聚丙烯酰胺合成是典型的自由基聚合，單體丙烯酰胺是α，β不飽和胺，帶有兩個活性中心(一個乙烯基團(tuán)和一個胺基基團(tuán))，其基元反應(yīng)可分為：鏈引發(fā)，鏈增長和鏈終止反應(yīng)。除3種基元反應(yīng)外，高分子量聚丙烯酰胺還常伴有鏈轉(zhuǎn)移反應(yīng)，聚丙烯酰胺的物理性質(zhì)使分子鏈增長終止。因此，丙烯酰胺可以和多種化合物反應(yīng)而產(chǎn)生許多聚丙烯酰胺的衍生物，而這些衍生物具有多種性能，如絮凝性，增黏(稠)性，表面活性等。聚丙烯酰胺產(chǎn)品按離子形式可分為3類，非離子型，陰離子聚丙烯酰胺型和陽離子型。

非離子聚合物
非離子型聚丙烯酰胺與膠料HSiO3-之間的作用靠氫鍵結(jié)合。

聚丙烯酰胺雙電層作用機(jī)理是根據(jù)凝聚物理理論，著重?zé)o機(jī)鹽對膠粒的靜電作用，高分子量聚丙烯酰胺壓縮擴(kuò)散層，降低ζ電位，從而降低或消除排斥勢能峰，促成膠?？拷l(fā)生凝聚。它著重中和膠粒電荷脫穩(wěn)，忽略電荷變號和再穩(wěn)定現(xiàn)象。吸附架橋機(jī)理著重于膠粒與聚合物間的強烈吸附作用，通過吸附架橋促成微粒聚集而發(fā)生絮凝。這兩種作用反映了凝聚和絮凝的典型作用，實際中兩者常常是不能分開的。
根據(jù)上述絮凝機(jī)理可以得出高分子結(jié)構(gòu)，對絮凝過程有著重要影響，如相對分子質(zhì)量及其分布，離子度，高分子量聚丙烯酰胺分子形狀等。
許多研究指出，HPAM當(dāng)水解度為3%時絮凝效果最大，聚丙烯酰胺的物理性質(zhì)相對分子質(zhì)量越高，絮凝能力越大，PAM，HPAM對黏土絮凝的研究表明，相對分子質(zhì)量小于(1-3)*10^6時除濁效果很差，而當(dāng)相對分子質(zhì)量等于(7-13)*10^6時其絮凝效果較前者可以提高2-8倍。但是，隨著相對分子質(zhì)量的增大，最佳有效添加量范圍變窄，聚丙烯酰胺,pam,陰離子聚丙烯酰胺,非離子聚丙烯酰胺,陽離子聚丙烯酰胺--鞏義市泰和水處理材料有限公司這將給應(yīng)用帶來困難。尤其是對污泥脫水率，隨著相對分子質(zhì)量的增大出現(xiàn)最大值后減小。不少工作指出，相對分子質(zhì)量未必總是越高越有利。
絮凝劑的相對分子質(zhì)量分布對絮凝效果影響的研究表明，產(chǎn)品中高相對分子質(zhì)量級分對絮凝起主導(dǎo)作用。當(dāng)添加量在最佳用量范圍以下時，低相對分子質(zhì)量級分的分散作用不明顯；當(dāng)添加量大于最佳用量范圍時，低相對分子質(zhì)量級分將起分散保護(hù)作用。另外，為了達(dá)到高除濁率，對低相對分子質(zhì)量產(chǎn)品將隨相對分子質(zhì)量增高而用量范圍增大，到某一限度后，相對分子質(zhì)量再增高則其用量范圍縮小，所以總的情況將是相對分子質(zhì)量分布寬些是有利的。至于有些場合(如鉆井液用HPAM處理)特意選擇相差懸殊的低，高相對分子質(zhì)量的HPAM配伍，而窄分布的應(yīng)用(如HPAM用于紙的增強)則屬于特殊技術(shù)需要。當(dāng)平均相對分子質(zhì)量相當(dāng)時，長直鏈形大分子較支鏈形大分子有更好的絮凝能力。
自從Lamer提出吸附架橋模型以來，關(guān)于高分子絮凝劑作用的理論研究迄今進(jìn)展不多，但結(jié)合實際應(yīng)用的工作不少。實踐表明，絮凝進(jìn)程是復(fù)雜的，高分子結(jié)構(gòu)，性能也是變化很多的，兩者結(jié)合在一起，有許多作用因素需要細(xì)致地分析研究，如高分子絮凝劑的親水-親油力比，溫度，無機(jī)鹽對大分子形態(tài)的影響(轉(zhuǎn)而影響大分子的作用)，磁性的影響和利用，大分子上功能基團(tuán)對某些對象的專屬吸附等，這些方面都正受到關(guān)注和研究。這些工作將推動高分子絮凝理論的不斷發(fā)展和完善，并致使一些新的絮凝劑及絮凝技術(shù)的出現(xiàn)，如熱敏性絮凝劑，磁性絮凝等。

含羧酸基團(tuán)的聚合物
主要有聚丙烯酸，丙烯酸-丙烯酰胺共聚物及聚丙烯酰胺的部分水解物。雖然還有其他含羧基的單休，但都不能聚合到足夠高的相對分子質(zhì)量(如馬來酸酐)。
聚丙烯酰胺的水解，通常用Na2CO3于20-95℃下進(jìn)行，反應(yīng)如下：

反應(yīng)進(jìn)行中體系黏度增加，反應(yīng)速率起始很快，以后逐漸減慢，到水解度接近50%時，因鄰基效應(yīng)的緣故反應(yīng)難以進(jìn)行。
丙烯酸與丙烯酰胺的共聚合速率依賴于pH值，丙烯酸的競聚率隨pH值的增大而減小。
水解和共聚兩種方法制得的產(chǎn)物，其羧基在鏈上的分布經(jīng)研究表明是無規(guī)則的，使用中性能(如絮凝)也證明是無區(qū)別的。
兩種方法都可制得高相對分子質(zhì)量的產(chǎn)物(達(dá)1000*10^4以上)。但共聚法中丙烯酸比例過大，則難以制得高相對分子產(chǎn)物。一般產(chǎn)物中按羧基含量范圍為2%-50%；應(yīng)用最多的為30%。據(jù)了解這一羧基含量使大分子鏈在水中有最大舒展，同時保留的酰胺基足夠起吸附作用，使絮凝效果達(dá)到最好。
羧基為較弱的酸，其離解受pH值影響，一般pH大于5離解，表現(xiàn)為陰離子聚丙烯酰胺性質(zhì)，使用中應(yīng)在中性到堿性。具體離解程度還與大分子上羧基密度(離子度)有關(guān)。圖3-1為離解率與pH值的關(guān)系。圖3-1中的實線為30%羧基，左側(cè)虛線為低含量羧基，右側(cè)虛線為聚丙烯酸。

含磺酸基團(tuán)的聚合物
美Lubrizal Corp提出的2-丙烯酰胺基2一甲基丙烷基磺酸(AMPS)，其均聚或與丙烯酰胺共聚，所得產(chǎn)物相對分子質(zhì)量高，用于絮凝。其制備如下：

磺酸類聚合物為強陰離子型?；撬峄^羧酸基電離度大，酸性強，可在較低pH值下保持其離解而發(fā)揮絮凝功效。
磺酸型絮凝劑應(yīng)用上不及羧酸型量大，普遍。主要應(yīng)用于Bayer法煉鋁中的“紅泥”處理，紙漿廢液處理，黏土工業(yè)廢液處理，鉆井液處理劑等。

聚丙烯酰胺Mannich反應(yīng)物
這是利用大分子反應(yīng)的制備方法，由聚丙烯酰胺與甲醛，二甲胺反應(yīng)，反應(yīng)式如下：
產(chǎn)物為叔胺型，用CH3Cl，(CH3O)2SO3等很容易季按化成季銨鹽型。
這一產(chǎn)品原料易得，容易制備。相對分子質(zhì)量隨母體聚丙烯酰胺可有高低的變化。所以是使用方便，量較大的陽離子品種。其問題有：產(chǎn)物中要盡量減少醛，胺的殘留，因有毒，其產(chǎn)品不穩(wěn)定(甲醛交聯(lián))；又由于聚丙烯酰胺水溶液黏度高，制備所用濃度不能高(一般只有1%-2%)，產(chǎn)品貯運很不經(jīng)濟(jì)。此產(chǎn)品也不易做成干粉。最近發(fā)展做成膠乳狀，聚合物含量可提高。

以丙烯酰胺共聚為基礎(chǔ)的陽離子型聚合物
目前大多數(shù)高相對分子質(zhì)量的陽離子絮凝劑來自一些陽離子單體與丙烯酰胺的共聚物。
陽離子單體由于價格昂貴其含量一般小于10%，為水處理用已夠。常用的陽離子單體有：


以上兩種類型的單體，酯型使用中所含酯鍵于中性，堿性條件下易水解，有脫掉氨基失去陽離子性的危險，而酰胺型比較穩(wěn)定。