ポリアクリルアミドの総合ガイド：「全産業用添加剤」の驚くべき秘密と幅広い用途
I. ポリアクリルアミドとは何ですか?
ポリアクリルアミド（パム）は、化学的には、アクリルアミド（午前）モノマーのフリーラジカル重合によって形成される水溶性線状ポリマーであり、分子式は(C₃H₅いいえ)nです。室温では硬いガラス状の固体として現れますが、実用的にはコロイド状液体、ラテックス、白色粉末、半透明のビーズ、フレークなどの形状で見られることが多いです。
ポリアクリルアミドには、分子量とイオン性という2つの重要な構造パラメータがあります。分子量に基づいて、低分子量、中分子量、高分子量、超高分子量に分類されます。イオン性、つまり水溶液中でのイオン化特性に基づいて、非イオン性、陰イオン性、陽イオン性、両性イオン性に分類されます。異なる種類のポリアクリルアミドは、構造の違いによってそれぞれ異なる特性を示し、様々な用途に適応します。
II. ポリアクリルアミドの特性
（I）ユニークな物理的特性
溶解性：水に任意の割合で溶解し、均一で透明な水溶液を形成します。この特性により、水との混合が必要な多くの用途で非常に便利です。ただし、長期保管後、特に保管・輸送条件が悪い場合、ポリマーの緩やかな分解により溶液の粘度が低下します。
粘度：ポリアクリルアミド水溶液の粘度は濃度と密接に関係しており、濃度が増加すると粘度も上昇します。また、同じ濃度では、高分子量のポリアクリルアミド水溶液の粘度は比較的高くなります。一方、溶液のpH値も粘度に影響を与えます。高pH溶液では、加水分解により分子内にカルボン酸アニオンが発生し、静電反発力によって分子鎖が伸長するため、溶液の粘度が上昇します。
凝集性：高分子量ポリアクリルアミドは優れた凝集性能を有します。その分子鎖は、吸着粒子間に巧みに「橋」を形成し、数個から数十個の粒子を繋ぎ合わせます。これにより、フロックの形成が促進され、粒子の沈降速度が大幅に加速されます。分子鎖に帯電した電荷は粒子に静電引力を発揮し、分子長が長いため、良好な吸着性能と水素結合による結合部位を提供します。これらの要因が相乗的に作用し、凝集効果をさらに最適化します。
（II）豊富な化学的性質
加水分解反応：ポリアクリルアミドは、アミド基の加水分解によってカルボキシル基を含むポリマーに変換され、その生成物は部分加水分解ポリアクリルアミドと呼ばれます。酸性条件下では、酸によって加水分解反応は促進されますが、その速度はアルカリ加水分解よりもはるかに遅く、通常はより高い温度が必要です。
ヒドロキシメチル化反応：ホルムアルデヒドと反応してヒドロキシメチル化ポリアクリルアミドを生成します。この反応は酸性条件でもアルカリ性条件でも進行しますが、反応速度はアルカリ性条件の方が速くなります。酸性条件では、ホルムアルデヒドは主に鎖状に存在するため、有効濃度が低下し、反応速度が低下します。
スルホメチル化反応：この反応はアルカリ性条件下で行われ、2つの供給方法があります。1つは、アルカリ性条件下でポリアクリルアミドを亜硫酸水素ナトリウムとホルムアルデヒドと直接反応させ、アニオン誘導体であるスルホメチル化ポリアクリルアミドを生成する方法です。もう1つは、メチル化ポリアクリルアミド溶液に亜硫酸水素ナトリウムをまず添加し、2回目の反応でスルホメチル化ポリアクリルアミドを得る方法です。この反応はpH値に非常に敏感です。pH値が10未満の場合、70℃での反応は非常に遅くなりますが、pH値が10を超えると反応速度が大幅に増加します。
アミノメチル化反応：マンニッヒ反応としても知られるこの反応では、ポリアクリルアミド、ジメチルアミン、ホルムアルデヒドからジメチルアミン-N-メチルプロペニル-o-フェニレンジアミンポリマーが生成されます。これはカチオン性ポリアクリルアミドを製造するための一般的な方法であり、得られた生成物は分子鎖上の活性基側鎖により、凝集剤として使用した場合、廃水の浄化率を向上させることができます。
ホフマン分解反応: ポリアクリルアミドは、アルカリ性条件下で次亜塩素酸ナトリウムや次亜臭素酸ナトリウムなどの次亜ハロゲン酸塩と反応して、カチオン性ポリビニルアミンを生成します。
架橋反応：ポリアクリルアミドの水溶液は、酸性条件下で加熱すると不溶性の架橋ポリアクリルアミドゲルを形成します。また、グリオキサール、尿素ホルムアルデヒド樹脂、メラミン樹脂、フェノール樹脂などとも架橋反応を起こします。加水分解されたポリアクリルアミドおよびアクリルアミド共重合体の水溶液は、アルミニウム塩、クロム塩、ジルコニウム塩、マンガン塩、チタン塩などの高金属イオンによって生成される多核ヒドロキシル架橋イオンとも架橋反応を起こし、ゲルを形成します。
3. ポリアクリルアミドの製造方法
（I）水溶液重合
これはポリアクリルアミドを製造する最も古い方法であり、安全な製造と経済性の利点を備え、ポリアクリルアミドの重要な製造ルートです。開始剤系、培地のpH値、添加剤の種類と量、溶媒、重合温度などの反応条件を変更することで、重合反応特性と製品特性への影響を調べることができます。しかし、溶媒として水を使用するため、系内の不純物含有量が低く、水溶液中のモノマーの連鎖移動定数が低く、プロセス条件の制限により、水溶液中の重合生成物の固形分含有量が低く、イミド化反応が起こりやすくゲルを形成し、高分子量ポリアクリルアミドを得ることが困難です。
（II）沈殿重合
得られたポリマーがアセトンやエタノールなどの溶媒に溶解しない場合、反応が進むにつれてポリマーが溶液から連続的に沈殿するため、この重合法はこのように呼ばれています。この方法で製造されるポリアクリルアミドは、比較的高い分子量と良好な均一性を有します。
（3）分散重合
分散重合はラジカル重合の一種であり、塊状重合に似た運動挙動を示し、特殊な沈殿重合の一種と言える。その原理は、モノマーを水中に分散させて一定濃度の水溶液を形成し、その後重合開始剤を添加して重合を行うことである。重合過程において、予備重合されたモノマーと開始剤は反応媒体に溶解して均一系を形成する。生成されたポリマーは反応媒体に溶解しにくいため沈殿し、沈殿したポリマーは互いに凝集し、安定剤の作用により微粒子の形で反応溶液中に安定に懸濁し、不均一な分散液を形成する。この分散重合系は、固形分含有量が高く、粘度が低く、せん断安定性に優れている。
IV. ポリアクリルアミドの応用分野
（I）水処理分野
原水処理：原水処理工程では、ポリアクリルアミドを活性炭などの物質と組み合わせて、生活水中の浮遊粒子を凝集・浄化します。無機凝集剤と比較して、有機凝集剤であるポリアクリルアミドを使用することで、沈殿槽を改造することなく、浄水能力を20%以上向上させることができます。
廃水処理：ポリアクリルアミドは廃水処理において重要な役割を果たします。水の再利用率を高めるだけでなく、汚泥脱水剤としても使用できます。さらに、無機凝集剤と併用することで、水質を大幅に改善し、凝集剤の使用量を削減できます。同時に、ポリアクリルアミドによって形成されるフロックは強度が高く、沈降性に優れているため、固液分離速度を効果的に向上させ、汚泥脱水を促進します。
工業用水処理：工業用水処理において、ポリアクリルアミドは重要な製剤です。ポリアクリルアミドの使用により、無機凝集剤の使用量を大幅に削減し、設備表面への無機物質の沈着を防ぎ、設備の腐食やスケール付着を抑制できます。世界のポリアクリルアミド総生産量の37%が廃水処理に使用されていると報告されており、水処理分野におけるその重要性は明らかです。
（II）石油採掘場
ポリアクリルアミドは、油田における汎用性の高い化学処理剤であり、掘削、坑井セメンチング、仕上げ、改修、破砕、酸処理、水注入、水封・プロファイル制御、三次油回収など、石油採掘の多くの工程に広く利用されています。特に、掘削、水封・プロファイル制御、三次油回収において、ポリアクリルアミドの水溶液は高い粘度を有し、優れた増粘作用、凝集作用、レオロジー調整作用を有しています。中国では、石油採掘の中期および後期段階における油回収率向上のため、主にポリマー攻法とASP（アルカリ界面活性剤ポリマー）攻法技術を推進しています。ポリアクリルアミド水溶液を注入することで、油水流量比を向上させ、生産液中の原油含有量を高めることができます。三次油回収においてポリアクリルアミドを添加することで、油置換能力が向上し、油層の破過を防ぎ、油層回収率を向上させることができます。中国の石油産業は、ポリアクリルアミドの最大のユーザーです。
（3）製紙分野
製紙分野では、ポリアクリルアミドは歩留まり向上剤、排水助剤、均一化剤として広く使用されています。紙質の向上、パルプの脱水性能の向上、微細繊維や填料の保持率の向上、原材料の消費量と環境汚染の削減などの効果があります。分散剤としても紙の均一性を向上させることができます。具体的には、製紙業界におけるポリアクリルアミドの応用は、主に2つの側面に反映されています。1つは填料、顔料などの保持率を向上させ、原材料の損失と環境汚染を削減することです。もう1つは、乾燥強度と湿潤強度を含む紙の強度を高めることです。同時に、ポリアクリルアミドの使用は、紙の引き裂き抵抗と多孔性を改善し、紙の視覚的および印刷性能を向上させることができ、食品やお茶の包装紙にも使用されています。
（IV）その他の分野
繊維産業：ポリアクリルアミドは繊維サイズ剤として使用でき、サイズ性能が安定しており、サイズロスが少ないため、布地の破損率を効果的に低減し、布地の表面を滑らかにすることができます。
医療材料：ポリアクリルアミドゲルは、非プロトロンビン造粒剤、外科用材料、コンタクトレンズ原料、マイクロカプセルの外装材などの製造に用いられます。また、高品質の止血プラグ、女性用生理用ナプキン、ベビー用おむつにも利用されています。適切な粒子径のポリアクリルアミドは、タンパク質などの分離、脱塩、濃縮のためのクロマトグラフィー充填剤としても用いられます。
食品産業：サトウキビ糖や甜菜糖の製造において、ポリアクリルアミドは果汁の清澄化やシロップの浮選抽出に使用できます。また、酵素製剤発酵液の凝集・清澄化、飼料タンパク質の回収にも使用されており、回収されたタンパク質粉末は鶏の生存率、体重増加、産卵に悪影響を与えません。
建設業界: ポリアクリルアミドは、土木グラウト材の止水、建築資材業界でのセメントの品質向上、建設用接着剤、ジョイント補修、止水剤として機能します。
土壌改良：ポリアクリルアミドは土壌の風食や水食に対する抵抗力を高めるため、土壌改良において一定の応用価値を有しています。また、ベビー用紙おむつの吸水材にも使用されています。