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水溶性高分子的概念和分類(lèi)

　　水溶性高分子化合物又稱(chēng)為水溶性樹(shù)脂或水溶性聚合物。通常所說(shuō)的水溶性高分子是一種強(qiáng)親水性的高分子材料，能溶解或溶脹于水中形成水溶液或分散體系”。在水溶性聚合物的分子結(jié)構(gòu)中含有大量的親水基團(tuán)。親水基團(tuán)通?？煞譃槿?lèi)：①陽(yáng)離子基團(tuán)，如叔胺基、季胺基等；② 陰離子基團(tuán)，如羧酸基、磺酸基、磷酸基、硫酸基等；③極性非離子基團(tuán)，如羥基、醚基、胺基、酰胺基等。
　　水溶性高分子按來(lái)源通常分為三大類(lèi)：
　　(一)天然水溶性高分子。以天然動(dòng)植物為原料提取而得。如淀粉類(lèi)、纖維素、植物膠、動(dòng)物膠等。
　　(二)化學(xué)改性天然聚合物。 主要有改性淀粉和改性纖維素。如羧甲基淀粉、醋酸淀粉、羥甲基纖維素、羧甲基纖維素等。(三)合成聚合物。有聚合類(lèi)樹(shù)脂和縮合類(lèi)樹(shù)脂兩類(lèi)，如聚丙烯酰胺(PAM)、水解聚丙烯酰胺(HPAM))、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)等。按大分子鏈連接的水化基團(tuán)分為：非離子型和離子型。按荷電性質(zhì)分為：非離子、陽(yáng)離子、陰離子和兩性離子高分子，其中后三類(lèi)為聚電解質(zhì)。按基團(tuán)間是否存在較強(qiáng)的非共價(jià)鍵聯(lián)結(jié)又分為締合聚合物和非締合聚合物。

水溶性高分子的功能

　　水溶性聚合物中的親水基團(tuán)不僅使其具有水溶性，而且還具有化學(xué)反應(yīng)功能，以及分散、絮凝、增粘、減阻、粘合、成膜、成膠、螯合等多種物理功能。水溶性高分子材料的幾種主要功能是：
　?、?水溶性，水是最廉價(jià)的溶劑，來(lái)源廣，無(wú)污染。水溶性高分子之所以溶于水，是因?yàn)樵谒肿优c聚合物的極性側(cè)基之間形成了氫鍵。水溶性高分子的溶解具有一個(gè)重要的條件，即溶質(zhì)和溶劑的溶度參數(shù)必須相近，但這僅為溶解的必要條件而非充分條件，還需考慮高分子的結(jié)晶結(jié)構(gòu)的影響。
　?、?分散作用，由于絕大多數(shù)水溶性高分子都含有親水基團(tuán)和一定數(shù)量的疏水基團(tuán)，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張力，有助于水對(duì)固體的潤(rùn)濕，這對(duì)于顏料、填料、粘土之類(lèi)的物質(zhì)在水中的分散特別有利。此外，許多水溶性高分子可以起到保護(hù)膠體的作用，即通過(guò)水溶性高分子的親水性，使水一膠體復(fù)合體吸附在膠體顆粒上形成外殼，讓其屏蔽起來(lái)免受電解質(zhì)所引起的絮凝作用，使分散體系保持穩(wěn)定。
　?、坌跄饔茫苄愿叻肿又械臉O性基團(tuán)吸附于水中的固體粒子，使粒子間架橋而形成大的聚集體。絮凝作用在水處理中有很重要的應(yīng)用，由于用量少、見(jiàn)效快、效率高等優(yōu)點(diǎn)，已成為目前水溶性高分子材料的最大用途。
　?、茉稣承裕鳛樵稣硠┦褂檬撬苄愿叻肿拥闹饕猛尽Ｔ稣承允侵杆苄愿叻肿佑惺箘e的水溶液或水分散體的表觀(guān)粘度增大的作用。
　?、?減阻作用，指向流體中添加少量化學(xué)藥劑以使流體通過(guò)固體表面的湍流摩擦阻力得以大幅度減小的現(xiàn)象。在一些情況下，添加少量水溶性高分子材料，就可以使流動(dòng)阻力減少50％甚至80％以上，這對(duì)于工業(yè)、交通、國(guó)防等領(lǐng)域都有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。
　?、?流變性，指物質(zhì)在外力作用下流動(dòng)變形的特性。流變性對(duì)水溶性高分子的應(yīng)用極其重要，不同水溶性高分子溶液在不同條件下可以具有各種流變性質(zhì)，不同流變性可以滿(mǎn)足不同的需要。
　　⑦懸浮作用，水溶性高分子本身或與其它物質(zhì)所形成的水基流體的懸浮性在石油和天然氣的開(kāi)采及其它行業(yè)都具有極其重要的意義，如涂料懸浮顏料離子、水煤漿的輸送等。

水溶性高分子的合成

　　水溶性高分子一般采用水溶液聚合的方法合成。用水作溶劑，用水溶性引發(fā)劑進(jìn)行引發(fā)，這些引發(fā)劑有過(guò)硫酸鹽、氧化還原引發(fā)體系、偶氮二異丁脒鹽酸鹽（V-50引發(fā)劑）、偶氮二異丁咪唑啉鹽酸鹽（VA-044引發(fā)劑）、偶氮二異丁咪唑啉（VA061引發(fā)劑）、偶氮二氰基戊酸引發(fā)劑等。

水溶性高分子應(yīng)用

　　水溶性聚合物由于具有多種多樣的品種和寶貴性能，它與表面活性劑一起，被稱(chēng)為精細(xì)化工的兩大支柱，在石油勘探開(kāi)發(fā)、水處理、造紙、紡織、涂料、食品、日用化工等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。
　　

在石油勘探開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用

　　水溶性聚合物作為油田化學(xué)劑的重要組分，在鉆井、固井、酸化和三次采油中，都起著十分重要的作用。
　?、?粘土穩(wěn)定劑：粘土穩(wěn)定劑可在鉆井過(guò)程中用于抑制地層中普遍存在的粘土礦物的水化膨脹和分散運(yùn)移，達(dá)到穩(wěn)定粘土、保護(hù)油氣層的目的。水溶性陽(yáng)離子聚合物在粘土表面的吸附作用超過(guò)中性聚合物和無(wú)機(jī)鹽、具有永久性吸附的特征。
　　② 用作壓裂液添加劑的聚合物：水力壓裂是油氣井增產(chǎn)、水井增注的一項(xiàng)重要措施。水基壓裂液中常用的聚合物添加劑有：天然植物膠、纖維素衍生物、聚丙烯酰胺、聚氧化乙烯及其共聚物等。
　?、劬徫g劑：使用緩蝕劑是采油工業(yè)中金屬部件和設(shè)備防腐最為有效的方法之一。水溶性陽(yáng)離子聚合物可作為酸化時(shí)的
　　緩蝕劑，如陽(yáng)離子化聚丙烯酰胺。
　?、?驅(qū)油劑：在三次采油過(guò)程中，由于水溶性聚合物能大幅度地改變流度比 降低油藏的非均質(zhì)程度，因此，聚合物己廣泛地應(yīng)用于三次采油中，包括聚合物驅(qū)、聚合物膠束驅(qū)、APS(堿、聚合物、表面活性劑)三元復(fù)合驅(qū)。包括調(diào)剖堵水在內(nèi)的各種提高采收率方法中，聚合物驅(qū)油是三采技術(shù)中的重要方法之一，它是利用聚合物溶液的高粘度及殘余阻力系數(shù)調(diào)整吸水剖面，改善油水流度比，從而達(dá)到提高石油采收率的目的。目前應(yīng)用于提高采收率的水溶性聚合物主要有兩類(lèi)：一類(lèi)是部分水解聚丙烯酰胺，另一類(lèi)是生物聚合物(如黃原膠)。相對(duì)而言，由于前者具有來(lái)源廣、價(jià)格便宜、溶解性和增粘性好等優(yōu)點(diǎn)，在提高石油采收率中的使用比例大大超過(guò)生物聚合物，除非在油藏環(huán)境惡劣，如在高溫和高礦化度條件下才用生物聚合物。
　　

在水處理中的應(yīng)用

　　水溶性聚合物具有絮凝作用，是有效的高分子絮凝劑，其帶電部位能中和膠體粒子電荷，破壞膠體粒子在水中的穩(wěn)定性，促使其碰撞，通過(guò)高分子長(zhǎng)鏈架橋把許多細(xì)小顆粒纏結(jié)在一起，聚集成大粒子，從而加速沉降。其絮凝和沉降速度快、污泥脫水效率高，對(duì)某些廢水的處理有特效。高分子聚電解質(zhì)的絮凝能力，比無(wú)機(jī)絮凝劑如明礬、氯化鐵等大數(shù)十倍，而且具有許多無(wú)機(jī)絮凝劑所沒(méi)有的獨(dú)特性能。高分子電解質(zhì)絮凝劑具有除濁、脫色的作用，還可除去廢水中的病毒、細(xì)菌、微生物、油脂、表面活性劑、農(nóng)藥、含氮、磷等富營(yíng)養(yǎng)物以及鉛、鉻、錫等重金屬，廣泛應(yīng)用于城市污水、石油化工、造紙、醫(yī)藥、電鍍等工業(yè)廢水處理，在水處理技術(shù)中占有十分重要的地位。聚丙烯酰胺、聚乙烯亞胺等高分子電解質(zhì)是常用的高分子絮凝劑。
　　

在造紙工業(yè)中的應(yīng)用

　　隨著合成高分子工業(yè)的發(fā)展，水溶性聚合物作為造紙助劑在造紙工業(yè)中的應(yīng)用日益廣泛，并發(fā)揮重要作用。例如，季銨鹽化聚丙烯酰胺、陽(yáng)離子淀粉等可用作干濕增強(qiáng)劑，以提高紙張的干濕強(qiáng)度；羥甲基纖維素、陽(yáng)離子淀粉是紙張表面的施膠劑，同時(shí)亦可增加填料及增白劑的留著率，陽(yáng)離子聚丙烯酰胺可絮凝沉降水中懸浮的微細(xì)纖維，具有絮凝捕集作用，以達(dá)到回收紙機(jī)排放水中流失的纖維素和填料及澄清水的目的。
　　

紡織工業(yè)中的應(yīng)用

　　紡織工業(yè)中大量使用水溶性聚合物。利用其粘結(jié)性和水溶性，可在織布中用作漿料，最廣泛應(yīng)用的漿料是：淀粉衍生物、聚丙烯酸類(lèi)、羥甲基纖維素等。利用聚電解質(zhì)的增稠性和分散性，可在印花中用作粘稠劑和分散劑，如海藻酸鈉、羥甲基纖維素等。季銨鹽化的聚丙烯酰胺可用作精紡防靜電整飾劑。
　　

涂料工業(yè)中的應(yīng)用

　　在涂料工業(yè)中，高分子電解質(zhì)的粘結(jié)、成膜、增稠及分散等性質(zhì)得到應(yīng)用。例如，離子型水溶性環(huán)氧樹(shù)脂、離子型順酐化聚丁二烯樹(shù)脂是優(yōu)良的電泳涂料，具有優(yōu)良的耐水性能和顏料分散性能，易交聯(lián)成膜；陽(yáng)離子型水溶性聚氯樹(shù)脂是性能優(yōu)良的成膜物質(zhì)。
　　此外，水溶性聚合物在食品工業(yè)、醫(yī)藥工業(yè)、化妝品等領(lǐng)域都有著廣泛應(yīng)用。

水溶性高分子的國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀及研究發(fā)展

　　我國(guó)水溶性高分子化合物已經(jīng)有一定規(guī)模，天然水溶性高分子聚合物的生產(chǎn)和應(yīng)用具有悠久的歷史。淀粉、阿拉伯膠、藻蛋白酸鈉、骨粉、明膠、干酪素、等早以在造紙、食品、粘和劑等中應(yīng)用。半合成產(chǎn)品如淀粉衍生物、羧甲基纖維素、甲基纖維素、乙基纖維素、羥乙基纖維素等，在不斷推廣應(yīng)用。合成產(chǎn)品如聚丙烯酰胺、聚丙烯酸、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、聚馬來(lái)酸酐、聚季胺鹽、聚乙二醇等，生產(chǎn)規(guī)模也在逐年增大。同時(shí)一些新的品種也不斷的被試制出來(lái)。近年人們把水溶性高分子作為精細(xì)化工的骨干產(chǎn)品之一，越來(lái)越受到重視。他的應(yīng)用范圍幾乎涉及到人們生產(chǎn)生活的所有領(lǐng)域。
　　可以說(shuō)水溶性高分子物質(zhì)是當(dāng)今社會(huì)最重要的聚合物之一，無(wú)論在生產(chǎn)還是應(yīng)用上都處在迅速發(fā)展階段，如現(xiàn)代的食品工業(yè)已經(jīng)依賴(lài)于纖維素產(chǎn)品、親水膠、改性食用淀粉和果膠等相互配套的水溶性高分子。大量的開(kāi)發(fā)和研究都致力于脂肪代用品。當(dāng)前水溶性高分子的研究和開(kāi)發(fā)主要集中在以下幾方面：
　　①不斷解決生產(chǎn)中提出的新問(wèn)題
　?、?開(kāi)發(fā)環(huán)境友好的合成聚合物
　　③ 根據(jù)性能要求設(shè)計(jì)聚合物
　?、?發(fā)現(xiàn)和評(píng)價(jià)不同聚合物之間的協(xié)同效應(yīng)和相互影響
　?、?遵守環(huán)境保護(hù)規(guī)定生產(chǎn)聚合物
　　⑥ 開(kāi)發(fā)提供新的應(yīng)用領(lǐng)域
　　近年來(lái)人們對(duì)高聚物的亞濃溶液和凝膠給予了較大的關(guān)注。在這樣的體系中，人們認(rèn)為較強(qiáng)的分子間作用力將會(huì)使高分子從溶液中沉淀出來(lái)，但事實(shí)上，在生物高分子和疏水締合高分子中，都存在著較強(qiáng)的分子間或分子內(nèi)締合作用，但高分子溶液都十分穩(wěn)定，并具有特殊流變性能。這給高分子科學(xué)帶來(lái)十分有趣的課題。盡管這些研究剛開(kāi)始，締合作用的機(jī)理尚不十分清楚，但由于這類(lèi)高聚物的重要性，人們熱衷于從合成和表征的方法去探索。隨著現(xiàn)代分子技術(shù)，特別是光譜技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)有可能去研究分子間的相互作用力。