疏水型高强度水凝胶的合成与性能[1]

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1、第21卷第4期胶体与聚合物Vol.21No.42003年12月ChineseJournalofColloid&polymerDec.2003X疏水型高强度水凝胶的合成与性能葛红江刘希君雷齐玲(天津大港油田公司研究中心工艺所天津300280)摘要以丙烯酰胺和疏水单体为原料,过硫酸钾-硫酸亚铁为引发剂,采用溶液聚合法合成了疏水型高强度水凝胶。研究了单体组成、单体浓度、引发剂用量、交联剂用量、反应温度等因素对产物性能的影响。对比分析了疏水型水凝胶的吸水倍数、吸水速率和强度。疏水型水凝胶的强度大于常规高吸水性树脂,最长吸水时间长,吸水速度平缓。对疏

2、水型高强度水凝胶强度进行了统计回归分析,对吸水速率和最长吸水时间进行了分析描述。关键词疏水性;水凝胶;高强度;合成;溶液聚合;高吸水性树脂高吸水性树脂(在石油行业也称水膨体、体膨型聚合物、预交联凝胶等)是近年来在国外石油行业研[1～3]究、应用都很广泛的油田化学品。随着国内陆上油田相继进入注水开发中后期,其需求量将越来越大,对其性能的要求也越来越高。通常对高吸水性树脂的要求是吸水(包括尿液、汗液、盐水等)倍数高(通常大于100);吸水快,最长吸水时间可短到1～2min;对吸水后的凝胶强度几乎没有要求。而在石油工程堵水、调剖、调驱作业中的要求

3、恰恰相反,要求吸水倍数在50倍左右,甚至在5倍以下,此时力学性能和高吸水性树脂在吸水100倍以上的性能大不相同,已基本接近橡胶的力学特性;要求吸水越慢越好,吸水曲线接近直线。对最长吸水时间的要求不是1～2min而是5～10d;要求在达到最大吸水量后,凝胶不仅具有一定的强度、而且呈弹性而非塑性状态(类似橡胶而非塑料)。由于这类吸水树脂的性能和常规的高吸水性树脂差异很大,采用常规合成高吸水性树脂的单体和原料很难得到满足以上要求的“高强度水凝胶”。[4]可以认为疏水型高强度水凝胶是疏水改性水溶性聚合物经过适度交联得到的,本文采用疏水单体和亲水单体

4、共聚的方法制备疏水型高强度水凝胶。1实验部分111单体选择可供选择的亲水单体有丙烯酸、丙烯酸盐、丙烯酰胺、顺丁烯二酸酐等。根据水膨体结[5]构参数和膨胀倍数之间的关系(Flory方程)要得到强度高吸水量小的水凝胶,非离子单体(对水的亲和力相对较弱)是理想的选择,而不用高吸水性树脂中常用的丙烯酸。在没有疏水单体的情况下,为了得到较小的吸水量,只有提高交联密度,然而提高交联密度得到的水凝胶的弹性降低脆性增加。根据Flory方程,引入疏水性单体,降低聚合物对水的亲和力同样也能降低吸水能力。可选择的疏水性单体有醋酸乙烯酯、丙烯酸烷基酯等。选择疏水性

5、单体时除要注意单体的疏水性,还要考虑疏水单体和亲水单体的共聚情况。本文选用了丙烯酰胺基十二烷基磺酸(AMC12S)。[6]112聚合步骤将一定量亲水单体和疏水单体、N,N-亚甲基双丙烯酰胺、乳化剂和水放入反应器中,通入氮气,在40℃下搅拌10min,加入过硫酸钾和硫酸亚铁,搅拌10min。然后将混合液倒入可密封的特定模具中在60℃下,2h完成聚合,最终得到特定形状的高强度水凝胶。将其放入018%NaCl溶液X收稿日期:2003-05-05第4期葛红江等:疏水型高强度水凝胶的合成与性能19中浸泡,测试其各种性能。113最大吸水倍数、吸水速率、

6、拉伸(抗拉)强度的测量吸水倍数的测定采用自然过滤法,将一定质量M1的吸水剂放入大量的018%NaCl水溶液中,待溶涨到吸水饱和后,用筛网将剩余水溶液过滤出。用滤纸迅速吸去凝胶表面的水。然后测其质量M2。则其吸水倍数Q为Q=(M2-M1)öM1。当吸水倍数不再增加时的吸水倍数为最大吸水倍数(Qmax),对应的时间为最长吸水时间(Tmax)。吸水速率可以用吸水曲线,即不同时间的吸水倍数曲线来表示。高吸水性树脂和水凝胶吸水膨胀后凝胶强度有不同的表示和测试法(不同方法测出的数据可能差别很大)。由于高强度水凝胶表现出类似橡胶的特性,本文采用测试橡胶的

7、GBT528-1998标准测量。石油工程中最关心的是水凝胶的拉伸强度,因此仅测试拉伸强度,以下简称“强度”。2结果与讨论211聚合条件对水凝胶性能的影响聚合温度在40～95℃之间时对强度的影响不显著,在60～75℃时强度最高;超过75℃有所降低,如图1所示。温度过低反应不充分,同样强度低。聚合温度对吸水倍数的影响也有类似规律。当温度一定时,体系浓度在30%～50%之间变化时,产物性能变化不大。温度和体系浓度对产物性能影响不显著,主要是相对疏水单体和交联剂加量对产物性能的影响而言,这二者影响远比聚合条件显著。Table1hydrophobic

8、monomerconcentrationeffectonstrengthcrosslinkinghydrophobicswellingsstrengthökPaagentö%mo