羥丙基瓜爾膠生產配方優化

李杰（延長油田豐源石油助劑有限公司）

瓜爾膠來自草本植物瓜爾豆的內胚乳，是一種天然的綠色產品，具有特殊的物化性能，可能做增稠劑、乳化劑、分散懸浮劑、保水劑及凝膠劑、其應用于油田、造紙、醫藥、生活日用品、食品、紡織、水處理，采礦炸藥等諸多領域。原粉膠溶解較慢、水不溶物含量高，粘度不易控制，人們常利用化學手段改變其理化特性以滿足實際工業生產需求。羥丙基相轉移催化法是主要的改性方法，但在降低水不溶物含量同時保持較高粘度之間存在矛盾。近年來羥丙基瓜爾膠作為油田壓裂液的增稠劑得到廣泛應用，

一、實驗部分

1.實驗基本思路與合成路線設計

本次反應是環氧丙烷與瓜爾膠分子結構中單糖分子上的活性羥基反應，生產羥基瓜爾膠：Guar～OH+n c3H6O→[Guar－OC H2C H OH C H3]n

為實現這一過程，有兩大問題需要考慮：

（1）為使該反應能夠進行，應以堿為催化劑，通過脫質子化反應，使瓜爾膠分子中的羥丙瓜爾膠活化，使醚化反應得以進行：

Guar～OH +Na OH=[Guar～ONa-]++H20 OH-+C H2C H OC H3→-OC H2C H OH Y C H3(慢)

[Guar～～ONa-]++ n-OC H2C H OH Y C H3→Guar～(OC H2C H OC H3)nNa++OH-(快)

反應過程并不消耗堿，所以堿只是起到催化劑的作用。

(2)環氧丙烷與瓜爾膠反應屬于固-液非均相反應。反應中，瓜爾膠作為固相懸浮液在體系中，無極催化劑氫氧化鈉與醚化劑環氧丙烷則以溶液的形態存在。為使反應易于進行，本試驗采用相轉移催化劑可穿過兩相界面把發應物從一相轉化到另一相中去。

2.試驗用料

瓜兒膠片四乙基溴化銨99%燒堿冰醋酸環氧丙烷

3.羥丙基瓜爾膠的制備過程將膠片300 k g、催化劑1k g、燒堿13 k g投入到反應器中，檢查不漏的情況下，抽真空加入125k g水（加水后半小時開始加環氧丙烷），膨脹0.5小時，后開始分次加PO總計加量28 k g)，每次不高于＋0.06 M Pa，不低于＋0.03 M Pa，反應階段釜溫保持在70±1℃，PO加完后加酸調PH值為7，出料后碾壓、粉碎。打包。

4.按SY/T 5764-2007標準檢測羥丙基瓜爾膠粉的含水率、粘度、水不溶物。

二、結果與討論

1.反應溫度的影響

反應溫度是影響羥丙基瓜爾膠（H PG）性能的主要因素，反應溫度低，物料反應不徹底，反應溫度過高，反應過快，局部反應徹底，通過反應調試，尋求最佳反應溫度，其對H PG性能的影響見圖1.

圖1

圖2

在其他因素不變的情況下，由圖可知圖70℃是最佳生產溫度。

2.滴定方式

環氧丙烷與瓜爾膠中單糖分子上的活性羥基反應，生成羥丙基瓜爾膠，環氧丙烷滴定分為連續性與間歇性，通過試驗，對比兩種滴定方式對產品性能的影響。

環氧丙烷用量（k g）連續滴定間歇滴定24262830粘度106112水不溶物10.329.25粘度110110水不溶物9.108.89粘度106105水不溶物8.798.64粘度102102水不溶物8.318.12

通過上表，可以看出間歇滴定優于連續滴定。

3.環氧丙烷用量對H PG性能的影響

改性瓜爾膠的一個重要指標是取代度，從瓜爾膠的結構式中看出，其最大取代度為3，通常將取代度控制在小于1的范圍。環氧丙烷（PO)量增加，有效地降低水不溶物，同時也降低了粘度，但水不溶物不明顯，而產物的粘度不斷下降，環氧丙烷對H PG性能的影響見圖2.在其他因素不變的情況下，由圖2可知28 K g是PO最佳用量。

4.水量對H PG性能的影響

在反應物中加入一定量的水，以保證瓜爾膠片適當膨脹，增加環氧丙烷與其反應面積，量少無法使瓜爾膠片很好膨脹，量大會影響粘度、水不溶物。其對H PG性能的影響見圖3.

圖3

圖4

圖3 在其他因素不變的情況下，由圖3可知加水量125K g是最佳用量

5.燒堿用量對H PG性能的影響

燒堿在反應中除了起催化劑作用之處，還可能使瓜爾膠水解和斷鏈，其表現為產物粘度的降低。為此，研究燒堿用量對H PG影響見圖4.在其他因素不變的情況下，由圖4可知加燒堿13 K g是最佳用量

6.酸用量對H PG性能的影響

PH值反應了在分散劑中氫氧根的濃度，而加入冰醋酸就是要中和反應物料中，氫氧根離子。酸加入量過少，反應料發黃，粘度過低。隨著酸量增加反應料開始泛白，粘度增高，溶解度降低。由圖5可知生產最佳酸量為14K g.

圖5

圖6

7.催化劑對H PG的影響相轉移催化劑用量對產品性質的影響見圖6表明催化劑四乙基溴化銨用量為1k g較為合適。

結論

以四乙基溴化銨為催化劑，采用相轉移催化法合成了羥丙基瓜爾膠，得出了以下結論：

1.相轉移催化法合成羥丙級瓜爾膠量最佳條件：瓜爾膠300 k g、環氧丙烷28 k g、催化劑1k g、燒堿13 k g、冰醋酸14k g、反應溫度70℃；

2.性能測定結果表明，所制備的羥丙基瓜爾膠粘度高，溶解速度、水不溶物含量、膠體透明度和穩定性等均優于瓜爾膠粉。