高粘聚丙烯酰胺（PAM）实现矿粉 “焊死级” 粘结的核心，在于其分子链通过化学锚定、物理缠结、动态交联三重机制，在纳m尺度上与矿粉表面形成 “分子级焊接”，

构建起从单点吸附到三维网络的强粘合体系。

一、分子设计：为矿粉定制的 “纳m级粘合剂”

1. 超分子链的 “多齿吸附” 结构

高粘 PAM 的分子量通常超过 2000 万 Da，分子链长达微米级，且带有高密度官能团：

酰胺基（-CONH₂）：作为吸附锚点，与矿粉表面的羟基、氧离子形成氢键（键能约 20-40 kJ/mol），单根分子链可同时吸附 50-100 个矿粉颗粒表面位点；

离子基团：

阴离子型（-COO⁻）：中和带正电矿粉（如 Fe³⁺表面，ζ 电位从 + 35 mV 降到 - 12 mV），并与 Ca²⁺、Fe³⁺形成离子键（键能约 50-100 kJ/mol）；

阳离子型（-N⁺(CH₃)₃）：对带负电的 SiO₂、Al₂O₃表面产生静电引力，吸附能比非离子型高 30%。

这种 “多齿吸附” 使 PAM 分子链像 “纳m级章鱼”，通过多个官能团牢牢锚定在矿粉表面，吸附量可达 1.2-1.5 mg/g（是普通粘结剂的 3 倍）。

2. 柔性链段的 “分子桥” 设计

未吸附的分子链段在颗粒间自由伸展，形成 “颗粒 - PAM - 颗粒” 的桥接结构：

单根分子链可跨越 5-10 个矿粉颗粒（粒径 5-50μm），桥接距离达 1-5μm，使颗粒间结合力从范德华力（约 0.1 kJ/mol）提高到氢键 + 离子键的协同作用；

支化或交联结构（支化度 15%-30%）的 PAM 分子链在溶液中形成三维网状缠结，溶液粘度 > 20 mPa・s，将矿粉颗粒 “包裹” 在粘性网络中，碰撞频率提高 5 倍，加速

聚集成球。

二、动态粘结过程：从 “点吸附” 到 “面焊接” 的链式反应

1. 毫秒级表面浸润与吸附

固液界面huo化：PAM 溶液的低表面张力（约 35 mN/m，低于水的 72 mN/m）使其在 0.1 秒内快速浸润矿粉颗粒，纳m级孔隙（1-100nm）被分子链渗透，形成 “锚定

桩”；

竞争吸附优势：PAM 的酰胺基与矿粉表面羟基的反应活性（反应速率常数 k=1.2×10⁻³ M⁻¹s⁻¹）远超水分子，优先占据活性位点，避免水膜阻隔。

2. 桥接聚团与网络固化

初粘阶段（1-10 秒）：分子链通过静电中和减少颗粒排斥力，桥接作用使絮体直径从 5μm 增到 200μm，形成可塑球核；

强化阶段（1-2 小时）：水分蒸发促使 PAM 浓度升高，分子链间的氢键和疏水作用增强，形成物理交联点（密度约 10¹² 个 /cm³），同时未反应的羧基与矿粉金属离子发生

二次离子键合，粘结强度提高 60%；

终粘阶段（干燥后）：当含水率 < 20% 时，分子链脱水收缩，形成紧密缠绕的纳m纤维网络，将矿粉颗粒 “焊接” 在一起，抗压强度可达 1500 N / 球（比传统粘结剂高 3

 倍）。

3. 不可逆化学键合的 “分子焊点”

部分改性 PAM（如接枝环氧基、丙烯酸酯）在干燥过程中发生共价键反应：

环氧基与矿粉表面羟基发生开环酯化反应，形成 C-O-C 共价键（键能 358 kJ/mol），高温（>150℃）下仍保持稳定；

磺酸基（-SO₃⁻）与 Fe³⁺形成配位键，键长 1.9-2.1 Å，键能达 120 kJ/mol，抗剪切能力提高 200%。

三、强化机制：从 “粘合” 到 “冶金级结合” 的性能跃升

1. 界面能的颠覆性减少

PAM 将矿粉颗粒间的界面能从水相的 50 mJ/m² 降到 PAM 相的 15 mJ/m²，使颗粒自发聚结倾向提高 3 倍。这种界面能减少不仅依赖电荷中和，更通过分子链的熵增效应

（吸附后分子链构象熵减少，体系自由能减少）驱动颗粒聚集。

2. 机械性能的跨尺度传递

纳m级：单个氢键提供约 0.1 pN 的拉力，单根分子链可承受 100 pN 拉力，相当于将 10 万个氢键协同作用；

微米级：桥接结构使颗粒间剪切强度达 500 Pa（传统粘结剂仅 100 Pa），抵抗颗粒滑移；

宏观级：三维网络赋予球团粘弹性行为，受冲击时先通过分子链拉伸吸收能量（韧性达 10⁶ J/m³），再通过化学键断裂释放应力，避免脆性断裂。

3. 环境稳定性的分子级防护

抗潮：分子链的疏水微区（如甲基侧链）在潮湿环境中排列成 “拒水层”，吸水率 < 7%（膨润土为 35%）；

耐高温：交联型 PAM 在 300℃以下通过化学键稳定存在，300℃以上碳化形成石墨化粘结层，维持球团结构，焙烧后强度保留率 > 85%。

四、工业验证：从实验室到 “万吨级焊合” 的实证

在赤铁矿球团生产中，0.1% 的阴离子 PAM 即可实现：

粘结效率：成球时间从膨润土的 30 分钟缩短到 5 分钟，球团合格率从 75% 提高到 98%；

界面强度：颗粒间剥离力从 5 N/cm² 提高到 20 N/cm²，相当于每平方厘米增加 15 个 “分子焊点”；

长期性能：露天堆放 6 个月后，抗压强度仅下降 10%（水泥球团下降 40%），归因于 PAM 分子链与矿粉的不可逆键合。

高粘 PAM 之所以能 “焊死” 矿粉，本质是通过 “吸附锚定 - 桥接成网 - 化学键合” 的分子级工艺 ，将传统粘结剂的 “物理包裹” 升级为 “化学焊接”。其核心密码在

于：

多官能团分子链的精准靶向吸附，实现纳m级位点的牢固锚定；

超高分子链的桥接与网络构建，在颗粒间形成跨尺度力学传递；

动态化学键合与不可逆固化，zui终形成 “分子级焊点” 支撑的强粘结。

这种从分子设计到宏观性能的深度耦合，使矿粉球团的粘结强度、抗冲击性、环境稳定性实现指数级提高，重塑了矿物加工领域的粘结技术逻辑。