陳孟鑫,劉 飛,代曉東,張 捷,鄭 政,王 碩,薛 琳,徐瑩雪

（中國石油大學(xué)勝利學(xué)院，山東 東營 257061）

可逆乳狀液可以在外部條件改變的前提下,在水包油乳狀液和油包水乳狀液之間可逆轉(zhuǎn)化[1],集中其優(yōu)勢于一身,近年來發(fā)展較快。尤其被用于制備可逆乳化鉆井液,可以集中水基鉆井液和油基鉆井液的優(yōu)勢,被認(rèn)為是一種理想鉆井液[2-3]。

由于大部分常規(guī)可逆乳化鉆井液都是由表面活性劑作為乳化劑來穩(wěn)定,不耐高溫,而考慮可逆乳化鉆井液的耐溫性能主要由其乳化劑決定,所以考慮用納米顆粒與表面活性劑復(fù)配制備可逆乳化劑來增強(qiáng)可逆乳狀液的耐溫性能。

納米顆粒與表面活性劑復(fù)合作用的關(guān)鍵在于其二者之間形成的化學(xué)鍵,即表面活性劑基團(tuán)與納米顆粒表面之間的作用力[4],所以要制備納米顆粒與表面活性劑復(fù)合型可逆乳化劑,首先要明確其二者之間的相互作用,而影響其二者之間相互作用的一個(gè)關(guān)鍵就是納米顆粒的表面性質(zhì)[5]。所以本文針對納米顆粒表面性質(zhì)對可逆乳狀液性能的影響進(jìn)行研究,考慮納米顆粒根據(jù)表面性質(zhì)主要可分為兩種:親水性納米顆粒、親油性納米顆粒,所以筆者針對親水性納米顆粒/親油性納米顆粒與表面活性劑復(fù)配制備的乳狀液的性能進(jìn)行研究,明確納米顆粒表面性質(zhì)對可逆乳狀液的影響,以期推動(dòng)可逆乳狀液研究更好的發(fā)展,促進(jìn)可逆乳化鉆井液在更廣泛范圍內(nèi)的應(yīng)用。

經(jīng)過前期實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn):親水性納米二氧化硅顆?？梢栽谒休^好的分散,而在油中時(shí)漂浮在油相表面不能有效分散其中；親油性納米二氧化硅顆粒在油中能較好的分散,而在水中時(shí)漂浮在水相表面不能有效分散其中。故設(shè)計(jì),在實(shí)驗(yàn)過程中,親水性納米二氧化硅顆粒預(yù)分散于水中,親油性納米二氧化硅顆粒預(yù)分散于油中。所用表面活性劑LF-1為前期實(shí)驗(yàn)預(yù)選好的可作為可逆乳化劑的有機(jī)胺類表面活性劑。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 試劑及儀器

試劑:親水性納米二氧化硅、鹽酸、表面活性劑LF-1、氫氧化鈉、親油性納米二氧化硅,分析純,國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；斯卡蘭2#白油,工業(yè)級,斯卡蘭石油(重慶）有限公司；去離子水。

儀器:NGJ-2型泥漿高速攪拌機(jī):青島膠南分析儀器廠；DWY-2A型智能電穩(wěn)定性測試儀,青島新領(lǐng)機(jī)電科技有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 可逆乳狀液的制備

(1）親水性納米二氧化硅

將1 g表面活性劑和100 mL白油混合后攪拌5 min(12000 r/min）,形成表面活性劑的白油分散體系,記為分散體系1,將3 g親水性納米二氧化硅和100 mL去離子水混合后攪拌5 min(12000 r/min）,形成親水型納米二氧化硅的去離子水分散體系,記為分散體系2,將分散體系1與分散體系2混合,攪拌40 min(12000 r/min）,形成1號乳狀液。

(2）親油行納米二氧化硅

將1 g表面活性劑和100 mL白油混合后攪拌5 min(12000 r/min）,向其中加入3 g親油型納米二氧化硅混合后攪拌5 min(12000 r/min）,形成表面活性劑/親油型納米二氧化硅復(fù)合材料的白油分散體系,記為分散體系3,然后向其中加入100 mL去離子水,攪拌40 min(12000 r/min）,形成2號乳狀液。

1.2.2 乳狀液可逆轉(zhuǎn)相性能的研究

(1）加酸轉(zhuǎn)相:做多組平行實(shí)驗(yàn),每組都是取100 mL 1號乳狀液(或2號乳狀液）,向不同組的乳狀液里分別加入不同體積的濃度為 5wt%的鹽酸(0vol%～5vol%）,攪拌 10 min(12000 r/min）,使用電穩(wěn)定測試儀測定乳狀液類型,其中,基于前期研究,加量為0.6vol%的組別制備的水包油乳狀液記作3號乳狀液(或4號乳狀液）,用作測試乳狀液加堿轉(zhuǎn)相性能的初始乳狀液[6]。

(2）加堿轉(zhuǎn)相(加酸轉(zhuǎn)相后）:做多組平行實(shí)驗(yàn),每組都是取100 mL 3號乳狀液(或4號乳狀液）,向不同組乳狀液中分別加入不同體積的濃度為5wt%的NaOH溶液(0vol%～5vol%）,攪拌10 min(12000 r/min）,使用電穩(wěn)定測試儀測定乳狀液類型[5]。

2 結(jié)果與討論

2.1 親水性納米顆粒與表面活性劑復(fù)配穩(wěn)定的乳狀液性能

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)(表1）,親水性納米二氧化硅顆粒與表面活性劑復(fù)配制備的乳狀液在初始階段為油包水乳狀液,但乳狀液類型不隨酸/堿的加入發(fā)生變化,其主要原因?yàn)?親水性納米二氧化硅表面吸附有機(jī)胺類表面活性劑LF-1時(shí),由于親水性納米二氧化硅表面親水,故有機(jī)胺類表面活性劑LF-1的親水基團(tuán)在納米二氧化硅表面吸附,親油基團(tuán)伸展在外,有機(jī)胺類表面活性劑將納米二氧化硅表面改性為親油性,且表面活性劑的親油基團(tuán)不隨著酸/堿的加入發(fā)生變化,故初始乳狀液為油包水乳狀液且乳狀液類型不隨著酸/堿的加入發(fā)生變化,所形成的改性納米二氧化硅結(jié)構(gòu)見圖1。

表1 親水納米二氧化硅顆粒與表面活性劑復(fù)配制備的乳狀液不同階段電導(dǎo)率和破乳電壓Table 1 The conductivity and emulsion-breaking voltage of different period of emulsion stabilized by hydrophilic nano-silica particles and surfactant

圖1 親水性納米二氧化硅顆粒與表面活性劑復(fù)配制備改性納米二氧化硅Fig.1 Preparation of modified nano-silica by compounding hydrophilic nano-silica particles with surfactant

2.2 親油性納米顆粒與表面活性劑復(fù)配穩(wěn)定的乳狀液性能

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)(表2）,親油性納米二氧化硅顆粒與表面活性劑復(fù)配制備的乳狀液在初始階段為油包水乳狀液,乳狀液類型可隨酸/堿的加入實(shí)現(xiàn)可逆轉(zhuǎn)化,且可逆轉(zhuǎn)相過程中各階段乳狀液靜置24 h后僅外相出現(xiàn)析出,內(nèi)相液滴均未出現(xiàn)明顯析出,即各階段乳狀液均穩(wěn)定性均較好,乳狀液有良好的可逆轉(zhuǎn)相性能,分析主要原因?yàn)?親油性納米二氧化硅表面吸附有機(jī)胺類表面活性劑LF-1時(shí),由于親油性納米二氧化硅表面親油,故有機(jī)胺類表面活性劑LF-1的親油基團(tuán)在納米二氧化硅表面吸附,親水基團(tuán)伸展在外。該親水基團(tuán)在中性及堿性條件下為電中性,改性納米二氧化硅整體表現(xiàn)為偏親油性,故改性納米二氧化硅所穩(wěn)定的乳狀液為油包水乳狀液；該親水基團(tuán)在酸性條件下為帶負(fù)電的,改性納米二氧化硅整體表現(xiàn)為偏親水性,故改性納米二氧化硅所穩(wěn)定的乳狀液為水包油乳狀液。即乳狀液在堿性/中性環(huán)境下為油包水乳狀液,在酸性環(huán)境下為水包油乳狀液。

表2 親油納米二氧化硅顆粒與表面活性劑復(fù)配制備的乳狀液不同階段電導(dǎo)率和破乳電壓Table 2 The conductivity， emulsion-breaking voltage and stability of different period of emulsion stabilized by lipophilic nano-silica particles and surfactant

圖2 親油性納米二氧化硅顆粒與表面活性劑復(fù)配制備改性納米二氧化硅Fig.2 Preparation of modified nano-silica by compounding lipophilic nano-silica particles with surfactant

通過上述實(shí)驗(yàn)可知,納米二氧化硅表面性質(zhì)對 “納米二氧化硅與表面活性劑復(fù)合材料”的性質(zhì)有決定性作用,綜合分析主要原因?yàn)榧{米二氧化硅表面性質(zhì)會(huì)影響表面活性劑與納米二氧化硅之間的作用機(jī)制,進(jìn)而影響納米二氧化硅與表面活性劑復(fù)合材料所表現(xiàn)出來的性質(zhì),最終導(dǎo)致不同表面性質(zhì)的納米二氧化硅與表面活性劑形成的復(fù)合材料穩(wěn)定的乳狀液的性質(zhì)存在差異。

3 結(jié) 論

納米二氧化硅顆粒的表面性質(zhì)對 “納米二氧化硅與表面活性劑復(fù)合材料”的性質(zhì)有決定性作用,親水性納米二氧化硅與表面活性劑復(fù)配穩(wěn)定的乳狀液不能實(shí)現(xiàn)pH響應(yīng)可逆轉(zhuǎn)化,親油性納米二氧化硅與表面活性劑復(fù)配穩(wěn)定的乳狀液能實(shí)現(xiàn)pH響應(yīng)的可逆轉(zhuǎn)化。在下一步繼續(xù)優(yōu)化構(gòu)筑pH響應(yīng)的可逆乳狀液體系時(shí)選用親油性二氧化硅顆粒。