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类水滑石/阳离子淀粉分散体系的吸附及流变学研究

李燕  
【摘要】: 分散体系的吸附和流变性是胶体与界面化学领域的传统研究内容,但由于其复杂性,至今一些基本问题还不清楚。例如,本课题组在研究类水滑石(HTlc)/粘土分散体系触变性时,除正触变性和负触变性外,还发现了一种新触变现象,称为复合触变性。目前对复合触变现象的认识还很肤浅,对其机理更知之甚少。本文以带结构正电荷的HTlc为模型固体胶粒,以带正电荷的阳离子淀粉(CS)为模型聚合物,研究了聚合物-固体颗粒分散体系的吸附、粘弹性和触变性,主要目的是考证复合触变现象的客观存在性,了解影响触变性类型的因素及规律,探讨触变性机理。 另外,HTlc是一类新型的带结构正电荷的层状材料,HTlc和HTlc/CS分散体系在油田钻井液、强化驱油体系、医药、农药等领域均有重要的潜在应用价值。对HTlc/CS分散体系的吸附、粘弹性和触变性等基础性能的研究可为其应用提供理论依据,因而也具有重要的应用价值。 主要研究内容及结论如下。 1.Mg-Al HTlc溶胶与CS溶液的制备与表征 主要为吸附及流变性研究准备样品。 (1)采用液相共沉淀法合成了Mg-Al HTlc溶胶,平均粒径为159.8 nm,颗粒呈六角形片状,Zeta电位随pH值增加而降低,等电点pH_(IEP)=11.2。 (2)选用了两个CS样品:高取代度的CS-1和低取代度的CS-2。CS-1的取代度为0.21,分子量为5.01×10~5g/mol;CS-2的取代度为0.03,分子量为6.44×10~5g/mol。相同pH值时,CS-1的Zeta电位明显大于CS-2;二者的Zeta电位均随pH的增大而降低;CS-2的pH_(IEP)=11.7,CS-1在所研究的pH范围(4-12)内没有出现等电点。 2.CS在Mg-Al HTlc颗粒上的吸附研究 系统研究了CS在HTlc上的吸附,考察了吸附动力学、热力学及CS取代度、电解质、pH值和温度等因素对吸附的影响,探讨了吸附机理。这部分工作除可加深对吸附现象的认识外,主要目的是为后续HTlc/CS分散体系的粘弹性和触变性机理研究提供信息。 主要结论: (1)阳离子淀粉可以在带结构正电荷的HTlc上发生吸附,吸附动力学符合准一级速率方程,吸附等温线符合Langmuir等温式;pH增大和电解质的加入均可明显提高吸附量。 (2)阳离子淀粉的取代度对吸附有明显影响。取代度增大,吸附量减小。对高取代度(DS=0.21)的CS-1,吸附动力学曲线上出现一极大值后再达平衡吸附,这可能缘于CS单个分子与团簇间竞争吸附所致;温度升高,吸附量增大。对低取代度(DS=0.03)的CS-2,温度升高,吸附量减小。 (3)在所研究的条件下,CS只吸附在HTlc的表面,没有插入HTlc的层间。 3.Mg-Al HTlc/CS分散体系的线性粘弹性研究 分别研究了CS溶液及HTlc/CS分散体系的线性粘弹性,考察了CS取代度、HTlc含量、pH值、电解质和温度等因素对线性粘弹性的影响,以期加深对HTlc/CS分散体系粘弹行为和HTlc与CS相互作用机理的认识,为后续的触变性机理研究提供依据。 主要结论: (1)在线性粘弹区,CS溶液在较高浓度时可呈现以弹性响应为主,表明CS分子间可形成较强的网状结构。浓度增加,CS溶液的弹性响应增强;电解质(NaCl、CaCl_2和AlCl_3)可使CS溶液的弹性响应减弱;pH在所研究的范围内(3.5-10.5)增大,弹性响应先上升后下降,pH=7附近弹性响应最强;温度在所研究的范围内(25-65℃)升高,弹性响应略有减弱。在相同条件下,低取代度CS-2溶液的弹性响应高于高取代度CS-1溶液的弹性响应,说明CS-2分子间的相互作用比CS-1强。 (2)对HTlc/CS分散体系,随R值的增大,弹性响应先增强后减弱,表明体系的结构先增强后减弱。这是因为HTlc对CS分子的作用有两个方面,即“桥连作用”和“屏蔽效应”,前者可增强体系的结构强度,后者可减弱体系的结构强度。R值小时前者为主,R值大时后者为主。 (3)电解质、pH和温度等均对HTlc/CS分散体系的粘弹性有影响。惰性电解质(NaCl和CaCl_2)可使其弹性响应有所减弱;pH在所研究范围内(3.5-10.5)的增大,可使弹性响应先上升后下降,在pH=9左右最强;温度在所研究范围内(25-65℃)的升高,可使弹性响应略有降低。 (4)碱性条件下,AlCl_3可使HTlc/CS分散体系的弹性响应明显增强,这是因为Al~(3+)离子水解形成带负电的Al八面体多聚体,有利于体系网状结构的形成所致。含有AlCl_3的HTlc/CS分散体系的弹性响应随pH和温度的升高可明显增强。这对HTlc/CS分散体系在强化驱油等领域的应用具有重要意义。 4.Mg-Al HTlc/CS分散体系的触变性研究 分别采用稳态剪切测量法、小幅振荡剪切法和滞后环法研究了HTlc/CS分散体系的触变性,考察了影响触变类型的因素及规律,探讨了触变性机理,以期加深对触变现象的科学认识。 主要结论: (1)HTlc/CS分散体系除可呈现正触变性和负触变性外,发现在适当条件下可呈现复合触变性,这是继在HTlc/粘土(高岭土、蒙脱土)分散体系中发现复合触变性后的又一新体系,为复合触变现象的客观存在提供了新证据。 (2)参照文献报道和HTlc/CS分散体系的特性,提出了新的触变性机理。当对HTlc/CS分散体系实施高速剪切时,可导致两个效应:“剪切诱导分子簇形成效应”和“剪切诱导桥连作用降低效应”。HTlc/CS分散体系所呈现的触变性类型是这两个效应的综合结果。当剪切诱导分子簇形成效应为主时,体系将呈现负触变性;当剪切诱导桥连作用降低效应为主时,则体系将呈现正触变性;当两个剪切诱导效应对体系微观结构的影响相近时,则体系易呈现复合触变性。这个机理可很好地解释本研究的实验结果,可能适合于所有的聚合物-固体分散体系。 (3)适当浓度的CS溶液呈现负触变性,是由剪切诱导分子簇形成效应所致;电解质的加入、温度的升高及酸性或碱性条件均能减弱剪切诱导分子簇形成效应,从而使溶液负触变强度降低。 (4)HTlc/CS分散体系的触变性类型与HTlc/CS比例(R)、pH值、电解质、温度等因素有关。R在一定范围内逐渐增大,体系的触变性类型将发生“负触变→复合触变→正触变→复合触变→负触变”的转化。电解质(NaCl、CaCl_2和AlCl_3)浓度增大、温度升高、pH值增大,均易导致“复合触变→正触变”的转化。通过改变介质条件可调控体系的触变性类型。 (5)复合触变性的滞后环为带交叉点的滞后环。 (6)高取代度CS-1形成的HTlc/CS-1分散体系,呈现复合触变性时其粘度随静置时间的变化为先降低后升高;而低取代度的CS-2形成的HTlc/CS-2分散体系,呈现复合触变性时其粘度随静置时间的变化为先升高后降低。这是因为CS-2与HTlc的相互作用强于CS-1与HTlc的相互作用。


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