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两性瓜尔胶衍生物溶液的流变特征

发布日期:2015-04-14 11:53:51
流变性能
  瓜尔胶(guar gum)是天然高分子化合物,它是 由许多半乳糖和甘露糖单元按1 : 2比例彼此以月 (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,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[1气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 有竣甲基阴离子基团而且含有季铵阳离子基团。 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E-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+(CH3)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8.2<1〇-2111〇11-1.〇3(:12: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以上。 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1次剪切速率 (T),从最低3 S-1均衡地升至最高1312 S-1,同时记 录下相应的切力(F)数据,得到一条上行线;再由最 髙剪切速率均衡地降回到最低3 s_\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'2结果与讨论2.1 浓度的影响’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 7/a = In A: + (n - l)lnr以In77■对lnT作图得到线性相关系数/?均大于〇。 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fc和粘性指数n值图1 不同E-AMPHO-S浓度条件下试样In恥对 In 7•作图(17 t:)
  
  Fig. 1 Plots of In ija versus In r for aqueous E-AMPHO-S solutions with various E-AMPHO-S concentrations (17 "C)
  
  7)a: viscosity, T: shear rate图2 不同浓度E-AMPHOS溶液的触变性 响应(20 ■€>Fig. 2 Thixotropic response of aqueous(见表1) . T ~印关系借Ostwald-Dewaele方程得以 很好地描述且n小于1,说明在实验条件下 E-AMPHO-S水溶液表现出非牛顿流体流变性质;值随E-AMPHO-S浓度增大而增大,表明其增粘 能力随浓度增大而增强;n值随E-AMPHO-S浓度 增大而减小,则反映出溶液的剪切变稀性质随其浓 度增大而进一步增强。
  
  对浓度分别为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 ,表明此浓度下体系无明显触变 性;当溶液浓度达2. 0%时,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 kPv S-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' —般认为,触变性可以视为体系在恒温下E-AMPHO-S solutions with various concentrations (20 t)
  
  F : shear force, T: shear rate“凝胶-溶胶”之间相互转换过程的表现[5].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,Ghannam和 Esnaliw在研究另一种多糖衍生物——竣甲基纤维 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(T)下考察外加盐CaCl2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CaCl2浓度cs表1 E-AMPHO-S浓度c(g/100mL>对其溶液稠度系数ft和粘性指数n的影响(17 *C>Table 1 Effects of E-AMPHO-S concentration( c) on the consistency coefficient (k) and viscosity behavior index (n) (17)
  
  c(g • mL"1)knR20. 1%0. 0340.660.9900.3%0. 1310.590.9900. 5%0.4190.510.9920. 8%1.6620. 390. 9981,0%4. 2240.310.9991.5%15. 5620. 220.9992. 0%36. 2410. 150.9993 03.13.23.33.43.51〇3 r-l/K-l图S 不同温度下2.0% E-AMPHO-S溶液的lniyo 对i/r作图Fig. 5 Plot of intfo versus (1/ T) for aqueous 2.0% E-AMPHO-S solution at various tempera¬tures2.3 温度的影响零切粘度(%)是聚合物溶液流变性的重要表 征量•选用Spencer-Dillon经验公式[81的对数形式 In 77, = In 7j〇 - 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 lnr。•在此基础上,用所求ln7。对温度的倒数作图 (见图5),发现In项与1/ r有较好的直线关系,符 合 Arrhenius 公式[ie]:7)〇 = B* exp( EJ RT)
  
  式中及为气体常数,&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   . % 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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