CAM的最优合成条件及其性能研究

胡三清，胡志朋，张友浩，白 波

(长江大学化学与环境工程学院，湖北 荆州 434023)

CAM的最优合成条件及其性能研究

胡三清，胡志朋，张友浩，白 波

(长江大学化学与环境工程学院，湖北 荆州 434023)

以木质素磺酸钙为原料，合成木质素——丙烯酰胺接枝共聚物(CAM)，根据接枝共聚反应机理，通过正交试验确定形成木质素的最优合成条件为:丙烯酰胺单体浓度为0.88mol/L，引发剂浓度为6.3×10-3mol/L，反应温度50℃，反应时间2h。并对其合成产品进行了系列性能评价。试验证明，CAM具有较好的抗盐抗钙能力，抗温能力可达140℃。

木质素磺酸钙；丙烯酰胺；接枝共聚；降粘剂

木质素是一种复杂的芳香族天然高分子，由苯丙烷基以醚键(C—O—C)或碳-碳键(C—C)结合形成杂支链的三维网状结构，是植物纤维的主要组成部分之一，在自然界的分布极广，蕴藏量仅次于纤维素[1,2]。木质素磺酸盐是木浆法造纸的副产品，价廉易得，分子上含有各种官能团，在一定条件下能与多种物质发生多种改性反应，通过化学改性后，使其无毒、无污染，是良好的钻井液降粘剂[3]。木质素接枝丙烯酰胺主要有自由基引发体系和光照辐射引发体系2种[4]。FeCl2-H2O2产生的自由基可使木质素分子活化,使丙烯酰胺分子容易与活化的木质素大分子进行接枝共聚。笔者以木质素磺酸钙为原料，合成木质素——丙烯酰胺接枝共聚物(CAM)，通过正交试验找出其最优合成条件，并对其性能进行了评价。

1 试验部分

1.1试验原料

木质素磺酸钙为工业纯，其余试剂都是分析纯。

1.2接枝物的合成

将木质素磺酸钙和蒸馏水加入到装有搅拌器的3口烧瓶中，搅拌使其充分溶解后，加入FeCl2，升温并滴加H2O2，然后滴加丙烯酰胺单体溶液进行反应。反应完毕后，用丙酮将产物沉淀分离，多次洗涤，产物在50℃下真空干燥，称重，并计算产率：

式中，ω为产物质量,g；ωL为加入的木质素磺酸钙的质量,g；ωA为加入的丙烯酰胺的质量,g。

1.3正交试验

表1 正交因素水平表

影响接枝共聚反应的因素有物料配比、引发剂浓度、反应温度和反应时间等。下面，笔者采用4因素3水平正交试验法确定其最优合成条件。设A表示引发剂浓度(10-3mol/L)，B表示丙烯酰胺单体用量(mol/L)，C表示反应温度(℃)，D表示反应时间(h)，试验指标为产品的产率。设计4个因素，按正交试验L9(34)表配方进行试验。正交因素水平表见表1，试验结果见表2，正交试验极差分析如表3。

由表3的极差分析可知，影响接枝共聚反应的最主要因素是丙烯酰胺的摩尔浓度，其他依次是温度、

引发剂浓度和时间。故通过正交试验确定木质素磺酸钙与丙烯酰胺接枝共聚反应的最优组合是A3B2C3D1,即丙烯酰胺单体浓度为0.88mol/L，引发剂浓度为6.3×10-3mol/L，反应温度50℃，反应时间2h。

表2 正交试验数据及结果

表3 正交试验极差分析

2 CAM的性能评价

2.1CAM降粘降滤失性能

表4 CAM在淡水基浆中的性能

将CAM加入淡水基浆中检测其性能，试验结果如表4。由表4可知，CAM在加量为0.5%时，表观粘度下降50%，滤失量下降51%，动切力下降80%。故CAM具有明显的降滤失和降粘效果。

2.2CAM抗盐抗钙性能

1)抗盐性能 在400ml淡水基浆中分别加入0.5%的CAM和0.5%的FCLS(铁铬木质素磺酸盐)，搅拌使其溶解后加不同质量分数的NaCl：0%，1.0%，3.0%，5.0%，7.0%，9.0%，11%，13%，搅拌使其溶解后测定其性能。图1为CAM 和FCLS在不同浓度NaCl溶液中的粘度变化情况，图2为CAM和FCLS在不同浓度NaCl溶液中的滤失量变化情况，由图1、2可看出，经CAM处理的钻井液，可抗NaCl达9%，其抗盐能力与FCLS相当。

图1 CAM及FCLS抗NaCl粘度变化对比试验 图2 CAM及FCLS抗NaCl滤失量对比试验

2)抗钙性能 在400ml淡水基浆中分别加入0.5%的CAM和0.5%的FCLS，搅拌使其溶解后加入不同质量分数的CaCl2： 0%，0.2%，0.5%，0.6%，0.7%，0.8%，0.9%，1.0%(以基浆体积为标准)，搅拌使其溶解后测定其性能。图3为CAM 和FCLS在不同浓度CaCl2溶液中的粘度变化情况，图4为CAM 和FCLS在不同浓度CaCl2溶液中的滤失量变化情况。由图3、4可看出，经CAM处理的钻井液，抗钙达0.9%。而FCLS抗钙能力却只达到0.5%，由此可见，CAM的抗钙能力要优于FCLS。

图3 CAM及FCLS抗CaCl2粘度变化对比试验 图4 CAM及FCLS抗CaCl2滤失量对比试验

2.3CAM抗温性能

在已充分老化的钻井液中分别加入0.5%的CAM及FCLS，搅拌均匀后在不同温度(25℃，120℃，140℃，180℃)下养护12h，测钻井液性能。由表5可看出，在140℃时CAM和FCLS抗温能力很接近，当温度上升至160℃时，CAM的抗温能力与FCLS相比要稍差一些。因此，CAM的抗温能力有待进一步提高。

表5 CAM及FCIS抗温性能对比试验

3 结 论

1)由极差分析看出，影响接枝共聚反应产率的最主要因素是丙烯酰胺单体的浓度，各因素对产物产率影响的顺序是Bgt;Cgt;Agt;D。正交试验确定的最佳合成组合是A3B2C3D1。

2)木质素磺酸钙与丙烯酰胺在H2O2-FeCl2的引发催化下，可以发生接枝共聚反应。最优合成条件是：丙烯酰胺单体用量为0.88mol/L，引发剂浓度为6.3×10-3mol/L，反应温度50℃，反应时间2h。

3)通过在淡水基浆中的性能检测，在加量为0.5%时，表观粘度下降50%，证明CAM具有明显的降粘效果。

4)经CAM处理的钻井液，可抗NaCl达9%，抗钙达0.9%，其抗盐能力与FCLS相当。

5)在140℃时，CAM和FCLS抗温能力很接近，当温度上升至160℃时CAM的抗温能力比FCLS要差一些。

[1]周建,曾荣,罗学刚.木质素化学改性的研究现状[J].纤维素科学与技术,2006,14(3):59～66.

[2]谢燕,曾祥钦.引发剂对木质素磺酸盐接枝丙烯酸的影响[J].贵州工业大学学报,1996,34(6):36～38.

[3]王善举,杨小华.近5年国内钻井液降粘剂研发进展[J].油田化学,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.

[编辑] 李启栋

O636.2

A

1673-1409(2009)03-N030-03

2009-06-24

胡三清(1960-)，男，1982年大学毕业，教授，现主要从事油气田保护方面的教学与研究工作。