高分子聚丙烯酸鈉凝膠堵漏劑的合成及性能研究

*王 凱

(沈陽科技學院 化學工程系 遼寧 110167)

高分子聚丙烯酸鈉凝膠堵漏劑的合成及性能研究

*王 凱

(沈陽科技學院 化學工程系 遼寧 110167)

選用丙烯酸為單體,以丙三醇為交聯劑,亞硫酸氫鈉-過硫酸銨為氧化還原引發劑,合成具有一定交聯度的聚丙烯酸鈉凝膠,探討分析了聚丙烯酸鈉凝膠的吸水性能、固砂抗壓縮強度等.結果表明:當聚合單體的濃度為55%,中和度控制在50%,交聯劑的用量為聚合單體質量的8%時,合成的聚丙烯酸鈉凝膠綜合性能最好.

高分子材料;聚丙烯酸鈉;凝膠;堵漏劑

聚合物凝膠堵漏劑又稱為吸水膨脹堵漏劑,包括地下交聯聚合物凝膠和吸水性聚合物樹脂兩種類型,在治理滲漏時,由于凝膠的可變形性,不受漏失通道的限制,注入裂縫或滲漏部位后,由易流動的懸浮體交聯共聚形成不流動的凝膠,其具有堵漏quot;變形蟲quot;的作用,可以在極其微信的孔道內產生封堵.聚合物凝膠堵漏劑可以在潮濕面上施工,亦可帶水堵漏,可廣泛用于石油化工行業的堵漏,還可以推廣應用到建筑領域的房屋居室(如廚房、衛生間)、地下、水下、流沙隧道等工程的堵漏止水、搶修等.因此,研究制備一種環境友好的、堵漏效果理想的聚合物凝膠堵漏劑是一個非常有意義的課題.

本文采用溶液聚合法,通過較高濃度的部分中和的丙烯酸鈉自交聯,選用氧化還原引發劑在室溫條件下合成聚丙烯酸鈉凝膠,并對凝膠材料的吸水溶脹性能、固砂抗壓縮強度進行了分析.

1.實驗部分

(1)實驗試劑

丙烯酸、氫氧化鈉、過硫酸銨、亞硫酸氫鈉、丙三醇均為天津化學試劑廠生產的分析純.

(2)實驗儀器

HH-S型電熱恒溫水浴鍋(濟南東儀實驗室設備有限責任公司);DHG-9023A型電熱鼓風干燥箱(上海篤特科學儀器有限公司);DF-101S型集熱式恒溫加熱磁力攪拌器(常州市萬合儀器制造有限公司);IRAffinity-1型傅立葉變換紅外光譜儀(日本電子公司);WDT-20KN電子式萬能材料試驗機(濟南萬測電氣設備有限公司).

(3)聚丙烯酸鈉凝膠的制備

按配方比例,準確稱取一定質量的氫氧化鈉溶解于蒸餾水中,配制成濃度為30%的氫氧化鈉水溶液.在稱取定量的過硫酸銨和亞硫酸氫鈉,分別用蒸餾水溶解后待用.

稱取定量的丙烯酸于500ml的燒杯中,開動攪拌,用配制的30%的氫氧化鈉水溶液調整中和度為40%-80%.待冷卻至室溫時,將燒杯移至恒溫水浴鍋中,滴加入規定量的丙三醇交聯劑,再分別加入過硫酸銨和亞硫酸氫鈉溶液,攪拌狀態下使溶液混合均勻后停止攪拌.聚合反應完全后,將制備好的凝膠進行切片,放置于電熱鼓風干燥箱烘干至恒重,即得到聚丙烯酸鈉凝膠樣品.

(4)性能測試與表征

①紅外光譜分析

將聚丙烯酸鈉凝膠樣品放入蒸餾水中溶脹,除掉未反應的單體后,進行烘干研磨得到粉末.采用KBr壓片法制樣,測定樣品波數在1000～4000cm-1范圍的吸收譜圖.

②溶脹率測定

準確稱取聚丙烯酸鈉凝膠塊體樣品,其吸水前的質量為W前,將其放置于蒸餾水中,調節設定測試條件溫度為25℃,吸水膨脹一段時間(t)后,用濾紙吸干表面多余的水,稱其吸水膨脹后質量為W后.其溶脹率(SR)計算公式為:

③抗壓縮強度測定

凝膠抗壓縮強度的測試標準參照ASTM D4219-08《化學灌漿土壤無側限抗壓強度指數試驗方法》進行.將配制好的一定質量的漿液慢慢倒入已裝滿砂的壓模中,使漿液灌入砂粒間的孔隙,填充均勻充分固化,24h后拆模進行抗壓強度測試.

2.結果與討論

(1)紅外光譜分析

從圖1中可以看出,凝膠樣品在3436cm-1附近譜帶較寬,為聚丙烯酸O-H伸縮振動吸收峰,是由于締合的氫鍵伸縮振動所形成多重疊峰.在1723cm-1處有一較強的吸收峰,這是聚丙烯酸鹽中羧基峰,在1403cm-1處為-COONa中的羰基伸縮振動峰.從圖譜結果可以看到丙烯酸與丙三醇成功發生了聚合反應.

圖1 聚丙烯酸鈉凝膠的紅外吸收光譜

(2)吸水溶脹率分析

圖2 聚合單體的含量對凝膠吸水溶脹性能的影響

從圖中可以看出,當聚合單體的含量為55%時,凝膠樣品吸水溶脹率隨單體含量的增加而逐漸減小,當單體濃度為65%時溶脹率的變化不再快速下降,溶脹率趨于平緩,基本保持不變.聚丙烯酸鈉凝膠樣品中含有-COO-為親水基團,吸水后使高分子網狀結構擴張而溶脹,直到達到平衡狀態.

圖3 中和度對凝膠吸水溶脹性能的影響

從圖中可以看出,凝膠樣品吸水溶脹率隨中和度的增加呈現先增大后減小的趨勢,當中和度為55%時達到最大值,說明凝膠樣品中-COO-親水基團較多,吸水溶脹率增大.當中和度較小時,凝膠樣品的隨單體含量的增加而逐漸減小,凝膠樣品中含有大量的-COOH,其高分子鏈相互纏繞比較穩定,溶脹率較小.當中和度繼續增加時,凝膠內外產生滲透壓差,水分子通過滲透壓作用從凝膠內向外滲透,導致吸水溶脹率降低.

圖4 交聯劑的含量對凝膠吸水溶脹性能的影響

從圖4中可以看出,凝膠樣品吸水溶脹率隨交聯劑含量的變化呈現先增大后減小的趨勢,當交聯劑含量為8%時達到最大值,說明此時凝膠樣品的高分子網狀結構已經形成,結構伸縮性能較好,水凝膠網眼較多,吸水性能良好.

(3)壓縮強度分析

圖5 交聯劑的用量對凝膠固砂抗壓強度的影響

從圖中可以看出,凝膠樣品固砂抗壓強度隨交聯劑的用量的增加而增大.交聯劑用量越大,凝膠的交聯密度越大,高分子網狀結構間的的氫鍵、范德華力越強.主要是因為選用適量的交聯劑可以產生較多的交聯點,網狀結構空間減小,高分子鏈段間物理和化學作用增強.

3.結論

(1)以丙烯酸為單體,丙三醇為交聯劑,亞硫酸氫鈉-過硫酸銨為氧化還原引發劑在室溫條件下制備了聚丙烯酸鈉凝膠.

(2)在室溫條件下,當聚合單體的濃度為55%,中和度控制在50%,交聯劑的用量為聚合單體質量的8%時,合成的聚丙烯酸鈉凝膠吸水溶脹度較高,凝膠固砂壓縮強度較大.

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王凱(1982-),男,沈陽科技學院 化學工程系;研究方向:新材料的制備及材料物理化學.

The Research of Synthesis and Properties of Macromolecular Polyacrylate Gel Plugging agent

Wang Kai
(Chemical Engineering Department, Shenyang Science and Technology Institute, Liaoning, 110167)

Using acrylic acid as the monomer, with propylene triol as crosslinking agent, sodium bisulfite and ammonium persulfate as oxidation-reduction initiator, we composited the synthesis of sodium polyacrylate gel with certain crosslinking degree. This paper discussed and analyzed the absorbency of polyacrylate gel and the compressive strength of sand - solid sand. The results showed that when the concentration of polymerization monomer was 55%, the neutralization degree was 50%, and the amount of crosslinking agent was 8% of the polymerization monomer mass, the synthesized polyacrylate gel had the best comprehensive performance.

high polymer materials;sodium polyacrylate;gel;plugging agent

TQ

A