I. 폴리아크릴아마이드란 무엇인가요?

폴리아크릴아마이드(팸)는 화학적으로 아크릴아마이드(오전) 단량체의 자유 라디칼 개시 중합으로 형성되는 수용성 선형 중합체이며, 분자식은 (C₃H₅아니요)n입니다. 실온에서는 단단한 유리질 고체로 보이지만, 실제 응용 분야에서는 콜로이드 액체, 라텍스, 백색 분말, 반투명 비드, 플레이크 등의 형태로 흔히 발견됩니다.

폴리아크릴아미드는 분자량과 이온 특성이라는 두 가지 중요한 구조적 매개변수를 갖습니다. 분자량에 따라 저분자량, 중분자량, 고분자량, 그리고 초고분자량으로 구분할 수 있습니다. 이온 특성, 즉 수용액에서의 이온화 특성에 따라 비이온성, 음이온성, 양이온성, 그리고 양쪽성 이온성으로 분류할 수 있습니다. 다양한 종류의 폴리아크릴아미드는 구조적 차이로 인해 고유한 특성을 나타내므로 다양한 응용 분야에 적용될 수 있습니다.

2세. 폴리아크릴아미드의 특성

(I) 독특한 물리적 특성

용해도: 물에 어떤 비율로든 용해되어 균일하고 투명한 수용액을 형성합니다. 이러한 특성으로 인해 물과 혼합해야 하는 여러 상황에서 매우 편리합니다. 그러나 장기간 보관 시, 특히 보관 및 운송 조건이 좋지 않을 경우, 폴리머의 분해 속도가 느려 용액의 점도가 감소합니다.

점도: 폴리아크릴아미드 수용액의 점도는 농도와 밀접한 관련이 있습니다. 농도가 증가할수록 점도도 증가합니다. 또한, 동일 농도에서 고분자량 폴리아크릴아미드 용액의 점도는 상대적으로 높습니다. 한편, 용액의 pH 또한 점도에 영향을 미칩니다. 높은 pH 용액에서는 가수분해로 인해 분자 내에 카르복실산 음이온이 생성되고, 정전기적 반발력으로 인해 분자 사슬이 늘어나 용액의 점도가 증가합니다.

응집: 고분자량 폴리아크릴아미드는 탁월한 응집 성능을 보입니다. 이 고분자 사슬은 흡착된 입자들 사이에 교묘하게 "bridges"를 형성하여 여러 개 또는 수십 개의 입자를 서로 연결하고, 플록 형성을 촉진하며 입자의 침전 속도를 크게 가속화합니다. 분자 사슬에 있는 전하는 입자에 정전기적 인력을 작용시킬 수 있으며, 분자의 길이는 우수한 흡착 성능과 수소 결합을 통한 결합 부위를 제공합니다. 이러한 요소들이 응집 효과를 더욱 최적화하는 데 기여합니다.

(2세) 풍부한 화학적 특성

가수분해 반응: 폴리아크릴아미드는 아미드기의 가수분해를 통해 카르복실기를 포함하는 중합체로 전환될 수 있으며, 이 생성물을 부분 가수분해된 폴리아크릴아미드라고 합니다. 산성 조건에서는 산에 의해 가수분해 반응이 촉진되지만, 알칼리성 가수분해보다 속도가 훨씬 느리고 일반적으로 더 높은 온도가 필요합니다.

히드록시메틸화 반응: 포름알데히드와 반응하여 히드록시메틸화 폴리아크릴아미드를 형성할 수 있습니다. 이 반응은 산성 및 알칼리성 조건 모두에서 진행될 수 있지만, 알칼리성 조건에서 반응 속도가 더 빠릅니다. 산성 조건에서는 포름알데히드가 대부분 사슬 형태로 존재하기 때문에 유효 농도가 감소하여 반응 속도가 느려집니다.

설포메틸화 반응: 이 반응은 알칼리성 조건 하에서 수행되며 두 가지 주입 방법이 있습니다. 하나는 폴리아크릴아미드를 알칼리성 조건 하에서 아황산수소나트륨 및 포름알데히드와 직접 반응시켜 음이온성 유도체인 설포메틸화 폴리아크릴아미드를 생성하는 것입니다. 다른 하나는 메틸화된 폴리아크릴아미드 용액에 아황산수소나트륨을 먼저 첨가하고, 두 번째 반응 후 설포메틸화 폴리아크릴아미드를 얻는 것입니다. 이 반응은 pH에 매우 민감합니다. pH가 10 미만이면 70°C에서 반응이 매우 느리고, pH가 10을 초과하면 반응 속도가 크게 증가합니다.

아미노메틸화 반응: 만니히 반응으로도 알려진 이 반응은 폴리아크릴아미드, 디메틸아민, 그리고 포름알데히드가 이 반응을 통해 디메틸아민-N-메틸프로페닐 o-페닐렌디아민 중합체를 생성할 수 있습니다. 이는 양이온성 폴리아크릴아미드를 제조하는 일반적인 방법이며, 분자 사슬에 활성기 측쇄가 있어 응집제로 사용 시 폐수의 정화율을 향상시킬 수 있습니다.

호프만 분해 반응: 폴리아크릴아미드는 알칼리성 조건 하에서 차아염소산나트륨이나 차아브롬산나트륨과 같은 차아할로겐산염과 반응하여 양이온성 폴리비닐아민을 생성할 수 있습니다.

가교 반응: 폴리아크릴아미드 수용액은 산성 조건에서 가열하면 불용성 가교 폴리아크릴아미드 겔을 형성합니다. 또한, 글리옥살, 우레아-포름알데히드 수지, 멜라민 수지, 페놀 수지 등과 가교 반응을 일으킬 수 있습니다. 가수분해된 폴리아크릴아미드와 아크릴아미드 공중합체 수용액은 알루미늄염, 크롬염, 지르코늄염, 망간염, 티타늄염과 같은 금속 이온 함량이 높은 물질에 의해 생성된 다핵 히드록실 가교 이온과 가교 반응을 일으켜 겔을 형성할 수 있습니다.

3세. 폴리아크릴아미드의 제조 방법

(I) 수용액 중합

이는 폴리아크릴아미드를 생산하는 가장 오래된 방법으로, 안전하고 경제적인 생산이라는 장점이 있으며, 폴리아크릴아미드의 중요한 생산 경로입니다. 개시제 시스템, 배지 pH, 첨가제의 종류 및 사용량, 용매, 중합 온도 등의 반응 조건을 변화시킴으로써 중합 반응 특성 및 생성물 물성에 미치는 영향을 분석할 수 있습니다. 그러나 용매로 물을 사용하기 때문에 시스템 내 불순물 함량이 낮고, 수용액 중 단량체의 연쇄 이동 상수가 낮으며, 공정 조건의 제약을 받아 수용액 중 중합 생성물의 고형분 함량이 낮고, 이미드화 반응이 일어나 겔을 형성하기 쉬워 높은 상대 분자량의 폴리아크릴아미드를 얻는 데 어려움이 있습니다.

(2세) 침전 중합

생성된 중합체가 아세톤이나 에탄올과 같은 용매에 용해되지 않으면, 반응이 진행됨에 따라 용액에서 중합체가 지속적으로 침전되기 때문에 이 중합법의 이름이 유래되었습니다. 이 방법으로 제조된 폴리아크릴아미드는 비교적 높은 분자량과 우수한 균일성을 갖습니다.

(3세) 분산 중합

분산 중합은 자유 라디칼 중합의 한 유형으로, 괴상 중합과 유사한 동역학적 거동을 보이며, 침전 중합의 특수한 종류로 볼 수 있습니다. 분산 중합의 원리는 단량체를 물에 분산시켜 일정 농도의 수용액을 만든 후, 중합 개시제를 첨가하는 것입니다. 중합 과정에서 예비 중합된 단량체와 개시제는 반응 매질에 용해되어 균질계를 형성합니다. 생성된 중합체는 반응 매질에 쉽게 용해되지 않아 침전되고, 침전된 중합체는 서로 응집되어 안정제의 작용으로 반응 용액 중에 미세 입자 형태로 안정적으로 현탁되어 불균일 분산액을 형성합니다. 이 분산 중합 시스템은 고형분 함량이 높고 점도가 낮으며 전단 안정성이 우수합니다.

4.. 폴리아크릴아마이드의 응용 분야

(I) 수처리 분야

원수 처리: 원수 처리 과정에서 폴리아크릴아미드는 활성탄 및 기타 물질과 함께 사용되어 생활용수 내 부유 입자를 응집하고 정화합니다. 무기 응집제와 비교했을 때, 유기 응집제인 폴리아크릴아미드를 사용하면 침전조를 개조하지 않고도 정수 처리 용량을 20% 이상 향상시킬 수 있습니다.

폐수 처리: 폴리아크릴아미드는 폐수 처리에 중요한 역할을 합니다. 재이용수 재활용률을 높일 뿐만 아니라 슬러지 탈수제로도 사용할 수 있습니다. 또한, 무기 응집제와 함께 사용하면 수질을 크게 개선하고 응집제 사용량을 줄일 수 있습니다. 동시에 폴리아크릴아미드로 형성된 플록은 강도가 높고 침전 성능이 우수하여 고액 분리 속도를 효과적으로 향상시키고 슬러지 탈수를 촉진합니다.

산업용 수처리: 산업용 수처리에서 폴리아크릴아미드는 중요한 합성제입니다. 폴리아크릴아미드를 사용하면 무기 응집제의 사용량을 크게 줄이고, 장비 표면에 무기물이 침전되는 것을 방지하여 장비의 부식 및 스케일 발생을 늦출 수 있습니다. 전 세계 폴리아크릴아미드 생산량의 37%가 폐수 처리에 사용되는 것으로 보고되어 있으며, 수처리 분야에서 폴리아크릴아미드의 중요성은 자명합니다.

(2세) 석유 추출 분야

폴리아크릴아미드는 다용도 유전 화학 처리제로, 시추, 시멘팅, 완공, 개착, 파쇄, 산성화, 물 주입, 물 막힘 및 유면 제어, 3차 원유 회수 등 다양한 원유 추출 작업에 널리 사용됩니다. 특히 시추, 물 막힘 및 유면 제어, 3차 원유 회수에 널리 사용됩니다. 폴리아크릴아미드 수용액은 점도가 높고 증점, 응집, 유변학적 조절 효과가 뛰어납니다. 원유 추출 중기 및 후기 단계에서 원유 회수율을 높이기 위해 중국은 폴리머 플러딩 및 ASP(알칼리-계면활성제-폴리머) 플러딩 기술을 주로 장려하고 있습니다. 폴리아크릴아미드 수용액을 주입하면 유수 유량비를 개선하고, 생성 유체의 원유 함량을 높일 수 있습니다. 3차 원유 회수에 폴리아크릴아미드를 첨가하면 유류 치환 용량을 향상시키고, 유층의 파과를 방지하여 유층의 회수율을 향상시킬 수 있습니다. 중국 석유 산업은 폴리아크릴아미드의 가장 큰 사용 분야입니다.

(3세) 제지 분야

제지 분야에서 폴리아크릴아미드는 보유 보조제, 배수 보조제, 균일화제로 널리 사용됩니다. 종이의 품질을 향상시키고, 펄프의 탈수 성능을 향상시키며, 미세 섬유와 충전제의 보유율을 높이고, 원료 소비량과 환경 오염을 줄이는 효과가 있습니다. 분산제로도 종이의 균일성을 향상시킬 수 있습니다. 특히, 제지 산업에서 폴리아크릴아미드의 활용은 크게 두 가지 측면에서 나타납니다. 하나는 충전제, 안료 등의 보유율을 향상시켜 원료 손실과 환경 오염을 줄이는 것이고, 다른 하나는 건조 강도 및 습윤 강도를 포함한 종이의 강도를 향상시키는 것입니다. 동시에 폴리아크릴아미드는 종이의 인열 저항성과 다공성을 개선하여 종이의 시각적 및 인쇄 성능을 향상시킬 수 있으며, 식품 및 차 포장지에도 사용됩니다.

(4.) 기타 분야

섬유 산업: 폴리아크릴아미드는 섬유 사이징제로 사용할 수 있으며, 사이징 성능이 안정적이고 사이징 손실이 적어 직물의 파손률을 효과적으로 줄이고 직물 표면을 매끄럽게 만들 수 있습니다.

의료용 재료: 폴리아크릴아마이드 겔은 비프로트롬빈 과립화제, 수술 용품, 콘택트렌즈 원료, 마이크로캡슐용 외부 코팅재 등을 제조하는 데 사용될 수 있으며, 고품질 지혈 플러그, 여성용 생리대, 아기 기저귀로도 제작될 수 있습니다. 적절한 입자 크기의 폴리아크릴아마이드는 단백질 및 기타 물질의 분리, 탈염, 농축을 위한 크로마토그래피 포장재로 사용될 수 있습니다.

식품 산업: 사탕수수와 사탕무 설탕 생산 시, 폴리아크릴아미드는 주스 정제 및 시럽 부유 추출에 사용될 수 있습니다. 또한 효소 제제 발효액의 응집 및 정제, 사료 단백질 회수에도 사용되며, 회수된 단백질 분말은 닭의 생존율, 체중 증가 및 산란율에 부정적인 영향을 미치지 않습니다.

건설 산업: 폴리아크릴아마이드는 토목용 그라우팅 재료의 물막힘을 해소하고, 건축 자재 산업에서 시멘트 품질을 개선하며, 건설용 접착제, 조인트 수리 및 물막힘 방지제로 사용될 수 있습니다.

토양 개량: 폴리아크릴아미드는 토양의 풍식 및 수침식 저항성을 향상시켜 토양 개량에 일정한 응용 가치를 가지고 있습니다. 또한, 아기 기저귀의 수분 흡수재에도 사용됩니다.