Способ получения водорастворимого полиэлектролита – стабилизатора глинистых суспензий

Название	Способ получения водорастворимого полиэлектролита – стабилизатора глинистых суспензий
Разработчик (Авторы)	Асанов Аманкайт
Вид объекта патентного права	Полезная модель
Регистрационный номер	5679
Дата регистрации	28.05.2020
Правообладатель	Республиканское государственное предприятие на праве хозяйственного ведения «Таразский государственный университет имени М.Х.Дулати» Министерства образования и науки Республики Казахстан
Область применения (класс МПК)	С09 С01 В 17/00
Медаль имени А.Нобеля

Описание изобретения

Изобретение относится к области коллоидной химии, а именно, к получению водорастворимых полиэлектролитов путем гидролиза продукта сополимеризации итаконовой кислоты (ИК) и амидом метакриловой кислоты – метакриламидом (МАА) при их мольных соотношениях 1,0:6,0, 1,0:8,0 обладающих стабилизирующим действием на глинистые растворы, может найти применение в изготовлении промывочных жидкостей, тампонажных и буровых растворов, которые необходимы в осуществлении глубокого бурения при поиске нефти и газовых месторождений.

Известен способ получения водорастворимого полимера (ВРП) УНИФЛОК, осуществленный путем омыления полиакрилонитрила (ПАН) в присутствии гидроксида натрия в водно-спиртовой среде, предложенного к использованию в качестве стабилизатора в приготовлении глинистых растворов, применяемых в процессе бурения, в поиске и разведке нефте-газовых месторождений аналог - [1], (Сатаев И.К., Бейсенбаев О.К., и др. Способ получения порошкообразного полиэлектролита. Авторское свидетельство № 4744848/05 (СССР) от 10.05.1991 ). NaOH

Недостатком данного способа является невысокое стабилизирующее действие, применение дорогостоящего, огне- и взрывоопасного органического растворителя (пропилового или бутилового спирта), отрицательно влияющего на окружающую среду, плохая растворимость и образование микрогетерогенной системы из-за неодинакового композиционного состава и неравномерного распределения ионизируемых карбоксидных и слабоионизируемых амидных групп вдоль цепи макромолекулы продукта гидролиза, который приводит снижению стабилизирующего действия.

Наиболее близким по технической сущности предлагаемой изобретение является способ получения водорастворимого полиэлектролита (ВРПЭ) путем сополимеризации итаконовой кислоты (ИК) с акриловыми (АК) или метакриловыми (МАК) мономерами прототип - [2], (Аскаров М.А., Семенова Л.Н., Бабаджанова Э.Н. //Узб. хим. ж., 1968 №1 - С. 38). По данному способу, сополимеризация итаконовой кислоты ИК с АК или МАК мономерами осуществляется в запаянных ампулах в водном растворе соляной кислоты (НСl) в присутствии персульфата калия K2S2O8 при температуре 400С в течение 8 суток. При этом выход продукта не превышает 81,5%.

К недостаткам этого способа относятся применение соляной кислоты (НСl), который приводит в определенной мере к уменьшению выхода продукта, к увеличению продолжительности процесса сополимеризации и усиливает агрессивность реакционной среды, а также невозможность использования продукта сополимеризации без его обязательного выделения из реакционной массы. Поэтому согласно прототипу - [2], (Аскаров М.А., Семенова Л.Н., Бабаджанова Э.Н. //Узб. хим. ж., 1968 №1 С. 38) полученный продукт осаждают и выделяют из реакционной среды использованием дорогостоящих, малодоступных, огнеопасных органических соединений - ацетон и высушивают, а затем вновь растворяют в воде, что приводит не только к увеличению себестоимости и усложнению процесса получения, но и к снижению стабилизирующего эффекта конечного продукта.

Задачей данного изобретения является упрощение процесса, уменьшение времени сополимеризации, установление оптимальных соотношений мономерных звеньев, содержащих карбоксидные, амидные функциональные группы, увеличение выхода и молекулярный массы, улучшение стереорегулярности звеньев в цепи макромолекулы продукта сополимеризации и его растворимости в воде, повышение стабилизирующего действия, последующим гидролизом продукта сополимеризации с добавлением гидроксида натрия NaOH.

Поставленная задача достигается путем сополимеризации итаконовой кислоты ИК с амидом метакриловой кислоты - метакриламидом МАА при мольном соотношении мономеров 1,0:6,0, 1,0:8,0, в водной среде с добавлением персульфата калия в присутствии гидроксида натрия NaOH, взятого при соотношении к МАА=0,6:1,0, с удалением кислорода путем продувания реакционной смеси инертным газом и выдерживанием при температуре 450С в течение 4-х часов и последующим гидролизом продукта сополимеризации при температуре 97-990С в течение 35 минут до образования оптимального количества карбоксидных, амидных, имидных функциональных групп в цепи макромолекулы ВРПЭ. 8 2 2 O S K

Отличительными признаками данного способа являются ведение процесса сополимеризации ИК и МАА при оптимальных соотношениях 1,0:6,0-8,0 моль в присутствии необходимого количества гидроксида натрия NaOH, взятого при соотношении МАА= 0.6:1,0, с удалением кислорода путем продувания реакционной смеси инертным газом, выдерживанием при температуре 450С в течение 4- х часов и последующим гидролизом продукта сополимеризации при температуре 97-990С в течение 35 минут, создает условия для объединения процессов сополимеризации и частичного гидролиза амидных групп до образования в нужном количественном соотношении карбоксидных, амидных и имидных групп. Оптимальное соотношение компонентов сополимеризации и количество гидроксида натрия NaOH необходимого для осуществления гидролиза, позволяет повысить выход и регулировать молекулярную массу продукта сополимеризации и сократить время процесса гидролиза, обеспечить непрерывность процесса и высокий стабилизирующий эффект ВРПЭ, а также использовать полученный конечный продукт без выделения из реакционной массы.

Причинно-следственная связь заключается в том, что осуществление процесса сополимеризации при оптимальных соотношениях мономеров ИК и МАА в присутствии необходимого количества гидроксида натрия NaOH, с удалением кислорода путем продувания реакционной смеси инертным газом, способствует улучшению радикалобразующих свойств мономеров, ускорению процесса сополимеризации, повышению выхода и позволяет регулировать молекулярную массу, а осуществление частичного гидролиза до образования оптимального соотношения карбоксидных, амидных и имидных функциональных групп, отличающиеся расположением и чередованием вдоль цепи макромолекулы, приводят к образованию водорастворимого полиэлектролита (ВРПЭ).

Кроме того, подбор оптимального соотношения компонентов сополимеризации, а также проведения процесса в водной среде упрощает способ и исключает стадию выделения продукта сополимеризации с использованием дорогостоящих органических соединений, а последующий гидролиз продукта сополимеризации дает возможность усилить стабилизирующий эффект. Наряду с этим, гидролиз продукта сополимеризации в присутствии гидроксида натрия NaOH приводит не только к улучшению растворимости, но и к усилению стабилизирующего действия за счет регулирования конформации в связи с переходом макромолекулы от относительно свернутого состояния к более развернутому, которое приводит к увеличению количества активных функциональных групп, расположенных вдоль цепи макромолекулы.

Конкретные примеры осуществления способа

Пример 1. В трехгорную колбу емкостью 250 см3 снабженную мешалкой, термометром и обратным холодильником, помещают раствор, состоящий из 3,05 частей итаконовой кислоты ИК и 11,95 частей метакриламид МАА (соотношение ИК:МАА=1,0:6,0 моль) и инициатора-персульфата калия К2S2O8 в количестве 0,06% от веса мономеров, 85,0 частей воды и 3,37 частей гидроксида натрия NaОН, (которое необходимо для осуществления гидролиза) соотношении МАА:NaОН 1,0:0,6 моль соответственно. Реакционную смесь перемешивают и при температуре 450С продувают азотом в течение 5 минут и герметизируют, а затем реакцию проводят в течение 4-х часов. Полученный продукт сополимеризации разбавляют водой, а затем с помощью 0,1н соляной кислотой НСІ рН доводят до значения 2,0-2,5, после этого добавляя ацетон или диоксан, осаждают, высушивают продукт до постоянного веса в вакуумном шкафу при 400 С. Определяют выход, содержание азота (N,%) и кислотное число (КЧ). На основании содержания азота (N%) и (КЧ.) устанавливают состав продукта сополимеризации. Выход продукта сополимеризации составляет 99,88%, а состав сополимера соответствует исходному соотношению мономеров, взятых для сополимеризации. Молекулярная масса продукта сополимеризации 3,72·105. Соотношение ИК и МАА в составе продукта сополимеризации составляет 1,0:6,0 моль. Продукт сополимеризации условно обозначают ИКМАА-4- Na.

Пример 2. Все как в примере 1, за исключением того, что для осуществления процесса сополимеризации и гидролиза брали 2,41 частей ИК и 12,59 частей МАА, соотношение ИК:МАА=1,0:8,0 моль, 3,55 частей гидроксида натрия NaОН соотношении МАА:NaОН 1,0:0,6 моль соответственно. Выход 99,91%, соотношение ИК и МАА в составе продукта сополимеризации составляет 1,0:8,0 моль. Продукт сополимеризации условно обозначают ИКМАА-5- Na.

Пример 3. Продукты сополимеризации, полученные в примере 1, при перемешивании подвергаются гидролизу на водяной бане при температуре 97-990С в течение 35 минут. Продукт гидролиза условно обозначают ИКМААГ-4- Na.

Пример 4. Продукты сополимеризации, полученные в примере 2, при перемешивании подвергаются гидролизу на водяной бане при температуре 97-990С в течение 35 минут. Полученный образец условно обозначают ИКМААГ-5- Na.

Во всех случаях при гидролизе продукта сополимеризации образуется гомогенная высоковязкая, быстрорастворимая в воде масса, отличающаяся соотношением мономерных звеньев, не требующая выделения из реакционной массы при практическом использовании.

При получении сополимера было установлено, что оптимальное соотношение ИК и МАА является 1,0:6,0-8,0 моль. Уменьшение количества МАА приводит к некоторому увеличению времени сополимеризации и гидролиза, а также снижение молекулярной массы и выхода. Увеличение МАА звена в составе реакционной смеси также нежелательно, так как при этом уменьшается количества и плотность карбоксидных функциональных групп расположенных в транс-состоянии в цепи макромолекулы, который приводит к снижению стабилизирующего действие конечного продукта. Если температура реакции сополимеризации ниже 450С то реакция сополимеризации протекает не до конца, а если выше 450С, то образуется относительно низкомолекулярный продукт нерегулярным составом. Выбранное оптимальное соотношение гидроксида натрия NaOH к МАА 0,6:1,0 моль обеспечивает проведение гидролиза в течение 35 минут, и позволяет получить наиболее эффективный и устойчивый во времени хорошо растворимый стабилизатор глинистых суспензий. Уменьшение количества гидроксида натрия NaOH ниже оптимального приводит к замедлению процесса гидролиза, вследствие чего не только увеличивается время гидролиза, но и уменьшается стабилизирующее действие конечного продукта. Увеличение количества гидроксида натрия NaOH выше указанного оптимального соотношения также нежелательно, из-за затруднения регулирования процесса гидролиза, а также уменьшение устойчивости конечного продукта по химическому составу, который приводит к ослабеванию стабилизирующего эффекта продукта гидролиза.

Стабилизирующее действие исследуемых ВРПЭ оценивали по изменению объема осадка (Vос) и толщины жидкости (hж) над осадком, а также по относительной скорости фильтрации (Uотн) гидросуспензии бентонита (ГСБ), измеряемой на приборе Оствальда [3], (Григорев О.Н., Карпова И.Ф., и др. Руководство к практическим работам по коллоидной химии. – М:. –Л:. Химия. 1964г. - С. 267).

Полученные результаты свидетельствуют (табл.), что изменение объема Vос, толщины слоя жидкости hж и относительной скорости фильтрации Uотн гидросуспензии бентонита ГСБ в зависимости от концентрации добавляемого ВРПЭ различно.

Таблица

Если в исследованном интервале концентрации стабилизирующее действие УНИФЛОК проявляет при добавлении 0,25%-ного раствора, то такой же стабилизирующий эффект ВРПЭ полученного предлагаемым способом достигается при добавлении 0,025%-ного раствора, а для ВРПЭ, полученного способом прототипа, примерно такой же эффект стабилизации наблюдается в присутствии 0,50 % раствора.

Например: при концентрации 0,10% ВРПЭ полученного предлагаемым способом объема осадка Voc, относительная скорость фильтрации Uотн и толщина жидкости hж над твердой фазой системы, соответственно равны 48,2, 0,14 и 1,8, а в присутствии УНИФЛОК или ВРПЭ полученного по способу прототип при концентрации 0,50% раствора эти параметры, составляют 46,2, 0,16 и 3,8 или 40,0, 0,45 и 10,0 соответственно. Это свидетельствует о более высоком стабилизирующем действии образцов ВРПЭ полученных предлагаемым способом, по сравнению с ВРПЭ УНИФЛОК и ВРПЭ, полученным известным способом прототип.

Проявления высокого стабилизирующего действия образцов ВРПЭ, полученных предлагаемым способом, связано с наличием в  составе оптимального количества карбоксидных групп, отличающийся константой ионизации и слабоионизируемых амидных групп расположенных равномерно при определенной количественной соотношении и плотности, а также чередуемости в цепи макромолекулы, которые обеспечивают выгодное конформационное состояние макромолекул, растворимость полимера в широком интервале концентрации и рН, которое обусловливают проявление более высокого стабилизирующего действия по сравнению с ВРПЭ УНИФЛОК и ВРПЭ, полученным известным способом прототип.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Способ получения водорастворимого полиэлектролита – стабилизатора глинистых суспензий, включающий сополимеризацию итаконовой кислоты с акриловыми, метакриловами мономерами в среде растворителя в присутствии персульфата калия К2S2O8, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что процесс получения водорастворимого полиэлектролита осуществляется путем сополимеризации итаконовой кислоты ИК с амидом метакриловой кислоты – МАА, при мольным соотношении мономеров 1,0:6,0, 1,0:8,0, в присутствии гидроксида натрия NaOH взятого при мольном соотношении к амиду метакриловый кислоты, МАА равном 0,6:1,0, продуванием азотом в течение 5 минут, выдерживанием при температуре 450С в течение 4-х часов и последующим гидролизом продукта сополимеризации при температуре 97-99 0 С в течение 35 минут.

Изобретение "Способ получения водорастворимого полиэлектролита – стабилизатора глинистых суспензий" (Асанов Аманкайт ) отмечено юбилейной наградой (25 лет Российской Академии Естествознания)
Медаль Альфреда Нобеля

Оформление наградных документов и заказ каталога