本发明总的来说涉及聚合物在水中的溶解，更具体地说，是涉及水溶性聚合物凝胶在水中快速溶解的一种方法。 水溶性聚合物溶液用于增稠和絮凝方面的应用是众所周知的，例如采矿和造纸水溶液的澄清，生活污水和工业废水的处理。水溶性聚合物溶液还可用作钻井泥浆的稳定剂，在二次回采石油中用作水驱。
这类水溶性聚合物通常以粉末或细碎的固体颗粒形式提供商品，但它们却经常以水溶液的形式加以利用。这就必须使固体聚合物溶解于水。虽然各种不同的聚合物都或多或少地能溶于水，但由于聚合物溶解速率缓慢，以及固体聚合物不容易在水中分散，因而在制备聚合物水溶液时常常遇到困难。
另一些问题与聚合物凝胶在水中溶解有关。在一项已有技术中，聚合物凝胶被挤出，切粒，然后在水中缓慢搅拌若干小时。虽然这种方法确实减少了制备溶液所需的时间，（如果从凝胶切粒阶段算起），但仍需缓慢搅拌相当长时间。因为聚合物不能迅速溶解，这就需要大的混合槽和较长的混合时间。因此，聚合物溶解所需总的时间与使用干聚合物时差不多。
本发明的一个目标是要克服上述一个或几个问题。
按照本发明，采用一种方法，水溶性聚合物凝胶颗粒可被十分迅速（或瞬间）地溶解在水中，该方法包括形成聚合物凝胶颗粒在水中的悬浮液，以及与此同时或随即对悬浮液瞬间施加极高的剪切力，致使凝胶颗粒被精细地粉碎，并溶解在水中这两个阶段。
水与凝胶的比例以及施加剪切力的条件可加以选择，以避免聚合物发生分子降解。
减小凝胶颗粒尺寸是在一种适合于能减小悬浮在液体中的颗粒的尺寸的装置中进行的。例如，一种合适的装置包含一个高速旋转叶轮和一个围绕叶轮按圆柱形排列的基本是径向取向的刀片组，相邻两个刀片之间限定了径向排料通道。
从该装置中放出的混合物，基本上是聚合物和水的溶液，但也许含有一些尚未溶解的微凝胶颗粒，这些颗粒在短时间内经过进一步搅拌或毋需搅拌就可完全溶解。
籍助本发明的方法，可十分迅速地获得有用的聚合物水溶液，而不会发生颗粒的结块。也不需要搅拌混合。
制得的溶液可转移到贮罐中贮存起来，可直接加以利用，或用来与其它反应物一起参与化学反应。
本发明进一步的目标及优点，对本专业的技术人员来说，通过下面详细叙述，结合附图和后面所附的权利要求，将是十分明显的。
图1是适于实施本发明方法的一个装置的示意图，局部用剖面表示;
图2是图1中装置的一部分的透视图，为清楚起见，一些零件被略去;
图3是图1和图2的装置中沿图2中的3-3直线所作的垂直剖面图;
图4是图3的装置中沿图3中4-4直线所作的局部剖视图;
图5是图4装置的改进例;
水溶性聚合物凝胶
按照本发明可以被溶解的聚合物凝胶，在已有技术中是公知的，在不少出版物和专利中已作了详细描述。它们包括有（但不限于这些）水溶性缩合聚合物凝胶和乙烯基加成聚合物凝胶，例如聚丙烯酰胺，丙烯酰胺与丙烯酸、马来酸酐、丙烯腈、苯乙烯、烯丙基胺或二烯丙基胺、或甲基丙烯酸二甲胺基乙酯（DMAEM）诸类的共聚衍生物。这些聚合物可以是非离子型、阴离子型或阳离子型。
聚合物的分子量可在宽广的范围内变动，例如约10，000～25，000，000之间，本发明中分子量不是一项要求严格的参数。本发明对于丙烯酰胺聚合物凝胶特别适用，其分子量通常超过一百万。
本发明中所用的术语“聚合物”应理解为包括那些在水中能溶解达到显著程度的聚合物。聚合物凝胶含有足够量的水。
正如在《简明化学辞典第10版中〔《Condensed Chemical Dictionary》，loth ed.，Van Nostrand Reinhold，1981〕给出的定义，凝胶是一种分散相（这里是指聚合物）已和连续相（这里是指水）发生化合的溶液，从而形成的粘稠胶冻状物。聚合物的分子量足够高，使溶液呈固态。
正如在已有技术中所公知的，凝胶通常采用在水中的凝胶聚合反应来制备。
按照本发明可被溶解的水溶性聚合物凝胶有最高含水量，这随聚合物的特性而异。例如，聚丙烯酰胺均聚物凝胶的最高含水量约为70～75%（重量）。丙烯酸盐均聚物凝胶的最高含水量约为60%（重量）。下列乙烯基单体加成均聚物凝胶的最高含水量如表1所示。
表1
单体 最高含水量（%重量）
甲基丙烯酸二甲胺基乙酯- 10
硫酸二甲酯（DMAEM DMS）
甲基丙烯酸二甲胺基乙酯- 20
氯甲烷（DMAEM MeCl）
丙烯酸二甲胺基乙酯- 25
氯甲烷（DMAEA MeCl）
2-丙烯酰胺基-2-甲基丙烷磺酸 35
〔AMPS-鲁勃列查尔（Lubrizol）公司的商标〕
丙烯酰胺可与丙烯酸盐共聚，或与表1中列示的任一种单体共聚获得共聚物，共聚物凝胶的最高含水量界于丙烯酰胺均聚物凝胶与各种聚物单体本身的均聚物凝胶的最高含水量两者之间。
随着共聚物中非丙烯酰胺共聚单体含量的增加，聚合物凝胶的最高含量也随之增加。
虽然对凝胶切粒的尺寸要求不严，但通常要求切粒的长度和直径要小于1/4英寸。
溶解方法和装置
参见附图，下面将叙述本发明的方法以及适于实施该方法的装置的一个较佳实施例。
图1说明了一个装置，总体标志为〔10〕，包括一个直立式截头锥体形的固体/水接触器，一般称为漏斗〔12〕，它的大头上端〔14〕是开口的。漏斗〔12〕的截头部位〔16〕是个出口，通过一圆柱型导管〔20〕与颗粒尺寸减小装置〔22〕相连接，这个装置下文将详细介绍。聚合物凝胶颗粒源向加料机构提供凝胶（图示中的块状物〔23〕），例如一台凝胶挤出机〔24〕把凝胶通过口模板〔25〕挤出制得凝胶颗粒〔26〕。（挤出机〔24〕在口模板〔25〕相邻位置处有切粒器（未画出），从而制得凝胶颗粒）。颗粒〔26〕通过导管〔28〕加进漏斗〔12〕内。
凝胶可采用商品化的凝胶聚合设备来生产（为简化起见，未表示），经过粉碎，被直接挤出加进漏斗〔12〕内;或者采用另一种方式，将经过粉碎的凝胶直接挤出到水中形成悬浮液，然后再泵送至漏斗〔12〕。根据需要，水也可在挤出、切粒之前先加入与凝胶混合（如在挤出机〔24〕中）。
水源〔30〕通过导管〔32〕供水给水分配器，例如图示的环形导管〔34〕，该导管置于漏斗〔12〕的上端〔14〕内。导管〔34〕的底侧表面上有许多出水孔〔36〕，将水喷到漏斗〔12〕的锥体部位内表面〔40〕上。
为清楚起见，与聚合物源和水源有关的泵、阀门等，均被略去。
颗粒尺寸减小装置〔22〕通过出口〔42〕把聚合物溶液排入贮槽〔44〕，贮槽底部有一个出料口〔46〕。根据需要，贮槽〔44〕可以装一个混合器（未画出），帮助从溶液中脱除夹杂的空气。但是不必搅拌就可使凝胶完全溶解。
下文作更为详细的叙述。聚合物溶液可通过出料口〔46〕从贮槽〔44〕中排出，并通过管线〔50〕（以虚线表示）直接进入一个贮罐或直接应用。或者聚合物溶液从贮槽〔44〕中，通过出料口〔46〕和管线〔52〕排出，直接参加在线的化学反应，这如下文所述。
如图1所示，颗粒尺寸减小装置〔22〕通常包括一个支持一台发动机〔62〕的主机座〔60〕，一个旋转叶轮轴箱〔64〕和一个旋转叶轮罩〔66〕。
参照图2和图3，下面将更详细叙述旋转叶轮罩〔66〕的内部结构。
如图3所示，在漏斗〔12〕的出料导管〔20〕底部〔72〕的稍上一点处向径向方向伸出一个法兰〔70〕这样就在法兰下部形成一圈突缘〔74〕。法兰〔70〕的外缘由叶轮罩〔66〕上的一个环状突起面〔76〕支承住。用固定装置〔80〕将漏斗〔12〕固定在叶轮罩〔66〕上。
在叶轮罩〔66〕的空腔〔82〕中装有一个旋转叶轮，总体标志〔84〕，它包括有一个开口盖板〔86〕、一个底板〔90〕和安装在盖板〔86〕和底板〔90〕之间的许多竖立的导向叶片〔92〕。在每片导向叶片的径向最外端呈切割叶尖〔94〕。相邻导向叶片之间限定了许多径向排料通道〔96〕。
盖板〔86〕包括一个倒置截头圆锥壁〔100〕，在壁内构成了中央通道〔102〕。漏斗〔12〕的法兰〔70〕与锥壁〔100〕的上缘〔104〕相接，漏斗突缘〔74〕伸入中央通道〔102〕之内。
叶轮〔84〕由电动机〔62〕通过在主机座〔60〕内的一组传动轮（未画出）带动而高速旋转（例如高达13000转/分）。
叶轮〔84〕的周围由一组按圆柱型排列的刀片组〔110〕所包围。从图4和图5可看得更清楚，刀片〔112〕是如此固定的，即要使刀片之间的通道〔114〕尺寸大体上一致。叶轮切割尖〔94〕和刀片〔112〕之间的间隙〔116〕决定了该装置的所谓“切割深度”。
如图4和图5所示，叶轮〔84〕按箭头〔120〕所示方向旋转，刀片〔112〕的前缘〔122〕即形成切割锋缘，用于精细分割颗粒状物质，随着颗粒尺寸不断减小，粉碎的颗粒从径向通道〔114〕不断排出。
图4和图5中的刀片组〔110〕，两者的刀片〔112〕相对于叶片〔92〕的角度彼此不同。图4中刀片〔112〕大体上与叶片〔92〕一起按径向配列，而图5中的刀片〔112〕与叶片〔92〕约成2°角配列。按照已有技术可知，刀片〔112〕角度的变化改变了切割深度〔116〕，当叶片与刀片间的角度增加时，切割深度〔116〕也随着增加。刀片/叶片间角度为0～5°通常适合于本发明的实施，其角度取决于刀片组〔110〕中的刀片〔112〕的数目。
图中装置〔22〕是一种由Urschel Laboratories，Inc.公司（地处印第安那州的Valparaiso）市售的装置，商标Comitrol
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，型号1500。这种装置在食品加工工业中用来对例如花生（即生产花生白脱）或蔬菜等食品进行极其精细粉碎或乳化。Urschel Comitrol
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1500型刀片组〔110〕的内径约为8英寸，每组刀片数50～222都有供应。本发明一个刀片组较好的应有180片刀片，刀片/叶片间角度为0°较好，通道〔114〕大于0.0207英寸，间隙〔116〕为0.0018英寸。
根据本发明已经发现，溶解凝胶时也许需要用少于200片刀片的刀片组（例如约160～200片，较好是180片），刀片/叶片间角度为0°，这样可避免产生过薄或过大的切片。如果切片太薄，则生成溶液的粘度可能过高以致阻碍从溶液中有效脱除空气。如果颗粒太大，则瞬间溶解凝胶就不能实现。
虽然若干种不同类型的尺寸减小设备都可适用，装置的专用零件的选择也不严格，但图中装置〔22〕却是实施本发明方法的较佳装置。参照附图从下文对本发明方法的叙述，装置中各种零件的功能，对本专业技术人员将是十分明显的。
按照本发明，装置〔22〕可完成聚合物凝胶颗粒在水中的溶解。聚合物在水中采用的浓度是聚合物的类型、聚合物的分子量和温度等因素的函数，这在已有技术中是公知的。例如，丙烯酰胺聚合物，浓度约为0.05～6%（重量）的水溶液可用于各种用途。
本发明的方法可使聚合物凝胶瞬间溶解在水中，根据要求达到的聚合物在溶解中的浓度，对凝胶和水各自加进装置〔22〕的加料速率可加以选择。例如图中的装置，水的加料速率一般约为25～30加仑/分，选择相应的聚合物凝胶的加料速率，使得聚合物和水的总重量流量中，聚合物占有约0.05～6%（重量）。
按照本发明，由水源〔30〕以选定的速率给放水导管〔34〕供水。从孔〔36〕排出的水在漏斗表面〔40〕上形成水流或水膜〔130〕。通常尺寸（直径和长度）约为1/4英寸的聚合物凝胶颗粒，由聚合物源〔24〕加到漏斗表面〔40〕处，在此处与水流或水膜〔130〕相接触。在图示的实施例中，聚合物在漏斗截头锥体〔16〕的上方偏心处加入，从而保证聚合物与水在漏斗中充分混合。应该指出，图中水流是向下方向流动，没有旋涡，不过对水流有没有这种旋涡要求并不严格。
根据需要，聚合物加入口也可位于截头锥体〔16〕的中心附近，因而聚合物在叶轮〔84〕的通道〔102〕中初次与水接触。
根据需要，也可在凝胶挤出之前，通过与凝胶接触将水引入系统中。
叶轮〔84〕的抽吸作用产生了吸气效应，将环境中的空气抽进漏斗中。通过接触，凝胶和水形成了凝胶颗粒夹杂在水中的悬浮液。
如图2所示，悬浮液〔132〕从导管〔20〕排出直接进入叶轮〔84〕。叶轮〔84〕以极高速度旋转（例如10，000至13，000转/分）。因此，凝胶悬浮液被立即沿径向排出，通过排放通道〔96〕进入叶片〔92〕和刀片〔112〕之间的间隙〔116〕，此处聚合物颗粒立即受到瞬间的极高剪切力，从而产生了相当于切割深度〔116〕那样厚度的极薄薄片，毋需进一步混合它就立刻溶解了。
凝胶颗粒经受的极高剪切力使它被切割成极小的尺寸。但是，单个颗粒并没发生明显的分子降解或分子量下降，这一点是本发明成功的关键。可以相信是通过水中散热从而避免发生这类降解。
水与凝胶的比例以及选择施加剪切刀的条件是十分重要的，这样在颗粒不发生分子降解的前提下，可使它的尺寸减小成薄片。通过比较生成溶液的粘度与用普通混合方法制备的相同浓度溶液的粘度，可很容易判断分子降解是否存在，这一点将在下文进行解释。
如果使用Urschel Comitrol
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1500型装置，那末选择刀片的数目和它们在刀片组〔110〕中的角度是很重要的，这将取决于具体聚合物种类、凝胶颗粒尺寸、水和聚合物的流量等。刀片组的选择凭经验来定。刀片组〔110〕中刀片〔112〕的数目必须足够，以保证达到要求的薄片厚度，但也不能太多，致使通道〔114〕的尺寸过小，以致于会被打碎的凝胶颗粒堵塞。
同样，导向叶片切割尖〔92〕与刀片〔112〕间的角度也要加以选择，保证达到最佳的尺寸减小。如果这个角度太小，由于颗粒未能被减小到足够小的尺寸，以致于不能通过通道〔114〕，这就可能发生堵塞。
在图示的装置中，选用25～30加仑/分的水流量，200个刀片（或少于200）的刀片组，叶轮切割尖与刀片间的角度为0～5°，已经表明可达到良好的性能。选用180个刀片的刀片组和0°的角度，可以降低空气的夹带，达到瞬间溶解凝胶。
例如，对一种聚丙烯酰胺凝胶（颗粒尺寸1/4英寸，含水量70～72%），用一台Urschel Comitrol
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1500型装置，有180个刀片，刀片/叶片间角度为0°，可以获得优良的结果。这样的装置提供的切割深度为0.0018英寸，刀片间径向排料通道大于0.0207英寸。水流量为28～30加仑/分和足够的凝胶〔使凝胶在水溶液中的浓度达到7.2%（重量）〕加入该装置中，从而获得聚合物在其水溶液中的标称浓度为2%（重量）。不发生堵塞，任何夹杂在溶液中的空气可很容易分离出来。
本专业的技术人员将从上文懂得，机械装置尺寸、刀片数以及刀片/叶片间角度的选择将取决于若干个变量，包括水和聚合物的流量、聚合物的分子量以及聚合物的类型等，可以凭经验容易地完成这种选择。
施加剪切力形成薄片使得凝胶能瞬间溶解。所得溶液从叶轮〔84〕并通过刀片组〔110〕中的通道〔114〕排出。溶液从通道〔114〕通过出口〔42〕排放到贮槽〔44〕内。
如上所述，在贮槽〔44〕中的溶液可直接用于最终用途，也可通过管线〔50〕移入一个贮罐，即一个进一步稀释用的混合罐，稀释后溶液再送到终端用途地点。
另外，贮槽〔44〕中的溶液还可直接用于在线化学反应。如果溶解的聚合物是一种非离子型聚丙烯酰胺，则这样的化学反应包括胺甲基化（Mannich反应）或与碱溶液反应时水解生成部分聚丙烯酸盐的形式。随后叔胺甲基化的聚丙烯酰胺，通过例如与氯甲烷或硫酸二甲酯反应，可被季铵盐化。
例如，通过出料口〔46〕和管线〔52〕，可把溶液从贮槽〔44〕抽出，用一台凸轮泵〔140〕将其泵送通过一系列静态的或机械搅拌式的在线混合器〔142〕。化学反应物例如甲醛（HCHO）和二甲胺（DMA）可以分别通过管线〔144〕和〔146〕加入到管线〔52〕中，这两根管线分别由三通〔150〕和〔152〕与管线〔52〕相连接。〔甲醛和二甲胺通过管线〔144〕和〔146〕上的计量泵计量（未画出）〕。反应产物在〔154〕处排出，用于直接应用或再进一步反应。
本发明的方法在制备大量应用的聚合物水溶液时格外优越，例如用于采矿、造纸、废水处理或强化石油回采等操作，过去的老方法在这些地方都需要体积很大的混合槽和/或贮槽。此外，本发明的方法本身在制备溶液时可排除氧，例如在强化石油回采的应用中需要除氧，以免聚合物氧化降解。在这种情况下，制备溶液时从系统中排除空气，用惰性气体气氛来保护装置。
上面给出的详细叙述仅仅是为了清楚理解，绝不应对本发明构成任何限制，因为在本发明范围内的改进，对本专业技术人员是显而易见的。