聚丙烯酰胺在不同温度下溶解的水溶液粘度

      聚丙烯酰胺是一种无定形的水溶性聚合物，它在工业和农业中应用广泛，同时人们在催化化学、共聚化合物、生物医学等基础研究领域对它的应用和性质进行了研究和探索。它在水悬浮液中的絮凝作用使其广泛应用于造纸、水处理和采矿等领域，部分水解的聚丙烯酰胺还应用于油田的三次采油的聚合物驱油中。粘度是聚丙烯酰胺水溶液应用中的重要工艺参数，人们对聚丙烯酰胺溶液粘度产生机理、溶液浓度、剪切速率、离子强度对聚丙烯酰胺溶液粘度性质的影响进行了大量研究，发现粘度大小与溶液浓度、剪切速率、温度、离子强度密切相关。

　　实验部分、

　　试剂与仪器

　　聚丙烯酰胺:分析纯，相对分子质量3×10⁶，巩义市元成环保有限公司生产。

　　NDJ21型旋转粘度计，9021B型数显恒温磁力搅拌器。

　　实验方法、

　　量取一定量去离子水，置于烧杯中在磁力搅拌器上搅拌，称取一定量的聚丙烯酰胺置于烧杯中，溶解完全后，将烧杯置于30℃水浴中，用NDJ21型旋转粘度计测量动力粘度。改变搅拌速度一段时间后再测粘度，或者搅拌速度不变改变溶解时的搅拌温度，测定粘度，步骤同上。

　　溶解中搅拌速度对溶液最终粘度的影响：

　　在配制过程中采用200r/min和600r/min的搅拌速度，测定了一系列不同浓度的聚丙烯酰胺水溶液在30℃时的粘度，发现同一质量分数的聚丙烯酰胺溶液在不同的搅拌速度下溶解得到的溶液最终粘度相差较大，较高转速下得到的溶液粘度大约只有低转速得到溶液粘度的60%～70%，见图1。

　　溶解过程主要是克服分子链间-CONH2的氢键缔合，当聚丙烯酰胺溶于水时，在溶胀和溶解过程中，其酰胺基既形成分子内氢键，又与水分子形成氢键，分子内氢键构成聚丙烯酰胺的环结构和螺旋结构的刚性链段，这种结构使得溶液的粘度较大。搅拌速度快，分子内氢键构成聚丙烯酰胺的环结构和螺旋结构的刚性链段受机械剪切的作用容易被破坏和解离，当溶液受到的剪切速率增加时，原已渗透到大分子内部的内含溶剂，在剪切作用下被迫挤出，无规线团尺寸减小，溶剂分布在无规线团之间，从而使聚丙烯酰胺的酰胺基更多地与水分子作用而使大分子变得柔顺，流体力学体积和粘度也变小。

　　溶解后搅拌速度对溶液粘度的影响：

　　完全溶解后的溶液再经过长时间高速搅拌，发现粘度没有变化。可见搅拌速度对聚丙烯酰胺溶液粘度的影响只限于溶解过程中。作者认为溶解后，聚丙烯酰胺分子内氢键与水分子形成的分子外氢键达到了平衡状态，形成了一种二次结构，破坏这种二次结构所需要的活化能比较大，即使提高搅拌速度，也不会破坏这种二次结构，从而不会再影响聚丙烯酰胺溶液的粘度。

　　溶解中温度对溶液粘度的影响：

　　选取6个不同的温度配制聚丙烯酰胺水溶液，溶解完全后在搅拌速度600r/min，温度30℃的条件下测定聚丙烯酰胺溶液粘度。由图2可知，同一质量分数的聚丙烯酰胺溶液在不同温度下溶解得到的溶液粘度相差较大，聚丙烯酰胺溶液浓度低(0.8%，1.0%)时，溶解温度超过40℃，粘度明显下降;聚丙烯酰胺溶液浓度高(1.2%，1.4%)时，溶解温度超过45℃，粘度明显下降。温度有利于克服分子链间-CONH2的氢键缔合，但要高于阈值温度后粘度才有明显下降的现象，这与水在聚丙烯酰胺中的扩散活化能和颗粒聚丙烯酰胺溶解活化能有关，只有超过水在聚丙烯酰胺中的扩散活化能和颗粒聚丙烯酰胺溶解活化能，才能克服分子链间-CONH2的氢键缔合，导致聚丙烯酰胺的酰胺基更多地与水分子作用而使粘度变小。

　　溶解后温度对粘度的影响：

　　在30℃溶解得到的聚丙烯酰胺水溶液升温至35～55℃，保持2h，然后降温至30℃测量溶液粘度，粘度基本保持不变，可见温度对聚丙烯酰胺溶液粘度的影响只限于溶解过程中。溶解后再提高温度不能破坏二次结构，不影响二次结构的稳定性，从而不会再影响聚丙烯酰胺溶液的粘度。

　　结论：

　　配制溶解过程中不同的搅拌速度和温度导致聚丙烯酰胺水溶液的最终粘度相差很大，较快的搅拌速度和较高的温度溶解得到的聚丙烯酰胺水溶液粘度较小。聚丙烯酰胺在溶解过程中有可能形成了一种决定粘度的二次结构，这种结构的形成与溶解过程中的搅拌速度和溶解温度有关，这种二次结构相当稳定，不易再受搅拌速度和温度的影响。二次结构的形成可能是由于聚丙烯酰胺分子内氢键的分解与再生成，同时聚丙烯酰胺分子与水分子之间形成氢键，二者达到了一种动态的解离和形成的平衡状态。而破坏这种平衡状态所需活化能较大，因此这种二次结构稳定，宏观上表现为溶液的最终粘度受到配制条件的影响，而配制溶解完成后表现稳定。