黏度是聚丙烯酰胺水溶液應(yīng)用中的重要工藝參數(shù)，人們對(duì)聚丙烯酰胺溶液黏度產(chǎn)生機(jī)理、溶液濃度、剪切速率及離子強(qiáng)度對(duì)聚丙烯酰胺溶液黏度性質(zhì)的影響進(jìn)行了大量研究，發(fā)現(xiàn)黏度大小與溶液濃度、剪切速率、溫度及離子強(qiáng)度密切相關(guān)。
一、溶解中攪拌速度對(duì)溶液最終黏度的影響
在配制過(guò)程中采用200r/min和600r/min的攪拌速度，測(cè)定了一系列不同濃度的聚丙烯酰胺水溶液在30℃時(shí)的黏度，發(fā)現(xiàn)同一質(zhì)量分?jǐn)?shù)的聚丙烯酰胺溶液在不同的攪拌速度下溶解取得的溶液最終黏度相差較大，較高轉(zhuǎn)速下取得的溶液黏度大約只有低轉(zhuǎn)速取得溶液黏度的60%-70%，見(jiàn)圖4-14。
圖4-14聚丙烯酰胺在不同攪拌速度下溶解水溶液黏度
溶解過(guò)程主要是克服分子鏈間-CONH2的氫鍵締合，當(dāng)聚丙烯酰胺溶于水時(shí)，在溶脹和溶解過(guò)程中，其酰胺基既形成分子內(nèi)氫鍵，又與水分子形成氫鍵，分子內(nèi)氫鍵構(gòu)成聚丙烯酰胺的環(huán)結(jié)構(gòu)和螺旋結(jié)構(gòu)的剛性鏈段，這種結(jié)構(gòu)使得溶液的黏度較大。攪拌速度快，分子內(nèi)氫鍵構(gòu)成聚丙烯酰胺的環(huán)結(jié)構(gòu)和螺旋結(jié)構(gòu)的剛性鏈段受機(jī)械剪切的作用容易被破壞和解離，當(dāng)溶液受到剪切速率增加時(shí)，原已滲透到大分子內(nèi)部的內(nèi)含溶劑，在剪切作用下被迫擠出，無(wú)規(guī)線團(tuán)尺寸減小，溶劑分布在無(wú)規(guī)線團(tuán)之間，從而使聚丙烯酰胺的酰胺基更多地與水分子作用而使大分子變得柔順，流體力學(xué)體積的黏度也變小。
二、溶解后攪拌速度對(duì)溶液黏度的影響
完全溶解后的溶液再經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間高速攪拌，發(fā)現(xiàn)黏度沒(méi)有變化?？梢?jiàn)攪拌速度對(duì)聚丙烯酰胺溶液黏度的影響只限于溶解過(guò)程中。溶解后，聚丙烯酰胺分子內(nèi)氫鍵與水分子形成的分子外氫鍵達(dá)到了平衡狀態(tài)，形成了一種二次結(jié)構(gòu)，破壞這種二次結(jié)構(gòu)所需要的活化能比較大，即使提高攪拌速度，也不會(huì)破壞這種二次結(jié)構(gòu)，從而不會(huì)再影響聚丙烯酰胺溶液的黏度。
三、溶解中溫度對(duì)溶液黏度的影響
選取6個(gè)不同的溫度配制聚丙烯酰胺水溶液，溶解完全后在攪拌速度為600r/min，溫度為30℃的條件下測(cè)定聚丙烯酰胺溶液黏度，見(jiàn)圖4-15。
圖4-15聚丙烯酰胺在不同溫度下溶解的水溶液黏度
由圖4-15可知，同一質(zhì)量分?jǐn)?shù)的聚丙烯酰胺溶液在不同溫度下溶解取得的溶液黏度相差較大，聚丙烯酰胺溶液濃度低（0.8%，1.0%）時(shí)，溶解溫度超過(guò)40℃，黏度明顯下降；聚丙烯酰胺溶液濃度高（1.2%，1.4%）時(shí)，溶解溫度超過(guò)45℃，黏度明顯下降。溫度有利于克服分子鏈間-CONH2的氫鍵締合，但要高于閾值溫度后黏度才有明顯下降的現(xiàn)象，這與水在聚丙烯酰胺中的擴(kuò)散活化能和顆粒聚丙烯酰胺溶解活化能有關(guān)，只有超過(guò)水在聚丙烯酰胺中的擴(kuò)散活化能和顆粒聚丙烯酰胺溶解活化能，才能克服分子鏈間-CONH2的氫鍵締合，導(dǎo)致聚丙烯酰胺的酰胺基更多地與水分子作用，使黏度變小。
四、溶解后溫度對(duì)黏度的影響
在30℃溶解取得的聚丙烯酰胺水溶液升溫至35-55℃，保持2h，然后降溫至30℃測(cè)量溶液黏度，黏度基本保持不變，可見(jiàn)溫度對(duì)聚丙烯酰胺溶液黏度的影響只限于溶解過(guò)程中。溶解后再提高溫度不能破壞二次結(jié)構(gòu)，不影響二次結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，從而不會(huì)再影響聚丙烯酰胺溶液的黏度。
結(jié)論
配制溶解過(guò)程中不同的攪拌速度和溫度導(dǎo)致聚丙烯酰胺水溶液的最終黏度相差很大，較快的攪拌速度和較高的溫度溶解取得的聚丙烯酰胺水溶液黏度較小。聚丙烯酰胺在溶解過(guò)程中有可能形成了一種決定黏度的二次結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的形成與溶解過(guò)程中的攪拌速度和溶解溫度有關(guān)，這種二次結(jié)構(gòu)相當(dāng)穩(wěn)定，不易再受攪拌速度和溫度的影響。
二次結(jié)構(gòu)的形成可能是由于聚丙烯酰胺分子內(nèi)氫鍵的分解與再生成，同時(shí)聚丙烯酰胺分子與水分子之間形成氫鍵，二者達(dá)到了一種動(dòng)態(tài)的解離和形成的平衡狀態(tài)。而破壞這種平衡狀態(tài)所需活化能較大，因此這種二次結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，宏觀上表現(xiàn)為溶液的最終黏度受到配制條件的影響，而配制溶解完成后表現(xiàn)穩(wěn)定。
