聚丙烯酰胺主要性質(zhì)及其對(duì)生產(chǎn)成本的影響

劉軍鈦

(深圳市三力星實(shí)業(yè)有限公司，廣東深圳，518034)

聚丙烯酰胺主要性質(zhì)及其對(duì)生產(chǎn)成本的影響

劉軍鈦

(深圳市三力星實(shí)業(yè)有限公司，廣東深圳，518034)

聚丙烯酰胺在造紙工業(yè)中用途廣泛，其使用效果和應(yīng)用方法取決于產(chǎn)品的電性、電荷密度、分子質(zhì)量、形態(tài)以及溶解性等性質(zhì)，這些性質(zhì)也是影響聚丙烯酰胺生產(chǎn)成本的重要因素。在這些性質(zhì)中，電性和形態(tài)的影響最大。對(duì)于陽離子聚丙烯酰胺來說，電荷密度是決定生產(chǎn)成本的主要因素。

聚丙烯酰胺;生產(chǎn)成本;影響因素

聚丙烯酰胺 (PAM)是一種常用的造紙助劑，它主要用于紙張抄造和廢水處理過程，前者包括助留助濾、紙張?jiān)鰪?qiáng)和纖維分散(助留劑、增強(qiáng)劑、分散劑);后者則包含了廢水處理和污泥脫水 (絮凝劑)［1］。

PAM是合成聚合物，通過改變合成條件可以得到具有不同性質(zhì)的PAM產(chǎn)品。在實(shí)際應(yīng)用過程中，PAM的電性、電荷密度、分子質(zhì)量、形態(tài)以及溶解性是用戶最關(guān)心的性質(zhì)，這些性質(zhì)不僅影響PAM的使用效果和應(yīng)用方法，而且也是決定PAM生產(chǎn)成本的重要因素，本文對(duì)此做一簡要介紹。

1 PAM生產(chǎn)方法

在工業(yè)上，PAM基本都是在引發(fā)劑的作用下，由丙烯酰胺單體均聚或與其他單體共聚而成［2］，目前常用的單體見圖1。

PAM有非離子 (NPAM)、陰離子 (APAM)和陽離子 (CPAM)3種電性形式，常見的化學(xué)結(jié)構(gòu)見圖2。

NPAM由丙烯酰胺單體均聚而成。APAM的生產(chǎn)過去大多采用丙烯酰胺均聚共水解或均聚后水解工藝，現(xiàn)在則以丙烯酰胺與丙烯酸共聚法為主。CPAM的合成有改性法和共聚法，前者利用酰胺改性反應(yīng)制得叔胺型CPAM，后者利用丙烯酰胺和陽離子單體共聚生產(chǎn)季胺型CPAM，其中甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨是最常用的陽離子單體。

丙烯酰胺單體來自丙烯腈，其他與丙烯酰胺共聚的陰離子和陽離子單體也都是石油化工產(chǎn)品。因此，PAM的生產(chǎn)成本與原油價(jià)格息息相關(guān)，國際油價(jià)上漲必然引起PAM的生產(chǎn)成本上漲。

工業(yè)合成的PAM有膠體、分散液、乳液和干粉4 種物理形態(tài)［2］。

膠體是水溶液聚合得到的膠體狀產(chǎn)品。分散液和乳液相似，但產(chǎn)品結(jié)構(gòu)不同，分散液是由很小的脫水PAM粒子分散于惰性碳?xì)浠衔镙d體油中的液體產(chǎn)品;而乳液則是將含水PAM分散于輕質(zhì)礦物油或水中的液體產(chǎn)品。兩種產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝見圖3和圖4。

干粉有粉狀和珠狀兩種類型，其生產(chǎn)工藝不同。粉狀干粉是在水相中合成，然后經(jīng)過干燥和磨碎成為細(xì)粒，所以產(chǎn)品具有不規(guī)則的外形，工藝流程見圖5;珠狀干粉則是在有機(jī)溶劑中合成，然后經(jīng)過干燥而成，產(chǎn)品呈圓珠狀，工藝流程見圖6。

2 PAM產(chǎn)品

表1列出某跨國公司用于造紙工業(yè)的各種PAM產(chǎn)品，其中包括用于紙張抄造和廢水處理的兩類產(chǎn)品。這些產(chǎn)品經(jīng)過長期應(yīng)用和篩選，已成為造紙廠常用的PAM產(chǎn)品。整體而言，它們具有以下幾個(gè)特點(diǎn):

(1)APAM的分子質(zhì)量普遍高于CPAM;

(2)高分子質(zhì)量的產(chǎn)品多為粉狀固體或乳液形態(tài);

(3)CPAM的電荷密度以20%～40%為主;

(4)紙張抄造用產(chǎn)品多具有低至中等的電荷密度。

以上整體特點(diǎn)與PAM產(chǎn)品的生產(chǎn)和應(yīng)用有關(guān)，說明具備這些特點(diǎn)的產(chǎn)品具有生產(chǎn)或應(yīng)用上的優(yōu)勢(shì)。

3 PAM的主要性質(zhì)

PAM有多種性質(zhì)，對(duì)于紙廠用戶來說，產(chǎn)品的電性、電荷密度、分子質(zhì)量、形態(tài)和溶解性是可以選擇、并且可以被觀察或檢測(cè)的重要性質(zhì)［3］。

3.1 電性

目前用于助留和增強(qiáng)的PAM以陽離子產(chǎn)品為主，纖維分散采用陰離子產(chǎn)品，廢水處理則可以根據(jù)廢水或污泥的性質(zhì)選擇非離子、陰離子或陽離子產(chǎn)品。

PAM的電性決定了PAM與被處理顆粒之間是否發(fā)生反應(yīng)以及發(fā)生何種反應(yīng)。因此，電性是PAM最基本的性質(zhì)，也是PAM發(fā)揮效果的基礎(chǔ)。在實(shí)際應(yīng)用中，確定電性是選擇PAM產(chǎn)品的首要步驟。

表1 某跨國公司造紙用PAM產(chǎn)品

測(cè)定PAM的電性可以采用電荷分析儀 (PCD)，也可以把未知電性和已知電性的產(chǎn)品溶液混合，通過觀察是否發(fā)生反應(yīng)，是否有混濁物生成來做判斷。如果有顯著反應(yīng)，說明未知產(chǎn)品與已知產(chǎn)品的電性相反;如果反應(yīng)微弱，說明未知產(chǎn)品是非離子型;如果完全沒有反應(yīng)，則說明未知產(chǎn)品與已知產(chǎn)品的電性相同。

3.2 電荷密度

電荷密度是APAM或CPAM電性強(qiáng)弱的一種表示。電荷密度影響PAM與被處理顆粒之間的反應(yīng)進(jìn)程及吸附外形，從而影響PAM的使用效果。

電荷密度有不同的表示方法，本文所述的電荷密度指分子中電性單體所占的數(shù)量比例。例如電荷密度30%，表示PAM分子中，有30%的丙烯酰胺單體帶有電性。

測(cè)定PAM的電荷密度可以采用膠體滴定法［4］或紅外光譜法。前者利用具有相反電性的標(biāo)準(zhǔn)試劑滴定樣品PAM溶液，然后根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)試劑的消耗量計(jì)算出樣品PAM的電荷密度;后者則將樣品PAM的紅外譜圖與標(biāo)準(zhǔn)譜圖進(jìn)行比對(duì)，通過比較特征吸收峰的位置和形狀來推斷樣品PAM的電荷密度。

3.3 分子質(zhì)量

聚合物由許多單體聚合而成，分子質(zhì)量是聚合物聚合程度的一種表示。PAM含有的單體數(shù)目愈多，分子質(zhì)量愈高。對(duì)于線性PAM來說，分子質(zhì)量愈高，分子鏈就愈長。

使用時(shí)，為了達(dá)到預(yù)期的使用效果，需要選擇具有合適分子質(zhì)量的PAM產(chǎn)品。一般來說，高分子質(zhì)量的產(chǎn)品對(duì)助留助濾、纖維分散和廢水處理有利，而紙張?jiān)鰪?qiáng)和污泥脫水則要求產(chǎn)品有相對(duì)較低的分子質(zhì)量。

黏度法是測(cè)定PAM分子質(zhì)量最常用的方法［5］。該方法是測(cè)定產(chǎn)品稀溶液的黏度，然后根據(jù)黏度與分子質(zhì)量之間的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出分子質(zhì)量。在相同條件下，產(chǎn)品溶液的黏度愈大，產(chǎn)品的分子質(zhì)量就愈高。

3.4 產(chǎn)品形態(tài)

PAM有膠體、分散液、乳液和干粉4種物理形態(tài)。

膠體產(chǎn)品的有效含量非常低，產(chǎn)品的運(yùn)輸半徑和使用范圍受到很大限制，難以被大規(guī)模銷售。分散液和乳液的有效含量為30%～50%。干粉的固含量可達(dá)90%以上，是有效成分最高的一種物理形態(tài)，也是造紙工業(yè)使用最多的一類PAM產(chǎn)品。

無論使用哪種形態(tài)的PAM產(chǎn)品，都需要先將產(chǎn)品與水混合，制成低濃度的溶液后再添加。產(chǎn)品形態(tài)并不直接影響產(chǎn)品的使用效果，但它決定產(chǎn)品的制備及使用方法。一般而言，如果采用全自動(dòng)溶解制備方式，干粉產(chǎn)品需要的設(shè)備最為復(fù)雜，涉及的設(shè)備投資也較大。

3.5 溶解性

溶解性包含兩方面的含義，一是溶解的快慢，二是不溶物含量。一般來說，產(chǎn)品的分子質(zhì)量愈高，溶解就愈慢。離子型產(chǎn)品的溶解快于非離子型產(chǎn)品。提高溶解溫度有助于加快溶解。

不溶物含量是干粉產(chǎn)品的一項(xiàng)重要指標(biāo)。合成PAM時(shí)，如果條件控制不好，會(huì)有高度支鏈聚合的情況出現(xiàn)，形成難溶于水的細(xì)小膠粒。產(chǎn)品如果含有過多的不溶物，容易在制備時(shí)出現(xiàn)不溶膠團(tuán)，堵塞過濾器及在紙機(jī)上造成斷紙或紙病。紙張抄造這方面的要求比污水處理更高。

常用的測(cè)試方法是取1 g固體產(chǎn)品，溶解成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的水溶液，然后過一定目數(shù)的篩網(wǎng)，留存在網(wǎng)上的不溶物粒子數(shù)目即為產(chǎn)品的不溶物含量［6］。顯然，抄紙用PAM的不溶物含量越低越好。

4 PAM主要性質(zhì)對(duì)生產(chǎn)成本的影響

為了說明PAM產(chǎn)品性質(zhì)對(duì)其生產(chǎn)成本的影響，本研究選擇同一家公司的產(chǎn)品進(jìn)行比較。這里所說的生產(chǎn)成本包括生產(chǎn)、包裝和運(yùn)輸?shù)母黜?xiàng)費(fèi)用，可以說是計(jì)算產(chǎn)品銷售贏利的原始基礎(chǔ)。

表2～表4列出了前述某跨國公司的PAM產(chǎn)品及成本系數(shù)，成本系數(shù)的計(jì)算方法是以表2～表4中非離子型產(chǎn)品 (1號(hào)產(chǎn)品)的生產(chǎn)成本為基準(zhǔn)，成本系數(shù)為1，其他產(chǎn)品與之相比，得出各自的成本系數(shù)。成本系數(shù)愈低，產(chǎn)品的生產(chǎn)成本也愈低。

表2 助留劑產(chǎn)品的生產(chǎn)成本

表3 絮凝劑產(chǎn)品的生產(chǎn)成本

表4 陽離子珠狀絮凝劑產(chǎn)品的生產(chǎn)成本

4.1 電性

目前造紙工業(yè)使用的CPAM以共聚產(chǎn)品為主，通過陽離子單體和丙烯酰胺單體的共聚在丙烯酰胺的酰胺基上引入陽離子基團(tuán)。陽離子單體價(jià)格昂貴，遠(yuǎn)高于丙烯酰胺單體，因而提高了CPAM的生產(chǎn)成本。

從表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 電荷密度

電荷密度對(duì)成本的影響主要表現(xiàn)在CPAM上。對(duì)于APAM來說，產(chǎn)品成本基本不受電荷密度的影響。

如前所述，CPAM的電荷密度愈高，需要的陽離子單體愈多，產(chǎn)品的成本也愈高 (見表4)。造紙工業(yè)常用的CPAM具有中等以下 (＜40%)電荷密度，在這個(gè)范圍內(nèi)，電荷密度增加造成的成本上升幅度一般小于30%。

4.3 分子質(zhì)量

生產(chǎn)高分子PAM需要增大丙烯酰胺單體濃度，消耗更多的丙烯酰胺，因此分子質(zhì)量愈高，PAM的成本也愈高。但是，與陽電荷密度相比，分子質(zhì)量增加引起的成本上升幅度要小得多。

4.4 產(chǎn)品形態(tài)

目前使用最多的液體產(chǎn)品是乳液形態(tài)。乳液產(chǎn)品的有效含量通常為30%～50%。相對(duì)于干粉產(chǎn)品，乳液的有效含量低，產(chǎn)品的包裝和運(yùn)輸成本成倍增長。生產(chǎn)乳液產(chǎn)品需要使用大量的有機(jī)溶劑及乳化劑，也增加了生產(chǎn)成本。

在性質(zhì)相同的條件下，珠狀產(chǎn)品和粉狀產(chǎn)品的效果并無差別。兩者最重要的差別是珠狀產(chǎn)品因?yàn)轭w粒均勻溶解性更好一些，而且在使用過程中不易起塵。需要指出的是，許多紙廠使用自動(dòng)溶解設(shè)備，在這種情況下，珠狀和粉狀產(chǎn)品的使用幾乎沒有什么區(qū)別。生產(chǎn)珠狀產(chǎn)品涉及使用有機(jī)溶劑和乳化劑，所以相比而言，珠狀產(chǎn)品的成本高于粉狀產(chǎn)品。

4.5 溶解性

紙張抄造用的PAM在紙漿中添加，對(duì)成紙質(zhì)量有直接影響，溶解性要求遠(yuǎn)高于污水處理用的絮凝劑。生產(chǎn)時(shí)，一方面要更加嚴(yán)格地控制原料和生產(chǎn)條件，另一方面要加大產(chǎn)品中非合格部分的去除比例，這樣自然會(huì)增加產(chǎn)品的成本。比較表2～表4可以看出這種影響。

5 結(jié)語

造紙工業(yè)常用的聚丙烯酰胺 (PAM)包括非離子(NPAM)、陰離子 (APAM)和陽離子 (CPAM)3類產(chǎn)品。除此之外，PAM的產(chǎn)品形態(tài)、電荷密度、分子質(zhì)量和溶解性也是PAM的重要性質(zhì)。在這些性質(zhì)中，產(chǎn)品形態(tài)和電性對(duì)產(chǎn)品生產(chǎn)成本的影響最大。對(duì)于CPAM來說，電荷密度是決定生產(chǎn)成本的主要因素，這是造紙較少使用高陽電荷PAM的一個(gè)重要原因。

［1］王 平，宋建國．聚丙烯酰胺在造紙工業(yè)中的應(yīng)用［J］．黑龍江造紙，2003(1):38．

［2］嚴(yán)瑞瑄．水溶性高分子［M］．北京:化學(xué)工業(yè)出版社，1998．

［3］劉軍鈦．助留劑效果的影響因素及影響規(guī)律［J］．湖南造紙，2009(4):20．

［4］陳夫山，謝來蘇，魏德津，等．用膠體滴定法測(cè)定聚合物的電荷［J］．中國造紙，2000，15(2):30．

［5］GB/T 12005．10—1992．聚丙烯酰胺分子量測(cè)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．

polyacrylamide;production cost;factors

TS727+.3

A

0254-508X(2011)09-0064-05

劉軍鈦先生，博士;長期從事助留劑的研發(fā)和應(yīng)用工作。

2011-03-15(修改稿)

(責(zé)任編輯:常 青)