有机钛交联魔芋葡甘聚糖的凝胶化及流变性能研究

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天然高分子魔芋葡甘聚糖(Konjac Glucomannan,简称KGM)由于其生物可降解性、增稠性和良好的生物相容性在医药载体、新材料、石油化工等方面取得了人们的关注。随着常规油气田的不断开采,勘探技术的不断进步,难以开采的低渗透油田和高温油田的研究逐渐提上日程。寻找清洁耐高温、抗剪切并具有延缓交联效果的油田压裂液是目前研究的重点。将钛酸丁酯中的钛离子作为中心离子,选用三种有机物——L-脯氨醇,三羟甲基氨基甲烷和二异丙醇胺作为有机配体,并控制配体浓度的变化在醇溶剂中制得了一系列钛的螯合物,分别记为有机钛交联剂Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ。制得的有机钛交联剂中游离出来的钛离子能够结合KGM分子链上的顺式羟基形成KGM复合凝胶。钛离子与羟基的结合不能短时间内完成,复合凝胶的凝胶过程动力学对时间有着依赖关系,即宏观意义上的延缓交联。利用动态剪切流变仪研究了KGM复合凝胶的动态流变性能,表征了储能模量G’、损耗模量G’’和内耗tanδ在不同频率下的变化趋势。利用Winter-Chanbon方程准确判定了复合凝胶的溶胶-凝胶转变点,记录各个体系的溶胶-凝胶转变时间。研究发现,各交联剂与KGM的胶凝时间因配体不同而各有差异,体系的凝胶转变点随配体浓度的增加而不断延长,当配体为二异丙醇胺时,KGM/有机钛Ⅲ体系的凝胶时间最长,延缓交联效果最好。对复合凝胶进行热稳定性能分析,结果表明三个体系复合凝胶均具有良好的耐温性能,其中,KGM/有机钛Ⅲ体系形成的复合凝胶的耐温性最好,可达125℃。KGM/有机钛体系可以用三个流变参数很好的表征复合凝胶的动态粘弹特性,即复合凝胶的储能模量平台值G’p,损耗模量最大值G’’ma和其对应的特征松弛频率ωma。KGM/有机钛复合凝胶对频率有很强的依赖性,本文分析了交联剂浓度、KGM浓度和温度对复合凝胶的凝胶转变点的影响。并且发现不同浓度的有机钛交联剂复合凝胶体系的模量-频率对应的曲线符合时间-有机钛交联剂浓度的叠加原理。对制备的不同体系的KGM/有机钛复合凝胶进行动态剪切分析,观察了各体系凝胶的储能模量G’随应变Strainγ变化,根据Ross-Murphy等人理论,三个具有不同配体的有机钛交联剂的KGM/有机钛复合凝胶体系均是强凝胶。本论文研究结果为研究天然多糖复合凝胶的流变性能和凝胶转变点提供了理论参考,并为KGM作为压裂液提高延缓交联效果提供了数据参考。
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