郭 睿, 霍文生, 王 寧, 何觀偉, 馮文佩, 李秀環(huán)
(1.陜西科技大學(xué) 教育部輕化工助劑化學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安 710021; 2.西北化工研究院有限公司, 陜西 西安 710061)
羥甲基水溶性酚醛樹(shù)脂是一種廣泛應(yīng)用于油田調(diào)剖堵水聚合物凝膠調(diào)驅(qū)劑的環(huán)保交聯(lián)劑.作為聚丙烯酰胺的交聯(lián)劑,羥甲基水溶性酚醛樹(shù)脂在油藏環(huán)境下與聚丙烯酰胺發(fā)生交聯(lián)作用形成凝膠類(lèi)物質(zhì).酚醛樹(shù)脂的羥甲基與聚丙烯酰胺的氨基發(fā)生縮聚反應(yīng)而形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[1],羥甲基水溶性酚醛樹(shù)脂的交聯(lián)性能與其分子鏈上羥甲基含量有關(guān),羥甲基含量越高,交聯(lián)作用形成的凝膠強(qiáng)度越大[2,3].
Wu等[3]合成水溶性酚醛樹(shù)脂,研究了酚醛比、溫度、時(shí)間三個(gè)合成條件對(duì)水溶性酚醛樹(shù)脂中羥甲基含量和該樹(shù)脂與HPAM成膠性能的影響規(guī)律.但缺乏催化劑用量等合成條件對(duì)羥甲基含量的影響規(guī)律,未對(duì)合成反應(yīng)的條件進(jìn)行優(yōu)化.邱玲等[4]通過(guò)加入某種添加劑,合成棕紅色清澈的水溶液酚醛樹(shù)脂液體,并以交聯(lián)劑與聚丙烯酰胺的成膠粘度和成膠時(shí)間為指標(biāo),探討了不同反應(yīng)時(shí)間、溫度、酚醛比以及交聯(lián)劑老化時(shí)間對(duì)合成交聯(lián)劑的影響規(guī)律.
孫磊等[5,6]通過(guò)兩步堿法合成水溶性多羥甲基酚醛樹(shù)脂,并加入適量促交聯(lián)劑用以改善其成膠性能.羅翠銳等[7]以Ba(OH)2為催化劑合成酚醛樹(shù)脂,采用正交試驗(yàn)分析了反應(yīng)條件對(duì)合成樹(shù)脂的羥甲基含量和游離甲醛含量的影響,并未探討每個(gè)合成條件對(duì)反應(yīng)的影響規(guī)律.吳嘉恩等[8]以CaO為催化劑合成用于發(fā)泡材料的甲階酚醛樹(shù)脂,先用正交試驗(yàn)分析了合成條件對(duì)樹(shù)脂羥甲基含量和游離甲醛含量的影響,得到一種低甲醛含量的適用于發(fā)泡材料的酚醛樹(shù)脂材料.Feng Yao[9]以NaOH為催化劑以多聚甲醛和苯酚為原料合成出一種低羥甲基含量的酚醛樹(shù)脂,僅探討了酚醛比對(duì)酚醛樹(shù)脂的羥甲基含量、游離甲醛含量、樹(shù)脂粘度以及固含量的影響規(guī)律.Lei X等[10]使用氫氧化鈉和氨作為催化劑制備水溶性酚醛樹(shù)脂,探討了合成機(jī)理及不同反應(yīng)時(shí)間對(duì)酚醛樹(shù)脂羥甲基含量的影響規(guī)律.
就目前研究而言,缺乏對(duì)用于聚合物水溶性酚醛樹(shù)脂交聯(lián)劑的合成及各條件對(duì)反應(yīng)影響規(guī)律的詳細(xì)探討,本文采用兩步堿催化法[11]就各個(gè)條件對(duì)產(chǎn)物羥甲基含量[12]和游離甲醛含量[13]的影響規(guī)律進(jìn)行了探討,并設(shè)計(jì)了正交試驗(yàn)優(yōu)化合成條件,探討最佳工藝條件,為其作為聚合物凝膠交聯(lián)劑的應(yīng)用研究奠定一定基礎(chǔ).本文采用掃描電鏡和XPS分別對(duì)水溶性酚醛樹(shù)脂交聯(lián)HPAM進(jìn)行了形貌表征和交聯(lián)機(jī)理分析.并分析了合成凝膠的耐離子性和封堵率.
1.1.1 主要試劑
苯酚、鹽酸羥胺,AR,友聯(lián)有機(jī)合成化學(xué)有限公司;甲醛(HCHO),AR,天津市天力化學(xué)試劑有限公司;氫氧化鈉(NaOH)、鹽酸,AR,上海友力化學(xué)有限公司;硫代硫酸鈉、溴酚藍(lán)(BPB),AR,天津市鼎盛鑫化工;2 500萬(wàn)相對(duì)分子質(zhì)量HPAM,工業(yè)品,天津市鼎盛鑫化工.
1.1.2 主要儀器
VECTOR-22 型傅里葉變換紅外光譜儀,德國(guó)Bruker公司;DZKW-D-1 型電熱恒溫水浴鍋,北京市永光明醫(yī)療儀器有限公司;AXIS Ultra型X射線(xiàn)光電子能譜分析,英國(guó)Kratos公司;SIGMA300型掃描電鏡,德國(guó)卡爾蔡司公司;冷凍干燥機(jī)LGJ-10,北京松原華興儀器有限公司;BH-1型巖心抽空加壓飽和裝置,海安巖心石油儀器有限公司.
按照n(苯酚)∶n(甲醛)=1∶3稱(chēng)取5 g苯酚,加入到三口燒瓶中,然后置于恒溫水浴鍋中,調(diào)節(jié)溫度50 ℃,使苯酚完全熔融.稱(chēng)取苯酚和甲醛總質(zhì)量5%的NaOH,向體系中加入稱(chēng)取NaOH總質(zhì)量的2/3作催化劑,并維持反應(yīng)溫度為50 ℃,恒溫?cái)嚢璺磻?yīng)30分鐘,使苯酚充分活化.按n(苯酚)∶n(甲醛)=1∶3稱(chēng)取37%甲醛溶液12.94 g,先將稱(chēng)取甲醛總量的2/3加入到反應(yīng)體系中,升溫至65 ℃,繼續(xù)恒溫?cái)嚢璺磻?yīng)50 min.將稱(chēng)取的NaOH總量的1/3加入到反應(yīng)體系中,升高溫度至70 ℃,持續(xù)反應(yīng)30 min,繼續(xù)加入剩余的甲醛溶液,升溫至85 ℃,反應(yīng)40 min.得到棕紅色的液體.
1.3.1 羥甲基含量測(cè)定方法
參照文獻(xiàn)[12]中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14074.17-1993規(guī)定的實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行測(cè)定.
1.3.2 游離甲醛含量測(cè)定方法
參照文獻(xiàn)[13]中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 32684-2016規(guī)定的實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行測(cè)定.
1.3.3 凝膠制備方法
將按照最優(yōu)工藝參數(shù)制備好的0.4 g水溶性酚醛樹(shù)脂加入到100 g質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%的HPAM水溶液中,充分?jǐn)嚢?,混合均勻,密封并置于一定溫度的恒溫環(huán)境下靜置24小時(shí)成膠,得到淡黃色具備流動(dòng)性的弱凝膠.
圖1為水溶性酚醛樹(shù)脂的FT-IR譜圖.由圖1可知,3 299 cm-1為締合羥基的伸縮振動(dòng)吸收峰;2 884 cm-1是亞甲基的非對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng)吸收峰,說(shuō)明發(fā)生了縮聚反應(yīng),聚合物之間以亞甲基橋連接;1 607 cm-1是苯環(huán)的C=C振動(dòng)吸收峰;1 214 cm-1是羥甲基上的-CO-伸縮振動(dòng)峰;1 147 cm-1是連接苯環(huán)和羥甲基的C-C伸縮振動(dòng)峰,說(shuō)明苯酚與甲醛在堿性條件下發(fā)生了羥甲基化反應(yīng);1 017 cm-1是羥甲基的C-O伸縮振動(dòng)峰;884 cm-1為苯環(huán)鄰、間、對(duì)位被取代的-CH-振動(dòng)峰,790 cm-1是三取代苯的-CH-伸縮振動(dòng)峰;由此可以判斷存在相當(dāng)比例的三取代和四取代產(chǎn)物,這說(shuō)明合成的水溶性酚醛樹(shù)脂有較多的羥甲基[14].
圖1 水溶性酚醛樹(shù)脂的FT-IR譜圖
2.2.1n(苯酚)∶n(甲醛)對(duì)樹(shù)脂中羥甲基含量和游離甲醛含量的影響
在反應(yīng)時(shí)間(兩步催化加入所有單體后的反應(yīng)時(shí)間)40 min、反應(yīng)溫度85 ℃、催化劑用量為甲醛和苯酚總質(zhì)量的5%條件下,探討不同n(苯酚)∶n(甲醛)對(duì)水溶性酚醛樹(shù)脂中羥甲基含量和游離甲醛含量的影響.
從圖2可以看出,水溶性酚醛樹(shù)脂中羥甲基含量先增大后減小,在n(苯酚)∶n(甲醛)=1∶2時(shí),羥甲基含量最大.這是因?yàn)楫?dāng)n(苯酚)∶n(甲醛)在1∶2之前,參與反應(yīng)的甲醛不足,導(dǎo)致苯酚上的活性點(diǎn)不能完全反應(yīng),羥甲基含量較低;當(dāng)甲醛過(guò)量時(shí),羥甲基含量迅速得到積累,此時(shí)會(huì)發(fā)生自縮聚反應(yīng),羥甲基消耗和生成速率相等,導(dǎo)致羥甲基含量變化不大;當(dāng)甲醛用量繼續(xù)增大,自縮聚反應(yīng)占主導(dǎo)地位,羥甲基被消耗呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì).
圖2 n(苯酚)∶n(甲醛)對(duì)樹(shù)脂中游離甲醛 含量和羥甲基含量的影響
反之,游離甲醛含量呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì),在n(苯酚)∶n(甲醛)=1∶2時(shí),游離甲醛含量最低.這是因?yàn)榉尤┍仍?∶2之前,苯酚活性點(diǎn)未完全反應(yīng),大部分生成一羥甲基酚,游離甲醛含量較高;在n(苯酚)∶n(甲醛)=1∶2之后,多元羥甲基酚的含量增加,發(fā)生自縮聚反應(yīng),甲醛被消耗的同時(shí)也從自縮聚反應(yīng)中生成,當(dāng)繼續(xù)增加甲醛用時(shí),對(duì)自縮聚反應(yīng)有利,聚合物以亞甲基橋連接,游離甲醛含量上升.
2.2.2 反應(yīng)溫度對(duì)樹(shù)脂中羥甲基含量和游離甲醛含量的影響
在反應(yīng)時(shí)間30 min、n(苯酚)∶n(甲醛)=1∶2、催化劑用量為甲醛和苯酚總質(zhì)量的5%條件下,探討不同反應(yīng)溫度對(duì)水溶性酚醛樹(shù)脂中羥甲基含量和游離甲醛含量的影響.
由圖3可知,羥甲基含量先增加后減小,當(dāng)反應(yīng)溫度為85 ℃,羥甲基含量最大.這是因?yàn)楫?dāng)溫度過(guò)低時(shí),催化劑活性不足,反應(yīng)不能充分進(jìn)行,羥甲基含量較低;隨著反應(yīng)溫度的升高,催化劑活性增強(qiáng),反應(yīng)物可以進(jìn)行充分反應(yīng),羥甲基含量上升;隨著溫度的繼續(xù)增加,自縮聚反應(yīng)占據(jù)主導(dǎo)地位,同時(shí)羥甲基被消耗導(dǎo)致含量降低.
圖3 反應(yīng)溫度對(duì)樹(shù)脂中游離甲醛 含量和羥甲基含量的影響
反之,圖3中游離甲醛的含量隨溫度的升高呈現(xiàn)出先下降后上升的趨勢(shì),反應(yīng)溫度為85 ℃時(shí),游離甲醛含量最小.這是因?yàn)榉磻?yīng)溫度較低時(shí),甲醛轉(zhuǎn)化率低,游離甲醛含量較高;反應(yīng)溫度升高時(shí),增大了其反應(yīng)活性,甲醛含量下降;當(dāng)反應(yīng)溫度繼續(xù)升高,自縮聚反應(yīng)程度增加,游離甲醛含量增大.
2.2.3 反應(yīng)時(shí)間對(duì)樹(shù)脂中羥甲基含量和游離甲醛含量的影響規(guī)律.
反應(yīng)時(shí)間是指兩步催化加入所有單體后最后的反應(yīng)時(shí)間.在反應(yīng)溫度85 ℃、n(苯酚)∶n(甲醛)=1∶2、催化劑用量為甲醛和苯酚總質(zhì)量的5%條件下,探討不同反應(yīng)時(shí)間對(duì)水溶性酚醛樹(shù)脂中羥甲基含量和游離甲醛含量的影響.
從圖4可以看出,羥甲基含量隨反應(yīng)時(shí)間的增加呈現(xiàn)出先增加后較小的趨勢(shì),當(dāng)反應(yīng)時(shí)間為30 min時(shí),羥甲基含量最大.這是因?yàn)榉磻?yīng)初期催化時(shí)間短,苯酚參與反應(yīng)位點(diǎn)活性小,反應(yīng)程度較小,羥甲基含量較低;隨著反應(yīng)時(shí)間的增加,苯酚被充分活化,反應(yīng)程度增加,羥甲基含量增加;繼續(xù)增加反應(yīng)時(shí)間,自縮聚反應(yīng)程度增大,羥甲基含量減小.
圖4 反應(yīng)時(shí)間對(duì)樹(shù)脂中游離甲醛 含量和羥甲基含量的影響
反之,圖4中游離甲醛含量先下降后上升,當(dāng)反應(yīng)時(shí)間為30 min時(shí),游離甲醛含量最低.繼續(xù)反應(yīng),自縮聚反應(yīng)處于有利地位,游離甲醛含量增大.
2.2.4 催化劑用量對(duì)樹(shù)脂中羥甲基和游離甲醛含量的影響
在反應(yīng)時(shí)間30 min、反應(yīng)溫度85 ℃、n(苯酚)∶n(甲醛)=1∶2條件下,探討不同催化劑用量對(duì)水溶性酚醛樹(shù)脂中羥甲基含量和游離甲醛含量的影響.
從圖5可以看出,隨催化劑用量的增加,羥甲基含量先增大后減小,催化劑用量為達(dá)到5%時(shí),羥甲基含量最大.由于催化劑用量過(guò)少,苯酚不能被充分活化,反應(yīng)程度較低,羥甲基含量低;隨著催化劑用量的增加,反應(yīng)程度逐漸增大,羥甲基含量呈上升趨勢(shì);當(dāng)催化劑過(guò)量時(shí),苯酚活性位點(diǎn)反應(yīng)完全,有利于自縮聚反應(yīng)的進(jìn)行,羥甲基含量降低.
圖5 催化劑用量對(duì)樹(shù)脂中游離 甲醛含量和羥甲基含量的影響
反之,游離甲醛含量先下降后趨向于平緩.這是因?yàn)榇呋瘎┯昧康脑黾涌商岣弑椒优c甲醛反應(yīng)的幾率,生成的羥甲基苯酚在堿性環(huán)境下較穩(wěn)定,可持續(xù)與甲醛反應(yīng)生成多羥甲基酚,呈現(xiàn)出游離甲醛含量隨著催化劑用量的增加逐漸降低的趨勢(shì);當(dāng)催化劑過(guò)量時(shí),生成較多的羥甲基,利于自縮聚反應(yīng)進(jìn)行,甲醛含量降低趨勢(shì)趨于平緩.
對(duì)反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)溫度、n(苯酚)∶n(甲醛)及催化劑用量取值,設(shè)計(jì)出4因素3水平正交試驗(yàn)對(duì)水溶性酚醛樹(shù)脂的合成工藝進(jìn)行優(yōu)化.表1為實(shí)驗(yàn)因素及水平,表2為實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果.
表1 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)因素及水平
由表2中K值和R值可知,影響水溶性酚醛樹(shù)脂中羥甲基含量的4個(gè)因素的強(qiáng)弱順序?yàn)椋篋>A>B>C,即n(苯酚)∶n(甲醛)>反應(yīng)溫度>反應(yīng)時(shí)間>催化劑用量,反應(yīng)較優(yōu)組合為A2B3C1D2.由此可得出水溶性酚醛樹(shù)脂的合成較佳工藝條件為:反應(yīng)溫度85 ℃、反應(yīng)時(shí)間30 min、催化劑用量2%、n(苯酚)∶n(甲醛)=1∶2,在此反應(yīng)條件下,羥甲基的含量可以達(dá)到32.2%.
表2 L9(3)4實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果
在表2得到的最佳組合下,對(duì)合成水溶性酚醛樹(shù)脂工藝參數(shù)的穩(wěn)定性進(jìn)行了驗(yàn)證,結(jié)果如表3所示.由表3可知,在上述最佳工藝條件下,酚醛樹(shù)脂的羥甲基含量為32.22%,相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差RSD值為0.78%,說(shuō)明正交試驗(yàn)所得結(jié)果穩(wěn)定、可靠,確為合成水溶性酚醛樹(shù)脂的最佳工藝條件.
表3 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果
如表4所示,采用兩步堿催化法合成的水溶性酚醛樹(shù)脂用作油田調(diào)剖堵水聚合物交聯(lián)劑的基礎(chǔ)是具備較強(qiáng)的水溶性,然而水溶性酚醛樹(shù)脂本身存在的自縮合反應(yīng)會(huì)隨著存貯時(shí)間使酚醛樹(shù)脂緩慢固化,影響水溶性酚醛樹(shù)脂的穩(wěn)定性,同時(shí)存貯環(huán)境的溫度也會(huì)加快其自縮合反應(yīng),嚴(yán)重影響其存貯穩(wěn)定性.因此,水溶性酚醛樹(shù)脂應(yīng)在較低環(huán)境下存貯,20 ℃下能夠保存840 h,當(dāng)存貯溫度達(dá)到50 ℃時(shí),保存時(shí)間僅為6 h.
表4 水溶性酚醛樹(shù)脂的穩(wěn)定性
2.6.1 羥甲基水溶性酚醛樹(shù)脂交聯(lián)聚丙烯酰胺溶液
反應(yīng)原理如圖6所示:
圖6 水溶性酚醛樹(shù)脂與HPAM 的交聯(lián)反應(yīng)原理
本文主要反應(yīng)機(jī)理是水溶性酚醛樹(shù)脂中的-CH2OH基團(tuán)和HPAM溶液中的-CONH2基團(tuán)發(fā)生脫水縮合反應(yīng),形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu).所以水溶性酚醛樹(shù)脂中的羥甲基含量越高,對(duì)交聯(lián)反應(yīng)中脫水縮合反應(yīng)越有利.
2.6.2 凝膠的SEM表征結(jié)果
將凝膠冷凍干燥后用掃描電鏡對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析.從圖7所示的SEM圖可以看出,該體系的結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出大小不一的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),存在很多交聯(lián)點(diǎn),證明該體系交聯(lián)成功,形成了弱凝膠.
圖7 弱凝膠體系的SEM圖
2.6.3 XPS分析
將HPAM-酚醛樹(shù)脂發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)得到的弱凝膠經(jīng)冷凍干燥后,采用XPS對(duì)其交聯(lián)機(jī)理進(jìn)行分析,其結(jié)果如圖8所示.
圖8 HPAM交聯(lián)前與交聯(lián)后XPS掃描譜圖
圖8為HPAM-酚醛交聯(lián)體系反應(yīng)前與反應(yīng)后的XPS N1s分峰圖.從圖中可以看出,N 元素的出峰可以被分成兩部分,交聯(lián)前體系譜圖中 398.3 eV為伯胺基團(tuán)的特征峰,400 eV左側(cè)峰不明顯, 交聯(lián)后體系的譜圖中 400.1 eV為仲胺基團(tuán)的特征峰, 398.3 eV為伯胺基團(tuán)的特征峰,對(duì)峰面積進(jìn)行積分,仲胺基團(tuán)的特征峰峰面積顯著增大,這種變化表明體系伯胺的量在減少,仲胺的量在增大,說(shuō)明在交聯(lián)反應(yīng)中伯胺轉(zhuǎn)化仲胺(-NH-) ,HPAM與水溶性酚醛樹(shù)脂發(fā)生了交聯(lián)反應(yīng),HPAM分子中的伯胺與酚醛樹(shù)脂中的羥甲基脫水縮合形成仲胺[15].
在水溶性酚醛樹(shù)脂交聯(lián)劑、HPAM聚合物溶液體系中,水溶性酚醛樹(shù)脂交聯(lián)劑的-CH2OH基團(tuán)和HPAM溶液中的-CONH2基團(tuán)在體系中經(jīng)過(guò)動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)運(yùn)動(dòng)相遇發(fā)生脫水縮合反應(yīng),形成具備三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的交聯(lián)聚合物,水分子被包裹到網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中形成具有一定粘彈性的凝膠.
測(cè)定三根不同滲透率人造巖心的水相滲透率;在一定壓力下注入定量的調(diào)剖劑,使弱凝膠充分吸附于巖石孔隙的表面,用水驅(qū)替巖心,測(cè)定人造巖心堵后水相滲透率,計(jì)算巖心堵塞率.
如表5所示,測(cè)定三根不同滲透率的巖心驅(qū)替前和驅(qū)替后水相滲透率,驅(qū)替后水相滲透率有大幅度下降,對(duì)高滲透巖心封堵率達(dá)到87%,對(duì)滲透率在800~2500×10-3μm2巖心的封堵率在75%以上.合成凝膠對(duì)巖心有較好的封堵效果.
表5 凝膠對(duì)不同巖心封堵率的測(cè)定
(1)以苯酚和甲醛為原料,合成了羥甲基水溶性酚醛樹(shù)脂.以羥甲基含量為指標(biāo),探討了各因素的影響.結(jié)果表明,合成水溶性酚醛樹(shù)脂的較佳工藝條件為反應(yīng)溫度85 ℃、反應(yīng)時(shí)間30 min、催化劑用量2%、n(苯酚)∶n(甲醛)=1∶2,在此反應(yīng)條件下羥甲基含量可達(dá)32.2%.
(2)設(shè)計(jì)了正交試驗(yàn)表,得到各因素對(duì)水溶性酚醛樹(shù)脂羥甲基含量影響程度從大到小順序?yàn)椋簄(苯酚)∶n(甲醛)>反應(yīng)溫度>反應(yīng)時(shí)間>催化劑用量,反應(yīng)較優(yōu)組合為A2B3C1D2.
(3)采用了紅外和XPS對(duì)其與HPAM成膠的交聯(lián)機(jī)理進(jìn)行了分析,結(jié)果表明,HPAM分子中的伯胺與酚醛樹(shù)脂中的羥甲基脫水縮合形成仲胺,酚醛樹(shù)脂與HPAM發(fā)生交聯(lián)反應(yīng).