聚丙烯酰胺合成是典型的自由基聚合，单体丙烯酰胺是α，β不饱和胺，带有两个活性中心(一个乙烯基团和一个胺基基团)，其基元反应可分为：链引发，链增长和链终止反应。除3种基元反应外，高分子量聚丙烯酰胺还常伴有链转移反应，聚丙烯酰胺的物理性质使分子链增长终止。因此，丙烯酰胺可以和多种化合物反应而产生许多聚丙烯酰胺的衍生物，而这些衍生物具有多种性能，如絮凝性，增黏(稠)性，表面活性等。聚丙烯酰胺产品按离子形式可分为3类，非离子型，阴离子聚丙烯酰胺型和阳离子型。
非离子聚合物
非离子型聚丙烯酰胺与胶料HSiO3-之间的作用靠氢键结合。
聚丙烯酰胺双电层作用机理是根据凝聚物理理论，着重无机盐对胶粒的静电作用，高分子量聚丙烯酰胺压缩扩散层，降低ζ电位，从而降低或消除排斥势能峰，促成胶粒靠近发生凝聚。它着重中和胶粒电荷脱稳，忽略电荷变号和再稳定现象。吸附架桥机理着重于胶粒与聚合物间的强烈吸附作用，通过吸附架桥促成微粒聚集而发生絮凝。这两种作用反映了凝聚和絮凝的典型作用，实际中两者常常是不能分开的。
根据上述絮凝机理可以得出高分子结构，对絮凝过程有着重要影响，如相对分子质量及其分布，离子度，高分子量聚丙烯酰胺分子形状等。
许多研究指出，HPAM当水解度为3%时絮凝效果最大，聚丙烯酰胺的物理性质相对分子质量越高，絮凝能力越大，PAM，HPAM对黏土絮凝的研究表明，相对分子质量小于(1-3)*10^6时除浊效果很差，而当相对分子质量等于(7-13)*10^6时其絮凝效果较前者可以提高2-8倍。但是，随着相对分子质量的增大，最佳有效添加量范围变窄，聚丙烯酰胺,pam,阴离子聚丙烯酰胺,非离子聚丙烯酰胺,阳离子聚丙烯酰胺--巩义市泰和水处理材料有限公司这将给应用带来困难。尤其是对污泥脱水率，随着相对分子质量的增大出现最大值后减小。不少工作指出，相对分子质量未必总是越高越有利。
絮凝剂的相对分子质量分布对絮凝效果影响的研究表明，产品中高相对分子质量级分对絮凝起主导作用。当添加量在最佳用量范围以下时，低相对分子质量级分的分散作用不明显；当添加量大于最佳用量范围时，低相对分子质量级分将起分散保护作用。另外，为了达到高除浊率，对低相对分子质量产品将随相对分子质量增高而用量范围增大，到某一限度后，相对分子质量再增高则其用量范围缩小，所以总的情况将是相对分子质量分布宽些是有利的。至于有些场合(如钻井液用HPAM处理)特意选择相差悬殊的低，高相对分子质量的HPAM配伍，而窄分布的应用(如HPAM用于纸的增强)则属于特殊技术需要。当平均相对分子质量相当时，长直链形大分子较支链形大分子有更好的絮凝能力。
自从Lamer提出吸附架桥模型以来，关于高分子絮凝剂作用的理论研究迄今进展不多，但结合实际应用的工作不少。实践表明，絮凝进程是复杂的，高分子结构，性能也是变化很多的，两者结合在一起，有许多作用因素需要细致地分析研究，如高分子絮凝剂的亲水-亲油力比，温度，无机盐对大分子形态的影响(转而影响大分子的作用)，磁性的影响和利用，大分子上功能基团对某些对象的专属吸附等，这些方面都正受到关注和研究。这些工作将推动高分子絮凝理论的不断发展和完善，并致使一些新的絮凝剂及絮凝技术的出现，如热敏性絮凝剂，磁性絮凝等。含羧酸基团的聚合物
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。虽然还有其他
含羧基的单休，但都不能聚合到足够高的相对分子质量(如马来酸酐)。
聚丙烯酰胺的水解，通常用Na2CO3于20-95℃下进行，反应如下：
反应进行中体系黏度增加，反应速率起始很快，以后逐渐减慢，到水解度接近50%时，因邻基效应的缘故反应难以进行。
丙烯酸与丙烯酰胺的共聚合速率依赖于pH值，丙烯酸的竞聚率随pH值的增大而减小。
水解和共聚两种方法制得的产物，其羧基在链上的分布经研究表明是无规则的，使用中性能(如絮凝)也证明是无区别的。
两种方法都可制得高相对分子质量的产物(达1000*10^4以上)。但共聚法中丙烯酸比例过大，则难以制得高相对分子产物。一般产物中按羧基含量范围为2%-50%；应用最多的为30%。据了解这一羧基含量使大分子链在水中有最大舒展，同时保留的酰胺基足够起吸附作用，使絮凝效果达到最好。
羧基为较弱的酸，其离解受pH值影响，一般pH大于5离解，表现为阴离子聚丙烯酰胺性质，使用中应在中性到碱性。具体离解程度还与大分子上羧基密度(离子度)有关。图3-1为离解率与pH值的关系。图3-1中的实线为30%羧基，左侧虚线为低含量羧基，右侧虚线为聚丙烯酸。含磺酸基团的聚合物
美Lubrizal Corp提出的2-丙烯酰胺基2一甲基丙烷基磺酸(AMPS)，其均聚或与丙烯酰胺共聚，所得产物相对分子质量高，用于絮凝。其制备如下：
磺酸类聚合物为强阴离子型。磺酸基较羧酸基电离度大，酸性强，可在较低pH值下保持其离解而发挥絮凝功效。
磺酸型絮凝剂应用上不及羧酸型量大，普遍。主要应用于Bayer法炼铝中的“红泥”处理，纸浆废液处理，黏土工业废液处理，钻井液处理剂等。聚丙烯酰胺Mannich反应物
这是利用大分子反应的制备方法，由聚丙烯酰胺与甲醛，二甲胺反应，反应式如下：
产物为叔胺型，用CH3Cl，(CH3O)2SO3等很容易季按化成季铵盐型。
这一产品原料易得，容易制备。相对分子质量随母体聚丙烯酰胺可有高低的变化。所以是使用方便，量较大的阳离子品种。其问题有：产物中要尽量减少醛，胺的残留，因有毒，其产品不稳定(甲醛交联)；又由于聚丙烯酰胺水溶液黏度高，制备所用浓度不能高(一般只有1%-2%)，产品贮运很不经济。此产品也不易做成干粉。最近发展做成胶乳状，聚合物含量可提高。以丙烯酰胺共聚为基础的阳离子型聚合物
目前大多数高相对分子质量的阳离子絮凝剂来自一些阳离子单体与丙烯酰胺的共聚物。
阳离子单体由于价格昂贵其含量一般小于10%，为水处理用已够。常用的阳离子单体有：
以上两种类型的单体，酯型使用中所含酯键于中性，碱性条件下易水解，有脱掉氨基失去阳离子性的危险，而酰胺型比较稳定。
