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(一個乙烯基團和一個胺基基團)，其基元反應可分為：鏈引發(fā)，鏈增長和鏈終止反應。除3種基元反應外，高分子量聚丙烯酰胺還常伴有鏈轉移反應，聚丙烯酰胺的物理性質使分子鏈增長終止。因此，丙烯酰胺可以和多種化合物反應而產(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合。

聚丙烯酰胺雙電層作用機理是根據(jù)凝聚物理理論，著重無機鹽對膠粒的靜電作用，高分子量聚丙烯酰胺壓縮擴散層，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)上述絮凝機理可以得出高分子結構，對絮凝過程有著重要影響，如相對分子質量及其分布，離子度，高分子量聚丙烯酰胺分子形狀等。
許多研究指出，HPAM當水解度為3%時絮凝效果最大，聚丙烯酰胺的物理性質相對分子質量越高，絮凝能力越大，PAM，HPAM對黏土絮凝的研究表明，相對分子質量小于(1-3)*10^6時除濁效果很差，而當相對分子質量等于(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用帶來困難。尤其是對污泥脫水率，隨著相對分子質量的增大出現(xiàn)最大值后減小。不少工作指出，相對分子質量未必總是越高越有利。
絮凝劑的相對分子質量分布對絮凝效果影響的研究表明，產(chǎn)品中高相對分子質量級分對絮凝起主導作用。當添加量在最佳用量范圍以下時，低相對分子質量級分的分散作用不明顯；當添加量大于最佳用量范圍時，低相對分子質量級分將起分散保護作用。另外，為了達到高除濁率，對低相對分子質量產(chǎn)品將隨相對分子質量增高而用量范圍增大，到某一限度后，相對分子質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，高相對分子質量的HPAM配伍，而窄分布的應用(如HPAM用于紙的增強)則屬于特殊技術需要。當平均相對分子質量相當時，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，關于高分子絮凝劑作用的理論研究迄今進展不多，但結合實際應用的工作不少。實踐表明，絮凝進程是復雜的，高分子結構，性能也是變化很多的，兩者結合在一起，有許多作用因素需要細致地分析研究，如高分子絮凝劑的親水-親油力比，溫度，無機鹽對大分子形態(tài)的影響(轉而影響大分子的作用)，磁性的影響和利用，大分子上功能基團對某些對象的專屬吸附等，這些方面都正受到關注和研究。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的出現(xiàn)，如熱敏性絮凝劑，磁性絮凝等。

含羧酸基團的聚合物
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量(如馬來酸酐)。
聚丙烯酰胺的水解，通常用Na2CO3于20-95℃下進行，反應如下：

反應進行中體系黏度增加，反應速率起始很快，以后逐漸減慢，到水解度接近50%時，因鄰基效應的緣故反應難以進行。
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量的產(chǎn)物(達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，使用中應在中性到堿性。具體離解程度還與大分子上羧基密度(離子度)有關。圖3-1為離解率與pH值的關系。圖3-1中的實線為30%羧基，左側虛線為低含量羧基，右側虛線為聚丙烯酸。

含磺酸基團的聚合物
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)物相對分子質量高，用于絮凝。其制備如下：

磺酸類聚合物為強陰離子型。磺酸基較羧酸基電離度大，酸性強，可在較低pH值下保持其離解而發(fā)揮絮凝功效。
磺酸型絮凝劑應用上不及羧酸型量大，普遍。主要應用于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反應物
這是利用大分子反應的制備方法，由聚丙烯酰胺與甲醛，二甲胺反應，反應式如下：
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。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的陽離子型聚合物
目前大多數(shù)高相對分子質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。