(西安長慶化工集團(tuán)有限公司，陜西西安710065）

1 前言

吸水樹脂是近年來發(fā)展較為迅速的一種功能材料，這種材料最大的特征是可以吸收并保持超過自身質(zhì)量幾百倍的水[1]。吸水樹脂優(yōu)良的吸水性能主要來源于材料獨(dú)特的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)及其結(jié)構(gòu)中所包含的大量親水基團(tuán)，如羧基、羥基等可以和水分子形成較強(qiáng)的相互作用力進(jìn)行吸水[2]。在油田開發(fā)中，吸水樹脂的應(yīng)用也有較多的研究。蔡會(huì)武等[3]將廢舊腈綸毛線常壓堿法水解物與甲醛進(jìn)行交聯(lián)反應(yīng)，制成高性能吸水樹脂用作油井堵水劑。王全平，白楊等[4]通過在吸水樹脂合成初期添加超細(xì)CaCO3制得一種具有較好穩(wěn)定性和較高強(qiáng)度的鉆井用堵漏劑。此外，吸水樹脂還可以用作鉆頭潤滑劑和鉆井液凝膠劑[5]。本文以丙烯酰胺和丙烯酸為單體制備一種抗鹽吸水樹脂，使得樹脂在模擬注入水和模擬地層水中具有相當(dāng)?shù)奈芰Σ⒈３州^好的彈性，用于堵水調(diào)剖，并探討了合成條件對(duì)樹脂吸水能力的影響。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)儀器及材料

2.1.1 材料及試劑

丙烯酰胺（AM）、丙烯酸（AA）、交聯(lián)劑 M、亞硫酸氫鈉（NaHSO3）、過硫酸銨（(NH4)2S2O8）、氫氧化鈉（NaOH）、氯化鈉（NaCl）、氯化鈣（CaCl2）、六水合氯化鎂（MgCl2·6H2O）、去離子水（Ⅰ級(jí)）。

2.1.2 主要儀器設(shè)備

FA2004B型電子天平、聚合器。

2.2 吸水樹脂的制備

稱取一定量的AA于燒杯中，用NaOH溶液中和到預(yù)定pH值，加入一定量的AM，完全溶解后加入一定量的交聯(lián)劑M。攪拌均勻后，倒入聚合器暖水瓶膽中，在一定溫度下恒溫通氮?dú)?0min，加入(NH4)2S2O8和NaHSO3通氮?dú)庵疗鹫常磻?yīng)至最高溫度后取出冷卻至常溫，剪碎后得到抗鹽吸水樹脂。

2.3 模擬注入水、地層水的配制

模擬注入水的配制：取一個(gè)潔凈的1L磨口細(xì)口瓶，放一個(gè)磁力攪拌子在其中，準(zhǔn)確稱量0.95gNaCl加入細(xì)口瓶中補(bǔ)水至總質(zhì)量1000g，攪拌15min至完全溶解后蓋上磨口蓋。

模擬地層水的配制：取一個(gè)潔凈的1L磨口細(xì)口瓶，放一個(gè)磁力攪拌子在其中，依次準(zhǔn)確稱量1.1433gCaCl2、0.863gMgCl2·6H2O、17.4578gNaCl 加入細(xì)口瓶中補(bǔ)水至總質(zhì)量1000g，攪拌15min至完全溶解后蓋上磨口蓋。

2.4 吸水樹脂吸水性能的測定

稱取質(zhì)量為m1的樹脂于燒杯中，用去離子水或模擬注入水或模擬地層水浸泡使其完全吸水，48h后過篩，靜置1h后進(jìn)行多次測量保證濾去多余液體，稱量吸水后樹脂的質(zhì)量m2。樹脂的吸水倍率 Q=（m2-m1）/m1。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 單體質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)吸水倍率的影響

實(shí)驗(yàn)中，單體配比為AM/AA=1∶3，交聯(lián)劑比單體總質(zhì)量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.06%，引發(fā)劑比單體總質(zhì)量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%，待聚液pH為7，聚合溫度為20℃。下面是在不同單體濃度下合成的吸水樹脂的吸水倍率實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如圖1所示。

圖1 單體質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)吸水倍率的影響

單體質(zhì)量分?jǐn)?shù)的高低對(duì)聚合速率有明顯影響，質(zhì)量分?jǐn)?shù)過低，聚合速率過小使得聚合物分子鏈之間不能形成有效的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，吸水率低，樹脂彈性差。質(zhì)量濃度過高則會(huì)導(dǎo)致聚合速率過大使得分子鏈之間自交聯(lián)增多，網(wǎng)狀空間被壓縮，吸水率低，樹脂彈性差。因此最佳的單體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%。

3.2 單體配比對(duì)吸水倍率的影響

實(shí)驗(yàn)中，單體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%，交聯(lián)劑比單體總質(zhì)量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.06%，引發(fā)劑比單體總質(zhì)量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%，待聚液pH為7，聚合溫度為20℃。下面是在不同單體配比下合成的吸水樹脂的吸水倍率實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如圖2所示。

圖2 單體配比對(duì)吸水倍率的影響

隨著AM用量的增加，樹脂吸水性能先增加后減弱。當(dāng)單體配比AM/AA為1∶3時(shí)吸水性能最強(qiáng)，因此最佳單體配比AM/AA取1∶3為宜。

3.3 交聯(lián)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)吸水倍率的影響

實(shí)驗(yàn)中，單體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%，單體配比為AM/AA=1∶3，引發(fā)劑比單體總質(zhì)量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%，待聚液pH為7，聚合溫度為20℃。下面是在不同交聯(lián)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)下合成的吸水樹脂的吸水倍率實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如圖3所示。

圖3 交聯(lián)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)吸水倍率的影響

交聯(lián)劑的用量對(duì)吸水樹脂的交聯(lián)密度有顯著影響，從而影響吸水樹脂的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)容積。當(dāng)交聯(lián)劑用量過小時(shí)，交聯(lián)密度過小不能形成有效的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致吸水倍率小。當(dāng)交聯(lián)劑用量過大時(shí)，交聯(lián)密度過大導(dǎo)致形成的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)密度過大，網(wǎng)絡(luò)容積過小而吸水倍率迅速下降，彈性變差。因此最佳交聯(lián)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.06%。

3.4 引發(fā)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)吸水倍率的影響

實(shí)驗(yàn)中，單體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%，單體配比為AM/AA=1∶3，交聯(lián)劑比單體總質(zhì)量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.06%，待聚液pH為7，聚合溫度為20℃。下面是在不同引發(fā)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)下合成的吸水樹脂的吸水倍率實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如圖4所示。

圖4 引發(fā)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)吸水倍率的影響

引發(fā)劑用量較大時(shí)，反應(yīng)體系溫度無法控制發(fā)生爆聚，使得吸水樹脂局部自交聯(lián)，三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)容積變小影響吸水倍率。引發(fā)劑用量較小時(shí)，反應(yīng)速率過慢，反應(yīng)溫度不足以滿足聚合和交聯(lián)反應(yīng)的進(jìn)行，造成殘留單體增加，吸水樹脂三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)容積變小影響吸水倍率。因此最佳引發(fā)劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%。

3.5 待聚液pH對(duì)吸水倍率的影響

實(shí)驗(yàn)中，單體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%，單體配比為AM/AA=1∶3，引發(fā)劑比單體總質(zhì)量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%，交聯(lián)劑比單體總質(zhì)量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.06%，聚合溫度為20℃。下面是在不同待聚液pH下合成的吸水樹脂的吸水倍率實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如圖5所示。

圖5 待聚液pH對(duì)吸水倍率的影響

待聚液pH影響活性較大的AA含量，待聚液pH較低時(shí)，AA含量較高聚合速度快，吸水樹脂三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)由于丙烯酸鹽含量少，陰離子側(cè)基之間斥力降低不利于形成有效的保水空間。待聚液pH較高時(shí)，AA含量太低不利于聚合發(fā)生，吸水樹脂的吸水倍率也下降。因此最佳pH值為7。

3.6 聚合溫度對(duì)吸水倍率的影響

實(shí)驗(yàn)中，單體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%，單體配比為AM/AA=1∶3，引發(fā)劑比單體總質(zhì)量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%，交聯(lián)劑比單體總質(zhì)量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.06%，待聚液pH為7。下面是在不同聚合溫度下合成的吸水樹脂的吸水倍率實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如圖6所示。

當(dāng)反應(yīng)溫度較低時(shí)，聚合反應(yīng)速率小，單體轉(zhuǎn)化率低產(chǎn)物可溶性部分增多。當(dāng)反應(yīng)溫度較高時(shí)，反應(yīng)速度快，易發(fā)生爆聚，導(dǎo)致產(chǎn)物中低聚物含量增多可溶性部分增多。因此最佳聚合溫度為20℃。

圖6 待聚液pH對(duì)吸水倍率的影響

3.7 吸水樹脂在不同水質(zhì)中的吸水性能

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定最佳合成條件為：單體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 30%，單體配比為 AM∶AA=3∶1，交聯(lián)劑比單體總質(zhì)量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.06%，引發(fā)劑比單體總質(zhì)量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%，待聚液pH為7，聚合溫度為20℃。對(duì)合成的吸水樹脂進(jìn)行吸水性能評(píng)價(jià)。

由性能評(píng)價(jià)可知，合成的抗鹽吸水樹脂模擬注入水吸水倍率為39.4 g·g-1，模擬地層水下吸水倍率為 9.8 g·g-1。

4 結(jié)論

1）抗鹽吸水樹脂的最佳合成條件為單體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 30%，單體配比為 AM∶AA=3∶1，交聯(lián)劑比單體總質(zhì)量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.06%，引發(fā)劑比單體總質(zhì)量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%，待聚液pH為7，聚合溫度為20℃。

2）抗鹽吸水樹脂的在模擬注入水吸水倍率為39.4 g·g-1，模擬地層水下吸水倍率為 9.8 g·g-1。