非离子聚合物在粘土表面的吸附 石工101郭家兴

1、非离子聚合物在粘土表面的吸附作用研究进展 石工10-1 郭家兴 20100211131 聚合物吸附概述1.1 聚合物溶液吸附特征 一，聚合物往往与吸附剂界面的亲和力非常大，吸附等温线的形状一般在低浓度就急剧上升并达到饱和。二，吸附量随着溶剂溶解力的下降而增加。三，在不良溶剂中，吸附量随着分子量增加而增加，在良溶剂中，吸附量与分子量关系不大。四，即使吸附量与分子量无关，吸附层厚度也随着分子量增加而增加。五，温度的影响小。六，稀释溶液很难使已吸附的高分子脱附。七，高分子吸附速度比低分子慢。出处？1.2 PAM简介 聚丙烯酰胺是一种高分子量的聚化合物，按离子类型可分为阴离子、阳离子、非离子型。 非离

2、子聚丙烯酰胺 （non-ionic polyacrylamide,PAM），结构式 物化性质：无色或微黄色胶体。大分子链上不含离子基团，但酰胺基与许多物质如粘土、纤维素、蛋白质、金属氧化物等能产生氢键，因吸附架桥而絮凝。 2 吸附机理和作用方式2.1 作用力与不可逆性 高分子于粘土因相互作用而吸附高分子与粘土因相互作用而吸附，主要有氢键吸附、静电吸附、嵌入吸附等作用形式。吸附在粘土表面的聚合物，每一个参与吸附的链结都可能有多种作用力使之与粘土结合每一个参与吸附的链节都可能有多种作用力使之与粘土结合。这些作用力中有短程的化学力（共价键、憎水键和氢键等）和远程作用力（静电力和范德华力）。作用在每个

3、分子上的能量很大，使其不能脱附使其不易脱附。大量实验表明，聚合物在粘土表面的吸附是高度不可逆的。 对于非离子型聚合物，其分子与粘土主要因氢键而相互作用。2.2 非离子型PAM在粘土表面的吸附 氢键是PAM在土壤吸附的主要机理，氢键通常发生在PAM长链上的氨基基团和粘土矿物表面的"自由羟基"只间之间。 PAM在蒙脱石上的吸附是典型例子。PAM在粘土表面的吸附强烈地依赖于溶液pH值，当pH小于6.7时，COO基本上属于COOH型，吸附量随pH的减少而迅速增加；当pH小于7.7时，PAM中的CONH2与粘土硅氧四面体的氧原子形成氢键吸附。但是当pH大于6.7时，COOH离解为CO

4、O，pH大于7.7时，CONH2水解为COO，吸附量就迅速下降。Stiffert也证明PAM在高岭土的吸附量与其水解度成反比，说明OH、COOH和CONH2通过氢键与粘土相互作用，是很有效的吸附基团。这点可用红外光谱所证实。蒙脱土加入PAM后，谱图中在羟基振动范围区出现吸收，表明产生氢键作用，而在晶格振动区，谱图基本上没有发生位移，说明PAM对粘土表面硅氧四面体中的SiOH键和铝氧八面体中的AlOH键几乎没有产生化学作用。2.3 吸附形态 分子量较大、链较长的高分子的碳链键有较大的旋转角度，仅有少量链结吸附在岩石表面仅有少量链节吸附在岩石表面。而低分子量非离子聚合物，在岩石表面容易形成平卧式吸

5、附。如图 依聚合物种类不同，聚合物分子在粘土表面可能为单层吸附，也可能为多层吸附。3 对粘土表面性能的改变和影响 聚合物分子可吸附在粘土表面及插入层间，依聚合物分子性质、基团的不同，以及吸附分子的形态、数量不同，影响粘土的双电层及其水化作用，对粘土的物理化学性质有较大的影响，使其表面改性。 当粘土在水中分散时，粘土颗粒层面带负电，边面带正电。根据粘土矿物带电的原因和影响粘土颗粒表面电荷的因素，改变粘土颗粒表面Zeta电位的方法有很多。 由图可以看出，PVA加量较少时，膨润土表面吸附已形成，使其Zeta电位急剧上升，当继续提高加量，超过其临界胶束浓度后，PVA在膨润土表面形成双层吸附，Zeta电

6、位逐渐平稳增加并趋于零；HEC则表现为其加量低时，膨润土Zeta电位变化不大，随着其加量的增加，Zeta电位先急剧上升然后趋于平缓，逐渐接近等电态，但不能使电性由负电转变为正电。总体上看，非离子聚合物的加量比较大时才能使粘土颗粒接近等电态。4 目前研究的进展近年来聚合物粘土纳米复合材料因表现出许多优异的性能已引起了人们极大的兴趣。粘土具有纳米片层的结构，当它们以单个的片层均匀分散于聚合物基体中，或使聚合物分子链插入粘土层间，所得的纳米复合材料的性能可获得显著提高，甚至出现许多新的性能。5 具体应用实例5.1 非离子聚合物稳定水敏岩层聚合物冲洗液（稳定液）分为离子型和非离子型两类。与泥浆相比，聚

7、合物分子在岩石表面的吸附是自发过程，不管是否有压差存在，聚合物分子在液固界面上总发生吸附，而且只要有足够的聚合物浓度，聚合物就能在岩石表面上形成吸附膜。在长期的试验研究过程中，发现以非离子型聚合物为主的PAA型无固相聚合物冲洗液得到了很好的应用。它以胶结为主（包括吸附胶结和渗析胶结），应用于有水浸润和冲蚀下立即散落的水敏岩层有良好的效果。5.2 煤层气井用非离子聚丙烯酰胺锆冻胶压裂液在采用水力压裂过程中，压裂液承担造缝、携砂的作用，但其滤液侵入到煤层会对煤层造成伤害，而且由于煤层比表面积较大，伤害程度较为严重。国内外研究表明，如果压裂液滤失量过大，很容易被煤储层吸附，使煤基质严重膨胀，造成煤储层渗透率降低，从而导致水力压裂失败。因此，适用于煤层压裂的压裂液既要有较高的黏度来满足携砂、造缝的要求，还要保证滤失量较低，降低压裂液侵入对煤层造成伤害。煤层气井用非离