聚丙烯酰胺的耐剪切性原理

聚丙烯酰胺是高分子聚合物，其分子鏈很長且具有一定的柔性。在受到剪切力作用時(shí)，分子鏈會發(fā)生取向和拉伸。在較低的剪切力下，分子鏈能夠在一定程度上適應(yīng)這種變形，當(dāng)剪切力消失后，分子鏈有恢復(fù)原來狀態(tài)的趨勢。當(dāng)剪切力過大或持續(xù)時(shí)間過長時(shí)，分子鏈會被切斷或發(fā)生不可逆的變形。

這是因?yàn)榫郾０贩肿渔準(zhǔn)怯苫瘜W(xué)鍵連接的，在強(qiáng)大的剪切力作用下，化學(xué)鍵會承受較大的應(yīng)力。例如，在高速攪拌或通過狹窄管道輸送等過程中，分子鏈之間的摩擦以及與周圍介質(zhì)的摩擦?xí)?dǎo)致化學(xué)鍵斷裂，尤其是分子鏈中的酰胺基（-CONH?）附近的化學(xué)鍵更容易受到影響。

不同應(yīng)用場景下聚丙烯酰胺的耐剪切情況

水處理中的絮凝過程：在污水處理中，當(dāng)使用機(jī)械攪拌設(shè)備來混合聚丙烯酰胺和污水以實(shí)現(xiàn)絮凝時(shí)，需要控制攪拌速度。如果攪拌速度過快，產(chǎn)生的剪切力會使聚丙烯酰胺分子鏈斷裂，導(dǎo)致其絮凝性能下降。一般攪拌槳葉的線速度更好控制在一定范圍內(nèi)，如不超過 1 - 2m/s，這樣可以在保證聚丙烯酰胺與污水充分混合的同時(shí)，避免過度的剪切作用，使聚丙烯酰胺能夠有效地發(fā)揮吸附架橋和電荷中和的絮凝作用。

石油開采中的驅(qū)油應(yīng)用：在石油開采的油藏中，聚丙烯酰胺溶液在通過油藏孔隙和裂縫時(shí)會受到剪切作用。由于油藏孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜，滲透率不同，聚丙烯酰胺溶液在高滲透率區(qū)域流動(dòng)速度快，受到的剪切力大。在這種情況下，普通的聚丙烯酰胺會因?yàn)槟图羟行圆疃鴮?dǎo)致分子量降低，失去增加水黏度的作用。為了解決這個(gè)問題，一些經(jīng)過特殊改性的耐剪切聚丙烯酰胺被應(yīng)用，這些產(chǎn)品在通過油藏孔隙時(shí)能夠更好地保持其分子鏈的完整性，從而維持驅(qū)油效果。

造紙工業(yè)中的應(yīng)用：在造紙過程中，聚丙烯酰胺在紙漿懸浮液中也會受到一定的剪切力，如在造紙機(jī)的流漿箱和網(wǎng)部。如果聚丙烯酰胺的耐剪切性不好，在這些部位分子鏈被破壞，會影響其助留助濾和紙張?jiān)鰪?qiáng)的功能。為了減少剪切力的影響，造紙廠會優(yōu)化造紙機(jī)的操作參數(shù)，如控制紙漿流速和流漿箱的壓力，以降低聚丙烯酰胺所受到的剪切力。

提高聚丙烯酰胺耐剪切性的方法

化學(xué)改性方法：通過化學(xué)改性可以提高聚丙烯酰胺的耐剪切性。例如，在聚丙烯酰胺分子鏈中引入一些剛性基團(tuán)或交聯(lián)結(jié)構(gòu)。剛性基團(tuán)可以增加分子鏈的抗變形能力，交聯(lián)結(jié)構(gòu)可以使分子鏈之間形成更牢固的連接，減少在剪切力作用下分子鏈的斷裂。一些研究采用在聚丙烯酰胺合成過程中加入少量的雙官能團(tuán)單體來實(shí)現(xiàn)交聯(lián)，從而提高其耐剪切性能。

物理共混方法：將聚丙烯酰胺與其他耐剪切的聚合物或添加劑進(jìn)行物理共混也是一種有效的方法。例如，與一些具有良好彈性的聚合物共混，在受到剪切力時(shí)，這些聚合物可以起到緩沖和分散應(yīng)力的作用，保護(hù)聚丙烯酰胺分子鏈。同時(shí)，一些納米材料添加劑也可以通過與聚丙烯酰胺相互作用，增強(qiáng)其分子鏈的穩(wěn)定性，提高耐剪切性能。