丙烯酸_马来酸酐共聚物钠盐分散水相中硫酸钡的研究

(自然科学版)29(3):301～304,2006α山西大学学报Journal of Shanxi U niversity(N at.Sci.Ed.) 文章编号:025322395(2006)0320301204丙烯酸2马来酸酐共聚物钠盐分散水相中硫酸钡的研究李汉承1,张　强13,刘书静2,张小军3(1.北京理工大学理学院化学系,北京100081;2.河北农业大学理学院化学系,保定071001;3.中化化工科学技术总院,100083)摘　要:利用红外光谱、扫描电镜、沉降试验、粒径分析、流变行为等研究了丙烯酸2马来酸酐共聚物钠盐对硫酸钡水相悬浮液分散性能的影响.实验结果表明,添加适量分散剂可使硫酸钡粒子在水相中得到均匀分散开.硫酸钡悬浮液的黏度随共聚物钠盐浓度的增加而降低,当加入质量浓度为0.6%分散剂时,粘度值达到最低值,然后再加入分散剂时粘度反而略有上升,加分散前后硫酸钡悬浮液的D60分别为5.2320Λm和4.3443Λm.关键词:丙烯酸2马来酸酐共聚物钠盐;硫酸钡;分散性中图分类号:O631 文献标识码:A悬浮固体颗粒在液相中的沉降和絮凝在胶体科学中是一个极为重要的课题,它广泛应用于废水处理、纸张、化妆品、墨水等领域.人们对有关粒径、堆密度及粒子在悬浮体系中的絮凝和抗絮凝的机理方面进行了细致的探讨[1～3].在石油钻探过程中常使用硫酸钡粒子做添加剂来调节泥浆的黏度,从而降低钻探中的梯度压力.本工作就是致力于研究共聚电解质在钻井泥浆中对硫酸钡分散效果的影响.目前有多种分散剂如聚丙烯酸、聚乙烯醇、柠檬酸铵等常被用来做为水相分散剂[4],丙烯酸2马来酸酐共聚物及其盐作为具有广阔前景的水溶性高分子已广泛应用于水处理、洗涤剂、絮凝剂等方面,但用丙烯酸2马来酸酐共聚物盐来分散水相中硫酸钡却鲜有报道.本文集中研究了丙烯酸2马来酸酐共聚物钠盐对硫酸钡粒子在不同条件下的结构和沉降行为的影响,系统地测量了硫酸钡悬浮液在静止条件下的沉降速度及沉降高度,通过电子扫描电镜对沉积物的微观结构及粒度大小进行了分析,通过粒径分析、流变行为分析了共聚物分散剂对硫酸钡悬浮液的影响.1　试验部分1.1　原料硫酸钡(自制);去离子水;质量浓度为35%氢氧化钠溶液;1m o l L盐酸溶液;丙烯酸2马来酸酐共聚物钠盐(自制)其分子式如下1.2　实验仪器红外光谱分析仪(N ico let N exu s670);扫描电镜(日本日立S-520);粒径分析仪(美国PSS)N icom p;旋转粘度计(上海昌吉地质仪器有限责任公司NDJ—1).α收稿日期:2005211208;修回日期:2005212221 基金项目:国家“十五”科技攻关计划(2004BA308A25-15);北京化工大学北京市新型高分子材料合成与加工重点实验室基金资助课题 作者简介:李汉承(19772),男,河南人,在读硕士,主要从事高分子分散剂的研究.3通讯联系人:E2m ail:zhang.qiang @.1.3　丙烯酸2马来酸酐共聚物钠盐合成在装有冷凝管、温度计、滴液漏斗、搅拌器的四口烧瓶中投入一定量的马来酸酐(M A )和去离子水,缓缓升温到一定温度时,滴加丙烯酸(AA )、引发剂溶液,滴加完毕,控制一定温度下反应2h ,冷却至室温,用氢氧化钠溶液中和至pH =7～8,出料即得丙烯酸2马来酸酐共聚物钠盐水溶液(固含量25%,密度=1.19g c m 3).1.4　硫酸钡悬浮液的测试1.4.1　扫描电镜向4只盛有质量浓度为(下同)2%硫酸钡悬浮液的100mL 具塞量筒中各加入0mL ,0.5mL ,2.0mL ,4.0mL 的分散剂,超声波振荡30m in ,然后取样作扫描电镜.1.4.2　沉降试验在100mL 具塞量筒中加入100mL 预先配制好的pH 值相同、分散剂浓度不同的2%的硫酸钡悬浮液,再配制不同pH 值、分散剂浓度相同的2%的硫酸钡悬浮液,超声波振荡30m in 取出作沉降试验;首先在1m in 内上下颠倒具塞量筒15次,然后静置,以2h 为固定时间间隔,记下上层清夜的体积,当沉淀现象发生时,在水层和云雾层会出现一个界面,界面以上的上层清夜的体积作为沉淀快慢的一个参数[5].1.4.3　流变行为配制pH 值不同,分散剂浓度不同的60%的硫酸钡悬浮液,砂磨机研磨5h 后转移至50mL 的塑料瓶中,用来做流变试验,用NDJ —1旋转粘度计(3号转子,转速12r m in ,温度20℃)测其粘度.1.4.4　粒径分析由流变试验可知当加入2.0mL ,分散性最优,向100mL 的2%硫酸钡悬浮液中加入2.0mL 的分散剂,超声波振荡30m in ,做粒径分析.2　结果讨论图1　丙烯酸2马来酸酐共聚物钠盐红外谱图2.1　丙烯酸2马来酸酐共聚物钠盐的红外谱图从图1可看出,产物中—C =O 的伸缩振动吸收峰位于1610c m -1～1550c m -1和1472c m -1、1396c m -1处,在995c m -1～985c m -1、915c m -1～905c m -1范围内没有出现CH 2-CH -中CH 2、CH 的吸收峰,在730c m -1～665c m -1范围内也没有出现顺式CH 2=CH 结构中的C -H 伸缩振动吸收峰,说明已不存在不饱和的羧酸盐,产物为丙烯酸2马来酸酐共聚物钠盐.2.2　加入分散剂前后硫酸钡悬浮液分散情况的比较图2(P 303)是加入分散剂前后硫酸钡悬浮液的扫描电镜,从图2中的照片可以看出,没加分散剂前硫酸钡粒子絮凝在一起,并且粒子大小不均匀(图2a ),当加入0.5mL 的丙烯酸2马来酸酐共聚物钠盐溶液后,硫酸钡粒子明显的分散开,但仍有部分硫酸钡粒子絮凝到一块(图2b ),但加入2.0mL 丙烯酸2马来酸酐共聚物钠盐溶液时,硫酸钡粒子明显的相互分散,粒子与粒子之间界面清晰,并且粒子大小分布较均匀(图2c ),当加入4.0mL 丙烯酸2马来酸酐共聚物钠盐溶液时,硫酸钡粒子虽然也能分散开,但从照片中可以看出粒子之间有相互粘连现象(图2d ),且粒径较大.这可能是因为丙烯酸2马来酸酐共聚物钠盐吸附在硫酸钡粒子表面,形成的带电层相互排斥阻止了硫酸钡粒子的絮凝,当分散剂不足时,双电层所形成的排斥力不足以使相邻的硫酸钡粒子分散开,但当分散剂过量时,过量的分散剂又缠绕在已电离的分散剂的周围,使双电层的电势升高,斥力下降,且过量的分散剂间相互粘连,从而也不能达到理想的分散效果.2.3　沉降试验从沉降试验的结果图3(P 33)可以看出,pH 值对悬浮液的稳定起了较为重要的作用.当pH 值低于7时,硫酸钡悬浮液在10m in 内几乎完全沉淀,上层清液大于90mL ,当pH 值高于7时,加入分散剂的悬浮液远比没加分散剂的悬浮液稳定,2h 后上清液小于10mL ,在pH 值为10时,加入0.5mL 分散剂2h 后上清液约为203山西大学学报(自然科学版) 29(3)　2006　图2　加入分散剂前后硫酸钡悬浮液扫描电镜照片5mL.因为丙烯酸马来酸酐共聚物钠盐为阴离子型分散剂,当pH值增加时,吸附在硫酸钡粒子上的带负电荷的分散剂伸展开并相互排斥,从而形成稳定的悬浮液.从图3可以看出,当pH值到10时,分散剂达到最佳效果,同样的,分散剂的浓度对悬浮液的稳定也起了关键作用.如图4所示,上层清液的体积随共聚物钠盐的加入量的增加而逐渐减少,当分散剂为2.0mL,pH为10时,2h后上清液达到最小为2mL,但当加入2.5mL分散剂时,上清液的体积反而稍为上升为8mL,这是因为当分散剂过量时,过量的分散剂包覆在已电离的分散剂上,使粒子双电层间的斥力下降所致.2.4　流变行为从图4可以看出,在pH值7、10、12时加图3　上层清液与分散剂加入量和pH值的关系入2.0mL分散剂时,旋转粘度均为其相同pH值时的最小值,分别为0.28p s、0.24p s,0.12p s,而分散剂浓度相同时,pH值越大其剪切粘度越小,这显然是因pH值越大,丙烯酸2马来酸酐共聚物越易电离,从而双电层间的排斥力也就越大,有利于悬浮液的悬浮稳定.从图4还可以看出硫酸钡悬浮液的粘度在加入少量的分散剂时便会明显的下降,当加入分散剂的体积达到2mL时达到最小值,分散剂的量继续增加时,旋转粘度反而有所上升.其原因可能是,开始越来越多的分散剂吸附在硫酸钡粒子上面,吸附在硫酸钡粒子表面的丙烯酸2马来酸酐共聚物电离所形成的双电层电势越来越低,双电层间的斥力逐渐增大,从而使硫酸钡悬浮液的黏度逐渐降低,当加入分散剂的体积图4　pH值及分散剂加入量对悬浮液黏度的影响达到2.0mL时,硫酸钡粒子达到饱和吸附,再加入过量的分散剂时,过量分散剂缠绕在已电离的共聚电解质上面从而导致双点层间的斥力下降,使悬浮液的黏度反而有所上升.2.5　粒径分析图5,图6两图(P304)可以看出,不加分散剂时硫酸钡粒子的D60为5.2320Λm,加入分散剂后硫酸钡粒子的D60下降为4.43443Λm,并且加入分散剂后的硫酸钡悬浮液成牛奶状悬浮液,放置3d后也没沉淀发生,而没加分散剂的硫酸钡悬浮液沉淀很快,在10m in内就几乎完全沉淀.4　结论添加适量丙烯酸2马来酸酐共聚物钠盐分散剂可使硫酸钡粒子在水相中得到均匀分散开,硫酸钡悬浮液的黏度随共聚物钠盐浓度的增加而降低,当加入0.6%分散剂时粘度值达到最低值.因此,丙烯酸2马来酸酐共聚物钠盐可望作为钻井泥浆中硫酸钡的分散剂得到广泛的应用.303 李汉承等:丙烯酸2马来酸酐共聚物钠盐分散水相中硫酸钡的研究图5　加入分散剂后硫酸钡悬浮液的粒粒径分析图6　未加分散剂后硫酸钡悬浮液的粒粒径分析参考文献:[1]　DAV IES L ,DOLL I M OR E D ,M CBR I D E G B .Sedi m entati on of Suspensi ons :Si m p le M ethods of CalculatingSedi m entati on Param eters [J ].P o w d er T echnology ,1977,16:45.[2]　GLA SRUD G C ,NAVA RR ET E R C ,SCR I V EN L E ,et al .Settling Behavi o rs of Iron O xide Suspensi ons [J ].A IChEJ ,1993,39:560.[3]　ST ENOU R H H .R ate of Sedi m entati on :N onflocculated Suspensi on of U nifo r m Spheres [J ].Ind ustrial A ndE ng ineering Che m stry ,1944,36:618.[4]　BALA STR E M ,A R G I LL IER J F ,ALLA I N C .Fo issy Ro le of Po lyelectro lyte D ispers 2ant in the Settling Behavi our ofBarium Sulphate Suspensi on ,Co llo ids and Surfaces A :Physicochem [J ].E ng A sp ects ,2002,211:1452156.[5]　CA RLO S G Y .H eberto Bal mo ri 2R am írez ,froyl án m art ínez ,Co 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dispersan t concen trati on .B arium su lfate su sp en si on w as dispersed w ell w hen added w ith sodium salt of acrylic acid 2co 2m aleic anhydride ,bu t w hen dispersan t w as no t sufficien t o r excessively the su sp en si oncou ld no t disp ersan t w ell.V isco sity of barium su lfate aqueou s su sp en si on decreased along w ith the additi on of sodium salt of acrylic acid 2co 2m aleic anhydride ,no t un til the disp ersan t concen trati on com e up to 0.6%did the V isco sity becom e the low est .Key words :sodium salt of acrylic acid 2co 2m aleic anhydride ;barium su lfate ;dispersing403山西大学学报(自然科学版) 29(3)　2006　。