راهنمای جامع پلی‌آکریل‌آمید: اسرار شگفت‌انگیز و کاربردهای گسترده‌ی «افزودنی همه‌کاره»
۱. پلی‌آکریل‌آمید چیست؟
پلی‌آکریل‌آمید (پم)، از نظر شیمیایی، یک پلیمر خطی محلول در آب است که از طریق پلیمریزاسیون آغاز شده توسط رادیکال‌های آزاد مونومرهای آکریل‌آمید (صبح) با فرمول مولکولی (C₃H₅خیر)n تشکیل می‌شود. این ماده در دمای اتاق به صورت یک جامد شیشه‌ای سخت به نظر می‌رسد، اما در کاربردهای عملی، اغلب با آن به اشکالی مانند مایعات کلوئیدی، لاتکس، پودر سفید، دانه‌های شفاف و پولک مواجه می‌شویم.
پلی‌آکریل‌آمید دو پارامتر ساختاری مهم دارد: وزن مولکولی و خاصیت یونی. بر اساس وزن مولکولی، می‌توان آن را به وزن مولکولی کم، وزن مولکولی متوسط، وزن مولکولی بالا و وزن مولکولی فوق‌العاده بالا تقسیم کرد. بر اساس خاصیت یونی، یعنی ویژگی‌های یونیزاسیون در محلول آبی، می‌توان آن را به انواع یونی غیر یونی، آنیونی، کاتیونی و آمفوتریک طبقه‌بندی کرد. انواع مختلف پلی‌آکریل‌آمید به دلیل تفاوت‌های ساختاری، خواص متمایزی از خود نشان می‌دهند و در نتیجه با سناریوهای کاربردی مختلف سازگار می‌شوند.
دوم. ویژگی‌های پلی‌آکریل‌آمید
(۱) خواص فیزیکی منحصر به فرد
حلالیت: می‌تواند به هر نسبتی در آب حل شود و یک محلول آبی یکنواخت و شفاف تشکیل دهد. این ویژگی، آن را در بسیاری از مواردی که نیاز به مخلوط کردن با آب دارند، بسیار مناسب می‌کند. با این حال، پس از نگهداری طولانی مدت، ویسکوزیته محلول به دلیل تخریب آهسته پلیمر، به ویژه هنگامی که شرایط نگهداری و حمل و نقل نامناسب باشد، کاهش می‌یابد.
ویسکوزیته: ویسکوزیته محلول آبی پلی آکریل آمید ارتباط نزدیکی با غلظت دارد؛ با افزایش غلظت، ویسکوزیته نیز به همان نسبت افزایش می‌یابد. علاوه بر این، در غلظت یکسان، ویسکوزیته محلول پلی آکریل آمید با وزن مولکولی بالا نسبتاً بالاتر است. در همین حال، مقدار پی اچ محلول نیز بر ویسکوزیته تأثیر می‌گذارد. در محلول‌های با پی اچ بالا، به دلیل هیدرولیز، آنیون‌های کربوکسیلات در مولکول‌ها تولید می‌شوند و زنجیره‌های مولکولی به دلیل دافعه الکترواستاتیک کشیده می‌شوند و در نتیجه ویسکوزیته محلول افزایش می‌یابد.
لخته‌سازی: پلی‌اکریل‌آمید با وزن مولکولی بالا عملکرد لخته‌سازی بسیار خوبی دارد. زنجیره‌های مولکولی آن می‌توانند به طور هوشمندانه‌ای بین ذرات جذب‌شده پل تشکیل دهند، چندین یا حتی ده‌ها ذره را به هم متصل کنند، تشکیل سریع لخته‌ها را افزایش دهند و سرعت رسوب‌گذاری ذرات را به میزان زیادی افزایش دهند. بارهای حمل‌شده روی زنجیره‌های مولکولی می‌توانند جاذبه الکترواستاتیکی روی ذرات اعمال کنند و طول مولکول‌ها عملکرد جذب خوب و مکان‌های اتصال با پیوندهای هیدروژنی را فراهم می‌کند. این عوامل با هم کار می‌کنند تا اثر لخته‌سازی را بیشتر بهینه کنند.
(دوم) خواص شیمیایی غنی
واکنش هیدرولیز: پلی آکریل آمید می‌تواند از طریق هیدرولیز گروه‌های آمیدی به پلیمری حاوی گروه‌های کربوکسیل تبدیل شود و محصول، پلی آکریل آمید نیمه هیدرولیز شده نامیده می‌شود. در شرایط اسیدی، اگرچه واکنش هیدرولیز توسط اسید افزایش می‌یابد، اما سرعت آن بسیار کندتر از هیدرولیز قلیایی است و معمولاً به دمای بالاتری نیاز دارد.
واکنش هیدروکسی متیلاسیون: این ماده می‌تواند با فرمالدئید واکنش داده و پلی‌اکریل‌آمید هیدروکسی متیله شده تشکیل دهد. این واکنش می‌تواند هم در شرایط اسیدی و هم در شرایط قلیایی انجام شود، اما سرعت واکنش در شرایط قلیایی سریع‌تر است. در شرایط اسیدی، از آنجایی که فرمالدئید عمدتاً به شکل زنجیره‌ای وجود دارد، غلظت مؤثر کاهش می‌یابد و در نتیجه سرعت واکنش کندتر می‌شود.
واکنش سولفومتیلاسیون: این واکنش در شرایط قلیایی انجام می‌شود و دو روش تغذیه دارد. یکی این است که پلی‌آکریل‌آمید مستقیماً با بی‌سولفیت سدیم و فرمالدئید در شرایط قلیایی واکنش می‌دهد تا مشتق آنیونی - پلی‌آکریل‌آمید سولفومتیله‌شده - تولید شود؛ روش دیگر این است که ابتدا بی‌سولفیت سدیم به محلول پلی‌آکریل‌آمید متیله‌شده اضافه می‌شود و پلی‌آکریل‌آمید سولفومتیله‌شده پس از واکنش دوم به دست می‌آید. این واکنش به مقدار پی اچ بسیار حساس است. وقتی مقدار پی اچ کمتر از 10 باشد، واکنش در دمای 70 درجه سانتیگراد بسیار کند است. وقتی مقدار پی اچ بیشتر از 10 باشد، سرعت واکنش به طور قابل توجهی افزایش می‌یابد.
واکنش آمینومتیلاسیون: که با نام واکنش مانیخ نیز شناخته می‌شود، پلی‌اکریل‌آمید، دی‌متیل‌آمین و فرمالدئید می‌توانند از طریق این واکنش، پلیمر دی‌متیل‌آمین - N - متیل‌پروپنیل o-فنیلن‌دی‌آمین تولید کنند. این یک روش رایج برای تهیه پلی‌اکریل‌آمید کاتیونی است و محصول حاصل، به دلیل وجود زنجیره‌های جانبی گروه فعال روی زنجیره مولکولی، می‌تواند در صورت استفاده به عنوان لخته‌ساز، میزان زلال‌سازی فاضلاب را بهبود بخشد.
واکنش تخریب هافمن: پلی آکریل آمید می‌تواند در شرایط قلیایی با هیپوهالیت‌هایی مانند هیپوکلریت سدیم یا هیپوبرومیت سدیم واکنش داده و پلی وینیل آمین کاتیونی تولید کند.
واکنش اتصال عرضی: محلول آبی پلی‌آکریل‌آمید هنگام گرم شدن در شرایط اسیدی، ژل پلی‌آکریل‌آمید نامحلول با اتصال عرضی تشکیل می‌دهد. علاوه بر این، می‌تواند با گلی‌اکسال، رزین اوره-فرمالدئید، رزین ملامین، رزین فنولیک و غیره نیز واکنش اتصال عرضی انجام دهد. محلول آبی پلی‌آکریل‌آمید هیدرولیز شده و کوپلیمر آکریل‌آمید همچنین می‌تواند با یون‌های پل هیدروکسیل چند هسته‌ای تولید شده توسط یون‌های فلزی بالا مانند نمک‌های آلومینیوم، نمک‌های کروم، نمک‌های زیرکونیوم، نمک‌های منگنز و نمک‌های تیتانیوم واکنش اتصال عرضی انجام دهد و ژل تشکیل دهد.
سوم. روش‌های تهیه پلی‌آکریل‌آمید
(۱) پلیمریزاسیون محلول آبی
این قدیمی‌ترین روش برای تولید پلی‌آکریل‌آمید است که مزایای تولید ایمن و اقتصادی را به همراه دارد و یک مسیر تولید مهم برای پلی‌آکریل‌آمید محسوب می‌شود. با تغییر شرایط واکنش مانند سیستم آغازگر، مقدار پی اچ متوسط، نوع و دوز افزودنی‌ها، حلال و دمای پلیمریزاسیون، می‌توان تأثیر آن را بر ویژگی‌های واکنش پلیمریزاسیون و خواص محصول بررسی کرد. با این حال، به دلیل استفاده از آب به عنوان حلال، میزان ناخالصی در سیستم کم است، ثابت انتقال زنجیره مونومرها در محلول آبی کم است و با توجه به شرایط فرآیند، محتوای جامد محصولات پلیمریزاسیون در محلول آبی کم است و واکنش ایمیدیزاسیون مستعد تشکیل ژل است که دستیابی به پلی‌آکریل‌آمید با وزن مولکولی نسبی بالا را دشوار می‌کند.
(دوم) پلیمریزاسیون رسوبی
وقتی پلیمر حاصل نتواند در حلال‌هایی مانند استون و اتانول حل شود، پلیمر به طور مداوم با پیشرفت واکنش از محلول رسوب می‌کند، از این رو نام این روش پلیمریزاسیون از این قرار است. پلی‌آکریل‌آمید تهیه شده با این روش وزن مولکولی نسبتاً بالایی دارد و یکنواختی خوبی دارد.
(سوم) پلیمریزاسیون پراکندگی
پلیمریزاسیون پراکندگی نوعی پلیمریزاسیون رادیکال آزاد است که رفتار جنبشی آن مشابه پلیمریزاسیون توده‌ای است و می‌توان آن را نوع خاصی از پلیمریزاسیون رسوبی دانست. اصل آن پراکنده کردن مونومرها در آب برای تشکیل محلول آبی با غلظت مشخص و سپس افزودن یک آغازگر برای پلیمریزاسیون است. در طول فرآیند پلیمریزاسیون، مونومرهای از پیش پلیمریزه شده و آغازگر در محیط واکنش حل می‌شوند تا یک سیستم همگن تشکیل دهند. پلیمر تولید شده رسوب می‌کند زیرا به راحتی در محیط واکنش حل نمی‌شود و پلیمر رسوب شده با یکدیگر تجمع می‌یابد و تحت عمل یک تثبیت‌کننده، به صورت ذرات ریز در محلول واکنش به طور پایدار معلق می‌شود و یک پراکندگی ناهمگن تشکیل می‌دهد. این سیستم پلیمریزاسیون پراکندگی دارای محتوای جامد بالا، ویسکوزیته پایین و پایداری برشی خوبی است.
چهارم. زمینه‌های کاربرد پلی‌آکریل‌آمید
(۱) حوزه تصفیه آب
تصفیه آب خام: در فرآیند تصفیه آب خام، از پلی آکریل آمید به همراه کربن فعال و سایر مواد برای انعقاد و شفاف سازی ذرات معلق در آب خانگی استفاده می‌شود. در مقایسه با فلوکولانت‌های معدنی، استفاده از پلی آکریل آمید فلوکولانت آلی می‌تواند ظرفیت تصفیه آب را حتی بدون اصلاح مخزن رسوب‌گذاری، بیش از 20٪ بهبود بخشد.
تصفیه فاضلاب: پلی آکریل آمید نقش مهمی در تصفیه فاضلاب ایفا می‌کند. این ماده نه تنها می‌تواند میزان استفاده مجدد از بازیافت آب را افزایش دهد، بلکه می‌تواند به عنوان عامل آبگیری لجن نیز مورد استفاده قرار گیرد. علاوه بر این، هنگامی که در ترکیب با لخته‌سازهای معدنی استفاده می‌شود، می‌تواند کیفیت آب را به طور قابل توجهی بهبود بخشد و دوز لخته‌سازها را کاهش دهد. در عین حال، لخته‌های تشکیل شده توسط پلی آکریل آمید از استحکام بالا و عملکرد رسوب‌گذاری خوبی برخوردارند که می‌تواند به طور موثری سرعت جداسازی جامد-مایع را بهبود بخشد و آبگیری لجن را تسهیل کند.
تصفیه آب صنعتی: در تصفیه آب صنعتی، پلی آکریل آمید یک عامل فرموله کننده مهم است. استفاده از آن می‌تواند دوز فلوکولانت‌های معدنی را تا حد زیادی کاهش دهد، از رسوب مواد معدنی روی سطح تجهیزات جلوگیری کند و در نتیجه خوردگی و رسوب‌گذاری تجهیزات را کند نماید. گزارش شده است که ۳۷٪ از کل تولید جهانی پلی آکریل آمید برای تصفیه فاضلاب استفاده می‌شود و اهمیت آن در زمینه تصفیه آب بدیهی است.
(دوم) میدان استخراج نفت
پلی‌اکریل‌آمید یک عامل تصفیه شیمیایی همه‌کاره در میدان نفتی است که به طور گسترده در بسیاری از عملیات استخراج نفت مانند حفاری، سیمان‌کاری چاه، تکمیل، تعمیر، شکافت، اسیدکاری، تزریق آب، انسداد آب و کنترل پروفیل و بازیابی نفت مرحله سوم، به ویژه در حفاری، انسداد آب و کنترل پروفیل و بازیابی نفت مرحله سوم، مورد استفاده قرار می‌گیرد. محلول آبی آن دارای ویسکوزیته بالا و اثرات عالی غلیظ‌سازی، لخته‌سازی و تنظیم رئولوژیکی است. در مراحل میانی و پایانی استخراج نفت، برای بهبود بازیابی نفت، چین عمدتاً فناوری‌های سیلاب‌زنی پلیمری و سیلاب‌زنی آ اس پ (قلیایی-سورفکتانت-پلیمر) را ترویج می‌دهد. با تزریق محلول آبی پلی‌اکریل‌آمید، می‌توان نسبت سرعت جریان نفت به آب را بهبود بخشید و محتوای نفت خام در سیال تولید شده را افزایش داد. افزودن پلی‌اکریل‌آمید در بازیابی نفت مرحله سوم می‌تواند ظرفیت جابجایی نفت را افزایش دهد، از نفوذ لایه نفت جلوگیری کند و در نتیجه میزان بازیابی مخزن نفت را بهبود بخشد. صنعت نفت چین بزرگترین مصرف‌کننده پلی‌اکریل‌آمید است.
(سوم) میدان کاغذسازی
در زمینه کاغذسازی، پلی‌آکریل‌آمید به طور گسترده به عنوان کمک نگهدارنده، کمک زهکشی و عامل یکنواختی استفاده می‌شود. این ماده می‌تواند کیفیت کاغذ را بهبود بخشد، عملکرد آبگیری خمیر کاغذ را افزایش دهد، میزان نگهداری الیاف ریز و پرکننده‌ها را افزایش دهد و مصرف مواد اولیه و آلودگی محیط زیست را کاهش دهد. به عنوان یک پراکنده‌ساز، می‌تواند یکنواختی کاغذ را نیز بهبود بخشد. به طور خاص، کاربرد پلی‌آکریل‌آمید در صنعت کاغذسازی عمدتاً در دو جنبه منعکس می‌شود: یکی بهبود میزان نگهداری پرکننده‌ها، رنگدانه‌ها و غیره، کاهش اتلاف مواد اولیه و آلودگی محیط زیست؛ و دیگری افزایش مقاومت کاغذ، از جمله مقاومت خشک و مقاومت مرطوب. در عین حال، استفاده از پلی‌آکریل‌آمید همچنین می‌تواند مقاومت در برابر پارگی و تخلخل کاغذ را بهبود بخشد، عملکرد بصری و چاپی کاغذ را افزایش دهد و همچنین در کاغذ بسته‌بندی مواد غذایی و چای استفاده می‌شود.
(چهارم) سایر زمینه‌ها
صنعت نساجی: پلی آکریل آمید می‌تواند به عنوان یک عامل آهاردهی نساجی مورد استفاده قرار گیرد، با عملکرد آهاردهی پایدار، کاهش اتلاف آهار، که می‌تواند به طور موثر میزان پارگی پارچه‌ها را کاهش داده و سطح پارچه را صاف کند.
مواد پزشکی: ژل پلی آکریل آمید می‌تواند برای تولید عوامل گرانول کننده غیر پروترومبین، لوازم جراحی، مواد اولیه برای لنزهای تماسی، مواد پوشش بیرونی برای میکروکپسول‌ها و غیره استفاده شود و همچنین می‌تواند در ساخت پلاگ‌های هموستاتیک با کیفیت بالا، دستمال‌های بهداشتی زنان و پوشک بچه استفاده شود. پلی آکریل آمید با اندازه ذرات مناسب می‌تواند به عنوان بسته‌بندی کروماتوگرافی برای جداسازی، نمک‌زدایی، تغلیظ پروتئین‌ها و سایر مواد استفاده شود.
صنایع غذایی: در تولید شکر نیشکر و شکر چغندر، پلی آکریل آمید می‌تواند برای شفاف‌سازی آبمیوه و استخراج فلوتاسیون شربت استفاده شود. همچنین در لخته‌سازی و شفاف‌سازی محیط تخمیر آماده‌سازی آنزیم و بازیابی پروتئین خوراک استفاده می‌شود و پودر پروتئین بازیابی شده هیچ تأثیر نامطلوبی بر میزان بقا، افزایش وزن و تولید تخم مرغ ندارد.
صنعت ساخت و ساز: پلی آکریل آمید می‌تواند در آب بندی مصالح دوغاب ریزی عمرانی، بهبود کیفیت سیمان در صنعت مصالح ساختمانی، چسب‌های ساختمانی، تعمیر اتصالات و عوامل آب بندی نقش داشته باشد.
بهبود خاک: پلی آکریل آمید می‌تواند توانایی خاک را در مقاومت در برابر فرسایش بادی و فرسایش آبی بهبود بخشد و ارزش کاربردی خاصی در بهبود خاک دارد. علاوه بر این، در مواد جاذب آب در پوشک بچه نیز استفاده می‌شود.