• 强亲水性: 侧链上的酰胺基(-CONH₂)是强极性基团，能同时作为氢键的给体(N-H)和受体(C=O)，与水分子形成牢固而密集的氢键网络。这是其优异水溶性的根本原因。
• 非离子特性: 纯PAM链不带电荷，使其水溶液性质在一定pH和盐浓度范围内相对稳定，与聚电解质（如PAA）有显著区别。
• 超长链结构: 工业级的PAM分子量极高，单条分子链在溶液中完全伸展的长度可达微米甚至毫米级别。这种巨大的尺寸是其作为絮凝剂和减阻剂等功能的基础。

• 极高的溶液粘度: 这是PAM最突出的宏观性质。即使在极低的浓度下（如0.1%），巨大的高分子链在溶液中相互缠结，并与大量水分子通过氢键作用，形成一个动态的“软网络”，从而产生极高的粘度。
• 絮凝性 (Flocculation): PAM的超长链可以像“渔网”一样，同时吸附多个水中的悬浮颗粒，通过“架桥作用”将它们拉到一起，形成大的、易于沉降的絮体。通过共聚引入电荷（阳离子或阴离子）可以极大增强其对带相反电荷颗粒的吸附和絮凝效率。
• 水凝胶 (Hydrogel): 通过化学交联剂（如亚甲基双丙烯酰胺）将PAM链连接起来，可以形成透明、柔软、高含水量的水凝胶。这种凝胶是生物化学中用于电泳分离的经典材料。

纯PAM的应用相对有限，其巨大的应用价值主要通过共聚来实现，从而得到带有不同电荷和功能的离子型聚丙烯酰胺。

这是PAM最重要的改性方式，根据引入电荷的不同，主要分为三类：

• 阴离子型聚丙烯酰胺 (APAM): 通过将丙烯酰胺与丙烯酸（或丙烯酸钠）共聚，或将纯PAM部分水解得到。APAM带负电荷，是最高效的絮凝剂之一，用于处理无机物含量高的悬浮废水（如选矿、洗煤、砂石废水），也可作为造纸中的分散剂。
• 阳离子型聚丙烯酰胺 (CPAM): 通过将丙烯酰胺与阳离子单体（如丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵, DAC）共聚得到。CPAM带正电荷，主要用于处理带负电荷的有机污泥（如城市污水、造纸污泥、食品工业废水）的脱水，也是造纸工业中重要的助留助滤剂。
• 两性离子型聚丙烯酰胺: 分子链上同时含有阴、阳离子基团，适用于处理更复杂的、电荷不定的废水体系。

PAM也可以与其他高分子进行物理共混以改善性能或降低成本。

• 与天然高分子共混: 与淀粉等共混或接枝，可以制备出具有一定生物降解性的高吸水材料或絮凝剂。

PAM的“保护”作用非常独特，它既可以通过“架桥”作用聚集微粒来“保护”水体，也可以通过稳定土壤来“保护”土地。

在水处理中，PAM作为絮凝剂，其核心作用是“保护”水质，使之免受悬浮污染物的危害。它通过以下机制实现：

• 架桥作用: PAM的超长分子链像巨大的绳索，其链段上的活性点（酰胺基）可以吸附在不同的悬浮颗粒表面，将众多细小的、难以沉降的颗粒“捆绑”在一起，形成粗大的絮体(flocs)。
• 电中和作用 (离子型PAM): 离子型PAM可以通过其自身的电荷中和水中带相反电荷的胶体颗粒，消除它们之间的静电排斥力，使其更容易聚集。

形成的絮体尺寸大、密度高，可以快速沉降或上浮，从而实现固液分离，得到澄清的水。

PAM被广泛用作土壤改良剂，以保护土壤免受侵蚀。

• 防止水土流失: 将少量高分子量PAM施用于农田土壤表面，它能将细小的土壤颗粒粘合在一起，形成更稳定、更大的团粒结构。这种结构能有效抵抗雨水冲刷和灌溉水流的破坏，极大地减少土壤流失。
• 改善土壤结构: 增加土壤的孔隙度和透水性，减少地表结皮，有利于作物生长。

这是PAM在生物化学和分子生物学领域最核心、最不可或缺的应用。聚丙烯酰胺凝胶电泳 (Polyacrylamide Gel Electrophoresis, PAGE) 是分离、鉴定和纯化蛋白质与核酸的黄金标准技术。

• 分子筛作用: 通过将丙烯酰胺单体与交联剂（通常是N,N'-亚甲基双丙烯酰胺, BIS）共聚，形成具有特定孔径的三维网络水凝胶。这个网络像一个精密的筛子，当生物大分子在电场驱动下通过凝胶时，较小的分子可以轻松穿过孔道，移动得快；而较大的分子则受到更大的阻碍，移动得慢。
• 精确可调的孔径: 通过精确改变丙烯酰胺的总浓度和交联剂的比例，可以方便地制备出不同孔径的凝胶，从而适用于分离各种分子量范围的生物分子。
• SDS-PAGE: 在蛋白质分析中，通常使用SDS-PAGE技术。SDS（十二烷基硫酸钠）使所有蛋白质带上均一的负电荷，从而消除了电荷差异的影响，使得分离完全基于分子量的大小。

PAM水凝胶是研究细胞力学（Mechanobiology）的理想平台。通过精确调控凝胶的交联密度，可以制备出硬度（杨氏模量）从几百帕斯卡（类似脑组织）到几十千帕斯卡（类似肌肉）的基底。研究发现，干细胞在不同硬度的基底上会分化成不同的细胞类型，PAM凝胶为揭示这些力学信号如何指导细胞命运提供了关键工具。

PAM及其衍生物在多个大规模工业生产中发挥着至关重要的作用。

• 三次采油 (Enhanced Oil Recovery, EOR): 在油田开采后期，为了驱替出更多原油，通常会向油井中注入PAM溶液。这种高粘度的“聚合物驱”溶液比水更能有效地推动原油流向生产井，大幅提高原油采收率。
• 造纸工业: 在造纸过程中，CPAM被用作助留助滤剂。它能将细小的纸浆纤维和填料（如碳酸钙）絮凝并保留在纸张中，减少物料流失，提高纸张质量，并加速纸浆的滤水过程。
• 矿物加工: 在选矿和冶金工业中，APAM被用作高效絮凝剂，用于矿浆的浓缩和尾矿水的澄清，加速固液分离，提高生产效率并实现水循环利用。

在化妆品和个人护理产品中，PAM及其衍生物常被用作增稠剂、成膜剂和稳定剂，为产品提供理想的质感和肤感。

在讨论PAM的毒性时，必须极其严格地将其与它的单体区分开来，因为二者的毒性有天壤之别。

• 聚丙烯酰胺高分子 (PAM Polymer): 高分子量的PAM本身被广泛认为是无毒、无刺激性的。由于其分子量巨大，它不能穿过生物膜，不会被皮肤或胃肠道吸收。因此，它被批准用于饮用水处理、食品接触纸张生产等多种敏感应用。
• 丙烯酰胺单体 (Acrylamide Monomer): 这是PAM相关的最核心的安全问题。未反应的丙烯酰胺单体是一种已知的神经毒素，并被国际癌症研究机构(IARC)列为2A类致癌物（对人类很可能致癌）。

正是由于单体的剧毒性，所有商业化的PAM产品，特别是那些用于饮用水处理、造纸、化妆品、土壤改良等可能与人体接触或进入环境的应用，都受到全球各地环保和卫生机构的严格监管。法规对最终产品中残留丙烯酰胺单体的含量设定了极其严格的上限（通常是ppm级别，即百万分之几）。生产商必须采用先进的生产工艺和严格的质量控制来确保产品达标。

工业上几乎所有的PAM都是通过丙烯酰胺单体的自由基聚合来制备的，这是一个技术非常成熟的领域。

• 水溶液聚合: 这是最经典的方法。将丙烯酰胺单体溶于水中，使用水溶性引发剂（如过硫酸盐）在特定温度下引发聚合。反应结束后得到的是一块巨大的、高粘性的凝胶。这块凝胶需要经过造粒、干燥、粉碎等复杂的后处理工序才能得到最终的干粉产品。
• 反相乳液/悬浮聚合: 为了避免处理高粘性凝胶的困难，并得到易于使用的液体产品，工业上广泛采用反相聚合技术。将丙烯酰胺的水溶液分散在不相溶的油相中（如煤油），形成“油包水”的乳液或悬浮液。聚合反应在分散的水相液滴中进行。最终得到的产品是PAM在油中的稳定分散体，使用时只需加入水中即可快速溶解。

离子型PAM是通过在聚合前，将丙烯酰胺单体与相应的离子型单体（如丙烯酸或阳离子单体）按特定比例混合，然后进行共聚来制备的。

• 特性粘度 (Intrinsic Viscosity): 这是工业上表征PAM分子量最常用、最关键的方法。由于PAM分子量极高，直接测量绝对分子量很困难。通过测量聚合物在特定溶剂（通常是1M NaCl水溶液，以抑制离子效应）中一系列浓度下的粘度，并外推至零浓度，可以得到特性粘度值。该值通过Mark-Houwink方程与粘均分子量直接相关。
• 水解度/离子度: 对于离子型PAM，这是一个核心指标，代表了带电荷单体的摩尔百分比。最常用的测定方法是胶体滴定法。

• 傅里叶变换红外光谱 (FTIR): 用于快速鉴定。其特征吸收峰包括~3200和~3350 cm⁻¹处的N-H伸缩振动双峰，以及~1670 cm⁻¹处强烈的酰胺I带(C=O伸缩)和~1610 cm⁻¹处的酰胺II带(N-H弯曲)。对于APAM，在~1560 cm⁻¹处会出现羧酸根的特征峰。
• 残留单体含量: 这是最重要的安全质控指标。通常使用高效液相色谱(HPLC)或气相色谱-质谱联用(GC-MS)等高灵敏度的色谱技术进行精确测定，以确保其含量符合法规要求。

PAM在表面工程中主要作为一种高效的“表面吸附改性剂”，通过吸附在各种界面上，来改变界面的性质和相互作用力。

这是PAM最大宗的应用，其核心是通过吸附来控制分散体系的稳定性。

• 絮凝作用 (破坏稳定): 在水处理和造纸中，PAM吸附在悬浮颗粒或纸浆纤维的表面，通过架桥和电中和作用，将原本稳定的分散体系破坏，促使其聚集成大的絮体，从而实现固液分离。
• 分散作用 (维持稳定): 在某些应用中（如某些矿物分散），特定结构（如低分子量APAM）的PAM可以吸附在颗粒表面，通过静电排斥和空间位阻作用，防止颗粒聚集，起到分散剂的作用。

通过表面引发聚合（如SI-ATRP, SI-RAFT）等技术，可以在基底上接枝出致密的PAM“高分子刷”。这种表面具有：

• 优异的亲水性和抗污染性: PAM刷层是构建抗生物污染（anti-biofouling）表面的重要选择之一。其强亲水性和电中性可以有效抵抗蛋白质、细菌和细胞的非特异性吸附，性能可与经典的PEG刷层媲美，且在某些方面（如氧化稳定性）更优。
• 低摩擦表面: PAM刷层在水环境中可以形成一个高度润滑的界面，具有极低的摩擦系数，在生物医学植入物和微流控领域有应用潜力。