盐对聚丙烯酰胺黏度的影响

聚丙烯酰胺的抗盐、抗剪切性能较差，且有一定的化学降解性能，因此，聚合物（PAM）驱油剂的耐盐、增黏问题已经成为三次采油技术中较具挑战性的研究课题。

影响溶液黏度的因素较多，本文主要硏究几种离子对聚丙烯酰胺黏度的影响。以分子量500-700万的聚丙烯酰胺为原料，在一定温度下，探究不同的放置时间及不同的离子浓度下所形成的聚丙烯酰胺水溶液的黏度，通过测量其不同情况下的黏度，研究离子对聚丙烯酰胺的降黏效果。

实验结果表明，聚合物的浓度越高，聚丙烯酰胺水溶液的黏度越大；聚合物浓度一定时，加人一定的盐，水溶液体系的黏度降低，且随着盐浓度的增加，体系黏度减小得更为明显。当盐的量达到某一程度，体系的黏度不再减小。此类盐的离子中，钙、镁、钡等二价离子的降黏效果较为明显，对聚丙烯酰胺水溶液黏度的影响依次为Ca²⁺＞Mg²⁺＞Ba²⁺＞K⁺＞Na⁺。

聚丙烯酰胺较早在1893年由Moureu用丙烯酰氯与氨在低温下反应制得，1954年首先在美国实现商业化生产。起初，丙烯酰胺（AM）单体由丙烯腈（AN）经硫酸催化水合而得，通过丙烯酰胺均可聚合制得非离子型聚丙烯酰胺（PAM），随后开发了用碱部分水解的阴离子型聚丙烯酰胺。

20世纪70年代，随着丙烯酰胺生产的二代“催化水合法”和第三代“微生物工程法”工艺技术的相继问世，聚丙烯酰胺的系列产品不断被开发。

20世纪90年代，国外对两性聚丙烯酰胺的开发较为活跃，已有产品问世。

我国对聚丙烯酰胺的研究和生产始于20世纪60年代，生产工艺主要有水溶液聚合法、反向乳液聚合法、反相悬浮聚合法、辐射引发法。

聚丙烯酰胺的大多数应用环境都存在不同的盐，其离子的特性可以改变聚丙烯酰胺的溶解性、黏度、溶液的性质。本文以分子量为500-700万的部分水解聚丙烯酰胺为研究对象，测定一定温度下、不同的放置时间和不同盐的浓度下，形成的聚丙烯酰胺水溶液的离子聚合物，评价不同离子对其黏度的影响，进而分析对其黏度影响较大的盐的作用机理。

1、实验部分

1.1 实验材料和仪器

氯化钠、氯化钾、氯化钙、氯化镁、氯化钡（均为分析纯）。

SXKW型数显控温电热套，TD型电子天平，NDJ-85数字显示黏度计，HH-（2）双孔恒温水浴锅。

1.2 HPAM/盐离子水溶液的配制

配制1.0g·L^-1的聚丙烯酰胺水溶液，分别加入0.1-2.0g·L^-1的盐，搅拌均匀，置于50℃的恒温水浴锅中恒温，每隔一段时间测量一次黏度。开始时测量时间间隔较短，等到聚合物水溶液稳定之后，时间间隔较长一些。以水为溶剂，分别配制500、1000、1500、2000、3000、5000mg·L^-1的HPAM水溶液。

2、结果与讨论

2.1 空白实验

表1聚合物黏度的空白实验

聚合物浓度/mg·L-1	放置时间/h
	0	1	2	5	10	24	48	72
500	0.084	0.086	0.082	0.086	0.086	0.086	0.085	0.086
1000	0.134	0.138	0.138	0.137	0.139	0.136	0.138	0.136
1500	0.256	0.260	0.257	0.261	0.258	0.258	0.260	0.258
2000	0.335	0.337	0.338	0.336	0.337	0.336	0.336	0.336
3000	0.473	0.474	0.476	0.480	0.474	0.475	0.476	0.473
5000	0.654	0.670	0.681	0.678	0.675	0.668	0.672	0.676

不加入盐，测定聚合物的黏度，结果见表1。由表1可知，随着聚合物浓度增加，水溶液的黏度逐渐增加，其黏度大小不随时间的变化而变化，且聚合物浓度越大，其体系越不稳定，不易控制。

2.2 离子对聚丙烯酰胺黏度影响

用水配制HPAM溶液，浓度为1.0g·L^-1。使用的盐有氯化钠、氯化钾、氯化钙、氯化镁、氯化钡。对不同放置时间、不同盐浓度的HPAM的水溶液聚合物的黏度进行测定，结果如下。

1）氯化钠/HPAM水溶液的黏度数据见表2。

表2HPAM黏度与NaCl浓度的关系（50℃）

放置时间/h	NaCl浓度/g·L-1
	0.1	0.2	0.5	1.0	2.0
0.0	0.028	0.034	0.016	0.014	0.011
0.5	0.030	0.028	0.015	0.012	0.010
1.0	0.031	0.030	0.014	0.012	0.010
2.0	0.031	0.030	0.015	0.012	0.010
24.0	0.030	0.028	0.015	0.012	0.010
48.0	0.034	0.027	0.014	0.012	0.010

由表2可知，随着放置时间的延长，黏度基本稳定不变。与空白实验对比，聚合物体系的黏度减小，说明氯化钠起到了减小黏度的作用。并且随着氯化钠浓度的增加，其黏度减小的作用愈加明显。

2）氯化钾/HPAM水溶液的黏度数据见表3。

表3HPAM黏度与KCl浓度的关系（50℃）

放置时间/h	KCl浓度/g·L-1
	0.1	0.2	0.5	1.0	2.0
0.0	0.027	0.025	0.016	0.014	0.010
0.5	0.029	0.026	0.017	0.013	0.011
1.0	0.026	0.024	0.015	0.012	0.009
2.0	0.025	0.025	0.016	0.013	0.010
24.0	0.025	0.023	0.015	0.013	0.010
48.0	0.024	0.022	0.016	0.014	0.007

由表3可知，随着放置时间的延长，黏度基本稳定不变。与空白实验对比，其聚合物体系的黏度减小，说明氯化钾起到了减小黏度的作用。并且随着氯化钾浓度的增加，其黏度减小的作用越明显。

3）氯化钙/HPAM水溶液的黏度数据见表4。

表4HPAM黏度与CaCl₂浓度的关系（50℃）

放置时间/h	CaCl2浓度/g·L-1
	0.1	0.2	0.5	1.0	2.0
0.0	0.016	0.009	0.007	0.005	0.003
0.5	0.015	0.010	0.006	0.005	0.002
1.0	0.015	0.011	0.007	0.005	0.003
2.0	0.015	0.010	0.007	0.005	0.003
24.0	0.015	0.009	0.007	0.005	0.003
48.0	0.015	0.009	0.006	0.005	0.003

由表4可知，随着放置时间的延长，黏度基本稳定不变。与空白实验对比，发现聚合物体系的黏度减小，说明氯化钙起到了减小黏度的作用。并且随着氯化钙浓度的增加，黏度减小的作用越明显。与氯化钠、氯化钾相比，氯化钙的降黏作用更为明显。

4）氯化钡/HPAM水溶液的黏度数据见表5。

表5HPAM黏度与BaCl₂浓度的关系（50℃）

放置时间/h	BaCl2浓度/g·L-1
	0.1	0.2	0.5	1.0	2.0
0.0	0.023	0.018	0.010	0.007	0.004
0.5	0.024	0.019	0.008	0.006	0.004
1.0	0.025	0.020	0.009	0.006	0.003
2.0	0.024	0.019	0.009	0.007	0.003
24.0	0.024	0.018	0.008	0.007	0.003
48.0	0.024	0.018	0.008	0.007	0.003

由表5可知，随着放置时间的延长，黏度基本稳定不变。与空白试验对比，发现聚合物体系的粘度减小，说明氯化钡起到了减小黏度的作用。并且随着氯化钡浓度的增加，黏度减小的作用越明显。氯化钡和氯化钙的降黏作用相似。

5）氯化镁/HPAM水溶液的黏度数据见表6。

表6HPAM黏度与MgCl₂浓度的关系（50℃）

放置时间/h	MgCl2浓度/g·L-1
	0.1	0.2	0.5	1.0	2.0
0.0	0.025	0.015	0.008	0.005	0.004
0.5	0.026	0.014	0.008	0.006	0.004
1.0	0.025	0.014	0.009	0.006	0.003
2.0	0.024	0.015	0.009	0.007	0.002
24.0	0.027	0.015	0.008	0.006	0.003
48.0	0.026	0.015	0.008	0.007	0.003

由表6可知，随着放置时间的延长，黏度基本稳定不变。与空白实验对比，发现聚合物体系的黏度减小，说明氯化镁起到减小黏度的作用。并且随着氯化镁浓度的增加，黏度减小的作用越明显。当盐离子浓度达到一定值时，胶液的黏度基本稳定，不再随着盐离子浓度的增加而降低。

由以上各表数据分析可知，HPAM部分水解作为聚电解质，其在溶液中构象的改变导致黏度随盐浓度的增加而变化。加入低浓度盐时，分子链较大伸展，表现为具有高黏度。随着盐浓度增加，溶液离子的强度增加，低分子反离子渗入高分子离子，屏蔽了有效电荷，使高分子链收缩，导致黏度迅速降低。当有一定的盐存在时，降黏作用会逐渐减小，黏度降低变得平缓。当加入CaCl₂、MgCl₂时，HPAM溶液黏度随盐浓度的增加急剧降低。这是因为随着高价离子的增加，疏水缔合物受到反电荷的静电屏蔽作用，分子链卷曲，其在溶液中的缔合网络结构被破坏，使得溶液黏度降低。

3、结论

本文主要研究了几种盐离子对聚丙烯酰胺黏度的影响。结果发现，聚合物浓度越高，聚丙烯酰胺水溶液的黏度越大；聚合物浓度一定时，加入一定的盐，水溶液体系的黏度降低，并且随着盐浓度的增加，体系黏度减小得更明显。几种盐离子中，钙、镁、钡等二价离子的效果较为明显。当盐的量达到某一程度，体系的黏度就不再减小。阳离子对聚丙烯酰胺水溶液黏度的影响依次为Ca²⁺＞Mg²⁺＞Ba²⁺＞K⁺＞Na⁺。