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提高聚丙烯酰胺溶解速率的技术措施有哪些

发布时间:2020-02-11 18:49:34     作者:波涛净水

摘要:聚丙烯酰胺是是油田驱油过程中应用较为广泛的一种聚合物,本文简单阐述了聚丙烯酰胺的物理特性,并且从聚丙烯酰胺的溶剂、聚丙烯酰胺的溶解速率等两个方面综述了溶解特点和速溶问题,又总结了加快聚丙烯酰胺溶解的3个技术途径。

聚丙烯酰胺类聚合物是指丙烯酰胺的均聚物及丙烯酰胺与其他单体形成的共聚物。这类聚合物是线型水溶性聚合物,是油田中应用较为广泛的水溶性聚合物品种之一,其中较具有代表性的产品是聚丙烯酰胺及其水解产物。随着油田开发进入后期,提高采收率技术成为油田可持续发展的重要措施之一,聚丙烯酰胺的生产、性能和应用研究越来越收到人们的关注。

1、聚丙烯酰胺的物理特性

在室温条件下,固体状态的聚丙烯酰胺是一种坚硬的玻璃状态的聚合物,具有不同形状(随着制造方法而变化),如用冷冻方法制得的聚丙烯酰胺是白色的、松散的、非晶体固体;玻璃状态的固体聚丙烯酰胺是由溶液沉析后干燥取得;半透明、硬脆的薄片聚丙烯酰胺是在玻璃板上浇筑干燥制得的。

2、聚丙烯酰胺的溶解特点、速溶问题以及改进措施

聚丙烯酰胺具有两个溶解特性:①只有水才能作为聚丙烯酰胺的溶剂;②具有较长的溶解时间。

2.1聚丙烯酰胺的溶剂

在聚丙烯酰胺分子链上每一个结构单元皆有一个酰氨侧基,酰氨基是亲水大的极性基团,根据溶剂化原理和溶液的相似相溶原理,表明聚丙烯酰胺只能溶解在水中和较少数集中含氮化合物和含羟基化合物的有机溶剂中。

根据大量的实验研究,聚丙烯酰胺较好的溶剂是水,可以和水以任一比例混合。聚丙烯酰胺溶解在水中是吸热过程,与许多水溶性聚合物不同,是因为酰氨基与水分子之间的作用较强,在含水量时,聚丙烯酰胺与水形成络合体;具有低于零摄氏度的上临界溶解度,外推法取得的聚丙烯酰胺一水体系的温度约为零下40摄氏度,没有临界溶解温度。但是在氮原子上引入疏水侧基的聚异丙基丙烯酰胺的水溶液侧有上临界溶解温度,32.5℃,在上临界溶解温度以下溶解,而在上临界溶剂温度以上则不溶解。

聚丙烯酰胺不溶于大多数有机溶剂,在聚丙烯酰胺的水溶液中加入大量的与水互溶的有机溶剂(如无水甲醇或丙酮)时,会使聚丙烯酰胺从水溶液中沉析出来。

2.2聚丙烯酰胺的溶解速率

聚丙烯酰胺的溶解过程与典型的高聚物一样呈现先溶胀后溶解的现象。但对于聚丙烯酰胺,其溶解时间远高于一般聚合物,有的甚至高达几个星期。因此商品聚丙烯酰胺的溶解速率成为一项重要的技术指标。现在,许多研究人员一直致力于速溶产品的开发和研究。聚丙烯酰胺的溶解速率与其分子量、分子的几何结构、溶解温度、产品的剂型、搅拌和投料方式、离子度等因素有关。

溶解速率随化学交联程度的增加和分子量的增加而减慢,整体交联将使聚丙烯酰胺只溶胀不溶解。在粉末产品的制造过程中,长的干燥时间和高的干燥温度会使部分产品轻度交联和支化,如果加长溶解时间甚至出现部分不溶物。

溶解时间的长短随着产品剂型的不同而有所差异,一般情况下水溶胶型的20-120min,水分散型的5-10min,粉末型的20-120min,乳液型的3-5min。固体粉末的聚丙烯酰胺通常比水溶胶型的易溶,前者与水的接触面积大,且溶解速率随颗粒直径的减小而以2.5次方的关系增加;疏松的固体粉末聚丙烯酰胺比密实的易溶解。溶解粉末产品的投料方式十分重要,正确的投料方式是将粉末逐渐投入到水中而搅拌,以防止聚丙烯酰胺结团,一旦聚丙烯酰胺结团就会延长聚丙烯酰胺的溶解时间。聚丙烯酰胺具有强烈的吸水性,粉末产品还易吸潮或遇水结团,因此,需要防止聚丙烯酰胺结团。

溶剂温度和搅拌速率的提高有利于分子扩散,从而提高聚丙烯酰胺溶解速率。但较高的溶解温度和强烈的搅拌会使聚丙烯酰胺降解,性能降低。这对水溶胶型和粉末型的产品比较显著。

有些情况使用混合溶剂较为有利,如聚丙烯酰胺均聚物在6mol/L尿素水溶液中比在纯水中溶解快,因尿素能破坏聚丙烯酰胺分子链上的氢键。

以上溶解速率的影响因素都涉及到两个主要因素:

①分子的扩散速率。

物质的溶解过程是溶剂分子和溶质分子互相扩散和渗透的过程,因此溶剂和溶质分子的运动能力时决定溶解时间的重要因素。由于溶剂小分子和溶质大分子在分子尺寸上十分悬殊,分子量1440万的聚丙烯酰胺分子体积比水分子大20倍。因此两者的扩散速率相差十分悬殊。在溶解的初期实际上只有水分子向聚丙烯酰胺的单方面扩散,聚丙烯酰胺分子不可能向水的方向扩散、所以先溶胀是溶解的必经阶段。因此分子的几何结构、搅拌、溶解温度和分子量等因素对聚丙烯酰胺的溶解时间有影响;

②是氢键和缠结。

在聚丙烯酰胺的分子链内和分子链间,酰胺侧基间能形成氢键。氢键时较强的分子间作用力,高分子量的聚丙烯酰胺分子链上存在大量的氢键。这样大的长径比的分子链必然要卷曲,他们集中在一起也必然要缠结在一起。因此,要使聚丙烯酰胺快速溶解需要依靠溶剂水分子的快速渗入和攻击,将氢键竭力和分子链解缠结。

3、提高聚丙烯酰胺溶解速率的技术措施结论

加快聚丙烯酰胺溶解的主要技术途径是从合成方面开始的,主要采取3个措施。

①选择适宜的聚合工艺和条件,以减少交联和支链;引入更亲的离子型结构单元或适量的其他单体共聚改性,以减少聚丙烯酰胺链上酰氨基及其氢键的数量;

②在制造过程中加入适量的能与酰氨基产生氢键的低分子物质,以减少聚丙烯酰胺链间氢键数量;混入致孔剂、遇水时这些低分子物质很快向水中扩散溶解,形成有利于水分子向聚丙烯酰胺方向低渗透扩散的通道;加入亲水性的表面活性剂即所谓渗透剂,聚丙烯酰胺颗粒与水接触后在表面形成水膜,降低水的表面张力,促进水向颗粒内的扩散和聚合物的溶解;

③改变产品剂型,采用反相乳液聚合法生产反相乳液产品或水分散聚合法生产所谓水包水乳液。这两种产品的分散相实际上是高浓度的聚合物溶液,分散离子尺寸很小,溶解时不需要经过溶胀阶段只是浓溶液的稀释,它们可直接在管道的输送过程中溶解。

此外,也有用物理的方法对粉末状产品进行后处理制造反相的分散悬浮液。

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