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两性瓜尔胶衍生物溶液的流变特征

发布日期:2015-01-28 11:39:11
两性瓜尔胶衍生物溶液的流变特征和瓜尔胶衍生物
两性瓜尔胶衍生物溶液的流变特征
两性瓜尔胶衍生物溶液的流变特征,借助旋转枯度计研究一种两性瓜尔胶衍生物(E-AMPHOS)溶液的流变特征,考察了衍生物浓度■外加 盐和温度对E-AMPHO-S溶液流变性能影响.发现在实验条件下.E-AMPHO-S溶液呈非牛顿流体特征,具有 剪切变稀特性;随改性瓜尔胶浓度增大,E-AMPHO-S溶液具有增强的触变性质;在…定浓度盐溶液中, E-AMPHO-S可表现出明M的反聚电解质港液粘性行为;E-AMPHO-S溶液的零切粘度可由Spcncer-DiUon方程 外推得出,其与温度的依赖关系服从Arrhenius公式.
瓜尔胶(guar gum)是天然高分子化合物,两性瓜尔胶衍生物溶液的流变特征,它是 由许多半乳糖和甘露糖单元按1 : 2比例彼此以办 (1-4)苷键连接而成的多糖巨分子,主要产于印 度、巴基斯坦以及美国.自问世以来,两性瓜尔胶衍生物溶液的流变特征,瓜尔胶及其 衍生物就一直作为性能优良的增稠剂而被广泛地 用于石油开采、涂料、化工、医药、建筑、食品和个人 卫生保健等领域
E-AMPHO-S是美国Economy化学公司最近开 发出的一种两性瓜尔胶衍生物,其分子链上不仅含 有羧甲基阴离子基团而且含有季铵陌离子基团. 与非离子、阴离子或阳离子型改性瓜尔胶相比,其 溶液性质较为独特.本文首次报导两性瓜尔胶浓 度、外加盐和温度对其溶液流变性能的影响,以期 为E-AMPHO-S的实际应用提供依据.
1实验部分 1.1原料与试剂
两性瓜尔胶&AMPHO-S:美国ECONOMY公 司产品,用德国Elementar公司Vario EL元素分析仪 测得其中N元素含量为0. 759% ,由此求得季铵阳 离子基团-N*(CH»)3C1-含量为 5,42xl0_4mol ‘ g」;用VARLAN公司CARY100型紫外可见分光 光度计对其中阴离子基团-COOH进行定量分析, 发现其含量为aZxlOdmoPg-1. CaCk化学纯, 广州化学试剂厂.
1.2流变参数和触娈性考察
为保证E-AMPHO-S充分溶解,测试前所有样 品溶液均放置在磁力搅拌机上搅拌溶解2 h以t . 测试时,使用德国Rheotest 2-50HZ-Typ RV2旋转粘 度计测定试样溶液在不同条件(浓度、温度、外加 盐)下的流变参数.当进行触变性考察时,在该旋 转粘度计中以每隔20 s时间增加〗次剪切速率 (T),从最低3 S-1均衡地升至最高1M2 s'同时记 录下相应的切力(F)数据,得到一条上行线;再由最 高剪切速率均衡地降回到最低3同时记录下降
低切速过程中的切力数据,得到一条下行线;以上 行线和下行线是否重合,判定溶液是否具有触变 性;若上行线和下行线不重合成为一个月牙形圈即 “滞后圈”,则说明体系具有触变性并可用此圈的面 积衡量其大小w.
2结果与讨论
2.1浓度的彩响’
配制不同浓度的E-AMPHO-S水溶液,在不同 剪切速率(T)下测定各种溶液的表观粘度(%),依 据Ostwald-Dewaele方程的对数形式 In TJ, = In 左 + (n - 1)1DT
以In &对InT作图得到线性相关系数/?均大于0. 99 的一组直线(见图1),并由这些拟合直线的斜率和 截距分别求得相应的稠度系数A和粘性指数n值。
对浓度分別为1.0%、2.0%和3, 0% (g • mL-1, 下同)的两性瓜尔胶E-AMPHO-S水溶液进行触变 性考察,结果见图2.对于1.0%溶液,其上行和下 行流变曲线几乎接近重合,所计算出的滞后圈面积 仅为1.9 kPa^-1,表明此浓度下体系无明显触变 性;当溶液浓度达2. 0%时,两性瓜尔胶衍生物溶液的流变特征,试样溶液的上行和下行 流变曲线已呈现出月牙形圈,相应滞后圈的面积为 8. 5 kPai-1,说明体系此时已开始出现一定程度的 触变性;而当溶液浓度达3. 0%时,考察样品溶液已 具有明显的触变性质,此时滞后圈的面积高达32. 6 kPa-s-i. —般认为,触变性可以视为体系在恒温下 “凝胶-溶胶”之间相互转换过程的表现|3|_当两性 瓜尔胶E-AMPHO-S浓度增加时,相互缠绕的多糖 大分子链便容易在静止情况下通过其分子链上正 负电荷基团静电相互作用和其它分子间相互作用 产生物理交联,导致凝胶形成.而当外切力(f)作 用于体系时,已形成的平衡物理交联网络则被破坏 使得其分子链能相对自由地活动而成溶胶状态. 这种体系触变性依赖于浓度的现象,Ghamam和 Esnallu]在研究另一种多糖衍生物——羧甲基纤维 素的溶液流变性能时也曾被发现.事实上,若将两 性瓜尔胶E-AMPHO-S用作钻井泥浆、强化采油、水 性涂料和油墨之类增稠剂时,体系良好的触变性将 有利于其实际应用.
2.2 盐的影响
固定两性瓜尔胶溶液浓度为1. 0%,在不同剪 切速率(r)下考察外加盐CaCL对溶液粘度性能的 影响,结果见图3.有趣的是,在考察外加盐浓度范 围内E-AMPHO-S溶液的粘度随外加CaCh浓度c,(g/I00 mL)的增大不但不降低,结果反而升髙,表 现出明显的反聚电解质溶液特性|6].究其原因,主 要是外加盐破坏了 E-AMPHO-S分子链上因羧甲基 阴离子基团和季铵阳离子基团相互作用形成的内 盐键,增强了 E-AMPHO-S分子与溶剂之间的相互 作用能力而使其分子链变得较自由和舒展所致_ Zhang等[7"«在对不同两性纤维素接枝共聚物溶液性 质研究时,亦证实了与上述类似的盐响应特性.这 些规律不同于外加盐对普通多糖类聚电解质溶液 性能的影响规律.在通常情况下,外加盐常使阴离 子或阳离子多糖衍生物溶剂化作用变差,两性瓜尔胶衍生物溶液的流变特征,导致沉淀 失效w .由此可见,两性瓜尔胶在盐溶液中有较强 耐盐能力这一特性将便其具有另一应用优势-
对F作图
Fig, 4 Plot of lniy8 versus F for aqueous
2,0% E-AMPHO-S solution at various temperatures
2.3温度的彩响
零切粘度(印)是聚合物溶液流变性的重要表 征量.选用Spencer-Dillon经验公式181的对数形式 \mfu = \n7jQ - F/ b
对2. 0%的E-AMPHO-S溶液在不同温度下的有关 实验数据进行回归分析(见图4),发现所有数据的 拟合关系良好,并从中求得对应浓度和温度下的 In在此基础上,用所求In %对温度的倒数作图
(见图5),发现In项与1/ T有较好的直线关系,符 合 Arrhenius 公式
r^〇= B-exp(E,/ RT)
式中if为气体常数,■&为粘流活化能;同时,从图 5中有关直线斜率求得2. 0% E-AMPHO-S溶液的 为7. 96 kJ • mol'这些事实表明,零切粘度对 温度具有依赖关系,且随温度升高而降低.
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