納米碳酸鈣抗團聚機理及分散規(guī)律實驗研究
邱正松 王在明 胡紅福 徐加放 于連香 秦濤
邱正松 王在明 胡紅福 徐加放 于連香 秦濤
摘要:靜電位阻和空間位阻是納米碳酸鈣抗團聚的兩個主要因素。根據(jù)其抗團聚機理,分析了機械剪切對納米碳酸鈣的分散作用。結(jié)果表明,單純采用高速攪拌,轉(zhuǎn)速需達到5000 r/min以上才能分散納米碳酸鈣,但溶液不穩(wěn)定,靜置后易分層。分析了聚合醇SD- 301對納米碳酸鈣的分散作用后發(fā)現(xiàn),聚合醇加量為90 kg/m3時,納米碳酸鈣粒子平均值最小(35. 7 nm),分布范圍為20～50 nm,空間位阻是其主要作用機理;生物聚合物XC加量為6 kg/m3時,納米碳酸鈣分散平均粒徑為24. 1 nm,分布范圍為15～ 35nm,其分散溶液為白色黏稠乳狀液,穩(wěn)定性好,靜置時不分層。降低表面張力和空間位阻是保持納米碳酸鈣分散體系穩(wěn)定的主要機理。對有機分散劑、無機分散劑與XC共同作用對納米碳酸鈣影響的分析結(jié)果表明:復(fù)合分散劑能使高分子類、無機和有機類分散劑優(yōu)勢互補,在降低顆粒之間范德華引力的同時,也降低了介質(zhì)水的表面張力,這兩方面共同作用使顆粒的潤濕分散效果更佳。
關(guān)鍵詞:納米碳酸鈣;靜電位阻;空間位阻;機械剪切;分散劑;分散機理;分散規(guī)律;鉆井液
隨著新材料的發(fā)展,納米材料在鉆井液中的應(yīng)用已引起人們的高度重視[1]。納米技術(shù)是指至少一維尺寸在1～ 100nm范圍,并且僅僅由于尺寸變化而產(chǎn)生極其特殊性能的技術(shù)[2]。由于鉆井液中使用的納米碳酸鈣粒徑較小,比表面積大,表面缺少鄰近的配位原子,因而具有很高的活性,與聚合物配合使用能改善鉆井液流變性、造壁性、潤滑性、抗溫性和抑制性[3]。但是,納米碳酸鈣處于熱力學非穩(wěn)定狀態(tài),因而具有強烈的相互吸引而使粒子團聚達到穩(wěn)定狀態(tài)傾向[4],這將使納米碳酸鈣的諸多奇異性能得不到充分發(fā)揮。筆者分析了納米碳酸鈣抗團聚機理,研究了其在溶液中的分散方法及保持其穩(wěn)定分散狀態(tài)的規(guī)律,為納米碳酸鈣在鉆井液中的應(yīng)用提供資料。
1 納米碳酸鈣抗團聚機理
1. 1 靜電位阻抗團聚機理
DLVO雙電層理論揭示了納米顆粒表面所帶電荷與穩(wěn)定性的關(guān)系,當兩個顆粒相互接近時,體系相互作用的總能量ET為ET= ER+ EA式中:ER為粒子間斥力位能;EA為粒子間引力位能,其間的變化關(guān)系如圖1所示。
從圖1可以看出,當兩個顆粒相距較遠時,離子氛尚未重疊,粒子間“遠距離”的吸引力在起作用,即引力占優(yōu)勢,曲線在橫軸以下,總位能為負值。隨著顆粒間距離變近,離子氛重疊,斥力開始起作用,總位能逐漸上升為正值。至一定距離處,總位能最大,出現(xiàn)一個位能峰EO。當越過位能峰EO時,位能迅速下降,說明當顆粒距離很近時,吸引能EA隨著顆粒之間距離的變小而激增,使引力占優(yōu)勢,總位能下降為負值,意味著顆粒將發(fā)生團聚[5]。
1. 2 空間位阻抗團聚機理
高分子表面活性劑由兩部分構(gòu)成:一部分為極性的錨固基團,另一部分為溶劑化鏈。這種高分子表面活性劑的加入一方面大幅度降低了納米粒子與分散介質(zhì)之間的界面張力,增加了兩相之間的親和性;另一方面,在納米粒子表面形成空間屏障,增大了空間位阻,保持了分散體系的穩(wěn)定性。吸附的高分子聚合物對微粒體系穩(wěn)定性的影響因素有3個[6]:①帶電聚合物被吸附后,增加了顆粒之間的靜電斥力位能(ER),這一點與吸附簡單離子的影響相同,也符合雙電層的DLVO理論;②高聚物的存在通常會減少顆粒間的引力位能(EA);③顆粒吸附高聚物后,產(chǎn)生了一種新的斥力位能———空間位阻能(ERS),如圖2所示,微粒體系總的位能為
2 機械剪切對納米碳酸鈣分散性的影響
納米顆粒在介質(zhì)中的分散過程一般分為3個步驟[7]:①納米顆粒在介質(zhì)中的潤濕;②利用機械力打開團聚體[8];③穩(wěn)定已分散的顆粒。利用Zetasizer3000型膠體顆粒度/電位測試儀測定了在不同剪切速度下納米碳酸鈣粒度分布特征(圖3)。單純采用高速攪拌,轉(zhuǎn)速需要達到5000 r/min以上,利用攪拌機強大的剪切力才能把納米碳酸鈣均勻分散在水介質(zhì)中。隨著攪拌速度的提高,納米碳酸鈣平均粒徑減少,但溶液不具備穩(wěn)定性,靜置后分層。
3 納米碳酸鈣分散穩(wěn)定性的影響因素
3. 1 聚合醇SD-301
溶液中含有適量的- OH對納米碳酸鈣的分散有促進作用。在轉(zhuǎn)速為8 000 r/min時,采用聚合醇SD-301作為分散劑,測定了納米材料的分散粒徑,實驗結(jié)果如表1所示。
從表1可以看出,聚合醇SD-301加量增加,納米碳酸鈣在水中的分散粒徑逐漸減小。當質(zhì)量濃度增加到90kg/m3時,粒徑平均值最小為35. 7nm,且分布范圍較窄(20～ 50nm);聚合醇SD-301質(zhì)量濃度繼續(xù)增加時,納米材料的平均粒徑明顯增加,分布范圍也明顯變寬。因此,聚合醇SD-301質(zhì)量濃度為90 kg/m3是改進納米碳酸鈣水溶液分散性的最佳值。從表1還可以明顯看出,SD-301主要是起空間位阻的作用,靜電作用不明顯。
3. 2 生物聚合物XC
采用8000r/min的轉(zhuǎn)速,采用生物聚合物XC作為分散劑,測定了納米材料的分散粒徑,實驗結(jié)果如表2所示。
由表2中數(shù)據(jù)可以看出,當XC質(zhì)量濃度小于6kg/m3時,隨著XC加入量的增加,納米顆粒在水中的分散粒徑逐漸減小;當XC質(zhì)量濃度達到6 kg/m3時,納米顆粒的分散粒徑為15～ 35 nm,平均粒徑為24. 1nm。隨著XC加入量的增加,納米顆粒的粒徑增大。這是因為分散劑的加入量有一個最佳值,加入量過少或過多,體系都不穩(wěn)定。聚合物的分散作用主要依靠聚合物鏈兩端的不同性質(zhì):一端吸附在顆粒的表面,而另一端盡可能地伸向水中。如果加入的分散劑量很少,起空間穩(wěn)定作用的高分子化合物與顆粒之間不能形成飽和吸附,空間位阻阻力不夠大,體系中的顆粒分散不完全;當分散劑用量過多時,則達到過飽和吸附,這時分散劑會起到吸附架橋作用,納米顆粒會發(fā)生二次團聚。
3. 3 分散劑的協(xié)同作用
3. 3. 1 XC與有機分散劑的協(xié)同作用
實驗發(fā)現(xiàn),如果將兩類分散劑按一定的比例復(fù)配使用,分散效果顯著提高。采用聚陰離子型纖維物PPH和XC結(jié)合,考察了納米碳酸鈣的分散性,實驗結(jié)果如表3所示。
由實驗結(jié)果可以看出,當XC質(zhì)量濃度為4 kg/m3時,納米顆粒在水介質(zhì)中的平均粒徑約為92. 5nm,溶液為白色乳狀,處于穩(wěn)定狀態(tài);當PPH質(zhì)量濃度為10 kg/m3時,納米顆粒的分散平均粒徑為63. 8nm,溶液靜置分層。當兩種物質(zhì)混合時,在相同質(zhì)量濃度下,納米顆粒的粒徑分散范圍降至8～ 39 nm。由此可以看出,XC與PPH混合充分發(fā)揮了分散劑的協(xié)同作用,取得了較好的效果。
3. 3. 2 XC與無機分散劑的協(xié)同作用
將高分子聚合物XC與PPSN、DJPSN等無機類分散劑混合使用,考察了其分散效果。XC質(zhì)量濃度初定為4kg/m3,通過實驗考察了無機分散劑與XC的最佳復(fù)合質(zhì)量濃度,實驗結(jié)果如表4所示。
由表4中數(shù)據(jù)可以看出,XC與無機類分散劑有最佳配比,且不同的無機分散劑配比不同。由平均粒徑大小和粒徑分布范圍可知,XC與PPSN的最佳配比為1∶2;XC與DJPSN的最佳配比為1∶1. 5。從Zeta電位變化可以看出,加入PPSN、DJPSN后增加了顆粒表面電荷,提高了Zeta電位的絕對值,使體系總能量增加,從而產(chǎn)生靜電排斥作用,實現(xiàn)顆粒的穩(wěn)定分散。使用復(fù)合分散劑能使高分子類、無機類分散劑優(yōu)勢互補,在降低了顆粒之間的范德華引力的同時也降低了介質(zhì)水的表面張力,兩者的協(xié)同作用使顆粒的潤濕分散效果更佳。
4 納米碳酸鈣對鉆井液分散性能影響
進行了評價納米碳酸鈣對鉆井液分散性能實驗。實驗漿A配方為:1. 15 g/cm3的甲酸鹽溶液+ 6 kg/m3XC+ 5kg/m3 NS,再分別加入5kg/m3的超細碳酸鈣和5kg/m3的納米碳酸鈣,實驗結(jié)果見表5。
由表5可見,老化前超細碳酸鈣、納米碳酸鈣的加入使濾失量降低。這是因為小顆粒的加入極大地降低了該體系的瞬時濾失量,有效地形成了泥餅。老化后僅加入納米碳酸鈣材料,有效地降低了濾失量,且降濾失效果較好。由加入超細碳酸鈣與納米碳酸鈣的實驗結(jié)果可以看出,納米粒子與高分子間存在相互作用,使得老化后鉆井液體系分散性保持穩(wěn)定,微米級的超鈣顆粒則不具有這種特殊的性能。
來源：中國知網(wǎng)
