芥酸酰胺丙基甜菜碱的合成与性能评价

范振忠，郭 昊，刘庆旺，王继刚

（东北石油大学， 黑龙江 大庆 163000）

芥酸酰胺丙基甜菜碱的合成与性能评价

范振忠，郭 昊，刘庆旺，王继刚

（东北石油大学， 黑龙江 大庆 163000）

以芥酸、N，N-二甲基-1,3-丙二胺与氯乙酸钠为原料，经过酰胺化和季铵化两步反应，合成了芥酸酰胺丙基甜菜碱。研究了最优合成条件，采用红外光谱对目标产物进行表征。芥酸酰胺丙基甜菜碱浓度为4%，HCl浓度为10%时，酸液体系黏度最大。当芥酸酰胺丙基甜菜碱浓度大于4%时，黏度随温度升高而先增加后减小；当芥酸酰胺丙基甜菜碱浓度小于4%时，黏度随温度升高而降低。

芥酸酰胺丙基甜菜碱；性能评价；正交试验

甜菜碱型表面活性剂分子中同时存在阴、阳离子，有良好的耐硬水性、起泡性、杀菌性、生物降解性能等特点，且耐温、耐盐性良好，是高温高盐油藏用驱油表面活性剂的重要剂种之一，可有效降低油/水界面张力，在三次采油中大大提高采收率[1-3]。用芥酸合成的酰胺丙基甜菜碱分子结构中含有较长碳链，既可以有效降低油/水界面张力，又能够在盐溶液或酸、碱溶液中形成不同强度的胶束凝胶，可用于酸液稠化、清洁压裂液等方面[4]。因此以芥酸合成的甜菜碱型两性表面活性剂可配制成性能优良的多种油气田工作液，在油气田开发中有巨大的需求。

1 实验部分

1.1 主要试剂及仪器

芥酸（CP）、氯乙酸钠（AR）、无水乙醇（AR）、N，N-二甲基-1,3-丙二胺(w=99%)；Nicolet-6700型傅里叶红外光谱仪。

1.2 合成路线

1.3 合成方法

将芥酸加入三口烧瓶中，通N2三次除氧 ,加入适量的KOH作为催化剂，然后加入N，N-二甲基-1,3-丙二胺，加热搅拌回流进行酰胺化反应，反应6～8 h结束反应。待反应结束后，将产物减压抽真空，蒸出过量的N，N-二甲基-1,3-丙二胺和水，得到中间产物N，N-二甲基-N'-芥酸酰基丙胺。向三口烧瓶中依次加入N，N-二甲基-N'-芥酸酰基丙胺和氯乙酸钠溶液，回流反应7 h结束反应，在水浴条件下加热搅拌，进行季胺化反应，得到芥酸酰胺丙基甜菜碱溶液[5]。

2 合成条件的优化

2.1 酰胺化反应

考虑到影响芥酸酰胺化反应因素主要有反应温度、物质的量比、反应时间、催化剂用量，以芥酸转化率为评价指标，用L9(34)正交表进行正交试验，结果见表1。

表1 酰胺化正交试验因素水平表Table 1 Amidation orthogonal experimental factors table

分析由表1可知，最佳反应条件为在165 ℃反应6.5 h、催化剂用量1.0%、N，N-二甲基-1,3-丙二胺与芥酸比为1：1。

2.2 季铵化反应

考虑到影响芥酸季铵化反应因素主要有反应温度、物质的量比、反应时间，以N，N-二甲基-N'-芥酸酰基丙胺转化率作为考察目标，用L9(34)正交表进行正交试验，见表2。

表2 季铵化正交试验因素水平表Table 2 Quaternary ammonium orthogonal experimental factor level table

分析由表2可知，最佳反应条件为在80 ℃反应7.0 h、N，N-二甲基-N'-芥酸酰基丙胺与氯乙酸钠比为1：1.1。

2.3 产物的红外光谱图分析

图1为芥酸酰胺丙基甜菜碱的红外光谱图。分析可得，3 500～3 100 cm-1处为N-H伸缩振动吸收峰；2 921 ，2 851 cm-1处为C-H伸缩振动吸收峰；1 634 cm-1处为C=O伸缩振动吸收峰；1 548 cm-1处为N-H的变形振动吸收峰；1 466 cm-1处为C-N弯曲振动吸收峰。

图1 芥酸酰胺丙基甜菜碱红外光谱图Fig.1 Erucic amidopropylbetaine infrared spectra

3 性能评价

3.1 酸液浓度的影响

在25 ℃、170 s-1剪切速率下，将4%芥酸酰胺丙基甜菜碱分别加入到6%、8%、10%和12%的HCl中，测定酸液体系的黏度与HCl浓度的变化，见图2。

图2 HCl浓度对酸液体系黏度的影响Fig.2 Effect of HCl concentration on the viscosity of acid liquid system

由图2可见，随着HCl浓度的增大，黏度也逐渐增大，HCl浓度为10%时达到黏度最大值，之后黏度随HCl浓度增大而减小。因此确定HCl的最佳浓度为10%。

3.2 pH值的影响

图3为室内170 s-1下测得pH值对芥酸酰胺丙基甜菜碱水溶液黏度影响的关系曲线[6]。

3.3 芥酸酰胺丙基甜菜碱浓度和温度对黏度的影响

由图3可知，随着pH值升高，溶液黏度先上升，后下降，在pH值为3时，黏度达到最大值。

在剪切速率为170 s-1，盐酸浓度为10%的条件下，测得芥酸酰胺丙基甜菜碱浓度和温度对黏度影响的关系曲线见图4。

由图4可知，当芥酸酰胺丙基甜菜碱浓度大于4%时，黏度随温度升高而先增加后减小，温度达到60 ℃，溶液黏度达到最大值；当芥酸酰胺丙基甜菜碱浓度小于 4%时，黏度随温度升高而降低，温度为20 ℃时，溶液黏度达到最大值。

图3 pH值的影响（6%芥酸酰胺甜菜碱）Fig.3 Effect of pH (6% erucic acid amide betaine)

图4 pH值与残酸黏度的关系曲线Fig.4 Relationship between pH value and residual acid viscosity

原因为温度较低时，升高温度加速胶束运动，胶束间相互缠绕形成球形胶束，从而表现为黏度增加；而当甜菜碱溶液浓度高时，胶束相互缠绕聚合的力本身很小，温度的升高会破坏胶束结构，因而表现为黏度较低[7]。

4 结 论

通过多次实验，合成芥酸酰胺丙基甜菜碱最佳实验条件是：以芥酸和 N,N-二甲基-1,3-丙二胺为原料在165 ℃反应6.5 h，制得N，N-二甲基-N'-芥酸酰基丙胺，再与氯乙酸钠在80 ℃反应7 h，得到芥酸酰胺丙基甜菜碱。

通过对芥酸酰胺丙基甜菜碱性能评价，pH值为3时，溶液黏度达到最大值。当芥酸酰胺丙基甜菜碱浓度大于 4%时，黏度随温度升高而先增加后减小；当芥酸酰胺丙基甜菜碱浓度小于 4%时，黏度随温度升高而降低。

［1］ 刘俊，郭拥军，刘通义. 粘弹性表面活性剂研究进展[J].钻井液与完井液, 2003,20 (3) :47-51.

［2］马代鑫，徐赋海，王增林，等.变粘分流酸主剂油酸酰胺丙基甜菜碱的合成[J]，特种油气藏，2009, 16(3): 89-91.

［3］ 王宝林，曲德仁，张新春.烷基酰胺丙基甜菜碱的合成、性能及应用[J].表面活性剂工业，1993(1): 31-36.

［4］ 赵世民.表面活性剂原理、合成、测定及应用[M]. 北京：中国石化出版社，2005. 343-347.

［5］ 郑云川，赵立强，刘平礼，等.两性表面活性剂芥子酸酰胺丙基甜菜碱的合成与应用[J].钻井液与完井液,2006,23(3):4-7.

［6］ 赵世民.表面活性剂原理、合成、测定及应用[M].北京：中国石化出版社，2005: 343-347.

［7］ 陈馥，侯帆，竭继衷，等.变黏酸稠化剂甜菜碱的合成及性能评价[J]. 钻井液与完井液,2011,28 (6) :64-66.

Synthesis and Property Evaluation of Erucic Acid Amide Propyl Betaine

FAN Zhen-zhong，GUO Hao，LIU Qing-wang，WANG Ji-gang
（Northeast Petroleum University, Heilongjiang Daqing 163000，China）

With erucic acid, N, N - dimethyl trimethylene diamine and sodium chloroacetate as raw materials, erucic acid amide carboxy propyl betaine was synthesized via amidation and quaternarization reactions.The optimal synthesis conditions were studied. The target product was characterized by IR spectrum, and its property was evaluated. The results show that when the concentration of erucic acid amide propyl betaine is 4%, the concentration of HCl is 10%, the viscosity of acid liquid system is the maximum;When the concentration of erucic acid amide propyl betaine is more than 4%, the viscosity increase increases first and then decreases with temperature increasing;When the concentration of erucic acid amide propyl betaine is less than 4%, the viscosity decreases with temperature increasing.

Erucic acid amide betaine; Property evaluation; Orthogonal test

TQ 423

A

1671-0460（2015）08-1810-03

黑龙江省自然科学基金项目“阳离子双子表面活性剂驱油技术研究”，项目号：E201337。

2015-05-25

范振忠（1971-），男，黑龙江大庆人，教授，博士，2005年毕业于浙江大学化学系，研究方向：油田化学。E-mail：fanzhenzhong@163.com。

郭昊（1990-），男，研究方向：油田化学。E-mail：978478964@qq.com。