10纳米膨润土复合体的制备及性能

纳米膨润土复合体的制备及性能

孙金声屈沅治刘芳周婵华

（中国石油勘探开发研究院，北京）（华南理工大学，广东广州510640）摘要：介绍了膨润土利于插层的结构特征，并选择合适的有机物客体插层纳米膨润土分别制备了不同性能的纳米复合体，并对其结构进行了表征。探讨了纳米复合体在钻井液中的应用，分别测试了纳米复合体的降滤失及增粘性能。

关键词：纳米膨润土复合体降滤失增粘

1 前言

自20世纪80年代中期以来，随着纳米技术的兴起，纳米材料(1～100nm)由于其尺寸效应和界面效应对材料的性能产生重要的影响而呈现出许多奇特的性质，已逐渐在电子、计算机、航空航天、生物、环保、化工、医学等各个领域得到广泛的应用。值得关注的是，以纳米尺寸无机层状物质作为主体材料来制备的夹层纳米复合材料［1,2］，尤其是有机物客体在纳米级无机粘土内的插层而制备的纳米复合体，极大地改善了原有性能或呈现出新的优异特性，成为最近材料科学的研究热点。有机物客体与纳米粘土主体的结合主要有三个途径［3］：①单体分子的直接插层；②间接插层，某些有机物客体因大小、亲和性（疏水性）而不利于结合，可采用预插入易插层的修饰剂后，使其表面极性降低后，再将目标客体插入；③主体粘土剥离脱层转变成胶体体系，与有机物客体采用共沉淀法来制备。

本文以钠型膨润土作为主体材料、某种有机阳离子为客体材料来制备纳米膨润土复合材料，并对其在钻井液中的应用性能作了初步探讨。

2 纳米膨润土的制备及结构表征

尺寸在0．1～10 m之间的钠型膨润土粉末是由晶胞聚集而成，晶胞的尺寸一般为8～l0nm厚，这些晶胞是由一些结实的薄片构成。膨润土粉末在分散介质水中通过极性水分子和机械外力的共同作用分散成单位晶胞，其单位晶胞是由两层硅氧(Si－O)四面体中间夹一层铝、镁氧(Al、Mg－O、OH)八面体的薄片组成2：1型层状络合物(见图1，图2)［4］。层片表面常由于中心离子正电荷不足而带有一定负电荷，因此，层与层之间常吸附一些水合阳离子(Na 、Ca2＋、K 、Mg2＋等)

以使整个体系呈电中性，层与层之间的结合力很弱，仅存在库仑力的作用，层间的阳离子是可交换性阳离子，有机化合物与层间的水合阳离子交换而插入粘土层间，使粘土由亲水性变为疏水性，降低表面亲合能。

膨润土纳米改性的机理是插层剂阳离子与膨润土层间阳离子的离子交换作用，离子交换的动力学主要由插层剂溶液向层间的扩散速度控制，纳米土的改性效果与插层剂的种类、用量及阳离子的交换条件如交换温度和时间等密切相关。本文选择有机阳离子盐作为插层剂对钠型膨润土进行直接插层改性，制得了纳米土，并用小角X射线衍射（简称XRD）和傅立叶红外光谱（FTIR）对纳米土的结构进行了表征，实验结果见图3、图4和表1。

2200

2000

1800

1600

1400

1200

1000

800

600

400

200

-200

048121620242832

图3 膨润土和不同工艺制备的纳米膨润土的XRD谱图

T

%

Wavenumbers (cm-1)

图4 膨润土和纳米膨润土的FTIR谱图

表1 膨润土和不同工艺制备的纳米膨润土(001)面的衍射角2θ值和层间距d001

2θ / 0d001 / nm

膨润土8.62 1.025

工艺B制备的纳米膨润土7.30 1.210

工艺C制备的纳米膨润土7.22 1.223

从图3和表1可见，经过有机铵盐改性后，膨润土的层间距d001由1.0nm变成了1.2nm，增加了0.2nm，这是因为在改性过程中，铵阳离子与膨润土层间的Na+离子进行如下离子交换反应：

通过上面的离子交换反应，有机阳离子进入膨润土的片层间，烷基长链也随之进入同一层间，由于烷基长链的体积效应，迫使膨润土片层间距d001增大。

另外，从图3和表1中还可见，不同的改性工艺条件对膨润土层间距d001的影响不大，作者认为这是因为在阳离子交换反应体系中，有机阳离子盐水溶液粘度低，阳离子有足够的运动速度，温度变化系数小，不会引起交换速度明显变化的缘故。

图4是膨润土和纳米膨润土的FTIR结果，图中结果表明，与膨润土原土相比，纳米土在2800～3000cm-1波数范围和1550 cm-1波数附近多了一组明显的吸收峰，前者是烷基长链结构的吸收峰，后者是有机阳离子盐的吸收峰，说明膨润土层间已插入有机阳离子成为了有机化的粘土。

3 纳米膨润土复合体的降滤失作用

将膨润土和纳米膨润土复合体分别配制成4％的水溶液，通过测定体系的粘

度和滤失量，对纳米土的降滤失性能进行了初步的测试，实验结果见表2。

表2 膨润土和纳米膨润土的降滤失性能比较

配方A V/mP a·s PV/mP a·s PV/mP a·s

膨润土18

纳米复合体 2.75 6 5

从表2可见，纳米膨润土体系的粘度明显降低，滤失量显著减小，体现出较好的降滤失性。

4%的膨润土分别加入0.5%、1%的纳米复合体，在120℃下热滚16h，粘度及API滤失量变化见表3。4%的膨润土加入0.2%FA367＋2%SPNH，然后分别添加1%的铵盐及1%的纳米复合体，在150℃下热滚16h，粘度及API滤失量变化见表4。4%的膨润土分别加入0.5%、1%、1.5%纳米复合体及铵盐，及4%的膨润土加入0.2%FA367＋2%SPNH，然后分别添加1%的铵盐及1%的纳米复合体，在180℃下热滚16h，粘度及API滤失量变化见表5。

表3120℃/16h热滚前后粘度及API滤失量

配方热滚情况

120℃/16h

A V/mP a·s PV/mP a·s

API滤失量

mL

4%土＋0.5%纳米复

合体热滚前 4.25 3.5 13 热滚后 4.5 4 11.8

4%土＋1%纳米复合

体

热滚前 5.5 5 10 热滚后 4.5 4.5 10

表4150℃/16h热滚前后粘度及API滤失量

配方热滚情况

150℃/16h

A V/mP a·s PV/mP a·s

API滤失量

mL

4%土＋1%铵盐＋0.2%FA367＋

2%SPNH 热滚前15.75 14.5 7 热滚后8 7 8

4%土＋1%纳米复合

体＋

0.2%FA367＋

2%SPNH

热滚前15.5 13.5 7.2 热滚后7 6.5 5.4 表5180℃/16h热滚后粘度及API滤失量

配方A V/mP a·s PV/mP a·s API滤失量/mL 4%土＋0.5%纳米复合体7 7 21.5 4%土＋0.5%铵盐 2.25 2 12.8

4%土＋1%纳米复合体 3.5 3.5 16 4%土＋1%铵盐 3 3 12.8