CN106496342A - 含磺酸基羟丙基葫芦巴胶及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及含磺酸基羟丙基葫芦巴胶及其制备方法和应用。目前对葫芦巴胶的化学改性很少，其耐盐性和耐温性不能满足工业生产需求。本发明向醇水溶液中加入羟丙基葫芦巴胶；通入氮气，边搅拌边滴加氢氧化钠水溶液；升温滴加磺化剂反应；酸调节反应溶液至中性，过滤，真空烘干，得到淡黄色粉末，即为含磺酸基羟丙基葫芦巴胶。本发明通过引入磺酸基改性羟丙基葫芦巴胶，可以改善冻胶的耐盐性，耐温性，具有较低的水不溶物含量，可提高磺酸基羟丙基葫芦巴胶的使用效率，节约成本。

Description

含磺酸基羟丙基葫芦巴胶及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及一种天然植物多糖的改性产品，具体涉及一种含磺酸基羟丙基葫芦巴胶及其制备方法和应用。
背景技术
随着科学技术的发展及加工技术的提高，葫芦巴胶的功能愈加体现出来，尤其是在石油化工领域，葫芦巴胶作为一种稠化剂有望替代瓜胶。葫芦巴胶属于天然高分子化合物，羟基含量高，能与交联剂交联，生成高粘弹性的冻胶，应用在压裂增产中。但葫芦巴胶溶解速度慢，水不溶物含量高，破胶后残渣含量高，从而制约在油田工业方面的使用。为了满足压裂生产工业需要，通常对植物胶进行化学改性来提高它们的性能。
目前国内对葫芦巴胶的化学改性很少。在植物胶的改性中大多集中于羟丙基改性，改性后可改善胶粉的溶解速度，降低水不溶物含量，且水溶液黏度增加，减少了压裂中稠化剂的使用量。但是葫芦巴胶的耐盐性和耐温性依旧不能满足工业生产需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种含磺酸基羟丙基葫芦巴胶及其制备方法和应用，克服葫芦巴胶的耐盐性和耐温性问题，改善水溶性，提高溶解速率。
本发明所采用的技术方案为：
1、含磺酸基羟丙基葫芦巴胶，其特征在于：
具有以下结构：
其中，R为烷基，碳原子数为2-4。
其分子量为170-190万。
其磺酸基取代度为0.02-0.27，羟丙基取代度为0.15-0.4。
含磺酸基羟丙基葫芦巴胶的制备方法，其特征在于：
包括以下步骤：
（1）向1L醇水溶液中加入100.0g羟丙基葫芦巴胶；
（2）通入氮气，边搅拌边滴加氢氧化钠水溶液，其中氢氧化钠的含量为1g-3g，滴加时间0.5h；再搅拌升温到70-85℃，滴加0.03g-0.6g 磺化剂，滴加时间1h，滴加完毕反应2-4小时；
（3）酸调节反应溶液至中性，过滤，真空烘干，得到淡黄色粉末，即为含磺酸基羟丙基葫芦巴胶。
步骤（1）中：
所述醇水溶液为乙醇水溶液，质量分数为50%-80%；
所述氢氧化钠水溶液的质量分数为5%-30%。
步骤（2）中，所述磺化剂为3-氯-2-羟基丙磺酸钠。
含磺酸基羟丙基葫芦巴胶的应用，其特征在于：
所述含磺酸基羟丙基葫芦巴胶应用于压裂液的制备。
含有含磺酸基羟丙基葫芦巴胶的压裂液，其特征在于：
所述压裂液中包含有质量百分比为0.2%-0.4%的含磺酸基羟丙基葫芦巴胶。
所述压裂液中还含有：
交联剂0.3-1%；
防膨剂0.3-2%；
余量为水。
所述交联剂选自有机硼、有机锆或有机钛交联剂；
所述防膨剂选自氯化钾、氯化按和聚季按盐。
本发明具有以下优点：
1、本发明制备的磺酸改性羟丙基葫芦巴胶可以快速溶胀水合，溶解速度快，水不溶物含量低（图2考察了实施例3的制备条件下，改变3-氯-2-羟基丙磺酸钠的添加量，讨论磺酸改性羟丙基葫芦巴胶的取代度与水不溶物含量的关系，从图中可知，取代度增加，水不溶物含量减小）。
2、本发明制备的磺酸改性羟丙基葫芦巴胶耐温耐剪切性好(图3考察了实施例3中压裂液的耐温耐剪切性能，从图中可看出，140℃、170s-1剪切1h，黏度大于80mPa.s)。
3、本发明制备的磺酸改性羟丙基葫芦巴胶耐盐性好。 (图4考察了实施例1和实施例3中压裂液的耐盐性能，从图中可看出，取代度越高，压裂液耐盐性能越好)。
附图说明
图1含磺酸基羟丙基葫芦巴胶的XRD谱图。
图2含磺酸基羟丙基葫芦巴胶的取代度与水不溶物含量的曲线图。
图3含磺酸基羟丙基葫芦巴胶压裂液耐温耐剪切性。
图4含磺酸基羟丙基葫芦巴胶压裂液耐盐性。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细的说明。
本发明通过引入磺酸基改性羟丙基葫芦巴胶。磺酸基作为一种新的阴离子基团，可以改善冻胶的耐盐性，耐温性。3-氯-2-羟基并磺酸钠因分子结构中含有活性较强氯原子和羟基，又含亲水性的磺酸基团，因此磺酸基羟丙基葫芦巴胶从理论上讲具有良好的耐盐性、耐温性以及较低的水不溶物含量，可提高磺酸基羟丙基葫芦巴胶的使用效率，节约成本。
本发明涉及的含磺酸基羟丙基葫芦巴胶，具有以下结构：
其中R-烷基，碳原子数为2-4。
其分子量为170-190万，其中葫芦巴胶分子量为重均分子量；其磺酸基取代度为0.02-0.27，羟丙基取代度为0.15-0.4，优选羟丙基取代度为0.25。取代度为质量分数取代度。
上述含磺酸基羟丙基葫芦巴胶的制备方法，包括以下步骤：
（1）向1L醇水溶液中加入100.0g羟丙基葫芦巴胶；
（2）通入氮气，边搅拌边滴加氢氧化钠水溶液（氢氧化钠含量为1g-3g），滴加时间0.5h；再搅拌升温到70-85℃，滴加0.03g-0.6g磺化剂，滴加时间1h，滴加完毕反应2-4小时，优选3小时；
（3）酸调节反应溶液至中性，过滤，真空烘干，得到淡黄色粉末，即为含磺酸基羟丙基葫芦巴胶。
步骤（1）中：
所述醇水溶液为乙醇水溶液，质量分数为50%-80%，优选50%。；
所述氢氧化钠水溶液的质量分数为5%-30%,优选10%。
步骤（2）中，所述磺化剂为3-氯-2-羟基丙磺酸钠。
所述含磺酸基羟丙基葫芦巴胶应用于压裂液的制备，所述压裂液中包含有质量百分比为0.2%-0.4%的含磺酸基羟丙基葫芦巴胶，还含有：
交联剂0.3-1%；
防膨剂0.3-2%；
余量为水。
所述交联剂选自有机硼、有机锆或有机钛交联剂，优选有机硼交联剂，且优选交联比0.5:100；所述防膨剂选自氯化钾、氯化按和聚季按盐，优选氯化钾，优选添加量为1%。
产品特殊性能指标的测定:
（1）取代度测定：
采用酸碱滴定的方法测定，磺酸改性羟丙基葫芦巴胶是可溶于水的高分子聚电解质，由于是在强碱条件下制备的，产物以磺酸盐的形式存在。它的分子结构中存在活性较高的磺酸基，在水溶液中容易发生解离，高分子化合物以阴离子形式存在，在高分子阴离子的周围分布着作为抗衡离子的Na+离子。如果让其水溶液经过酸式的Lewatit MonoPlus S 100强酸性苯乙烯系阳离子交换树脂，Na+离子会和阳离子交换树脂上的H+发生离子交换，这样含磺酸基羟丙基葫芦巴胶分子上的磺酸基就会转化为弱酸的形式，可通过酸碱滴定来测定其磺酸基的含量。
取代度计算公式为：
式中：
n-为物质的物质量，mol；
C-为物质的浓度，mol/L；
V-为物质的体积，L。
（2）水不溶物含量测试
将1g纯化后的含磺酸基羟丙基葫芦巴胶粉体添加到300ml蒸馏水中，配制成均匀溶液。然后称取配制好的溶液30.1g，在3000r/min的转速下离心30min，慢慢倒出上清液；接着再加30ml蒸馏水并用玻璃棒搅拌均匀，在3000r/min的转速下再次离心30min。离心结束后倒出上清液，将离心管放入电热恒温干燥箱中。在105℃下将离心管烘至恒重，得到含磺酸基羟丙基葫芦巴胶的水不溶物含量。
水不溶物的计算公式为：
式中：
S-水不溶物的含量(％)；
M-水不溶物质量（g）；
W-胶粉含水率（％）
（注：胶粉含水率测试：在快速水分测定仪的天平上，放入1g左右的样品，在105℃下干燥至样品恒重，计算胶粉含水率。）
（3）X激光光散射（XRD）
采用日本理学公司D/Max-2200pc型全自动X射线衍射仪测定胶膜的结晶度，加速电压和电流分别为40kV，40mA，扫描速度为0.02°/min。
（4）表观黏度（η）
采用中国普康公司的DNJ-79型旋转黏度计，将纯化后的含磺酸基羟丙基葫芦巴胶配制成0.3%的水溶液，静置6h后测定其水溶液的黏度，测试温度：25℃。
（5）压裂液耐温耐剪切测试
压裂液的配制：向1L1%的氯化钾溶液中加入3g含磺酸基羟丙基葫芦巴胶粉体，在1000转/min的搅拌速率下搅拌10min，溶胀12h ，制得压裂液基液。取100mL基液，加入0.5mL有机硼交联剂，搅拌均匀，形成压裂液冻胶，静置测试。
参考SY/T5107-2005，采用德国Harker公司的RS6000型流变仪测试，以3℃/min的速度升温，同时转子以剪切速率170s-1转动，温度达到140℃后，保持剪切速率和温度不变，持续测试1h，获取相关黏度数据。
（6）压裂液耐盐性测试
压裂液的制备方法：向1L不同浓度的氯化钠溶液中依次加入10g氯化钾和3g含磺酸基羟丙基葫芦巴胶粉体，在1000转/min的搅拌速率下搅拌10min，溶胀12h，制得压裂液基液。取100mL基液，加入0.5mL有机硼交联剂，搅拌均匀，形成压裂液冻胶，静置测试。
采用中国普康公司的DNJ-79型旋转黏度计，静置2h后测定其压裂液的黏度，测试温度：25℃。
实施例1:
磺酸改性羟丙基葫芦巴胶的制备方法，步骤如下:
（1）向1L50%乙醇溶液的反应釜中，加入100.0g羟丙基葫芦巴胶；
（2）氮气环境下，滴加10.0g 10%氢氧化钠水溶液，滴加0.5h后升温70℃，搅拌0.5小时，滴加0.30g 10%3-氯-2-羟基丙磺酸钠溶液，恒温70℃，1h滴加完毕，继续搅拌2小时；
（3）反应液中和至中性，过滤，真空烘干，得到淡黄色粉末产品SHFG-1。
产品性能测试结果：
产品SHFG-1的取代度（DS）为0.021。
产品SHFG-1的水不溶物含量为9.0%。
产品SHFG-1的结晶度下降，磺酸基的引入会使分子结构有序度下降。羟丙基葫芦巴胶原粉结晶度为3.9%，改性后SHFG-1的结晶度为2.31%。（图1为磺酸改性羟丙基葫芦巴胶的XRD图）。
产品SHFG-1的水溶液的表观黏度为203mPa.s。
产品SHFG-1的耐温耐剪切测试：有机硼（0.5%）交联SHFG-1 (0.3%)生成的压裂液，在140℃、170s-1剪切1h后，黏度为73mPa.s。
产品SFG-1的耐盐性测试：当氯化钠浓度为8g/L时，有机硼（0.5%）交联SHFG-1 (0.3%)生成的压裂液黏度值为60mPa.s。
实施例2:
磺酸改性羟丙基葫芦巴胶的制备方法，步骤如下:
（1）向1L50%乙醇溶液的反应釜中，加入100.0g羟丙基葫芦巴胶；
（2）氮气环境下，滴加15.0g 10%氢氧化钠水溶液，滴加0.5h后升温80℃，搅拌0.5小时，滴加3.0g 20%的3-氯-2-羟基丙磺酸钠溶液，1h滴加完毕，继续搅拌2小时；
（3）反应液中和至中性，过滤，真空烘干，得到淡黄色粉末产品SHFG-2。
产品性能测试结果：
产品SHFG-2的取代度（DS）为0.21。
产品SHFG-2的水不溶物含量为5.0%；与实施例1对比，水不溶物含量减小。
产品SHFG-2的结晶度为1.71%。
产品SHFG-2的水溶液的表观黏度为142mPa.s。
产品SHFG-2的耐温耐剪切测试：有机硼（0.5%）交联SHFG-2 (0.3%)生成的压裂液，在140℃、170s-1剪切1h后，黏度为97mPa.s。
产品SHFG-2的耐盐性测试：当氯化钠浓度为8g/L时，有机硼（0.5%）交联SHFG-2 (0.3%)生成的压裂液黏度值为75 mPa.s。
实施例3:
磺酸改性羟丙基羟丙基葫芦巴胶的制备方法，步骤如下:
（1）向1L50%乙醇溶液的反应釜中，加入100.0g羟丙基羟丙基葫芦巴胶；
（2）氮气环境下，滴加30.0g 10%氢氧化钠水溶液，滴加0.5h后升温70℃，搅拌0.5小时，滴加3.0g 20%的3-氯-2-羟基丙磺酸钠溶液，1h滴加完毕，继续搅拌2小时；
（3）反应液中和至中性，过滤，真空烘干，得到淡黄色粉末产品SHFG-3。
产品性能测试结果：
产品SHFG-3的取代度（DS）为0.27。
产品SHFG-3的水不溶物含量为4.9%。
产品SHFG-3的结晶度为1.31%
产品SHFG-3的水溶液的表观黏度为112mPa.s。
产品SHFG-3的耐温耐剪切测试：有机硼（0.5%）交联SHFG-3 (0.3%)生成的压裂液，在140℃、170s-1剪切1h后，黏度大于102 mPa.s。
产品SHFG-3的耐盐性测试：当氯化钠浓度为8g/L时，有机硼（0.5%）交联SHFG-3 (0.3%)生成的压裂液黏度值为112 mPa.s。
实施例4:
磺酸改性羟丙基羟丙基葫芦巴胶的制备方法，步骤如下:
（1）向1L50%乙醇溶液的反应釜中，加入100.0g羟丙基羟丙基葫芦巴胶；
（2）氮气环境下，滴加20.0g 10%氢氧化钠水溶液，滴加0.5h后升温80℃，搅拌0.5小时，滴加1.0g 20%的3-氯-2-羟基丙磺酸钠溶液，1h滴加完毕，继续搅拌2小时；
（3）反应液中和至中性，过滤，真空烘干，得到淡黄色粉末产品SHFG-4。
产品性能测试结果：
产品SHFG-4的取代度（DS）为0.12。
产品SHFG-4的水不溶物含量为5.7%。
产品SHFG-4的结晶度为1.87%。
产品SFG-4的水溶液的表观黏度为125mPa.s。
产品SHFG-4的耐温耐剪切测试：有机硼（0.5%）交联SHFG-4 (0.3%)生成的压裂液，在140℃、170s-1剪切1h后，黏度大于85 mPa.s。
产品SHFG-4的耐盐性测试：当氯化钠浓度为8g/L时，有机硼（0.5%）交联SHFG-4 (0.3%)生成的压裂液黏度值为81 mPa.s。
实施例5:
磺酸改性羟丙基羟丙基葫芦巴胶的制备方法，步骤如下:
（1）向1L50%异丙醇溶液的反应釜中，加入100.0g羟丙基羟丙基葫芦巴胶；
（2）氮气环境下，滴加20.0g 10%氢氧化钠水溶液，滴加0.5h后升温70℃，搅拌0.5小时，滴加1.0g 20%的3-氯-2-羟基丙磺酸钠溶液，1h滴加完毕，继续搅拌2小时；
（3）反应液中和至中性，过滤，真空烘干，得到淡黄色粉末产品SHFG-5。
产品性能测试结果：
产品SHFG-5的取代度（DS）为0.09。
产品SHFG-5的水不溶物含量为6.0 %。
产品SHFG-4的结晶度为2.17%。
产品SHFG-5的水溶液的表观黏度为134mPa.s。
产品SHFG-5的耐温耐剪切测试：有机硼（0.5%）交联SFG-5 (0.3%)生成的压裂液，在140℃、170s-1剪切1h后，黏度大于83 mPa.s。
产品SHFG-5的耐盐性测试：当氯化钠浓度为8g/L时，有机硼（0.5%）交联SFG-5 (0.3%)生成的压裂液黏度值为76 mPa.s。
本发明的内容不限于实施例所列举，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.含磺酸基羟丙基葫芦巴胶，其特征在于：
具有以下结构：
其中，R为烷基，碳原子数为2-4。
2.根据权利要求1所述的含磺酸基羟丙基葫芦巴胶，其特征在于：
其分子量为170-190万。
3.根据权利要求1所述的含磺酸基羟丙基葫芦巴胶，其特征在于：
其磺酸基取代度为0.02-0.27，羟丙基取代度为0.15-0.4。
4.含磺酸基羟丙基葫芦巴胶的制备方法，其特征在于：
包括以下步骤：
（1）向1L醇水溶液中加入100.0g羟丙基葫芦巴胶；
（2）通入氮气，边搅拌边滴加氢氧化钠水溶液，其中氢氧化钠的含量为1g-3g，滴加时间0.5h；再搅拌升温到70-85℃，滴加0.03g-0.6g 磺化剂，滴加时间1h，滴加完毕反应2-4小时；
（3）酸调节反应溶液至中性，过滤，真空烘干，得到淡黄色粉末，即为含磺酸基羟丙基葫芦巴胶。
5.根据权利要求4所述的含磺酸基羟丙基葫芦巴胶的制备方法，其特征在于：
步骤（1）中：
所述醇水溶液为乙醇水溶液，质量分数为50%-80%；
所述氢氧化钠水溶液的质量分数为5%-30%。
6.根据权利要求4所述的含磺酸基羟丙基葫芦巴胶的制备方法，其特征在于：
步骤（2）中，所述磺化剂为3-氯-2-羟基丙磺酸钠。
7.含磺酸基羟丙基葫芦巴胶的应用，其特征在于：
所述含磺酸基羟丙基葫芦巴胶应用于压裂液的制备。
8.含有含磺酸基羟丙基葫芦巴胶的压裂液，其特征在于：
所述压裂液中包含有质量百分比为0.2%-0.4%的含磺酸基羟丙基葫芦巴胶。
9.根据权利要求8所述的含有含磺酸基羟丙基葫芦巴胶的压裂液，其特征在于：
所述压裂液中还含有：
交联剂0.3-1%；
防膨剂0.3-2%；
余量为水。
10.根据权利要求9所述的含有含磺酸基羟丙基葫芦巴胶的压裂液，其特征在于：
所述交联剂选自有机硼、有机锆或有机钛交联剂；
所述防膨剂选自氯化钾、氯化按和聚季按盐。
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