论文信息：

标题：Study on the thermal degradation behavior of nonionic polyacrylamide-based polymers

期刊：Polymer Degradation and Stability

分区：化学1区，A1期刊              影响因子：7.4

作者：罗源皓，郑宇枭，周友林，李富安，陈明星，苏容，黄海燕，王城

第一作者兼通讯作者：罗源皓，西昌学院理学院专任教师，讲师，博士毕业于西南石油大学。主要从事聚合物纳米复合材料的开发与应用、聚合物处理剂的研制等研究工作。

DOI：10.1016/j.polymdegradstab.2025.111871

摘要

       本研究旨在探究非离子聚丙烯酰胺类聚合物在模拟超深井钻井液高温水环境中的热降解行为。以聚丙烯酰胺（PAM）为对照，采用自由基共聚合法合成了两种结构改性的共聚物：丙烯酰胺-N,N-二甲基丙烯酰胺共聚物（PAD）和丙烯酰胺-N-乙烯基-2-吡咯烷酮共聚物（PAN）。将聚合物溶液在150°C至240°C范围内热降解16小时，以模拟井下高温条件。利用FT-IR、¹H NMR、XPS、SEM、流变测量及热重分析等手段，对降解过程进行了系统表征。结果表明，溶液中聚合物的降解主要由酰胺基团的水解引发，同时伴随主链断裂和羧化反应，最终导致体系黏度显著下降。结构分析显示，DMAA结构单元可通过空间位阻效应，有效延缓酰胺基团在高温下的水解。相比之下，NVP结构单元中的刚性环状结构在200°C以下表现出良好的热稳定性；但超过该温度后，环状结构发生降解，反而加速了聚合物主链的整体断裂。在所研究的共聚物中，PAN的热稳定性最佳。该研究强调，评估聚合物热稳定性时必须在溶液环境中进行，而不能仅依赖固态热分析数据，从而为超深井钻井等严苛工业应用中耐高温聚合物的结构优化提供关键理论依据。

主要图表：

Fig. 1. FT-IR spectra: (a) PAM and its degradation products, (b) PAD and its degradation products, and (c) PAN and its degradation products.

Fig. 2. 1H NMR spectra: (a) PAM and its degradation products, (b) PAD and its degradation products, and (c) PAN and its degradation products.

Fig. 3. Rheological behavior of polymer solutions: apparent viscosity (a) and shear stress (b) as functions of shear rate.

Fig. 4. SEM images of the polymers after freeze-drying

Fig. 5. Proposed degradation mechanisms for polyacrylamide-based polymers under high-temperature aqueous conditions.

结论

 聚丙烯酰胺类聚合物在高温钻井液应用中不可避免地会发生热降解。本研究系统评估了三种非离子聚丙烯酰胺类聚合物（PAM、PAD和PAN）在高温水环境中的降解行为及其机理。结果表明，共聚物的结构对其热稳定性具有显著影响。主要结论如下：

（1）聚丙烯酰胺类聚合物在水溶液中的热降解主要由酰胺基团的水解引发，进而导致主链断裂、羧基生成以及最终的解聚。高温会加速这一过程，使分子量与黏度显著降低。

（2）通过与DMAA或NVP进行共聚改性，可有效提高聚合物的热稳定性。引入的甲基（PAD中）与刚性环状结构（PAN中）能够降低酰胺基团的反应活性，延缓水解进程。其中，PAN表现出最高的热稳定性，其性能可维持至200 °C。

（3）FT-IR、¹H NMR、XPS、SEM及黏度测量等综合表征结果证实，与PAM相比，PAN和PAD在热老化后保留了更高的分子结构完整性与官能团保留率。PAN中的环状结构提供了最有效的空间位阻，从而最大限度地抑制了链降解和黏度损失。

  综上所述，通过增强侧链空间位阻和引入刚性环状结构，可以有效提高聚合物在高温环境下的稳定性。

图文 ：罗源皓

一审一校：狄玉丽

二审二校：李小芳

三审三校：焦  钰