胡三清，胡志朋，張友浩，白 波

(長江大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 荊州 434023)

CAM的最優(yōu)合成條件及其性能研究

胡三清，胡志朋，張友浩，白 波

(長江大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 荊州 434023)

以木質(zhì)素磺酸鈣為原料，合成木質(zhì)素——丙烯酰胺接枝共聚物(CAM)，根據(jù)接枝共聚反應(yīng)機(jī)理，通過正交試驗(yàn)確定形成木質(zhì)素的最優(yōu)合成條件為:丙烯酰胺單體濃度為0.88mol/L，引發(fā)劑濃度為6.3×10-3mol/L，反應(yīng)溫度50℃，反應(yīng)時間2h。并對其合成產(chǎn)品進(jìn)行了系列性能評價。試驗(yàn)證明，CAM具有較好的抗鹽抗鈣能力，抗溫能力可達(dá)140℃。

木質(zhì)素磺酸鈣；丙烯酰胺；接枝共聚；降粘劑

木質(zhì)素是一種復(fù)雜的芳香族天然高分子，由苯丙烷基以醚鍵(C—O—C)或碳-碳鍵(C—C)結(jié)合形成雜支鏈的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，是植物纖維的主要組成部分之一，在自然界的分布極廣，蘊(yùn)藏量僅次于纖維素[1,2]。木質(zhì)素磺酸鹽是木漿法造紙的副產(chǎn)品，價廉易得，分子上含有各種官能團(tuán)，在一定條件下能與多種物質(zhì)發(fā)生多種改性反應(yīng)，通過化學(xué)改性后，使其無毒、無污染，是良好的鉆井液降粘劑[3]。木質(zhì)素接枝丙烯酰胺主要有自由基引發(fā)體系和光照輻射引發(fā)體系2種[4]。FeCl2-H2O2產(chǎn)生的自由基可使木質(zhì)素分子活化,使丙烯酰胺分子容易與活化的木質(zhì)素大分子進(jìn)行接枝共聚。筆者以木質(zhì)素磺酸鈣為原料，合成木質(zhì)素——丙烯酰胺接枝共聚物(CAM)，通過正交試驗(yàn)找出其最優(yōu)合成條件，并對其性能進(jìn)行了評價。

1 試驗(yàn)部分

1.1試驗(yàn)原料

木質(zhì)素磺酸鈣為工業(yè)純，其余試劑都是分析純。

1.2接枝物的合成

將木質(zhì)素磺酸鈣和蒸餾水加入到裝有攪拌器的3口燒瓶中，攪拌使其充分溶解后，加入FeCl2，升溫并滴加H2O2，然后滴加丙烯酰胺單體溶液進(jìn)行反應(yīng)。反應(yīng)完畢后，用丙酮將產(chǎn)物沉淀分離，多次洗滌，產(chǎn)物在50℃下真空干燥，稱重，并計(jì)算產(chǎn)率：

式中，ω為產(chǎn)物質(zhì)量,g；ωL為加入的木質(zhì)素磺酸鈣的質(zhì)量,g；ωA為加入的丙烯酰胺的質(zhì)量,g。

1.3正交試驗(yàn)

表1 正交因素水平表

影響接枝共聚反應(yīng)的因素有物料配比、引發(fā)劑濃度、反應(yīng)溫度和反應(yīng)時間等。下面，筆者采用4因素3水平正交試驗(yàn)法確定其最優(yōu)合成條件。設(shè)A表示引發(fā)劑濃度(10-3mol/L)，B表示丙烯酰胺單體用量(mol/L)，C表示反應(yīng)溫度(℃)，D表示反應(yīng)時間(h)，試驗(yàn)指標(biāo)為產(chǎn)品的產(chǎn)率。設(shè)計(jì)4個因素，按正交試驗(yàn)L9(34)表配方進(jìn)行試驗(yàn)。正交因素水平表見表1，試驗(yàn)結(jié)果見表2，正交試驗(yàn)極差分析如表3。

由表3的極差分析可知，影響接枝共聚反應(yīng)的最主要因素是丙烯酰胺的摩爾濃度，其他依次是溫度、

引發(fā)劑濃度和時間。故通過正交試驗(yàn)確定木質(zhì)素磺酸鈣與丙烯酰胺接枝共聚反應(yīng)的最優(yōu)組合是A3B2C3D1,即丙烯酰胺單體濃度為0.88mol/L，引發(fā)劑濃度為6.3×10-3mol/L，反應(yīng)溫度50℃，反應(yīng)時間2h。

表2 正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果

表3 正交試驗(yàn)極差分析

2 CAM的性能評價

2.1CAM降粘降濾失性能

表4 CAM在淡水基漿中的性能

將CAM加入淡水基漿中檢測其性能，試驗(yàn)結(jié)果如表4。由表4可知，CAM在加量為0.5%時，表觀粘度下降50%，濾失量下降51%，動切力下降80%。故CAM具有明顯的降濾失和降粘效果。

2.2CAM抗鹽抗鈣性能

1)抗鹽性能 在400ml淡水基漿中分別加入0.5%的CAM和0.5%的FCLS(鐵鉻木質(zhì)素磺酸鹽)，攪拌使其溶解后加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的NaCl：0%，1.0%，3.0%，5.0%，7.0%，9.0%，11%，13%，攪拌使其溶解后測定其性能。圖1為CAM 和FCLS在不同濃度NaCl溶液中的粘度變化情況，圖2為CAM和FCLS在不同濃度NaCl溶液中的濾失量變化情況，由圖1、2可看出，經(jīng)CAM處理的鉆井液，可抗NaCl達(dá)9%，其抗鹽能力與FCLS相當(dāng)。

圖1 CAM及FCLS抗NaCl粘度變化對比試驗(yàn) 圖2 CAM及FCLS抗NaCl濾失量對比試驗(yàn)

2)抗鈣性能 在400ml淡水基漿中分別加入0.5%的CAM和0.5%的FCLS，攪拌使其溶解后加入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的CaCl2： 0%，0.2%，0.5%，0.6%，0.7%，0.8%，0.9%，1.0%(以基漿體積為標(biāo)準(zhǔn))，攪拌使其溶解后測定其性能。圖3為CAM 和FCLS在不同濃度CaCl2溶液中的粘度變化情況，圖4為CAM 和FCLS在不同濃度CaCl2溶液中的濾失量變化情況。由圖3、4可看出，經(jīng)CAM處理的鉆井液，抗鈣達(dá)0.9%。而FCLS抗鈣能力卻只達(dá)到0.5%，由此可見，CAM的抗鈣能力要優(yōu)于FCLS。

圖3 CAM及FCLS抗CaCl2粘度變化對比試驗(yàn) 圖4 CAM及FCLS抗CaCl2濾失量對比試驗(yàn)

2.3CAM抗溫性能

在已充分老化的鉆井液中分別加入0.5%的CAM及FCLS，攪拌均勻后在不同溫度(25℃，120℃，140℃，180℃)下養(yǎng)護(hù)12h，測鉆井液性能。由表5可看出，在140℃時CAM和FCLS抗溫能力很接近，當(dāng)溫度上升至160℃時，CAM的抗溫能力與FCLS相比要稍差一些。因此，CAM的抗溫能力有待進(jìn)一步提高。

表5 CAM及FCIS抗溫性能對比試驗(yàn)

3 結(jié) 論

1)由極差分析看出，影響接枝共聚反應(yīng)產(chǎn)率的最主要因素是丙烯酰胺單體的濃度，各因素對產(chǎn)物產(chǎn)率影響的順序是Bgt;Cgt;Agt;D。正交試驗(yàn)確定的最佳合成組合是A3B2C3D1。

2)木質(zhì)素磺酸鈣與丙烯酰胺在H2O2-FeCl2的引發(fā)催化下，可以發(fā)生接枝共聚反應(yīng)。最優(yōu)合成條件是：丙烯酰胺單體用量為0.88mol/L，引發(fā)劑濃度為6.3×10-3mol/L，反應(yīng)溫度50℃，反應(yīng)時間2h。

3)通過在淡水基漿中的性能檢測，在加量為0.5%時，表觀粘度下降50%，證明CAM具有明顯的降粘效果。

4)經(jīng)CAM處理的鉆井液，可抗NaCl達(dá)9%，抗鈣達(dá)0.9%，其抗鹽能力與FCLS相當(dāng)。

5)在140℃時，CAM和FCLS抗溫能力很接近，當(dāng)溫度上升至160℃時CAM的抗溫能力比FCLS要差一些。

[1]周建,曾榮,羅學(xué)剛.木質(zhì)素化學(xué)改性的研究現(xiàn)狀[J].纖維素科學(xué)與技術(shù),2006,14(3):59～66.

[2]謝燕,曾祥欽.引發(fā)劑對木質(zhì)素磺酸鹽接枝丙烯酸的影響[J].貴州工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),1996,34(6):36～38.

[3]王善舉,楊小華.近5年國內(nèi)鉆井液降粘劑研發(fā)進(jìn)展[J].油田化學(xué),2007，(4):65～66.

[4]John J M,Damodar R,Patil J.Graft copolymenrs of lignin for use in well drikking fluids[J].Appl Polym Sci,1984,29:3457～3477.

[編輯] 李啟棟

O636.2

A

1673-1409(2009)03-N030-03

2009-06-24

胡三清(1960-)，男，1982年大學(xué)畢業(yè)，教授，現(xiàn)主要從事油氣田保護(hù)方面的教學(xué)與研究工作。