Page 211 - 《精细化工》2021年第1期

第 1 期 李 强，等: 纳米 SiO 2 增强 PAM/PEI 冻胶的制备及性能 ·201·

常在 75 ℃断裂，热稳定性差，易脱水收缩 [5-6] 。常 1.2 CTAB 改性 SiO 2 的制备
用的有机交联剂如苯酚、甲醛、酚醛、乌洛托品等， 称量 0.5 g SiO 2 于 90 mL 去离子水中超声
形成的交联键为共价键，键能比离子键高，不易破 15 min，然后在剧烈搅拌下向上述分散液中加入
坏，主要用于高温油藏（可达 120 ℃），并且此类 10 mL 质量浓度为 50 g/L 的 CTAB，用氨水调节体
交联剂本身毒性较大，在环保方面受到制约 [7-8] 。鉴于 系 pH 至 10.7，最后将得到的 SiO 2 悬浮液置于 35 ℃
[9]
此，MORGAN 等 开发了聚乙烯亚胺（PEI）/丙烯酰 的水浴中反应 24 h 后，离心，即得到 CTAB 改性
胺-丙烯酸叔丁酯共聚物（PAtBA）有机冻胶体系，其 SiO 2 ，记为 C-SiO 2 。
中，PEI 交联剂为食品接触级，具有低毒性。此后， 1.3 纳米 SiO 2 增强 PAM/PEI 冻胶的制备
研究者对以 PEI 为交联剂的 PAM 类冻胶进行了大量 将 0.3 g PAM 溶于 99.2 g 水中，然后依次向上
报道，形成了适用于不同温度范围（25~156 ℃）的 述 PAM 均匀溶液中加入 0.1 g PEI、0.3 g 硫脲及 0.1 g
冻胶体系 [10-13] 。但对于 80 ℃以上的中高温油藏， C-SiO 2 ，将上述溶液混合均匀，置于西林瓶中密封，
PEI 冻胶体系的聚合物添加量很大，加量一般在 3%， 在 90 ℃下观察冻胶体系的成胶情况。冻胶体系记
有时甚至高达 10%，限制了其推广应用 [14] 。 为 0.3%PAM+0.1%PEI+0.3%硫脲+0.1%C-SiO 2 。
近年来，纳米材料因其高表面活性、小尺寸效 1.4 表征分析与测试
应、量子尺寸效应、低比重、耐高温、高强度等特 FTIR：采用 KBr 压片法对 C-SiO 2 进行 FTIR 测
–1
点已在高分子材料领域得到了广泛应用 [15-16] 。纳米材 试，波数为 4000~400 cm 。SEM：取适量 PAM/PEI
料的诸多特性也引起了油田开发者的注意，并将其应 冻胶和 C-SiO 2 /PAM/PEI 冻胶，然后放入冷冻干燥机
用到油气田开发和钻井工程中 [17] 。目前，纳米材料在 中冷冻干燥 24 h，取少量样品于带有导电胶的玻璃
钻井液中的应用研究主要集中在以下 3 个方面：纳米 片上，采用环境扫描电子显微镜观察冻胶体系微观
材料处理剂 [18-21] 、纳米材料对钻井液性能的影响及机 形貌。TGA：取少量冻胶样品在 60 ℃真空干燥箱
理研究 [22-23] 以及油田用纳米材料 [24-27] 。前人在纳米 中干燥至恒重，气体气氛为 N 2 ，测试温度为 25~
SiO 2 提高冻胶性能方面做了大量研究 [28-29] ，然而， 600 ℃，升温速率为 10 ℃/min。
纳米 SiO 2 颗粒比表面积大，存在分散稳定性差等问 1.5 成胶时间和成胶强度的确定
题，需要对纳米 SiO 2 粒子进行表面改性来保证稳定存 采用冻胶代码法，通过观察其成胶状态确定成
放和提高其在聚合物中的分散性和相容性 [30-31] 。 胶时间和成胶强度，认为冻胶强度达到 C 级时为成
本文拟利用十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）在 胶时间。SYDANSK [32] 采用冻胶代码法将堵剂冻胶强
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水中呈正电性会与 SiO 2 表面的部分 OH 由于静电吸 度（简称 GSC）依据目测的状态分成 10 个等级，如
引相互作用，使之包裹在 SiO 2 表面来制备改性纳米 表 1 所示，该法简便易行，且对样品无污染、无损害。

SiO 2 ，构建 C-SiO 2 /PAM/PEI 冻胶体系，考察其耐酸 表 1 冻胶强度代码标准
耐碱性、抗温性、抗盐性及长期稳定性，探索改性 Table 1 Stand of gel strength codes
纳米 SiO 2 增强 PAM/PEI 冻胶的机理。 强度代码 凝胶名称 对应强度描述
A 非探测性凝胶 体系黏度与聚合物黏度相当，肉眼
1 实验部分 观察不到凝胶的形成
B 高流动凝胶 凝胶体系的黏度略高于聚合物黏度
1.1 试剂与仪器 C 流动性凝胶 翻转玻璃瓶时绝大部分凝胶可流动
到瓶的另一端
PAM（非离子型，相对分子质量为 1500 万），
D 中等流动凝胶 翻转玻璃瓶时少数凝胶（质量分数
AR，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；PEI（质
<15%）不能流动到另一端，常以舌
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量分数 50%水溶液，相对分子质量为 7.0×10 ）、 形存在
CTAB，AR，上海麦克林生化科技有限公司；纳米 E 几乎不流动凝胶 翻转玻璃瓶时少数凝胶能缓慢流到
另一端，大部分（质量分数>15%）
SiO 2 ，AR，天津市大茂化学试剂厂；氨水（NH 3•H 2O，
不具流动性
质量分数 25%），CP，国药集团化学试剂有限公司； F 高形变不流动凝胶 凝胶在翻转玻璃瓶时不能流到瓶口
硫脲，AR，天津市北联精细化学品开发有限公司；去 G 中等形变不流动 翻转时，只能流到玻璃瓶的中部
离子水，自制。 凝胶
H 轻微形变不流动 翻转时，只有凝胶表面发生形变
WQF-520 傅里叶变换红外光谱仪，北京瑞利分
凝胶
析仪器公司；Quanta450 环境扫描电子显微镜，美国 I 刚性凝胶 翻转时，凝胶表面不发生形变
FEI 公司；STA449F5 同步热分析仪，德国 Netzsch J 振铃凝胶 摇动玻璃瓶时，能感觉到音叉般的
公司。 机械振动