一种颗粒型聚阴离子纤维素的制备方法
技术领域
本发明涉及聚阴离子纤维素领域及其制备方法领域,具体说是一种颗粒型聚阴离子纤维素及其制备方法。
背景技术
聚阴离子纤维素,简称PAC,是由天然纤维素经化学改性而制得的水溶性纤维素醚类衍生物,其分子结构与羧甲基纤维素钠(CMC)相同,是一种重要的水溶性纤维素醚,通常应用其钠盐。在石油钻井领域通常以聚阴离子纤维素来命名,其实质就是羧甲基纤维素钠。聚阴离子纤维素有很好的耐热稳定性和耐盐性,抗菌性强。该产品配制的泥浆流体具有良好的降失水性、抑制性、较高的耐温性,广泛应用于石油钻井,特别是盐水井和海洋石油钻井。
普通聚阴离子纤维素都是粉末状的,使用过程中存在粉尘大、环境污染大,对工人身体造成伤害,而且造成物料损失的问题。在石油行业中,用户大量使用聚阴离子纤维素,一般都是采用自然溶解,普通的聚阴离子纤维素溶解过程中容易抱团,不易溶解,溶解耗费的时间长,恒温搅拌的情况下一般需要3~4小时左右,常温下溶解需要12~20小时左右,使用不方便。
中国发明专利CN103059144A公开了一种高粘颗粒型羧甲基纤维素钠制备方法,采用捏合法经过碱化、醚化反应得到羧甲基纤维素钠产品进入汽提机中进行水解,再加入氯化铝进行交联,最后得到高粘度、颗粒状的羧甲基纤维素钠。上述方法也可以制成颗粒型羧甲基纤维素钠,但是要使用氯化铝,适用的 范围比较窄,比如食品级产品不可以添加,电池级产品对金属离子要求也比较严格,也不适用,另外增加了和氯化铝的交联反应,且汽提机的使用要求较高,因此工艺过程要求严格、复杂。
发明内容
本发明要解决现有技术中粉末状的聚阴离子纤维素生产和使用过程中粉尘大、环境污染大,溶解过程中容易抱团,不易溶解,溶解耗费的时间长等使用不方便的问题,和现有的颗粒型羧甲基纤维素制备工艺复杂,制备的颗粒型羧甲基纤维素含有铝元素,使用范围受到限制的问题,提供一种制备工艺简单的聚阴离子纤维素制备方法,使制备的羧甲基纤维素既不含有铝元素,又呈颗粒状,可方便、简单的广泛使用。
为了解决上述技术问题,本发明提供一种颗粒型聚阴离子纤维素的制备方法,包括如下步骤:
(1)将纤维素进行碱化处理,再进行醚化处理后与乙醇水溶液混合,然后调节pH,控制pH在6.5~8.5,经洗涤、离心后,得到中间物料;
(2)中间物料进入搅拌机内,温度控制在20℃~60℃,边搅拌边将去离子水喷淋到中间物料上,搅拌40min~100min,得初纤维素产品;
(3)搅拌好的初纤维素产品经干燥,烘干,粉碎,即得颗粒型聚阴离子纤维素。
进一步的,步骤(1)中,纤维素为精制棉纤维素和/或木浆纤维素;精制棉纤维素的平均聚合度为≥1500,木浆纤维素的平均聚合度为600~1200。
进一步的,步骤(1)中,碱化处理采用下述步骤:先将质量浓度为45%~50%的氢氧化钠溶液和体积浓度为90%~95%的乙醇水溶液加入到捏合机中,搅拌 10min,再将所述纤维素投入到捏合机中进行纤维素的碱化,控制投料时间10min,碱化反应的时间30~60min,碱化反应的温度20~40℃;氢氧化钠溶液与纤维素的重量比为1.35~1.51:1,乙醇水溶液与纤维素的重量比为1.5~3.0:1。
进一步的,步骤(1)中,醚化处理采用下述步骤:碱化结束后,加入醚化剂,醚化剂的质量是纤维素的1.10~1.40倍,醚化剂为氯乙酸的乙醇溶液,其中,氯乙酸的质量百分比浓度为60%~75%,乙醇溶液的体积浓度为90%~95%,控制醚化反应时间40~90min,醚化反应温度为60~80℃。
进一步的,步骤(1)中,醚化处理后经过冷却处理,冷却处理将物料冷却至45℃,洗涤使用乙醇水溶液的体积浓度为60%~80%。
进一步的,步骤(1)中,所述调节pH采用盐酸调节,控制pH在6.5~8.0,盐酸的质量分数为28%~33%。
进一步的,步骤(1)中,离心分离采用卧式沉降离心机进行。
进一步的,步骤(2)中,去离子水与所述步骤(1)中的纤维素的质量比为3~10:1。
进一步的,步骤(3)中,干燥采用真空干燥,真空干燥一般在真空耙式干燥机中进行,真空干燥的真空度为-200pa~-400pa,真空干燥的温度为40~85℃,真空干燥的耙干时间为50~80min;
烘干在流化床中进行,烘干的温度为95~120℃;
粉碎中用的筛网为40目,筛网上物质为颗粒产品。
本发明还提供通过上述颗粒型聚阴离子纤维素的制备方法制备的一种颗粒型聚阴离子纤维素。
与现有技术相比,本发明的有益效果在于:
1.将洗涤离心后的聚阴离子纤维素产品和去离子水混合均匀,就可以在后面粉碎的时候很好控制产品的颗粒形态,控制好去离子水的量以便控制颗粒型聚阴离子纤维素的质量。
2.本发明的颗粒型聚阴离子纤维素的造粒过程没有添加任何设备即可获得性能优越的颗粒型聚阴离子纤维素产品,生产工艺简单,生产成本低,生产环境粉尘少。
3.本发明制备过程中的乙醇均可回收利用,实现了绿色生产,且降低了成本,有利于工业化生产。
4.本发明的颗粒型聚阴离子纤维素的粘度≥320mPa.s,具有中粘或高粘特性,不含有铝等元素,不限制聚阴离子纤维素的使用范围;本发明的聚阴离子纤维素取代度高,水中溶解不抱团,生产过程粉尘少,生产环境好。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案,而不能以此来限制本发明的保护范围。
下述实施例中:
所使用的精制棉纤维素的平均聚合度≥1500,木浆纤维素的平均聚合度为600~1200,所有原料均为市售。
实施例1
在搅拌条件下,将1000g的聚合度为2400的精制棉纤维素与1.51倍质量(以纤维素的量为基础,以下相同)的氢氧化钠溶液(氢氧化钠溶液质量浓度45%)和2.3倍质量的乙醇溶液(乙醇溶液体积浓度90%)的混合液加入捏合机中,投料时间10min,进行碱化反应,碱化温度为25℃,碱化时间为45min,碱化结 束后将1.23倍质量的氯乙酸的乙醇溶液(氯乙酸质量浓度65%)均匀地喷淋至捏合机内,控制加料时间30min,加完后搅拌15min,缓慢升温至80℃进行醚化反应,升温时间为15min,醚化反应时间为60min;醚化结束后冷却至45℃,将物料加入到体积浓度为70%的乙醇水溶液中,用盐酸调节pH至6.5~7.0,经过两次洗涤,两次离心,得到中间物料;
(2)将中间物料均分为两份,一份直接烘干粉碎得产品1-1;一份进入搅拌机内,然后将3000g去离子水均匀喷淋到搅拌机内物料上,温度控制在30℃,搅拌40min;
(3)最后将搅拌好的物料烘干粉碎,即为本发明的颗粒型聚阴离子纤维素产品1-2。
实施例2
(1)在搅拌条件下,将1000g的聚合度为2000的精制棉纤维素与1.40质量(以纤维素的量为基础,以下相同)的氢氧化钠溶液(氢氧化钠溶液质量浓度50%)和3.0倍质量的乙醇溶液(乙醇溶液体积浓度92%)的混合液加入捏合机中,投料时间10min,进行碱化反应,碱化温度为20℃,碱化时间为60min,碱化结束后将1.40倍质量的氯乙酸的乙醇溶液(氯乙酸质量浓度60%)均匀地喷淋至捏合机内,控制加料时间30min,加完后搅拌15min,缓慢升温至76℃进行醚化反应,升温时间为15min,醚化反应时间为40min;醚化结束后冷却至45℃,将物料加入到体积浓度为80%的乙醇水溶液中,用盐酸调节pH至6.5~7.0,经过两次洗涤,两次离心,得到中间物料;
(2)将中间物料分为两部分,一部分直接烘干粉碎得产品2-1;一部分进入搅拌机内,然后将1500g的去离子水均匀喷淋到搅拌机内,温度控制在20℃, 搅拌100min;
(3)最后将搅拌好的物料烘干粉碎,即为本发明的颗粒型聚阴离子纤维素产品2-2。
实施例3
(1)在搅拌条件下,将一定量的聚合度为2200的精制棉纤维素与1.49质量(以纤维素的量为基础,以下相同)的氢氧化钠溶液(氢氧化钠溶液质量浓度48%)和1.5倍质量的乙醇溶液(乙醇溶液体积浓度95%)的混合液加入捏合机中,投料时间10min,进行碱化反应,碱化温度为35℃,碱化时间为30min,碱化结束后将1.10倍质量的氯乙酸的乙醇溶液(氯乙酸质量浓度75%)均匀地喷淋至捏合机内,控制加料时间30min,加完后搅拌15min,缓慢升温至60℃进行醚化反应,升温时间为15min,醚化反应时间为90min;醚化结束后冷却至45℃,将物料加入到体积浓度为70%的乙醇水溶液中,用盐酸调节pH至6.5~7.0,经过两次洗涤,两次离心,得到中间物料;
(2)将中间物料分为两部分,一部分直接烘干粉碎得产品3-1;一部分进入搅拌机内,然后将5000g的去离子水均匀喷淋到搅拌机内,温度控制在60℃,搅拌60min;
(3)最后将搅拌好的物料烘干粉碎,即为本发明的颗粒型聚阴离子纤维素产品3-2。
实施例4
(1)在搅拌条件下,将一定量的聚合度为750的木浆纤维素与1.35质量(以纤维素的量为基础,以下相同)的氢氧化钠溶液(氢氧化钠溶液质量浓度50%)和2.6倍质量的乙醇溶液(乙醇溶液体积浓度93%)的混合液加入捏合机中, 投料时间10min,进行碱化反应,碱化温度为27℃,碱化时间为50min,碱化结束后将1.2倍质量的氯乙酸的乙醇溶液(氯乙酸质量浓度64%)均匀地喷淋至捏合机内,控制加料时间30min,加完后搅拌15min,缓慢升温至78℃进行醚化反应,升温时间为15min,醚化反应时间为50min;醚化结束后冷却至45℃,将物料加入到体积浓度为60%的乙醇水溶液中,用盐酸调节pH至6.5~7.0,经过两次洗涤,两次离心,得到中间物料;
(2)将中间物料分为两部分,一部分直接烘干粉碎得产品4-1;一部分进入搅拌机内,然后将2500g的去离子水均匀喷淋到搅拌机内,温度控制在45℃,搅拌50min;
(3)最后将搅拌好的物料烘干粉碎,即为本发明的颗粒型聚阴离子纤维素产品4-2;。
实施例5
(1)将实施例4中的纤维素原料改为聚合度为1000的切成片的木浆纤维素,其余操作与实施例3中步骤(1)相同;
(2)将(1)中的中间物料分为两部分,一部分直接烘干粉碎得产品5-1;一部分进入搅拌机内,然后将2500g的去离子水均匀喷淋到搅拌机内,温度控制在45℃,搅拌50min;
(3)最后将搅拌好的物料烘干粉碎,即为本发明的颗粒型聚阴离子纤维素产品5-2;。
对比例1
与实施例1中(1)的操作步骤相同
(2)将中间物料分为两部分,一部分直接烘干粉碎得产品6-1;一部分进 入到汽提机的同时加入1.2倍的浓度为1.5%的氯化铝的酒精溶液(酒精浓度65%),汽提反应35min;
(3)最后将反应好的物料烘干粉碎,即得颗粒型聚阴离子纤维素产品6-2。
对比例2
(1)与实施例2中(1)的操作步骤相同;
(2)将中间物料分为两部分,一部分直接烘干粉碎得产品7-1;一部分进入到汽提机的同时加入1.5倍质量浓度为1.3%的氯化铝的酒精溶液(酒精浓度65%),汽提反应40min;
(3)最后将反应好的物料烘干粉碎,即得颗粒型聚阴离子纤维素产品7-2。
对比例3
(1)与实施例3中(1)的操作步骤相同;
(2)将中间物料分为两部分,一部分直接烘干粉碎得产品8-1;一部分进入到汽提机的同时加入1.4倍质量浓度为1.0%的氯化铝的酒精溶液,汽提反应30min;
(3)最后将反应好的物料烘干粉碎,即得颗粒型聚阴离子纤维素产品8-2。
试验结果:
测定实施例1~5和对比例1~3所得产品的粘度,所述粘度采用DNJ-79型旋转粘度计测定,测试温度为20℃,测试前先将聚阴离子纤维素配置成质量分数为2%的水溶液,测试结果见表1。
测定实施例1~5和对比例1~3所得产品的取代度、pH值,所述取代度、pH值根据国家标准GB1904-2005进行分析,测试结果见表1。
测定测定实施例1~5和对比例1~3所得产品的表观粘度和失水,所述表观 粘度的测试方法如下:取358g的4%盐水,加入35g KCl,将3.0g聚阴离子纤维素试样加入到盐水溶液中,用多功能搅拌器搅拌20min,在室温25℃下静置16小时,用FANN35黏度计测其在600r/min时的读数,读数的1/2即为样品的表观粘度。测定实施例1~5和对比例1~3的失水,按照API标准进行检测。测试结果见表1。
表1 实施例1~5和对比例1~3的检测结果
上述检测结果表明:本发明生产的聚阴离子纤维素工艺简单,设备选型简 单,在把聚阴离子纤维素做成颗粒状,不产粉尘的同时维持物料的理化及应用指标不受影响,满足对聚阴离子纤维素的性能要求,同时也避免了在聚阴离子纤维素中添入铝元素,扩大了颗粒状聚阴离子纤维素的应用范围。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。