高分子聚丙烯酸钠凝胶堵漏剂的合成及性能研究

*王 凯

(沈阳科技学院 化学工程系 辽宁 110167)

高分子聚丙烯酸钠凝胶堵漏剂的合成及性能研究

*王 凯

(沈阳科技学院 化学工程系 辽宁 110167)

选用丙烯酸为单体,以丙三醇为交联剂,亚硫酸氢钠-过硫酸铵为氧化还原引发剂,合成具有一定交联度的聚丙烯酸钠凝胶,探讨分析了聚丙烯酸钠凝胶的吸水性能、固砂抗压缩强度等.结果表明:当聚合单体的浓度为55%,中和度控制在50%,交联剂的用量为聚合单体质量的8%时,合成的聚丙烯酸钠凝胶综合性能最好.

高分子材料;聚丙烯酸钠;凝胶;堵漏剂

聚合物凝胶堵漏剂又称为吸水膨胀堵漏剂,包括地下交联聚合物凝胶和吸水性聚合物树脂两种类型,在治理渗漏时,由于凝胶的可变形性,不受漏失通道的限制,注入裂缝或渗漏部位后,由易流动的悬浮体交联共聚形成不流动的凝胶,其具有堵漏quot;变形虫quot;的作用,可以在极其微信的孔道内产生封堵.聚合物凝胶堵漏剂可以在潮湿面上施工,亦可带水堵漏,可广泛用于石油化工行业的堵漏,还可以推广应用到建筑领域的房屋居室(如厨房、卫生间)、地下、水下、流沙隧道等工程的堵漏止水、抢修等.因此,研究制备一种环境友好的、堵漏效果理想的聚合物凝胶堵漏剂是一个非常有意义的课题.

本文采用溶液聚合法,通过较高浓度的部分中和的丙烯酸钠自交联,选用氧化还原引发剂在室温条件下合成聚丙烯酸钠凝胶,并对凝胶材料的吸水溶胀性能、固砂抗压缩强度进行了分析.

1.实验部分

(1)实验试剂

丙烯酸、氢氧化钠、过硫酸铵、亚硫酸氢钠、丙三醇均为天津化学试剂厂生产的分析纯.

(2)实验仪器

HH-S型电热恒温水浴锅(济南东仪实验室设备有限责任公司);DHG-9023A型电热鼓风干燥箱(上海笃特科学仪器有限公司);DF-101S型集热式恒温加热磁力搅拌器(常州市万合仪器制造有限公司);IRAffinity-1型傅立叶变换红外光谱仪(日本电子公司);WDT-20KN电子式万能材料试验机(济南万测电气设备有限公司).

(3)聚丙烯酸钠凝胶的制备

按配方比例,准确称取一定质量的氢氧化钠溶解于蒸馏水中,配制成浓度为30%的氢氧化钠水溶液.在称取定量的过硫酸铵和亚硫酸氢钠,分别用蒸馏水溶解后待用.

称取定量的丙烯酸于500ml的烧杯中,开动搅拌,用配制的30%的氢氧化钠水溶液调整中和度为40%-80%.待冷却至室温时,将烧杯移至恒温水浴锅中,滴加入规定量的丙三醇交联剂,再分别加入过硫酸铵和亚硫酸氢钠溶液,搅拌状态下使溶液混合均匀后停止搅拌.聚合反应完全后,将制备好的凝胶进行切片,放置于电热鼓风干燥箱烘干至恒重,即得到聚丙烯酸钠凝胶样品.

(4)性能测试与表征

①红外光谱分析

将聚丙烯酸钠凝胶样品放入蒸馏水中溶胀,除掉未反应的单体后,进行烘干研磨得到粉末.采用KBr压片法制样,测定样品波数在1000～4000cm-1范围的吸收谱图.

②溶胀率测定

准确称取聚丙烯酸钠凝胶块体样品,其吸水前的质量为W前,将其放置于蒸馏水中,调节设定测试条件温度为25℃,吸水膨胀一段时间(t)后,用滤纸吸干表面多余的水,称其吸水膨胀后质量为W后.其溶胀率(SR)计算公式为:

③抗压缩强度测定

凝胶抗压缩强度的测试标准参照ASTM D4219-08《化学灌浆土壤无侧限抗压强度指数试验方法》进行.将配制好的一定质量的浆液慢慢倒入已装满砂的压模中,使浆液灌入砂粒间的孔隙,填充均匀充分固化,24h后拆模进行抗压强度测试.

2.结果与讨论

(1)红外光谱分析

从图1中可以看出,凝胶样品在3436cm-1附近谱带较宽,为聚丙烯酸O-H伸缩振动吸收峰,是由于缔合的氢键伸缩振动所形成多重叠峰.在1723cm-1处有一较强的吸收峰,这是聚丙烯酸盐中羧基峰,在1403cm-1处为-COONa中的羰基伸缩振动峰.从图谱结果可以看到丙烯酸与丙三醇成功发生了聚合反应.

图1 聚丙烯酸钠凝胶的红外吸收光谱

(2)吸水溶胀率分析

图2 聚合单体的含量对凝胶吸水溶胀性能的影响

从图中可以看出,当聚合单体的含量为55%时,凝胶样品吸水溶胀率随单体含量的增加而逐渐减小,当单体浓度为65%时溶胀率的变化不再快速下降,溶胀率趋于平缓,基本保持不变.聚丙烯酸钠凝胶样品中含有-COO-为亲水基团,吸水后使高分子网状结构扩张而溶胀,直到达到平衡状态.

图3 中和度对凝胶吸水溶胀性能的影响

从图中可以看出,凝胶样品吸水溶胀率随中和度的增加呈现先增大后减小的趋势,当中和度为55%时达到最大值,说明凝胶样品中-COO-亲水基团较多,吸水溶胀率增大.当中和度较小时,凝胶样品的随单体含量的增加而逐渐减小,凝胶样品中含有大量的-COOH,其高分子链相互缠绕比较稳定,溶胀率较小.当中和度继续增加时,凝胶内外产生渗透压差,水分子通过渗透压作用从凝胶内向外渗透,导致吸水溶胀率降低.

图4 交联剂的含量对凝胶吸水溶胀性能的影响

从图4中可以看出,凝胶样品吸水溶胀率随交联剂含量的变化呈现先增大后减小的趋势,当交联剂含量为8%时达到最大值,说明此时凝胶样品的高分子网状结构已经形成,结构伸缩性能较好,水凝胶网眼较多,吸水性能良好.

(3)压缩强度分析

图5 交联剂的用量对凝胶固砂抗压强度的影响

从图中可以看出,凝胶样品固砂抗压强度随交联剂的用量的增加而增大.交联剂用量越大,凝胶的交联密度越大,高分子网状结构间的的氢键、范德华力越强.主要是因为选用适量的交联剂可以产生较多的交联点,网状结构空间减小,高分子链段间物理和化学作用增强.

3.结论

(1)以丙烯酸为单体,丙三醇为交联剂,亚硫酸氢钠-过硫酸铵为氧化还原引发剂在室温条件下制备了聚丙烯酸钠凝胶.

(2)在室温条件下,当聚合单体的浓度为55%,中和度控制在50%,交联剂的用量为聚合单体质量的8%时,合成的聚丙烯酸钠凝胶吸水溶胀度较高,凝胶固砂压缩强度较大.

[1]罗兴树,蒲晓林,黄岩等.堵漏型聚合物凝胶材料研究与评价[J].钻井液与完井液,2006,23(2):28-32.

[2]王中华.聚合物凝胶堵漏剂的研究与应用进展[J].精细与专用化学品,2011,19(4):16-20.

[3]白炼.丙烯酸盐化学灌浆材料的研制[D].武汉工程大学,2010.

[4]张保东,姚新建,陈康等.丙烯酸水凝胶的制备研究[J].周口师范学院学报,2009,26(2):73-75.

王凯(1982-),男,沈阳科技学院 化学工程系;研究方向:新材料的制备及材料物理化学.

The Research of Synthesis and Properties of Macromolecular Polyacrylate Gel Plugging agent

Wang Kai
(Chemical Engineering Department, Shenyang Science and Technology Institute, Liaoning, 110167)

Using acrylic acid as the monomer, with propylene triol as crosslinking agent, sodium bisulfite and ammonium persulfate as oxidation-reduction initiator, we composited the synthesis of sodium polyacrylate gel with certain crosslinking degree. This paper discussed and analyzed the absorbency of polyacrylate gel and the compressive strength of sand - solid sand. The results showed that when the concentration of polymerization monomer was 55%, the neutralization degree was 50%, and the amount of crosslinking agent was 8% of the polymerization monomer mass, the synthesized polyacrylate gel had the best comprehensive performance.

high polymer materials;sodium polyacrylate;gel;plugging agent

TQ

A