NO844527L - Fremgangsmaate til rask opploesning av polymere forbindelser i vann. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører vannløselige polymere forbindelser, og spesielt en fremgangsmåte for rask opp-løsning av slike polymerer i vann.

Anvendelse av oppløsninger av vannløselige polymere for--bindelser ved fortykkning og flokkulering er velkjent. Slike anvendelser innbefatter klaring av vandige opp-løsninger ved papirfremstilling, og behandling av kloakk og industriavfall. Slike polymeroppløsninger er også nyttige som stabilisatorer for borremudder, og ved sekun-dær utvendig av petroleum ved vannflytning.

Selv om disse polymere forbindelsene som oftest er kommersielt tilgjengelige som pulver eller finfordelte faste stoff, anvendes det som oftest i vandige oppløsninger. Dette nødvendiggjør at det faste polymermaterialet opp-løses i vann. Selv om de forskjellige polymere forbindelser er mer eller mindre oppløselige i vann, oppstår det ofte problemer ved fremstillingav vandige polymeroppløsninger fordi oppløsningen skjer langsomt og den faste polymeren ikke er lett dispergerbar i vann.

Videre hindres dispersjonen av faste polymere forbindelser i vann ved forbindelsenes tendens til å danne klumper eller til å forbli i agglomerert form i kontakt med vann. Det dannes øyeblikkelig klumper av polymere forbindelser ved innkopling av uoppløste faste stoff i en ytre hinne av fuktet polymer som forsinker inntrengningen av vann i agglomeratet. Selv om mange av disse klumpene eventuelt oppløses ved fortsatt risting er ofte upraktisk å riste oppløsningen i tilstrekkelig lang tid til å oppnå full-stendig oppløsning.

De nevnte problemene beskrives i US-patentene Re. 28,474 og Re. 28,567.

De ovenfornevnte patenter beskriver en fremgangsmåte for rask oppløsning av vannoppløselige polymerer hvor en polymerforbindelse dispergeres i en vann-i-oljeemulsjon, og emulsjonen inverteres deretter i vann slik at polymeren frigjøres i oppløsningen. I disse patentene anvendes et olje-til-vannforhold mellom 5:1 og 1:10.

Ifølge de nevnte patenter kan emulsjoner som inneholder dispergert mellom 5 og 75 vekt-% polymere forbindelser fremstilles og inverteres i en vandig oppløsning. Det er imidlertid i praksis funnet at den øvre grensen for poly-merinnholdet i en emulsjon som fremstilles ved den nevnte fremgangsmåten er mye lavere enn 75 vekt-%, og ligger van-ligvis i området 10-35 vekt-%, avhengig av egenskapene for den spesielle emulsjonen.

Videre kreves det ved de systemer som beskrives i de nevnte patenter i praksis betydelige mengder (f.eks. 20 vekt-% eller mer, basert på olje) av et emulgeringsmiddel i olje/vann/polymeremulsjonen for å oppnå et stabilt produkt.

Det er et formål med foreliggende oppfinnelse å overvinne et eller flere av de nevnte problemer.

Ifølge foreliggende oppfinnelse oppløses vannoppløselige polymerer eller gummityper, eller blandinger av slike, raskt i vann ved en fremgangsmåte som innbefatter følgende trinn: (a) dispergering av partikler av polymeren eller gummien i en ikke-vandig væskeformet bærer hvor polymeren eller gummien er uoppløselig, slik at det dannes en suspensjon, og (b) tilsats av suspensjonen til vann under omrøring slik at polymeren frigjøres i vann som diskrete partikler som lett oppløses.

Suspensjonen kan tilsettes til vann i nærvær av et emulgeringsmiddel eller et overflateaktiyt middel. Alterna-tivt kan et emulgeringsmiddel tilsettes til den flytende bæreren før tilsats av polymeren eller gummien. Den væskeformede bæreren kan være oppløselig eller uoppløselig i vann.

Partiklene av den polymere forbindelsen eller gummien fremstilles ved en findelingsprosess som ikke nedbryter molekylstrukturen i polymeren eller gummien. Svært lave konsentrasjoner av emulgeringsmiddel og/eller overflateaktivt middel, eller ikke noe innhold av disse kompon-entene, er påkrevet for å tilveiebringe et stabilt produkt.

Vannoppløselige polymere forbindelser er velkjente og er beskrevet i tallrike publikasjoner og patenter. De innbefatter, men er ikke begrenset til, naturlig forekomne galaktomaniske gummiarter som f.eks. guar og johannes-brødgummi, alginatsalter, biologisk fremstilte polymerer (f.eks. Santangummi), polyetylenoksyder, vannoppløselige kondensasjonspolymerer, og vinyladdisjonspolymerer som f.eks. polyakrylamider og kopolymere derivater av akryl-amid med f.eks. akrylsyre-, maleinanhydrid-, akryloni-tril-, stryren-, allyl- eller diallyl-aminer eller dime-tylaminoetylmetakrylat (DMAEM). Slike polymerer kan være ikke-ioniske, anioniske eller kationiske.

Gummiartene er velkjente vannoppløselige polymerer, og innbefatter de som beskrives i bind 10 av Encyclopedia of Chemical Technology, 2. utgave, Interscience Publishers, 1966.

Molekylvekten for de polymere forbindelsene som er beskrevet ovenfor varierer innen et visst område, f.eks. mellom ca. 10 000 - 25 000 000, og molekylvekten er ikke en kritisk parameter i oppfinnelsen. Oppfinnelsen har størst anvendelse ved fremstilling av vandig oppløsninger eller dispersjoner av disse polymere forbindelsene og er spesielt nyttig for akrylamidpolymerer, med molekylvekter som er større enn 1 mill.

Polymerer som har relativt høye molekylvekter kunne ved tidligere teknikk vanskelig oppløses i vann og gå ofte ekstremt viskøse oppløsninger ved relative lave konsentrasjoner. De polymere forbindelsene kan fremstilles ved en hvilken som helst egnet fremgangsmåte for gjennomføring av polymeriseringsreaksjoner. Dvs. at oppløsnings-, suspensjons- eller emulsjons-polymeriseringsteknikker kan anvendes .

Betegnelsen "polymer" slik den benyttes her skal innbe-fatte polymerer eller gummiarter som er oppløselige i vann i betydelig grad. De polymere forbindelsene er faste, men kan ha et betydelige vanninnhold.

Oppfinnelsen kan gi rask fremstilling av vandige oppløs-ninger av vannoppløselige syntetiske eller naturlige polymere forbindelser som har polymerkonsentrasjoner i området 0,1-10 vekt-%, med fortrukne konsentrasjoner i området 0,2-2,0 vekt-%.

Hastigheten for oppløsning av polymere forbindelser i vann er en funksjon av overflateareal og, følgelig, av par-tikkelstørrelse. Polymere forbindelser fremstilt ved de fleste fremstillingsprosesser foreligger i form av pulvere eller klumpformede aggloremater. Store partikkel-størrelser nedsetter problemene ved behandling og støving og reduserer dannelsen av gelpartikler ved oppløsning i vann. Store partikkelstørrelser øker imidlertid oppløs-ningstiden når tørre partikler tilsettes direkte til vannet.

Det er derfor ønskelig at partiklene er nedknust ved maling, sliping eller oppdeling slik at de har stort overflateareal som fremmer rask oppløsning når polymerpartiklene bringes i kontakt med vann. Den foretrukne par-tikkelstørrelsen for polymeren eller gummien bestemmes av den ønskede forbedring i oppløsningshastighet i vann, og vil generelt være mindre enn 100 ym og fortrinnsvis mindre enn 70 ym. Små partikkelstørrelser bedrer også suspensjonens stabilitet.

Mange av de polymere forbindelser som fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen er velegnet for utsettes for molekylær nedbrytning ved den varmen som genereres under nedknusningen. For slike varmefølsomme polymerforbindelser kan nedknusning uten molekylær nedbrytning oppnås ved krygen-maling, som f.eks. ved bruk av karbondioksyd eller flytende nitrogen for å redusere temperaturen av den polymere forbindelsen før og/eller under nedmalingsprosessen. Visse polymere forbindelser som blir plastiske eller kleb-rige ved temperaturer som utvikles ved nedmalingsprosesser ved værelsestemperatur kan også dra fordel av kryogennedmaling.

Slike kryogene fremgangsmåter anvender pulveriseringsut-styr som f.eks. en apparatur tilgjengelig under betegnelsen "MikroPul". Nedknusningsutstyr som anvender en skjærevirkning, som f.eks. en apparatur som er tilgjengelig under betegnelsen "Comitrol" kan benyttes for ytter-ligere reduksjon av partikkelstørrelsen i polymersuspensjonen. Fremgangsmåten og utstyret for nedknusningen velges slik at polymeren beskyttes mot betydelig molekylær nedbrytning, og slik at den ønskede oppløsningshastighet oppnås når polymersuspensjonen tilsettes vann under om-røring.

Fra et kommersielt synspunk er det fordelaktig at suspensjonen av polymeren er stabil slik at risting av den lagrede suspensjon ikke er påkrevet, eller bare kreves i liten grad, og at polymerkonsentrasjonen er så høy som mulig for å redusere fraktkostnaden. Suspensjoner med opptil 70-75 vekt-% polymere faststoff kan fremstilles ifølge foreliggende oppfinnelse, avhengig av partikkel-størrelse, bærerviskositet og den effektsuspensjon- eller dispersjonsmidler har på suspensjonens viskositet. Det foretrukne området for innholdet av polymere faststoff i suspensjonen er ca. 50-70 vekt-%. Suspensjonens stabilitet bedres ved relativt fin nedknusning av polymeren eller gummien og ved å anvende en flytende bærer med høy viskositet. I tillegg kan bæreren behandles med egnede kjente fortykknings-, dispersjons-, suspensjons- eller viskositetsmodifiserende-midler.

En spesielt velegnet fremgangsmåte for å øke stabiliteten med hydrokarbon og lydbærere er å tilsette et olje-i-vannemulgeringsmiddel som f.eks. isooktylfenoksypoly-etoksyetanol som er tilgjengelig under betegnelsen "Triton X-100". Når dette olje-i-vannemulgeringsmidlet tilsettes til en hydrokarbonbærer har det en dobbel funksjon ved at det øker suspensjonens stabilitet og emulgerer hydrokar-bonet i vannet hvor polymeren senere oppløses, derved akslereres oppløsningen av polymeren ved at olje-frie polymeroverflater eksponeres mot vannet.

Polymeren må ikke være oppløselig i den flytende bæreren, og bæreren bør være hoveksaklig vannfri. Den flytende bæreren kan imidlertid være enten løselig eller uløselig i vann.

Siden den flytende bæreren er hovedsaklig vannfri, dannes ikke en vann-i-ol jeemuls jon, i motsetning til ved den tidligere nevnte fremgangsmåten ifølge Re. patenene 28,474 og 28,576. Selv om den faste polymerforbindelsen kan ha et betydelig vanninnhold gir dette vanninnholdet ikke dannelse av en vann-i-oljeemulsjon.

Egnede hydrokarbonoljebærere innbefatter men er ikke begrenset til, parafinbaserte oljer som f.eks. "LOPF" (low order paraffin solvent) og "FAXAM". "ISOPAR M", et deodo-rert isoparafinmateriale med høy renhet, er også velegnet, på samme måte som hydrokarbonvæskene beskrevet i de nevnte patentene Fe. 28,474 og 28,576.

Vannløselige eller vanndispergerbare bærere hvor polymeren er uoppløselig under praktiske betingelser kan også benyttes til fremstilling av polymersuspensjoner. I tilfeller hvor den væskeformede bæreren er vannoppløselig trenge ikke noe overflateaktivt middel. Eksempler på slike bærere innbefatter, men er ikke begrenset til, høyere alkoholer, glykoler og glykoletere.

Når en polymerholdig suspensjon av den typen som her beskrives dispergeres i vann vil polymeren raskt oppløses i vannet. Den polymerholdige suspensjonen vil gi en vann-oppløsning på svært kort tid sammenlignet med den tiden som kreves for å oppløse den konvensjonelle faste formen av polymerforbindelsen.

Den polymerholdige suspensjonen kan dispergeres i vann ved en hvilken som helst fremgangsmåte. Når det benyttes en vann-uløselig bærer er den mest hensiktsmessige fremgangsmåten å benytte et overflateaktivt middel som er tilstede enten i den polymerholdige suspensjonen eller i vannet hvor polymeren skal oppløses. Det overflateaktive middel forårsaker at bæreren raskt emulgeres i vannet (under dannelse av en olje-i-vannemulsjon), derved fremskyndes dannelsen av vandig oppløsning av polymerforbindelsen. Når denne teknikken benyttes for å invertere den polymerholdig suspensjonen til en vandig oppløsning er det overflateaktive middel tilstede i vannet i en mengde som varierer fra 0,01% til 30% basert på polymermengden. God omvandling finner ofte sted innen området fra 1,0 til 8% basert på bærermengden.

De overflateaktive midler som foretrekkes for bruk med en polymersuspensjon i en flytende hydrokarbonbærer er hydro-file og vannløselig. En hvilken som helst anionisk, kat-ionisk eller ikke ionisk hydrofilforbindelse kan benyttes som overflateaktivt middel selv om det er best å velge et middel vil ioneegenskaper ikke reagerer med de for polymeren i oppløsningen.

I tillegg til å benytte vannløselige overflateaktive midler med hydrokarbonbærere kan andre overflateaktive midler benyttes som f.eks. silikoner, leirer o.l. siden de visse tilfeller vil emulgere en hydrokarbonbærer selv om de selv ikke er vannløselige.

For å benytte denne fremgangsmåten kan forskjellige poly-merf orbindelser kombineres i en enkeltsuspensjon slik at når polymeren i suspensjonen oppløses i vann som en ko-oppløsning forbedres den tekniske oppførselen av bland-ingen. Slike kombinasjoner innbefatter, men er ikke begrenset til, ikke-ionisk polyakrylamid med enten anioniske eller kationiske polyakrylamidkopolymerer, anionisk poly-akrylamidkopolymer med biopolysakkarid, polyetylenoksyd med ikke-ionisk polyakrylamid, polyetylenoksyd med kationiske eller anioniske polyakrylamidkopolymerer, eller biopolysakkarid med kalaktomaniske gummiarter.

Eksempler

Eksempel 1- 26

For å illustrere oppfinnelsen er eksemplene 1-26 sammen-fattet i tabellen nedenfor. Det blir fremstilt en rekke suspensjoner som inneholdt forskjellige vannløselige polymere forbindelser og gummiarter ved bruk av forskjellige typer væskeformede bærere. Suspensjonen ble så overført til polymeroppløsninger ved bruk av forskjellige overfør-ingsteknikker og tiden for oppløsning av polymeren ble sammenlignet med den tid som krevdes for oppløsning av den tørre polymerforbindelsen eller gummien i kommersielt tilgjengelig tilstand. I alle tilfeller ble det observert en betydelig reduksjon i oppløsningstid, og de vanlige problemene som er forbundet med behandling og dispergering av tørre polymerforbindelser eller gummityper var eliminert.

I de eksemplene hvor den væskeformede bæreren var en hydrokarbonolje var hydrokarbonoljen en blanding som be-stod av nr. 2 dieselolje (50%) og "FAXAM 22" (50%).

("FAXAM 22" er en universal parafinbasert olje). I de eksemplene hvor et overflateaktivt middel var tilstede var det overflateaktive middel Triton X-100 og var tilstede i suspensjonen eller vannet i en mengde som var beregnet slik at den ga et innhold av overf lateaktivt middel på 2 vekt-% beregnet på basis av produktet. Når et emulgeringsmiddel ble benyttet var emulgeringsmidlet Triton X-100, og var tilstede i suspensjonen i en mengde beregnet slik at det ga en konsentrasjon av emulgeringsmiddel på ca. 2 vekt-%, basert på suspensjonen.

I eksempel 26 ble det tilsatt en liten mengde (ca. 1 vekt-%, basert på suspensjonen) "Bentone SD-1" (et leir-formet dispergeringsmiddel) til suspensjonen for å øke stabiliteten.

Alle prosentdeler av bærer og polymerforbindelsereller gummi er basert på den totale suspensjonen. I hvert til-felle ble tilstrekkelig suspensjon blandet med vann til å gi en polymerkonsentrasjon i en vandig oppløsning på ca. 0,2 vekt-%.

Eksempel 27

En prøve av tørr polyakrylamid (partikkelstørrelse 400-800 m) ble oppløst direkte i vann ved risting slik at det ble dannet en oppløsning med konsentrasjon 0,15 vekt-%. Oppløsningen krevde blanding i 75 min. Oppløs-ningens viskositet ble målt til 23,6 eps.

To prøver av polymerforbindelse fra samme sats ble nedmalt til 70 m ved bruk av henholdsvis en kryogenprosess og en nedmalingsprosess ved værelsestemperatur ved hjelp av en luftklassifiseringsmølle (ACM). Begge de nedmalte prøvene ble suspendert i en hydrokarbonolje som inneholdt overflateaktivt middel og overført i vann, ifølge fremgangsmåten i eksempel 4. Begge prøvene ble oppløst på mindre enn 10 min. Vandige polymeroppløsninger (0,15 vekt-% polymerforbindelse) av de to prøvene hadde viskositeter på 24,2 eps (kryogennedmaling) og 14,2 eps (nedmaling ved værelsestemperatur).

Dette eksemplet viser en fordel ved kryogennedmaling sammenlignet med molekylært destruktiv nedmaling ved værelsestemperatur.

Claims (22)

1. Fremgangsmåte til rask oppløsning av vannoppløselige poly-merf orbindelser eller gummi i vann, karakteri sert ved at den innbefatter trinnene: (a) fremstilling av fine partikler av polymerforbindelsen eller gummien ved nedmaling av polymereren eller gummien under betingelser som ikke gir molekylær nedbrytning; (b) dispersjon av partiklene i en i det vesentlig vannfri flytende bærer hvor polymerforbindelsen eller gummien er tilnærmet uløselig slik at det dannes en suspensjon; og (c) suspensjonen tilsettes vann med tilstrekkelig omrøring til å dispergere og raskt oppløse partiklene i vannet.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at den flytende bæreren er en hydrokarbonolje og at hydrofilt emulgeringsmiddel er tilstede i suspensjonen eller i vannet hvor polymerforbindelsen eller gummien skal oppløses, slik at det dannes en olje-i-vannemulsjon i trinn l(c) som fremmer rask oppløsning.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at partiklene er uoppløselige i den flytende bæreren, og den flytende bæreren er oppløselig og lett dispergerbar i vannet hvor suspensjonen tilsettes.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at polymerforbindelsen eller gummien utgjør mellom ca. 10 og ca. 70 vekt-% av suspensjonen.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at et suspensjons- eller dispersjons-middel er tilstede i den væskeformede bæreren.

6. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at polymerforbindelsen eller gummien innbefatter en blanding av en eller flere polymerforbindelser og en eller flere gummityper.

7. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at størrelsen av partiklene er mindre enn ca. 70 y.

8. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at findelingstrinnet utføres ved hjelp av kryogennedmaling .

9. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at partiklene i det vesentlige er uoppløselige i den flytende bæreren og den flytende bæreren er oppløselig i vann.

10. Fremgangsmåte ifølge krav 9, karakterisert ved at polymerforbindelsene eller gummien utgjør mellom ca. 10 og ca. 70 vekt-% av suspensjonen.

11. Fremgangsmåte ifølge krav 9, karakterisert ved at polymerforbindelsen eller gummien innbefatter en blanding av en eller flere polymere forbindelser og en eller flere gummityper.

12. Fremgangsmåte ifølge krav 9, karakterisert ved at størrelsen av partiklene er mindre enn 70 y.

13. Fremgangsmåte ifølge krav 9, karakterisert ved at findelingstrinnet utføres ved hjelp av kryogennedmaling.

14. Fremgangsmåte til rask oppløsning av en polyakrylamidpoly-mer i vann, karakterisert ved at den innbefatter følgende trinn: (a) fremstilling av fine partikler av polyakrylamidpoly-meren ved at polymerforbindelsen nedmales under kryogene betingelser; (b) dispersjon av partiklene i en i det vesentlige vannfri flytende bærer hvor polymeren er tilnærmet uoppløselig slik at det dannes en suspensjon; og (c) suspensjonen tilsettes til vann med en tilstrekkelig blanding til å dispergere og raskt oppløse partiklene i vannet.

15. Fremgangsmåte ifølge krav 14, karakterisert ved at den flytende bæreren er en hydrokarbonolje og at et hydrofilt emulgeringsmiddel er tilstede i suspensjonen eller i vannet hvor polymeren skal oppløses, slik at det dannes en ol je-i-vannemuls jon i trinn l(c) som fremmer raskt oppløsning.

16. Fremgangsmåte ifølge krav 14, karakterisert ved at partiklene er. uoppløselige i den flytende • bæreren, og den flytende bæreren er oppløselig og lett dispergerbar i vannet hvor suspensjonen tilsettes.

17. Fremgangsmåte ifølge krav 14, karakterisert ved at polymeren utgjør mellom ca. 10 og ca. 70 vekt-% av suspensjonen.

18. Fremgangsmåte ifølge krav 14, karakterisert ved at et suspensjons- eller dispersjons-middel er tilstede i den flytende bæreren.

19. Fremgangsmåte ifølge krav 14, karakterisert ved at størrelsen av partiklene er mindre enn ca.

70 m.

20. Fremgangsmåte ifølge krav 14, karakterisert ved at polymeren i det vesentlige er uoppløselig i den flytende bæreren og den flytende bæreren er oppløselig i vann.

21. Fremgangsmåte ifølge krav 20, karakterisert ved at polymeren utgjør mellom ca. 10 og 70 vekt-% av suspens jonen.

22. Fremgangsmåte ifølge krav 20 karakterisert ved at størrelsen av partiklene er mindre enn ca.

70 y m.