一種抗鹽吸水樹脂的合成與性能評價

(西安長慶化工集團有限公司，陜西西安710065）

1 前言

吸水樹脂是近年來發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量幾百倍的水[1]。吸水樹脂優良的吸水性能主要來源于材料獨特的三維網狀結構及其結構中所包含的大量親水基團，如羧基、羥基等可以和水分子形成較強的相互作用力進行吸水[2]。在油田開發中，吸水樹脂的應用也有較多的研究。蔡會武等[3]將廢舊腈綸毛線常壓堿法水解物與甲醛進行交聯反應，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CaCO3制得一種具有較好穩定性和較高強度的鉆井用堵漏劑。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的吸水能力并保持較好的彈性，用于堵水調剖，并探討了合成條件對樹脂吸水能力的影響。

2 實驗部分

2.1 實驗儀器及材料

2.1.1 材料及試劑

丙烯酰胺（AM）、丙烯酸（AA）、交聯劑 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）。

2.1.2 主要儀器設備

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溶液中和到預定pH值，加入一定量的AM，完全溶解后加入一定量的交聯劑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氣30min，加入(NH4)2S2O8和NaHSO3通氮氣至起粘，反應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：取一個潔凈的1L磨口細口瓶，放一個磁力攪拌子在其中，準確稱量0.95gNaCl加入細口瓶中補水至總質量1000g，攪拌15min至完全溶解后蓋上磨口蓋。

模擬地層水的配制：取一個潔凈的1L磨口細口瓶，放一個磁力攪拌子在其中，依次準確稱量1.1433gCaCl2、0.863gMgCl2·6H2O、17.4578gNaCl 加入細口瓶中補水至總質量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后進行多次測量保證濾去多余液體，稱量吸水后樹脂的質量m2。樹脂的吸水倍率 Q=（m2-m1）/m1。

3 實驗結果與討論

3.1 單體質量分數對吸水倍率的影響

實驗中，單體配比為AM/AA=1∶3，交聯劑比單體總質量的質量分數為0.06%，引發劑比單體總質量的質量分數為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驗結果，如圖1所示。

圖1 單體質量分數對吸水倍率的影響

單體質量分數的高低對聚合速率有明顯影響，質量分數過低，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狀結構，吸水率低，樹脂彈性差。質量濃度過高則會導致聚合速率過大使得分子鏈之間自交聯增多，網狀空間被壓縮，吸水率低，樹脂彈性差。因此最佳的單體質量分數為30%。

3.2 單體配比對吸水倍率的影響

實驗中，單體質量分數為30%，交聯劑比單體總質量的質量分數為0.06%，引發劑比單體總質量的質量分數為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驗結果，如圖2所示。

圖2 單體配比對吸水倍率的影響

隨著AM用量的增加，樹脂吸水性能先增加后減弱。當單體配比AM/AA為1∶3時吸水性能最強，因此最佳單體配比AM/AA取1∶3為宜。

3.3 交聯劑質量分數對吸水倍率的影響

實驗中，單體質量分數為30%，單體配比為AM/AA=1∶3，引發劑比單體總質量的質量分數為0.3%，待聚液pH為7，聚合溫度為20℃。下面是在不同交聯劑質量分數下合成的吸水樹脂的吸水倍率實驗結果，如圖3所示。

圖3 交聯劑質量分數對吸水倍率的影響

交聯劑的用量對吸水樹脂的交聯密度有顯著影響，從而影響吸水樹脂的三維網狀結構網絡容積。當交聯劑用量過小時，交聯密度過小不能形成有效的三維網狀結構，導致吸水倍率小。當交聯劑用量過大時，交聯密度過大導致形成的三維網狀結構密度過大，網絡容積過小而吸水倍率迅速下降，彈性變差。因此最佳交聯劑質量分數為0.06%。

3.4 引發劑質量分數對吸水倍率的影響

實驗中，單體質量分數為30%，單體配比為AM/AA=1∶3，交聯劑比單體總質量的質量分數為0.06%，待聚液pH為7，聚合溫度為20℃。下面是在不同引發劑質量分數下合成的吸水樹脂的吸水倍率實驗結果，如圖4所示。

圖4 引發劑質量分數對吸水倍率的影響

引發劑用量較大時，反應體系溫度無法控制發生爆聚，使得吸水樹脂局部自交聯，三維網狀結構容積變小影響吸水倍率。引發劑用量較小時，反應速率過慢，反應溫度不足以滿足聚合和交聯反應的進行，造成殘留單體增加，吸水樹脂三維網狀結構容積變小影響吸水倍率。因此最佳引發劑質量分數為0.3%。

3.5 待聚液pH對吸水倍率的影響

實驗中，單體質量分數為30%，單體配比為AM/AA=1∶3，引發劑比單體總質量的質量分數為0.3%，交聯劑比單體總質量的質量分數為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驗結果，如圖5所示。

圖5 待聚液pH對吸水倍率的影響

待聚液pH影響活性較大的AA含量，待聚液pH較低時，AA含量較高聚合速度快，吸水樹脂三維網狀結構由于丙烯酸鹽含量少，陰離子側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，AA含量太低不利于聚合發生，吸水樹脂的吸水倍率也下降。因此最佳pH值為7。

3.6 聚合溫度對吸水倍率的影響

實驗中，單體質量分數為30%，單體配比為AM/AA=1∶3，引發劑比單體總質量的質量分數為0.3%，交聯劑比單體總質量的質量分數為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驗結果，如圖6所示。

當反應溫度較低時，聚合反應速率小，單體轉化率低產物可溶性部分增多。當反應溫度較高時，反應速度快，易發生爆聚，導致產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對吸水倍率的影響

3.7 吸水樹脂在不同水質中的吸水性能

由實驗結果確定最佳合成條件為：單體質量分數為 30%，單體配比為 AM∶AA=3∶1，交聯劑比單體總質量的質量分數為0.06%，引發劑比單體總質量的質量分數為0.3%，待聚液pH為7，聚合溫度為20℃。對合成的吸水樹脂進行吸水性能評價。

由性能評價可知，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 結論

1）抗鹽吸水樹脂的最佳合成條件為單體質量分數為 30%，單體配比為 AM∶AA=3∶1，交聯劑比單體總質量的質量分數為0.06%，引發劑比單體總質量的質量分數為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。