CN101780381A - 一种n-烷基天冬氨酰胺表面活性剂及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种新型N-烷基天冬酰胺表面活性剂及其合成方法。该表面活性剂具有如下结构通式：

Description

一种N-烷基天冬氨酰胺表面活性剂及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种表面活性剂及其制备方法，属于一种N-烷基天冬氨酰胺表面活性剂及其制备方法。
背景技术：
烷醇酰胺是一种非离子表面活性剂，不仅具有良好的表面活性，而且具有低毒、低刺激、增泡、稳泡、增稠、去污、钙皂分散、乳化等性能，在洗涤剂、化妆品、工业用净洗剂、金属清洗剂、润滑助剂和纺织助剂等方面应用相当广泛。特别是在液体类洗涤剂中有着特别重要的地位。此外，该类表面活性剂还可使油水界面张力降至超低值(≤10-3mN/m)，也可应用于油田三次采油领域。目前国内外生产的烷醇酰胺类表面活性剂均为长碳链脂肪酸与乙醇胺类化合物为原料，经酰胺化反应得到的产物。
氨基酸表面活性剂是以生物质为基础的表面活性剂，无毒、无害、对环境友好，具有优良的表面活性、低刺激性、低毒性、对皮肤温和，可广泛应用于化妆品、牙膏、食品、医药卫生、矿物浮选、纺织印染等领域。目前国内外生产的氨基酸类表面活性剂均为N-烷基取代的盐或内盐结构的阴离子型或两性离子型表面活性剂。
发明内容：
本发明的目的是提供一种N-烷基天冬氨酰胺表面活性剂及其制备方法，该表面活性剂，具有良好的增泡性和稳泡性以及优异的表面活性和界面活性，可用于民用和工业洗涤剂，尤其适用于油田三次采油领域。
本发明所采用的技术方案是：该N-烷基天冬氨酰胺表面活性剂具有如下结构通式：
Figure G200910073128XD00011
其中：
R为C10H21、C12H25、C14H28、C16H33、C18H35或C18H37，
X1为OCH3、OC2H5、OC3H7、OC4H9、NHC2H4OH、N(C2H4OH)2或NHCH2CH2NHCH2CH2OH，
X2为NHC2H4OH、N(C2H4OH)2或NHCH2CH2NHCH2CH2OH。
上述N-烷基天冬氨酰胺表面活性剂的制备方法反应包括如下步骤：将157～269重量份的脂肪胺溶于醇溶剂中，再将129～171重量份的马来酸二烷基酯加至脂肪胺的醇溶液中，反应温度45℃～70℃，反应12～24小时，得到中间产物N-烷基天冬氨酸二烷基酯，在中间产物N-烷基天冬氨酸二烷基酯中加入61～315重量份的乙醇胺类化合物，加入1.0～5.0重量份的催化剂，升温至回流温度，在回流温度下反应4～12小时，蒸出溶剂醇得到N-烷基天冬氨酰胺类表面活性剂，其中脂肪胺与醇溶剂的质量体积比为(157～269)g∶500mL。
上述的醇溶剂是正丙醇、异丙醇、正丁醇或叔丁醇，催化剂是氢氧化钾、氢氧化钠、甲醇钾、甲醇钠、乙醇钾或乙醇钠，脂肪胺是C10～C18的饱和或不饱和的烷基伯胺，马来酸二烷基酯是马来酸二甲酯、马来酸二乙酯、马来酸二正丙酯、马来酸二异丙酯、马来酸二正丁酯或马来酸二异丁酯，乙醇胺类化合物是一乙醇胺、二乙醇胺、N-羟乙基乙二胺或其中两种的混合物。
本发明所述的N-烷基天冬氨酰胺表面活性剂，以脂肪胺、马来酸二烷基酯和乙醇胺类化合物为原料，经加成和氨解两步反应制得，其合成路线如下：
脂肪胺与马来酸二烷基酯的加成反应：
Figure G200910073128XD00021
N-烷基天冬氨酸二烷基酯与乙醇胺类化合物的氨解反应：
Figure G200910073128XD00031
本发明的有益效果是：该表面活性剂既具有烷醇酰胺表面活性剂的结构特征，又具有氨基酸表面活性剂的结构特征，兼容了二者的优点，是一种具有新型结构的绿色表面活性剂。具有良好的增泡性和稳泡性，表面活性和界面活性，可用于民用和工业洗涤剂，尤其适用于油田三次采油领域。
具体实施方式：
下面将结合实施例对本发明作进一步说明：
实施例1、在装有电动搅拌器、回流冷凝管、温度计和恒压滴液漏斗的四口瓶中，加入185g十二胺和500mL异丙醇，在搅拌下加热升温至50℃，将144g的马来酸二甲酯装入恒压滴液漏斗缓慢加入到四口瓶中，滴加完毕后控制反应温度50±2℃继续反应15小时。停止加热降温，得到N-十二烷基天冬氨酸二甲酯。向反应瓶中加入210g的二乙醇胺，搅拌均匀后加入2.5g的氢氧化钾，升温至回流，在回流温度下继续反应6小时，反应完成后蒸出异丙醇，得到N-十二烷基天冬氨酰胺表面活性剂，呈淡黄色液体。
实施例2、在装有电动搅拌器、回流冷凝管、温度计和恒压滴液漏斗的四口瓶中，加入185g十二胺和500mL异丙醇，在搅拌下加热升温至50℃，将228g的马来酸二异丁酯装入恒压滴液漏斗缓慢加入到四口瓶中，滴加完毕后控制反应温度50±2℃继续反应15小时。停止加热降温，得到N-十二烷基天冬氨酸二异丁酯。向反应瓶中加入210g的二乙醇胺，搅拌均匀后加入2.5g的氢氧化钾，升温至回流，在回流温度下继续反应10小时，反应完成后蒸出异丙醇，得到N-十二烷基天冬氨酰胺表面活性剂，呈淡黄色粘稠液体。
实施例3、在装有电动搅拌器、回流冷凝管、温度计和恒压滴液漏斗的四口瓶中，加入269g十八胺和500mL叔丁醇，在搅拌下加热升温至50℃，将172g的马来酸二乙酯装入恒压滴液漏斗缓慢加入到四口瓶中，滴加完毕后控制反应温度70±2℃继续反应24小时。停止加热降温，得到N-十八烷基天冬氨酸二乙酯。向反应瓶中加入208g的N-羟乙基乙二胺，搅拌均匀后加入3.0g的氢氧化钠，升温至回流，在回流温度下继续反应12小时，反应完成后蒸出叔丁醇，得到N-十八烷基天冬氨酰胺表面活性剂，呈淡黄色膏状物。
实施例4、在装有电动搅拌器、回流冷凝管、温度计和恒压滴液漏斗的四口瓶中，加入241g十六胺和500mL叔丁醇，在搅拌下加热升温至50℃，将144g的马来酸二甲酯装入恒压滴液漏斗缓慢加入到四口瓶中，滴加完毕后控制反应温度60±2℃继续反应20小时。停止加热降温，得到N-十六烷基天冬氨酸二甲酯。向反应瓶中加入315g的二乙醇胺，搅拌均匀后加入3.0g的氢氧化钠，升温至回流，在回流温度下继续反应10小时，反应完成后蒸出叔丁醇，得到N-十六烷基天冬氨酰胺表面活性剂，呈淡黄色粘稠液体。
实施例5、在装有电动搅拌器、回流冷凝管、温度计和恒压滴液漏斗的四口瓶中，加入157g癸胺和500mL异丙醇，在搅拌下加热升温至50℃，将144g的马来酸二甲酯装入恒压滴液漏斗缓慢加入到四口瓶中，滴加完毕后控制反应温度50±2℃继续反应12小时。停止加热降温，得到N-癸基天冬氨酸二甲酯。向反应瓶中加入105g的二乙醇胺，搅拌均匀后加入2.0g的氢氧化钾，升温至回流，在回流温度下继续反应6小时，反应完成后蒸出异丙醇，得到N-癸基天冬氨酰胺表面活性剂，呈淡黄色液体。
实施例6、在装有电动搅拌器、回流冷凝管、温度计和恒压滴液漏斗的四口瓶中，加入185g十二胺和500mL异丙醇，在搅拌下加热升温至50℃，将144g的马来酸二甲酯装入恒压滴液漏斗缓慢加入到四口瓶中，滴加完毕后控制反应温度50±2℃继续反应12小时。停止加热降温，得到N-十二烷基天冬氨酸二甲酯。向反应瓶中加入61g的乙醇胺和105g的二乙醇胺，搅拌均匀后加入2.5g的氢氧化钾，升温至回流，在回流温度下继续反应8小时，反应完成后蒸出异丙醇，得到N-癸基天冬氨酰胺表面活性剂，呈淡黄色液体。
实施例7、Ross-Miles测定表面活性剂泡沫性能实验：
在温度为(45±0.5)℃，将200mL试样溶液从高900mm、内径2.9mm的细孔中流下，冲入50mL具有相同温度和相同浓度的试样溶液中，记下流完200mL溶液时的泡沫高度作为被测样的起泡能力评价指标，起泡后不同时刻的泡沫高度作为泡沫稳定性的评价指标。
实验结果图1：通过对分别对实施例中的N-烷基天冬氨酰胺表面活性剂的起泡性能进行研究可知，随着N-烷基天冬氨酰胺表面活性剂浓度的增加，泡沫高度逐渐增加，但是当浓度大于0.25％后，泡沫高度几乎不增加，说明所研制的N-烷基天冬氨酰胺表面活性剂使用浓度为0.20％～0.30％时均具有较好的起泡和稳泡性能。
实施例8、N-烷基天冬氨酰胺表面活性剂界面性能实验：
配制系列浓度为0.2％N-烷基天冬氨酰胺表面活性剂溶液样品，摇匀静置待用。用注射器分别抽取蒸馏水和待测溶液，清洗毛细管3～4次。将毛细管注满待测溶液，注入大庆油田采油一厂脱水脱气原油0.6μL。迅速将毛细管安装到已预热到45℃的Texas 500界面张力仪上，根据油滴的形状调转速，使油滴的长度≥4倍油滴拉长时的宽度，记录油滴拉长时的宽度和转速至读数稳定，按公式计算界面张力：
γ＝(ρw-ρo)·rΔd3/T2
式中：γ-界面张力，mN/m；r-仪器放大倍数(0.5615)；Δd-油滴宽度，mm；T-旋转周期，ms/r；(ρw-ρo)-水油密度差(0.1643g/cm3)。
实验结果见下表1：
表1
  样品   实施例1   实施例2   实施例3   实施例4   实施例5   实施例6
  界面张力(mN.m-1) 1.24×103 0.95×10-3 7.82×10-3 5.47×10-3 8.24×10-3 3.21×10-3
通过对分别对实施例中的N-烷基天冬氨酰胺表面活性剂的界面性能研究可知，所合成的N-烷基天冬氨酰胺表面活性剂溶液与大庆油田采油一厂原油均可达到超低界面张力范围(10-3mN.m-1)，说明所合成的N-烷基天冬氨酰胺表面活性剂具有优异的界面性能。
实施例9、N-烷基天冬氨酰胺表面活性剂驱油效果评价
采用石英砂环氧胶结人造均质人造岩心，外形尺寸为4.5cm×4.5cm×30cm，模型气测渗透率分别为500md和1000md左右。实验用油为采油一厂原油和煤油配制的模拟油，模拟油粘度为10mPa.S(45℃)左右。实验用水为饱和模型用水为模拟地层水，矿化度为5141.00mg/L；配制聚合物用水为矿化度5141.00mg/L模拟地层水；岩心驱替用水为矿化度5141.00mg/L的模拟地层水，模拟地层水离子组成见下表2。
表2
  离子类型 CO3 2- HCO3 - Cl- SO4 2- Ca2+ Mg2+ Na++K+ 总矿化度
  含量(mg/L)   195.00   2500.00   800.00   5.00   35.00   6.00   1600.00   5141.00
根据上述实验结果所确定的配方，分别对实施例中的N-烷基天冬氨酰胺表面活性剂的驱油性能进行了评价，注入方案分别如下表3：实验结果见表4：
复合驱人造岩芯实验方案  表3
  水驱   前置段塞   化学驱主段塞   后续保护段塞   后续水驱
含水98％以上   聚合物：1600万浓度2000mg/l用量：0.0375PV   0.2％N-烷基天冬氨酰胺表面活性剂用量：0.45PV聚合物：1600万中分子 聚合物：1600万浓度：2000mg/l用量：0.2PV 后续水驱至含水98％以上
N-烷基天冬氨酰胺表面活性剂驱油物理模拟实验结果  表4
方案   岩心编号   渗透率(md)   水测渗透率(md)   孔隙度(％)   含油饱和度(％)   水驱采收率(％)   化学驱采收率(％)   总采收率(％)
实施例2   080814A-2 961.63 649.8 24.4 75.0 51.9 22.5 74.4
实施例3   080815A1-3 489.89 300.5 24.8 71.5 50.2 20.9 71.1
实施例4   080821A-4 973.24 643.38 24.9 73.4 45.8 25.9 72.2
实施例5   080821A1-6 476.52 298.76 25.4 72.6 46.3 24.4 71.3
实施例6   080823A-4 983.59 689.27 25.8 69.8 46.9 22.7 67.2
通过对N-烷基天冬氨酰胺表面活性剂人造岩芯驱油实验结果可知，在水驱基础上采用N-烷基天冬氨酰胺表面活性剂可进一步提高采收率20％以上，说明N-烷基天冬氨酰胺表面活性剂在扩大波及体积和提高驱油效率方面都取得了很好的效果，能够充分发挥其抗剪切性能，依靠乳化增粘提高宏观驱油效率，来弥补体相粘度低带来波及体积低导致采收率的损失。

Claims (3)

1.一种N-烷基天冬氨酰胺表面活性剂，其特征在于：具有如下结构通式：
其中：
R为C10H21、C12H25、C14H29、C16H33、C18H35或C18H37，
X1为OCH3、OC2H5、OC3H7、OC4H9、NHC2H4OH、N(C2H4OH)2或NHCH2CH2NHCH2CH2OH，
X2为NHC2H4OH、N(C2H4OH)2或NHCH2CH2NHCH2CH2OH。
2.权利要求1所述N-烷基天冬氨酰胺表面活性剂的制备方法，该反应包括如下步骤：将157～269重量份的脂肪胺溶于醇溶剂中，再将129～171重量份的马来酸二烷基酯加至脂肪胺的醇溶液中，反应温度45℃～70℃，反应12～24小时，得到中间产物N-烷基天冬氨酸二烷基酯，在中间产物N-烷基天冬氨酸二烷基酯中加入61～315重量份的乙醇胺类化合物，加入1.0～5.0重量份的催化剂，升温至回流温度，在回流温度下反应4～12小时，蒸出溶剂醇得到N-烷基天冬氨酰胺类表面活性剂，其中脂肪胺与醇溶剂的质量体积比为(157～269)g∶500mL。
3.根据权利要求1所述N-烷基天冬氨酰胺表面活性剂的制备方法，其特征在于：醇溶剂是正丙醇、异丙醇、正丁醇或叔丁醇，催化剂是氢氧化钾、氢氧化钠、甲醇钾、甲醇钠、乙醇钾或乙醇钠，脂肪胺是C10～C18的饱和或不饱和的烷基伯胺，马来酸二烷基酯是马来酸二甲酯、马来酸二乙酯、马来酸二正丙酯、马来酸二异丙酯、马来酸二正丁酯或马来酸二异丁酯，乙醇胺类化合物是一乙醇胺、二乙醇胺、N-羟乙基乙二胺或其中两种的混合物。
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