水溶性聚丙烯酸钠的应用

聚丙烯酸钠是近年来国内外广泛研究开发的精细化工产品之一，其工业产品有白色(或浅黄色)块状或粉末产品；无色透明(或浅黄色)粘稠液体，易溶于水的产品。聚丙烯酸钠的产品已广泛应用于食品、饲料、纺织、造纸、水处理、石油化工、农林园艺、生理卫生等领域 目前研究的聚丙烯酸钠合成路线主要有以下两种：
　　1、丙烯酸聚合成聚丙烯酸再中和

1 水溶性聚丙烯酸钠的应用
　　聚丙烯酸钠的相对分子质量从几百至几千万以上，不同相对分子质量的聚丙烯酸钠可以用作各种目的和用途。超低相对分子质量(700以下)的用途还未完全开发出来；相对分子质量低(1000-5000)时，主要起分散作用；相对分子质量中等(104～106)显示有增稠性；相对分子质量高(106～107)的聚丙烯酸钠主要做增稠剂和絮凝剂；超高相对分子质量(107以上)的聚丙烯酸钠不再溶于水，在水中溶胀，生成水凝胶，主要用作吸水剂。
　　1．1 分散剂
　　聚丙烯酸钠为阴离子型聚合电解质，当其为低分子时，由于低聚物离子不能吸附悬浮粒子，而是被悬浮粒子所吸附，吸附了低聚物离子的颗粒表面形成双电层，改变了电荷状态，在静电荷作用下，颗粒相互排斥，这样避免了颗粒碰撞而长大沉积，并相应地将颗粒分散在溶液中。
　　随着工业用水量的日益增多，占工业用水80％以上的冷却水需要循环使用，这已成为节约水资源的重要措施。冷却水的不断循环，使水中矿物质不断增加引起设备和管道的腐蚀和结垢。因此，需要在循环水中添加阻垢分散剂。原油在开采及运输过程中，当流速较低时，原油中悬浮的大颗粒粘土在重力作用下不可避免地会沉降并附着堆积在管道的内壁，严重影响采油效率及原油的正常运输。加入分散剂，可剥离分散粘土颗粒。在目前众多的水处理剂中，聚丙烯酸钠类的分散性能是最优良的。阻垢分散用的聚丙烯酸钠的重均相对分子质量最好为2000～5000的范围。
　　据国外文献报道，目前分散效果较好的粘土分散剂分散效率(浓度为200X10-6)仅为75％左右。陈振江等人研究合成的聚丙烯酸钠粘土分散剂(浓度为200X10-6)分散效率可高达93％，大大降低了使用成本。陈振兴、李立通过丙烯酸单体的催化聚合反应，制得阻垢分散性能优良的低聚丙烯酸钠，用于氧化铝熟料溶出料浆中进行的沉降及动态阻垢试验，证实低聚物的最佳添加量约为18．5mg／L，此时沉降速度急剧减少，动态阻垢率达47．3％。尹宝霖等人利用三种含有不同官能团的单体丙烯酸(AA)、丙烯酰胺(AM)和烯丙基磺酸钠(ASA)合成了一种新型的三元共聚物阻垢分散剂(AA-AM-SAS)，合成的三元共聚物对BaS04、Ca3(PO4)2有很强的阻垢性能。
　　1．2 增稠剂
　　增稠剂是用于提高水性涂料粘度和改善流变性的一种聚合物助剂。增稠机理是：利用聚合物结构中相当数量的羧基，在遇到碱发生中和反应时，形成羧酸根离子，聚合物表面产生的静电排斥作用，使得共聚物分子主链不断扩张和伸展，由球状分子变成棒状分子，体积随之膨胀成百上千倍，从而占据了连续的相空间，提高了体系中分子运动的阻力，引起粘度的增加和流动状态的改变。
　　Robert L采用过硫酸铵或过硫酸钾作引发剂，在一定温度下引发聚合丙烯酸钠单体，当聚合度n达几十万以上时，其水溶液粘度很大，可以用作增稠剂。在涂料印花生产工艺中，用聚丙烯酸钠作增稠剂可以很好地替代海藻酸钠和天然淀粉。戚银城、刘宝龙的研究表明对于丁苯或丙烯酸酯类乳胶只要加入极少量聚丙烯酸钠就可以使体系的粘度增大。且随着聚丙烯酸钠用量的增多，粘度也相应增大。张轶东采用自由基水溶液聚合法合成了超高相对分子质量的丙烯酸(钠)聚合物，将此聚合物直接用于蛋白质溶液或其它生物大分子提取液的浓缩，用该方法浓缩蛋白质具有效率高、浓缩剂用量少的优点，并且能够更好地保持酶的活性。
　　1．3 絮凝剂
　　聚丙烯酸钠是一种线状、可溶性的高分子化合物，其分子链上的羧基由于静电相斥作用，使得曲绕的聚合物链伸展，促成具有吸附性的功能团外露到表面上来，由于这些活性点吸附在溶液中悬浮粒子上，形成粒子间的架桥，从而加速了悬浮粒子的沉降。
　　聚丙烯酸钠是20世纪70年代末作为絮凝剂开始应用于赤泥沉降分离，其对赤泥的沉降速度通常比用淀粉高10倍。山田、兴一通过研究认为：聚丙烯酸钠的絮凝效果受赤泥的种类影响较大，有些赤泥甚至不能与聚丙烯酸钠形成絮凝物。在我国聚丙烯酸钠中常用的絮凝剂品种是A-1000#。赤泥沉降过程中，为了降低絮凝剂与赤泥初聚体“架桥”时的空间效应，江新民将采用NaOH改性处理的A-1000#絮凝剂用于拜耳赤泥分离和烧结法赤泥分离，其效果分别是未处理的A-1000#絮凝剂的3倍和1．88倍。 在氯碱生产中，盐水精制是一关键环节，它要求Ca2+、Mg2+含量低，沉淀速度快。因此，选用高效、速溶、便利的絮凝剂是关系到盐水澄清效果，保证盐水质量，降低盐水生产成本的关键。文献合成的聚丙烯酸钠是有效的盐水精制絮凝剂。黄民生、朱莉采用聚丙烯酸钠作为主要絮凝剂预处理味精浓废水，取得了十分好的效果。预处理过程对COD、SS、SO42-的去除率分别达到69％、91％和41％。
　　1．4 洗涤助剂
　　在洗涤剂行业，磷酸盐、硅酸盐与碳酸盐一直是重要的助洗剂，特别是三聚磷酸钠(STPP)，其显著特点在于能与水中的Ca2+、Mg2+生成可溶性整合物，从而起到软化硬水的作用，并且有分散、乳化、增溶污垢的能力。但随着某些地区水体富磷，导致赤化的现象出现，无磷洗涤剂的呼声越来越高，从而掀起了代磷助剂开发与应用高潮。
　　国外于20世纪80年代开始研制新的助洗剂——聚丙烯酸钠。聚丙烯酸钠虽然对Ca2+、Mg2+的螯合能力弱，但它具有良好的分散污垢和防止污垢在织物上的再沉积能力以及优于STPP的抗酸能力等优点，被大量应用于低磷及无磷洗衣粉中。聚丙烯酸钠相对分子质量的分布是影响助洗性能的决定因素，作为洗涤助剂的聚合物其相对分子质量分布 平均为5万～8万。凌爱莲[21]初步考查了聚丙烯酸钠对十二烷基苯磺酸钠和十二烷基醇硫酸钠等阴离子表面活性剂的助洗作用，试验证实聚丙烯酸钠的去污力可达到或超过单独使用三聚磷酸钠时的数值，是一种能够部分或完全取代三聚磷酸钠的聚合物洗涤剂。
　　为了改善丙烯酸均聚物对Ca2+、Mg2+螯合能力弱的缺点，人们开始研究在其分子链上共聚一些其它功能单体。目前采用较多的是马来酸和丙烯酸的共聚物，聚合物分子中含有更多的-COO-Na+，其水溶性及螯合金属离子的能力显著增强。丙烯酸-马来酸酐共聚物具有很好的整合性能和分散性能，应用在洗涤剂中能缓冲pH值，丙烯酸的含量越高，产物的螯合力越低，分散力越高；马来酸酐的含量越高，产物的整合力就越高。按1：4的比例与4A沸石复配取代三聚磷酸钠制得无磷洗衣粉，其去污指数超过标准粉。
　　2 结束语
　　近些年来，国内研究者对聚丙烯酸钠的化学、物理性质、反应机理、优化生产等做了大量的工作，但国内聚丙烯酸钠的实际应用还远不及国外，尤其是超低相对分子质量(700以下)的产品的应用还未完全开发。因此，可以根据市场需要生产出不同相对分子质量、具有多种用途的系列产品，满足各行各业的需求，其发展前景和经济效益十分乐观。
[1] 大森英三(日)．丙烯酸酯及其聚合物[M]．北京：化学工业出版社，1995．
[2]曾之平，赵红坤，白永康．河南化工[J]，1997，(5)：8-9．
[3] 严瑞宣．水溶性高分子[M]．北京；化学工业出版社，1998，196-222．
[4]余学军，徐丹，刘明，等．化学世界[J]，1999，(6)：310-312．
[5]路建美，朱秀林．化学世界[J]，1994，(9)：471-474．
[6]栗田工业水处理药剂手册编委会(日)．水处理药剂手册[M]．北京：中国石化出版社，1994．
[7]陈振江，赵学波，穆文俊．精细石油化工[J]，1998，(3)：10-13．
[8]陈振兴，李立．轻金属[J]，1995，(2)：12-15．
[9]尹宝霖，秦增全．高分子材料科学与工程[J]，1995，11(14)：57-60．
[10]Davidson．Robert L．Handbook of Water-Soluble Gum and Resins[M]，New York：1980．
[11]Laurence CD．US：4338 239[P]。1982．
[12]戚银城，刘宝龙．北京化工学院学报[J](自然科学版)，1990，17(1)：19-24．
[13]张轶东，曾心苗，李朝顺，等．离子交换与吸附[J]，1997，(6)．
[14]山田、兴一．(日)．轻金属[J]，1980，(3)：20-21．
[15]江新民，桂康．轻金属[J]，1999，(6)：17-20．
[16]山口繁，坪井启史，入江好夫．JP：P4190523．3[P)：1995-11-29．
[17]万福忠，陈昌镜，朱艳梅．湖北化工[J]，1994，(3)：28-30．
[18]康? 正，崔英德，郭建维，等．广州化工[J]，2000，28 (4)：151-153．
[19]韩淑珍．精细与专用化学品[J]，2000，(17)：15-17．
[20]黄民生，朱莉．水处理技术[J]，1998，24(5)：299-302
[21]凌爱莲．北京工业大学学报门[J]，1993，19(2)：74-80．
[22]Bertleff W，Neumann P，Baur R．et al．洗涤过程中高分子聚合物助剂的洗涤作用[R]．Specially Chemicals Forum，1997．
[23]李成威，应宗荣，吉法祥，等．日用化学工业[J]，1999，(4)：11-13．