CN113527719B - 一种基于废铬革屑的高强度纳米复合三网络水凝胶的制备方法 - Google Patents

一种基于废铬革屑的高强度纳米复合三网络水凝胶的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于废铬革屑的高强度纳米复合三网络水凝胶的制备方法。本发明采用蒙脱土作为纳米填料，以耐盐性好的聚2‑丙烯酰胺‑2‑甲基丙磺酸为第一网络，聚丙烯酰胺为第二网络，废铬革屑水解物为第三网络，制备了具有高强及一定耐温耐盐性的聚2‑丙烯酰胺‑2‑甲基丙磺酸‑聚丙烯酰胺‑废铬革屑水解物/蒙脱土纳米复合三网络水凝胶。将废铬革屑用于水凝胶的合成，不仅可以利用废铬革屑中所存在的羟基、氨基通过氢键作用形成物理交联网络，而且其存在的Cr3+可与羧基配位结合来提升水凝胶体系的交联度，同时Cr3+可稳定存在于水凝胶体系中，不会影响植物的生长。该类材料有望应用于油田堵水领域，且为废铬革屑的资源化利用提供了一条途径。

Description

一种基于废铬革屑的高强度纳米复合三网络水凝胶的制备 方法
技术领域
本发明涉及一种纳米复合三网络水凝胶的制备方法，具体涉及一种基于废铬革屑的高强度纳米复合三网络水凝胶的制备方法。
背景技术
我国大部分油田都已进入中高含水采油期，油井内含水量持续上升，已严重影响原油的产量，因此堵水处理显得尤为重要。水凝胶是一类具有物理或化学交联结构的亲水性高分子聚合物，拥有可在水中溶胀但不溶解的特性，可被应用于油田堵水领域。但传统水凝胶强度较低、耐温耐盐性较差，使得堵水效果较差，堵水作用时长较短。近年来，通过优化网络结构、引入牺牲键等，开发出了许多力学性能较高的新型凝胶体系，如：多网络水凝胶、纳米复合水凝胶等；同时在合成该高强度水凝胶时通过提升交联度及引入具体耐盐性基团的材料可获得高强及一定耐温耐盐的水凝胶体系。
双网络水凝胶包含两种相互独立的网络结构，交联度较高的第一网络为双网络水凝胶提供了刚性支架，柔性的第二网络填补于刚性网络中，由于其特有的结构，使得双网络水凝胶具有较高的强度。其中聚-2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸-聚丙烯酰胺（PAMPS-PAM）水凝胶作为双网络水凝胶中的典型代表，已被广泛研究。虽然PAMPS-PAM双网络水凝胶具有较高的力学性能和一定的耐温耐盐性，但是由于其不可逆共价键的存在，使得PAMPS-PAM水凝胶网状结构断裂时，容易造成水凝胶永久性损伤，严重缩短了其使用寿命。
三网络水凝胶是将物理或化学交联网络引入到现有的双网络水凝胶中，是合成坚韧水凝胶的另一个方向（Jing Z, Zhang Q, Liang Y, et al. Synthesis of poly(acrylic acid)-Fe3+ /gelatin/ poly(vinyl alcohol) triple-networksupramolecular hydrogels with high toughness, high strength and self-healingproperties[J]. Polymer International, 2019, 68(10): 1701-1721.），通常合成第三网络的有天然高分子（王义西.多功能三网络水凝胶的构建及在农田传感器中的应用研究[D].石河子大学，2019.）、合成高分子（刘梦涛.多重网络构筑高强度水凝胶结构与性能研究[D].郑州大学，2018.）等。在皮革工业中，会产生大量废铬革屑，如何对其进行合理化利用是目前仍需解决的问题之一。废铬革屑由胶原纤维、Cr3+及少量的杂质组成，其中胶原纤维包含羧基、氨基和羟基等活性基团，可以通过氢键作用形成物理交联网络。Cr3+可以与羧基等进行配位结合，从而在水凝胶体系中起到交联的作用（Shi W, Lu X, Hong Q, et al.Self-healing behaviors of sulfobetaine polyacrylamide /chromium gel decidedby viscosity and chemical compositions[J]. Journal of Applied PolymerScience, 2019, 136(4): 46991.），若将废铬革屑引入全化学交联的PAMPS-PAM双网络水凝胶体系中构建三网络水凝胶，可改善其容易形成永久性损伤的不足。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于废铬革屑的高强度纳米复合三网络水凝胶的制备方法，获得了一种具有高强及一定耐温耐盐性的纳米复合三网络水凝胶。
本发明所采用的技术方案为：
步骤一：PAMPS微凝胶的制备
参考专利（CN202011273495.7）微凝胶的制备过程。取0.80-1.40份2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸（AMPS）、0.05-0.07份N,N’-亚甲基双丙烯酰胺（MBA）及0.03-0.06份过硫酸钾（KPS）溶于10份水中，将其在60-65℃下反应3-4 h，制得PAMPS水凝胶，随后将该水凝胶打碎、烘干、研磨，得到PAMPS微凝胶；
步骤二：PAMPS-PAM-WLSH/MMT纳米复合三网络水凝胶的制备
取1.50-2.50份蒙脱土（MMT）置于10份水中，分散后得到MMT水分散液，随后向其加入1.00-2.00份丙烯酰胺（AM）、0.05-1.00份WLSH、0.003份MBA、0.05-0.10份KPS及0.05-0.15份PAMPS微凝胶，混合均匀后，置于50-65℃下反应3-6 h，随后在4℃下放置30 min，最终得到PAMPS-PAM-WLSH/MMT纳米复合三网络水凝胶。
本发明具有以下优点：
将废铬革屑引入全化学交联的PAMPS-PAM双网络水凝胶中，废铬革屑中存在的羟基、氨基通过氢键作用形成物理交联网络，改善了全化学交联双网络水凝胶容易造成永久性损伤的不足；且废铬革屑存在的Cr3+提升了水凝胶体系的交联度，进一步提升了水凝胶的性能。最终获得了一种具有高强及一定耐温耐盐性能的纳米复合三网络水凝胶，该水凝胶压缩强度可达70 MPa以上；在90℃及矿化度30000 mg/L的水溶液处理后其压缩强度仍有20MPa左右。
具体实施方式
蒙脱土（MMT）是一类硅酸盐材料，表面含有大量羟基，可与有机物进行复合。这类硅酸盐材料对地层中的钙镁离子具有较高敏感性，将其引入水凝胶中，进一步提升水凝胶的耐盐性。
本发明采用MMT作为纳米填料，以耐盐性好的PAMPS为第一网络，PAM为第二网络，废铬革屑水解物（WLSH）为第三网络，制备了具有高强及一定耐温耐盐性的PAMPS-PAM-WLSH/MMT纳米复合三网络水凝胶。
下面结合具体实施方式对本发明进行详细的说明。
本发明涉及一种基于废铬革屑的高强度纳米复合三网络水凝胶的制备方法。以MMT作为纳米填料，耐盐性好的PAMPS为第一网络，PAM为第二网络，WLSH为第三网络，制备具有高强及一定耐温耐盐性的PAM-PAMPS-WLSH/MMT纳米复合三网络水凝胶。具体由以下步骤实现：
步骤一：PAMPS微凝胶的制备
参考专利（CN202011273495.7）微凝胶的制备过程。取0.80-1.40份2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸（AMPS）、0.05-0.07份N,N’-亚甲基双丙烯酰胺（MBA）及0.03-0.06份过硫酸钾（KPS）溶于10份水中，将其在60-65℃下反应3-4 h，制得PAMPS水凝胶，随后将该水凝胶打碎、烘干、研磨，得到PAMPS微凝胶；
步骤二：PAMPS-PAM-WLSH/MMT纳米复合三网络水凝胶的制备
取1.50-2.50份蒙脱土（MMT）置于10份水中，分散后得到MMT水分散液，随后向其加入1.00-2.00份丙烯酰胺（AM）、0.05-1.00份WLSH、0.003份MBA、0.05-0.10份KPS及0.05-0.15份PAMPS微凝胶，混合均匀后，置于50-65℃下反应3-6 h，随后在4℃下放置30 min，最终得到PAMPS-PAM-WLSH/MMT纳米复合三网络水凝胶。
实施例1：
步骤一：PAMPS微凝胶的制备
参考专利（CN202011273495.7）微凝胶的制备过程。取0.80份2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸（AMPS）、0.05份N,N’-亚甲基双丙烯酰胺（MBA）及0.03份过硫酸钾（KPS）溶于10份水中，将其在60℃下反应4 h，制得PAMPS水凝胶，随后将该水凝胶打碎、烘干、研磨，得到PAMPS微凝胶；
步骤二：PAMPS-PAM-WLSH/MMT纳米复合三网络水凝胶的制备
取1.50份蒙脱土（MMT）置于10份水中，分散后得到MMT水分散液，随后向其加入1.00份丙烯酰胺（AM）、0.05份WLSH、0.003份MBA、0.05份KPS及0.05份PAMPS微凝胶，混合均匀后，置于50℃下反应6 h，随后在4℃下放置30 min，最终得到PAMPS-PAM-WLSH/MMT纳米复合三网络水凝胶。
实施例2：
步骤一：PAMPS微凝胶的制备
参考专利（CN202011273495.7）微凝胶的制备过程。取1.10份2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸（AMPS）、0.05-0.07份N,N’-亚甲基双丙烯酰胺（MBA）及0.04份过硫酸钾（KPS）溶于10份水中，将其在60℃下反应4 h，制得PAMPS水凝胶，随后将该水凝胶打碎、烘干、研磨，得到PAMPS微凝胶；
步骤二：PAMPS-PAM-WLSH/MMT纳米复合三网络水凝胶的制备
取2.00份蒙脱土（MMT）置于10份水中，分散后得到MMT水分散液，随后向其加入1.50份丙烯酰胺（AM）、0.07份WLSH、0.003份MBA、0.07份KPS及0.10份PAMPS微凝胶，混合均匀后，置于60℃下反应5 h，随后在4℃下放置30 min，最终得到PAMPS-PAM-WLSH/MMT纳米复合三网络水凝胶。
实施例3：
步骤一：PAMPS微凝胶的制备
参考专利（CN202011273495.7）微凝胶的制备过程。取1.40份2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸（AMPS）、0.07份N,N’-亚甲基双丙烯酰胺（MBA）及0.06份过硫酸钾（KPS）溶于10份水中，将其在65℃下反应3 h，制得PAMPS水凝胶，随后将该水凝胶打碎、烘干、研磨，得到PAMPS微凝胶；
步骤二：PAMPS-PAM-WLSH/MMT纳米复合三网络水凝胶的制备
取2.50份蒙脱土（MMT）置于10份水中，分散后得到MMT水分散液，随后向其加入2.00份丙烯酰胺（AM）、1.00份WLSH、0.003份MBA、0.10份KPS及0.15份PAMPS微凝胶，混合均匀后，置于65℃下反应4 h，随后在4℃下放置30 min，最终得到PAMPS-PAM-WLSH/MMT纳米复合三网络水凝胶。
利用上述方法可以得到基于废铬革屑的纳米复合三网络水凝胶。该方法改善了全化学交联PAMPS-PAM双网络水凝胶的不足，实现了废铬革屑的资源化利用，得到了具有高强及一定耐温耐盐的水凝胶材料，该材料有望应用于油田堵水领域。
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 (1)

1.一种基于废铬革屑的高强度纳米复合三网络水凝胶的制备方法，其特征在于由以下步骤实现，以下均为质量份：
步骤一：PAMPS微凝胶的制备
取0.80-1.40份2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸（AMPS）、0.05-0.07份N,N’-亚甲基双丙烯酰胺（MBA）及0.03-0.06份过硫酸钾（KPS）溶于10份水中，将其在60-65℃下反应3-4 h，制得PAMPS水凝胶，随后将该水凝胶打碎、烘干、研磨，得到PAMPS微凝胶；
步骤二：PAMPS-PAM-WLSH/MMT纳米复合三网络水凝胶的制备
取1.50-2.50份蒙脱土（MMT）置于10份水中，分散后得到MMT水分散液，随后向其加入1.00-2.00份丙烯酰胺（AM）、0.05-1.00份WLSH、0.003份MBA、0.05-0.10份KPS及0.05-0.15份PAMPS微凝胶，混合均匀后，置于50-65℃下反应3-6 h，随后在4℃下放置30 min，最终得到PAMPS-PAM-WLSH/MMT纳米复合三网络水凝胶。
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