羟丙基瓜尔胶生产配方优化

瓜尔胶来自草本植物瓜尔豆的内胚乳, 是一种天然的绿色产品, 具有特殊的物化性能, 可能做增稠剂、乳化剂、分散悬浮剂、保水剂及凝胶剂、其应用于油田、造纸、医药、生活日用品、食品、纺织、水处理, 采矿炸药等诸多领域。原粉胶溶解较慢、水不溶物含量高, 粘度不易控制, 人们常利用化学手段改变其理化特性以满足实际工业生产需求。羟丙基相转移催化法是主要的改性方法, 但在降低水不溶物含量同时保持较高粘度之间存在矛盾。近年来羟丙基瓜尔胶作为油田压裂液的增稠剂得到广泛应用,

一、实验部分

1. 实验基本思路与合成路线设计

本次反应是环氧丙烷与瓜尔胶分子结构中单糖分子上的活性羟基反应, 生产羟基瓜尔胶:Guar~OH+nc3H6O→[Guar-O-CH2CHOHCH3]n

为实现这一过程, 有两大问题需要考虑:

(1) 为使该反应能够进行, 应以碱为催化剂, 通过脱质子化反应, 使瓜尔胶分子中的羟丙瓜尔胶活化, 使醚化反应得以进行:

反应过程并不消耗碱, 所以碱只是起到催化剂的作用。

(2) 环氧丙烷与瓜尔胶反应属于固-液非均相反应。反应中, 瓜尔胶作为固相悬浮液在体系中, 无极催化剂氢氧化钠与醚化剂环氧丙烷则以溶液的形态存在。为使反应易于进行, 本试验采用相转移催化剂可穿过两相界面把发应物从一相转化到另一相中去。

2. 试验用料

瓜儿胶片四乙基溴化铵99%烧碱冰醋酸环氧丙烷

3.

羟丙基瓜尔胶的制备过程将胶片300kg、催化剂1kg、烧碱13kg投入到反应器中, 检查不漏的情况下, 抽真空加入125kg水 (加水后半小时开始加环氧丙烷) , 膨胀0.5小时, 后开始分次加PO总计加量28kg) , 每次不高于+0.06MPa, 不低于+0.03MPa, 反应阶段釜温保持在70±1℃, PO加完后加酸调PH值为7, 出料后碾压、粉碎。打包。

4.

按SY/T5764-2007标准检测羟丙基瓜尔胶粉的含水率、粘度、水不溶物。

二、结果与讨论

1. 反应温度的影响

反应温度是影响羟丙基瓜尔胶 (HPG) 性能的主要因素, 反应温度低, 物料反应不彻底, 反应温度过高, 反应过快, 局部反应彻底, 通过反应调试, 寻求最佳反应温度, 其对HPG性能的影响见图1.

在其他因素不变的情况下, 由图可知图70℃是最佳生产温度。

2. 滴定方式

环氧丙烷与瓜尔胶中单糖分子上的活性羟基反应, 生成羟丙基瓜尔胶, 环氧丙烷滴定分为连续性与间歇性, 通过试验, 对比两种滴定方式对产品性能的影响。

通过上表, 可以看出间歇滴定优于连续滴定。

3. 环氧丙烷用量对HPG性能的影响

改性瓜尔胶的一个重要指标是取代度, 从瓜尔胶的结构式中看出, 其最大取代度为3, 通常将取代度控制在小于1的范围。环氧丙烷 (PO) 量增加, 有效地降低水不溶物, 同时也降低了粘度, 但水不溶物不明显, 而产物的粘度不断下降, 环氧丙烷对HPG性能的影响见图2.在其他因素不变的情况下, 由图2可知28Kg是PO最佳用量。

4. 水量对HPG性能的影响

在反应物中加入一定量的水, 以保证瓜尔胶片适当膨胀, 增加环氧丙烷与其反应面积, 量少无法使瓜尔胶片很好膨胀, 量大会影响粘度、水不溶物。其对HPG性能的影响见图3.

图3在其他因素不变的情况下, 由图3可知加水量125Kg是最佳用量

5. 烧碱用量对HPG性能的影响

烧碱在反应中除了起催化剂作用之处, 还可能使瓜尔胶水解和断链, 其表现为产物粘度的降低。为此, 研究烧碱用量对HPG影响见图4.在其他因素不变的情况下, 由图4可知加烧碱13Kg是最佳用量

6. 酸用量对HPG性能的影响

PH值反应了在分散剂中氢氧根的浓度, 而加入冰醋酸就是要中和反应物料中, 氢氧根离子。酸加入量过少, 反应料发黄, 粘度过低。随着酸量增加反应料开始泛白, 粘度增高, 溶解度降低。由图5可知生产最佳酸量为14Kg.

7.

催化剂对HPG的影响相转移催化剂用量对产品性质的影响见图6表明催化剂四乙基溴化铵用量为1kg较为合适。

结论

以四乙基溴化铵为催化剂, 采用相转移催化法合成了羟丙基瓜尔胶, 得出了以下结论:

1.相转移催化法合成羟丙级瓜尔胶量最佳条件:瓜尔胶300kg、环氧丙烷28kg、催化剂1kg、烧碱13kg、冰醋酸14kg、反应温度70℃;

2.性能测定结果表明, 所制备的羟丙基瓜尔胶粘度高, 溶解速度、水不溶物含量、胶体透明度和稳定性等均优于瓜尔胶粉。

摘要：以四乙基溴化铵为催化剂, 采用干式合成羟丙基瓜尔胶, 研究了碱化、相转移催化剂、酸量、反应时间、滴定方法的作用, 得出最佳合成条件:瓜儿胶片300kg、环氧丙烷28, 四乙基溴化铵1kg、烧碱13kg、冰醋酸14kg、反应温度70℃, 反应时间3-4小时。性能测定结果表明, 所制备的羟丙基瓜尔胶粘度高、溶解速度快、水不溶物含量低、胶体透明度和稳定性等均明显优于瓜尔胶原粉。

关键词：瓜儿胶片,羟丙基瓜尔胶,化学改性,向转移催化剂