在引发剂的作用下，由丙烯酰胺单体均聚或与其他单体共聚而成［2］，目前常用的单体见图1。

PAM有非离子 (NPAM)、阴离子 (APAM)和阳离子 (CPAM)3种电性形式，常见的化学结构见图2。

NPAM由丙烯酰胺单体均聚而成。APAM的生产过去大多采用丙烯酰胺均聚共水解或均聚后水解工艺，现在则以丙烯酰胺与丙烯酸共聚法为主。CPAM的合成有改性法和共聚法，前者利用酰胺改性反应制得叔胺型CPAM，后者利用丙烯酰胺和阳离子单体共聚生产季胺型CPAM，其中甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵是最常用的阳离子单体。

丙烯酰胺单体来自丙烯腈，其他与丙烯酰胺共聚的阴离子和阳离子单体也都是石油化工产品。因此，PAM的生产成本与原油价格息息相关，国际油价上涨必然引起PAM的生产成本上涨。

工业合成的PAM有胶体、分散液、乳液和干粉4 种物理形态［2］。

胶体是水溶液聚合得到的胶体状产品。分散液和乳液相似，但产品结构不同，分散液是由很小的脱水PAM粒子分散于惰性碳氢化合物载体油中的液体产品;而乳液则是将含水PAM分散于轻质矿物油或水中的液体产品。两种产品的生产工艺见图3和图4。

干粉有粉状和珠状两种类型，其生产工艺不同。粉状干粉是在水相中合成，然后经过干燥和磨碎成为细粒，所以产品具有不规则的外形，工艺流程见图5;珠状干粉则是在有机溶剂中合成，然后经过干燥而成，产品呈圆珠状，工艺流程见图6。

2 PAM产品

表1列出某跨国公司用于造纸工业的各种PAM产品，其中包括用于纸张抄造和废水处理的两类产品。这些产品经过长期应用和筛选，已成为造纸厂常用的PAM产品。整体而言，它们具有以下几个特点:

(1)APAM的分子质量普遍高于CPAM;

(2)高分子质量的产品多为粉状固体或乳液形态;

(3)CPAM的电荷密度以20%～40%为主;

(4)纸张抄造用产品多具有低至中等的电荷密度。

以上整体特点与PAM产品的生产和应用有关，说明具备这些特点的产品具有生产或应用上的优势。

3 PAM的主要性质

PAM有多种性质，对于纸厂用户来说，产品的电性、电荷密度、分子质量、形态和溶解性是可以选择、并且可以被观察或检测的重要性质［3］。

3.1 电性

目前用于助留和增强的PAM以阳离子产品为主，纤维分散采用阴离子产品，废水处理则可以根据废水或污泥的性质选择非离子、阴离子或阳离子产品。

PAM的电性决定了PAM与被处理颗粒之间是否发生反应以及发生何种反应。因此，电性是PAM最基本的性质，也是PAM发挥效果的基础。在实际应用中，确定电性是选择PAM产品的首要步骤。

表1 某跨国公司造纸用PAM产品

测定PAM的电性可以采用电荷分析仪 (PCD)，也可以把未知电性和已知电性的产品溶液混合，通过观察是否发生反应，是否有混浊物生成来做判断。如果有显著反应，说明未知产品与已知产品的电性相反;如果反应微弱，说明未知产品是非离子型;如果完全没有反应，则说明未知产品与已知产品的电性相同。

3.2 电荷密度

电荷密度是APAM或CPAM电性强弱的一种表示。电荷密度影响PAM与被处理颗粒之间的反应进程及吸附外形，从而影响PAM的使用效果。

电荷密度有不同的表示方法，本文所述的电荷密度指分子中电性单体所占的数量比例。例如电荷密度30%，表示PAM分子中，有30%的丙烯酰胺单体带有电性。

测定PAM的电荷密度可以采用胶体滴定法［4］或红外光谱法。前者利用具有相反电性的标准试剂滴定样品PAM溶液，然后根据标准试剂的消耗量计算出样品PAM的电荷密度;后者则将样品PAM的红外谱图与标准谱图进行比对，通过比较特征吸收峰的位置和形状来推断样品PAM的电荷密度。

3.3 分子质量

聚合物由许多单体聚合而成，分子质量是聚合物聚合程度的一种表示。PAM含有的单体数目愈多，分子质量愈高。对于线性PAM来说，分子质量愈高，分子链就愈长。

使用时，为了达到预期的使用效果，需要选择具有合适分子质量的PAM产品。一般来说，高分子质量的产品对助留助滤、纤维分散和废水处理有利，而纸张增强和污泥脱水则要求产品有相对较低的分子质量。

黏度法是测定PAM分子质量最常用的方法［5］。该方法是测定产品稀溶液的黏度，然后根据黏度与分子质量之间的经验公式计算出分子质量。在相同条件下，产品溶液的黏度愈大，产品的分子质量就愈高。

3.4 产品形态

PAM有胶体、分散液、乳液和干粉4种物理形态。

胶体产品的有效含量非常低，产品的运输半径和使用范围受到很大限制，难以被大规模销售。分散液和乳液的有效含量为30%～50%。干粉的固含量可达90%以上，是有效成分最高的一种物理形态，也是造纸工业使用最多的一类PAM产品。

无论使用哪种形态的PAM产品，都需要先将产品与水混合，制成低浓度的溶液后再添加。产品形态并不直接影响产品的使用效果，但它决定产品的制备及使用方法。一般而言，如果采用全自动溶解制备方式，干粉产品需要的设备最为复杂，涉及的设备投资也较大。

3.5 溶解性

溶解性包含两方面的含义，一是溶解的快慢，二是不溶物含量。一般来说，产品的分子质量愈高，溶解就愈慢。离子型产品的溶解快于非离子型产品。提高溶解温度有助于加快溶解。

不溶物含量是干粉产品的一项重要指标。合成PAM时，如果条件控制不好，会有高度支链聚合的情况出现，形成难溶于水的细小胶粒。产品如果含有过多的不溶物，容易在制备时出现不溶胶团，堵塞过滤器及在纸机上造成断纸或纸病。纸张抄造这方面的要求比污水处理更高。

常用的测试方法是取1 g固体产品，溶解成质量分数为1%的水溶液，然后过一定目数的筛网，留存在网上的不溶物粒子数目即为产品的不溶物含量［6］。显然，抄纸用PAM的不溶物含量越低越好。

4 PAM主要性质对生产成本的影响

为了说明PAM产品性质对其生产成本的影响，本研究选择同一家公司的产品进行比较。这里所说的生产成本包括生产、包装和运输的各项费用，可以说是计算产品销售赢利的原始基础。

表2～表4列出了前述某跨国公司的PAM产品及成本系数，成本系数的计算方法是以表2～表4中非离子型产品 (1号产品)的生产成本为基准，成本系数为1，其他产品与之相比，得出各自的成本系数。成本系数愈低，产品的生产成本也愈低。

表2 助留剂产品的生产成本

表3 絮凝剂产品的生产成本

表4 阳离子珠状絮凝剂产品的生产成本

4.1 电性

目前造纸工业使用的CPAM以共聚产品为主，通过阳离子单体和丙烯酰胺单体的共聚在丙烯酰胺的酰胺基上引入阳离子基团。阳离子单体价格昂贵，远高于丙烯酰胺单体，因而提高了CPAM的生产成本。

从表2～表4可以看出，APAM的成本最低，NPAM的成本其次，CPAM的成本最高。

4.2 电荷密度

电荷密度对成本的影响主要表现在CPAM上。对于APAM来说，产品成本基本不受电荷密度的影响。

如前所述，CPAM的电荷密度愈高，需要的阳离子单体愈多，产品的成本也愈高 (见表4)。造纸工业常用的CPAM具有中等以下 (＜40%)电荷密度，在这个范围内，电荷密度增加造成的成本上升幅度一般小于30%。

4.3 分子质量

生产高分子PAM需要增大丙烯酰胺单体浓度，消耗更多的丙烯酰胺，因此分子质量愈高，PAM的成本也愈高。但是，与阳电荷密度相比，分子质量增加引起的成本上升幅度要小得多。

4.4 产品形态

目前使用最多的液体产品是乳液形态。乳液产品的有效含量通常为30%～50%。相对于干粉产品，乳液的有效含量低，产品的包装和运输成本成倍增长。生产乳液产品需要使用大量的有机溶剂及乳化剂，也增加了生产成本。

在性质相同的条件下，珠状产品和粉状产品的效果并无差别。两者最重要的差别是珠状产品因为颗粒均匀溶解性更好一些，而且在使用过程中不易起尘。需要指出的是，许多纸厂使用自动溶解设备，在这种情况下，珠状和粉状产品的使用几乎没有什么区别。生产珠状产品涉及使用有机溶剂和乳化剂，所以相比而言，珠状产品的成本高于粉状产品。

4.5 溶解性

纸张抄造用的PAM在纸浆中添加，对成纸质量有直接影响，溶解性要求远高于污水处理用的絮凝剂。生产时，一方面要更加严格地控制原料和生产条件，另一方面要加大产品中非合格部分的去除比例，这样自然会增加产品的成本。比较表2～表4可以看出这种影响。

5 结语

造纸工业常用的聚丙烯酰胺 (PAM)包括非离子(NPAM)、阴离子 (APAM)和阳离子 (CPAM)3类产品。除此之外，PAM的产品形态、电荷密度、分子质量和溶解性也是PAM的重要性质。在这些性质中，产品形态和电性对产品生产成本的影响最大。对于CPAM来说，电荷密度是决定生产成本的主要因素，这是造纸较少使用高阳电荷PAM的一个重要原因。

［1］王平，宋建国．聚丙烯酰胺在造纸工业中的应用［J］．黑龙江造纸，2003(1):38．

［2］严瑞瑄．水溶性高分子［M］．北京:化学工业出版社，1998．

［3］刘军钛．助留剂效果的影响因素及影响规律［J］．湖南造纸，2009(4):20．

［4］陈夫山，谢来苏，魏德津，等．用胶体滴定法测定聚合物的电荷［J］．中国造纸，2000，15(2):30．

［5］GB/T 12005．10—1992．聚丙烯酰胺分子量测定［S］．

［6］汽巴公司．CSMOT 001-Measurement of aqueous lump count for solid grade polymers［S］．2001．

Properties of Polyacrylamide and Their Impacts on Production Cost

LIU Jun-tai
(Shenzhen Sanlixing Industry Co．，Ltd．，Shenzhen，Guangdong Province，518034)
(E-mail:chuang@live．hk)

Polyacrylamide is widely used in the paper industry．The application and performance of the product depend on its molecular weight，ionic charge，charge density，physical form and solubility．These properties are also the main factors influencing its production cost．Among these properties，ionic charge and physical form have the most impact on production cost．For cationic polyacrylamide，the charge density is the crucial factor determining the production cost．

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