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水溶性高分子的概念和分類

　　水溶性高分子化合物又稱為水溶性樹脂或水溶性聚合物。通常所說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悾孩訇栯x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。
　　水溶性高分子按來源通常分為三大類：
　　(一)天然水溶性高分子。以天然動植物為原料提取而得。如淀粉類、纖維素、植物膠、動物膠等。
　　(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。有聚合類樹脂和縮合類樹脂兩類，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、陽離子、陰離子和兩性離子高分子，其中后三類為聚電解質(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：
　　① 水溶性，水是最廉價(jià)的溶劑，來源廣，無污染。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，有助于水對固體的潤濕，這對于顏料、填料、粘土之類的物質(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?，作為增粘劑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別的水溶液或水分散體的表觀粘度增大的作用。
　　⑤ 減阻作用，指向流體中添加少量化學(xué)藥劑以使流體通過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，就可以使流動阻力減少50％甚至80％以上，這對于工業(yè)、交通、國防等領(lǐng)域都有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。
　　⑥ 流變性，指物質(zhì)在外力作用下流動變形的特性。流變性對水溶性高分子的應(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)，不同流變性可以滿足不同的需要。
　?、邞腋∽饔?，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，被稱為精細(xì)化工的兩大支柱，在石油勘探開發(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。水溶性陽離子聚合物在粘土表面的吸附作用超過中性聚合物和無機(jī)鹽、具有永久性吸附的特征。
　?、?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。水溶性陽離子聚合物可作為酸化時(shí)的
　　緩蝕劑，如陽離子化聚丙烯酰胺。
　?、?驅(qū)油劑：在三次采油過程中，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：一類是部分水解聚丙烯酰胺，另一類是生物聚合物(如黃原膠)。相對而言，由于前者具有來源廣、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，通過高分子長鏈架橋把許多細(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，比無機(jī)絮凝劑如明礬、氯化鐵等大數(shù)十倍，而且具有許多無機(jī)絮凝劑所沒有的獨(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、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)氧樹脂、離子型順酐化聚丁二烯樹脂是優(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；陽離子型水溶性聚氯樹脂是性能優(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。

水溶性高分子的國內(nèi)現(xiàn)狀及研究發(fā)展

　　我國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。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。
　　可以說水溶性高分子物質(zhì)是當(dāng)今社會最重要的聚合物之一，無論在生產(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發(fā)主要集中在以下幾方面：
　?、俨粩嘟鉀Q生產(chǎn)中提出的新問題
　?、?開發(fā)環(huán)境友好的合成聚合物
　?、?根據(jù)性能要求設(shè)計(jì)聚合物
　　④ 發(fā)現(xiàn)和評價(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
　?、?開發(fā)提供新的應(yīng)用領(lǐng)域
　　近年來人們對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使高分子從溶液中沉淀出來，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)帶來十分有趣的課題。盡管這些研究剛開始，締合作用的機(jī)理尚不十分清楚，但由于這類高聚物的重要性，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。