编辑|狂人日际

☾↢聚合物水凝胶↣☽

聚合物水凝胶是含丰富亲水基团的凝胶材料水后有一定强性为水调剂广泛用于石油开采6。传统合物水凝胶吸水后稳定性、强度等较差,限制了其应用。

引人功能化纳米材料可显著改善水凝胶综合性能本文用联剂KH-570对Si性,以微流控制备术“油包水”反应型,小液滴作“反应釜”,将改性纳米SiO引入聚合物凝胶中,制备了毫米级改性纳米SiO增强聚丙烯酷胺基凝胶颗粒，探讨了SiO，的入对凝胶性能的影响及其作用机制。

☾↢实验过程↣☽

丙烯酸(AA)(AM)过钾化烷联KH-570体为分析纯;无水乙醇、氨水均为化学纯;米S,(99%30nm);离子水自制。

HH-1型电热恒温水浴;KH-45A型烘箱;Q300DE型数控超声波清洗器;JJ-1型增力电动搅拌器;FTIR-7600型傅里叶红外光谱仪;强度测定仪自制,其结构见图1

纳米Si0,表面改性纳米Si0,在70C恒温干燥5h,排除水分。称取1.0g纳米S置于三口烧瓶中,加入40~50mL无水乙超声分散均匀。

加入1mL氨水继续分散均。将三口烧瓶移入水浴锅中,50C恒温加热并搅拌。称取1.0gKH-570,溶于无水乙醇配制成乙醇溶液。

用常压漏斗将KH-570的乙醇溶液逐滴加入到三口烧瓶中,反应24h。抽滤,用无水乙醇冲洗数次,70C烘干24h[13]即得到KH-570纳SiO

复合凝胶颗粒制备取9.0g经预处理的丙烯酸于烧杯中加入30mL蒸水搅拌均匀。冰浴环境下加入30g氧化同时快速搅拌,得到部分中和的丙烯酸水溶液。缓慢加入8.9g丙烯酷胺搅拌至溶解。

加入0.18酸铝(交联)014g发)过液至体系混合均匀,无固体存在。加人计量的改性纳米Si0,(纳米SiO，用量以蒸馏水质量计,分别为水质量的5%,10%,15%,20%,25%,30%)超声分散均匀。

用移液枪取混合溶液，逐滴滴入90C的液体石蜡中,保温片刻,待液滴成型后捞出,并用无水乙醇清洗数次烘干,得复合凝胶颗粒。

表观密度(P)测定胶颗粒近似球形,采用求平均值的方法测定。随机选取a颗某一比例的凝胶颗粒，用游标卡尺测其直径(d)再取平均值,得到d平s,将选取的凝胶颗粒称重,得质量ma1,则:

1.2体积密(p4)测定P排水测得,以液体石蜡为体积排除液。随机选取一定数量的凝胶颗粒称重，得质量ma2。将称量后的凝胶颗粒放入装有液体石蜡的量筒中,记录量简液面变化得到凝胶体积(AV),则:

考虑到温度对聚合物分子链活动性的影响,凝胶的吸水能力和温度也必然有联系,因此,设置20,30,40,50,60,70C共6个温度挡,分别测定不同改性纳米SO含量胶颗粒的吸水倍率,测试用水为燕馏水。首先测定干凝胶颗粒的初始直径,待吸水后定时测定凝胶的直径变化并记录,则凝胶吸水倍率为

采用自制的凝胶颗粒强度测定器,测定复合凝胶在吸饱水的状态下从完整形态到破碎时所承受的强度，计算公式如下:

其中,mo为压力棒、连接棒、码台的总质量m为后续所加码的总质量g=98m/s为力棒的截面积,S为凝胶颗粒的强度。

溶解时间与残留率将产物配成质量浓度5%水溶液,90C保温定时查看凝胶颗粒是否完全溶解,记录所需时间;由于丙烯酸、丙烯胺聚合物可溶,推测残留物为纳米Sio故将凝胶溶解后的体系高速离心,倒掉上层清液,保存并烘于底层固体物质,称量记录,再与理论值比较。

采用KBr片法红外测试结果见图4

由图4可知:D未改性纳米S0331c处为Si0，表面一0H伸缩振动吸收峰,1080m处是Si一0一Si键吸收峰,958cm处是Si-0H的特征峰;2改性纳米Si0,,1635cm处是C-C的吸收峰,1722cm处是C-0吸收峰证明纳米Si0中确实被引入了有机基团,3431cm处为SiO表面一0H伸缩振动吸收峰958cm-是Si-0H的特征峰。

复合凝胶颗粒3428cm处为离一NH的特征峰,1408cm处是基中一0H的弯曲振动吸收峰，1672cm'处是C-0的特征峰2922cm-是-CH的特征峰,对比经KH-570表面改性的纳米Sio，的红外谱图,1635cm处左右未出现C一C的吸收峰证明丙烯酸丙烯与改性纳米Si0，发生了共聚反应。

改性丙烯胺用量对凝胶密度的影响图5由图5可知随着改性S添加量的提升凝胶颗粒的P麦和P*均先提升后降低,添加量25%时,密度达到最大值,可见改性SiO，可以显著改变凝胶颗粒的密度。

改性Si，添加量较低时通过超声分散尚能在体系中混合均，当添加量超过25%后,过量的SiO。由于分散性不好而沉积到凝胶表面,并由于结合能力的降低而有所脱落,导致密度的相应降低。

由Px/Pt曲线可知,其比值稳定在0.9左右,这也表明制备的凝胶颗粒规整度较好、密度基本均一,并且改性Si的加入提高了凝胶颗粒的交联度,有利于保证凝胶颗粒的形态均一。

改性纳米Si用量对凝吸水倍率的影响见图6

由图6可知不同改性Si含量的复合凝胶在各个温度段的吸水倍率均先增大再稍微降低,最终趋于平缓，这是因为凝胶颗粒中还包覆着微量的齐聚物、单体等,在吸水倍率达到最大后，这些齐聚物和单体水解，并通过自由扩散效应排出凝胶球外，为保持渗透压恒定，则吸水倍率有些许降低。

而无论在哪个温度段，随着改性Si0,含量增加,凝胶的吸水倍率先上升,再降低,并在含量为15%时达到最大这是因为改性SiO的有助于提高凝胶的交联程度,使分子链在空间形成立体的网状结构,有助于吸水。

而添加量超过15%后交联密度过大，凝胶的自由体积减小,分子链的活动受到限制,吸水倍率相应下降。

由图6可知,随着温度的提高，凝胶吸水期的曲线斜率越来越大,70C时最大，这是因为高温对分子链的活动性的影响,有助于分子链迅速“解冻”伸展，进而提高了吸水速率。

而复合凝胶的吸水倍率则随着温度的升高，先上升再下降,在40C时达到最大,原因是复合凝胶的材料是水溶性的,温度升高,分子链越舒展，与水的接触面积越大，吸水率升高,但与此同时,水解速率也相应提升,40C时刚好达到临界值,吸水能力达到最大。故复合凝胶的改性Si0，最适宜添加量为15%，在40C时吸水倍率最高。

强析改性纳米SiO，用量对凝胶强度影响见图7

由图7可知在各温度段,随着改性SiO添加量提升,复合凝胶吸水后强度呈现出先增大后减小的趋势,添加量为15%~17%时强度最高,改性Si0,的添加可以改变凝胶的交联程度。

凝胶的交联度增加,分子链间相互连接更好,在受到外部挤压时,将作用力均匀分散开来,使受力均匀,将有助于提高凝胶的强度,但当改性SiO,添加量太大时,凝胶的交联程度大幅提升,链段运动受阻作用力不能均匀分散造成局部应力过大,使凝胶受到破坏,进而影响凝胶整体强度。