Полиакриламид — один из наиболее широко используемых синтетических полимеров, применяемый в таких отраслях, как химическая, нефтяная, горнодобывающая, сельское хозяйство и водоподготовка. Благодаря своей длинноцепочечной структуре и активным функциональным группам этот полимер обладает превосходными коагуляционными, слеживающимися, антифрикционными и реологическими свойствами. Молекулярная масса — одно из важнейших физико-химических свойств , существенно влияющее на его эксплуатационные характеристики.
В данной статье подробно обсуждается понятие молекулярной массы полиакриламида, методы ее измерения, влияние молекулярной массы на свойства полимера и ее различные промышленные применения.
Понятие молекулярной массы полимера
Молекулярная масса полимера — это средняя молекулярная масса его цепей. Поскольку полимеры обычно состоят из цепей различной длины, их молекулярная масса не является единичным значением, а выражается как среднестатистическое значение . К наиболее важным типам средней молекулярной массы относятся:
-
Средняя молекулярная масса числа (Mn) : сумма молекулярных масс каждой цепи, деленная на количество цепей.
-
Молекулярная масса (Mw) : сумма соотношений между молекулярной массой каждой цепи и ее массой.
-
Молекулярная масса вязкости (Mv) : среднее значение, полученное методами ревматических измерений и вискозиметрии.
Различия между этими значениями, особенно соотношением Mw/Mn (называемым индексом распределения молекулярной массы (PDI)) , указывают на однородность или дисперсность полимерных цепей.
Молекулярная масса полиакриламида
Полиакриламид может быть использован для производства полимеров с различной молекулярной массой: от относительно низкомолекулярных полимеров (сотни тысяч дальтонов) до очень тяжелых полимеров с молекулярной массой, превышающей 20 миллионов дальтонов.
Полиакриламид обычно делится на три марки по массе:
-
Низкомолекулярный полиакриламид (низкая молекулярная масса, ~0,1–1 млн дальтон):
этот тип полиакриламида в основном используется в процессах, требующих быстрого проникновения и большей реакционной способности, например, для улучшения химических процессов или в качестве добавки к определенным соединениям. -
Полиакриламид со средней молекулярной массой (средняя молекулярная масса, ~1-5 миллионов дальтон):
подходит для более общих применений, таких как очистка воды и улучшение характеристик коагуляции. -
Полиакриламид с высокой молекулярной массой (высокая молекулярная масса, ~5-25 миллионов дальтон):
эта группа материалов имеет самый широкий спектр промышленного применения, особенно в нефтяной и газовой промышленности, для повышения нефтеотдачи пластов (ПНП), контроля потерь бурового раствора и снижения трения.
Методы определения молекулярной массы полиакриламида
Существует множество методов определения молекулярной массы полиакриламида, и конкретный выбранный метод зависит от диапазона молекулярной массы и требуемой точности.
-
Измерение вязкости:
это самый простой и наиболее распространенный метод, основанный на соотношении вязкости раствора и молекулярной массы. -
Гель-проницаемая хроматография (ГПХ):
разделяя молекулы на основе их гидродинамических размеров, можно определить Mn, Mw и PDI. -
Статическое рассеяние света:
используется для прямого определения абсолютной молекулярной массы; особенно подходит для очень высоких диапазонов молекулярной массы. -
Реомедицинские методы:
Молекулярную массу и длину цепи можно оценить с помощью кривых течения и вязкоупругости.
Значение молекулярной массы полиакриламида для его эксплуатационных характеристик
Молекулярная масса полиакриламида напрямую влияет на его физические и функциональные свойства:
-
Способность к агломерации:
высокомолекулярные полимеры имеют более длинные цепи и способны удерживать больше взвешенных частиц. Поэтому более тяжёлые полимеры более эффективны при очистке воды и сточных вод. -
Вязкость раствора:
увеличение молекулярной массы приводит к значительному увеличению вязкости раствора даже при низких концентрациях. Это свойство имеет решающее значение для повышения нефтеотдачи в нефтяной промышленности. -
Скорость осаждения:
более легкие полимеры обычно образуют более мелкие комки и оседают с меньшей скоростью, в то время как более тяжелые полимеры образуют более крупные комки. -
Термическая и механическая стабильность:
Высокомолекулярный полиакриламид может подвергаться разрыву цепи при определённых температурах или сдвиговых нагрузках. Поэтому выбор молекулярной массы, соответствующей условиям эксплуатации, имеет решающее значение.
Промышленные применения на основе молекулярной массы
-
Очистка воды и сточных вод: высокомолекулярный
разветвленный полиакриламид для агломерации коллоидных частиц. -
Бумажная промышленность:
промежуточные полимеры используются в качестве носителей волокон и усилителей дренажа. -
Нефть и газ:
сверхтяжелый полиакриламид для снижения трения в трубах и улучшения процессов добычи нефти. -
Горнодобывающая промышленность:
полимеры со средней и высокой молекулярной массой играют ключевую роль в отделении минералов от шлама. -
Сельское хозяйство:
посадка облегченных сортов для улучшения способности почвы впитывать воду и уменьшения эрозии.
В заключение
Молекулярная масса полиакриламида является ключевым фактором, определяющим его эксплуатационные характеристики в различных отраслях промышленности . Каждый диапазон молекулярной массы имеет свои особенности применения: от лёгких растворов с высокой проникающей способностью до тяжёлых полимеров с высокой коагуляцией. При выборе полиакриламида для промышленных процессов особое внимание следует уделять таким факторам, как температура, pH, концентрация соли, механическое напряжение сдвига и эксплуатационные требования.
Правильно понимая концепцию молекулярной массы и ее роль в поведении полиакриламида, можно повысить эффективность процесса и снизить затраты.