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      瓜爾豆膠產品中心 / Product Center

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      兩性瓜爾膠衍生物溶液的流變特征

      發布日期:2015-04-14 11:53:51
      流變性能
        瓜爾膠(guar gum)是天然高分子化合物,它是 由許多半乳糖和甘露糖單元按1 : 2比例彼此以月 (1-4)苷鍵連接而成的多糖巨分子,主要產于印 度、巴基斯坦以及美國。自問世以來,瓜爾膠及其 衍生物就一直作為性能優良的增稠劑而被廣泛地 用于石油開采、涂料、化工、醫藥、建筑、食品和個人 衛生保健等領域[1氣E-AMPHO-S是美國Economy化學公司最近開 發出的一種兩性瓜爾膠衍生物,其分子鏈上不僅含 有竣甲基陰離子基團而且含有季銨陽離子基團。 與非離子、陰離子或陽離子型改性瓜爾膠相比,其 溶液性質較為獨特。本文首次報導兩性瓜爾膠濃 度、外加鹽和溫度對其溶液流變性能的影響,以期 為E-AMPHO-S的實際應用提供依據。
        
        1 實驗部分 1.1 原料與試劑兩性瓜爾膠E-AMPHO-S:美國ECONOMY公 司產品,用德國Elementar公司Vario EL元素分析儀 測得其中N元素含量為0. 759%,由此求得季銨陽 離子基團-N+(CH3)3C1-含量為 5.42xl0_4mol . g_、用VARLAN公司CARY100型紫外可見分光 光度計對其中陰離子基團-COOH進行定量分析, 發現其含量為8.2<1〇-2111〇11-1.〇3(:12:化學純, 廣州化學試劑廠。
        
        1.2 流變參數和觸孌性考察為保證E-AMPHO-S充分溶解,測試前所有樣 品溶液均放置在磁力攪拌機上攪拌溶解2 h以上。 測試時,使用德國Rheotest 2-50HZ-Typ RV2旋轉粘 度計測定試樣溶液在不同條件(濃度、溫度、外加 鹽)下的流變參數。當進行觸變性考察時,在該旋 轉粘度計中以每隔20 s時間增加1次剪切速率 (T),從最低3 S-1均衡地升至最高1312 S-1,同時記 錄下相應的切力(F)數據,得到一條上行線;再由最 髙剪切速率均衡地降回到最低3 s_\同時記錄下降 低切速過程中的切力數據,得到一條下行線;以上 行線和下行線是否重合,判定溶液是否具有觸變 性;若上行線和下行線不重合成為一個月牙形圈即 “滯后圈”,則說明體系具有觸變性并可用此圈的面 積衡量其大小'2結果與討論2.1 濃度的影響’配制不同濃度的E-AMPHO-S水溶液,在不同 剪切速率(T)下測定各種溶液的表觀粘度(%),依 據Ostwald-Dewaele方程的對數形式 In 7/a = In A: + (n - l)lnr以In77■對lnT作圖得到線性相關系數/?均大于〇。 99 的一組直線(見圖1),并由這些擬合直線的斜率和 截距分別求得相應的稠度系數fc和粘性指數n值圖1 不同E-AMPHO-S濃度條件下試樣In恥對 In 7•作圖(17 t:)
        
        Fig. 1 Plots of In ija versus In r for aqueous E-AMPHO-S solutions with various E-AMPHO-S concentrations (17 "C)
        
        7)a: viscosity, T: shear rate圖2 不同濃度E-AMPHOS溶液的觸變性 響應(20 ■€>Fig. 2 Thixotropic response of aqueous(見表1) . T ~印關系借Ostwald-Dewaele方程得以 很好地描述且n小于1,說明在實驗條件下 E-AMPHO-S水溶液表現出非牛頓流體流變性質;值隨E-AMPHO-S濃度增大而增大,表明其增粘 能力隨濃度增大而增強;n值隨E-AMPHO-S濃度 增大而減小,則反映出溶液的剪切變稀性質隨其濃 度增大而進一步增強。
        
        對濃度分別為1. 0%、2. 0%和3. 0% (g • mL-1, 下同)的兩性瓜爾膠E-AMPHO-S水溶液進行觸變 性考察,結果見圖2.對于1.0%溶液,其上行和下 行流變曲線幾乎接近重合,所計算出的滯后圈面積 僅為1.9 kPa ,表明此濃度下體系無明顯觸變 性;當溶液濃度達2. 0%時,試樣溶液的上行和下行 流變曲線已呈現出月牙形圈,相應滯后圈的面積為 8. 5 kPv S-1,說明體系此時已開始出現一定程度的 觸變性;而當溶液濃度達3. 0%時,考察樣品溶液已 具有明顯的觸變性質,此時滯后圈的面積高達32. 6 kPa* s' —般認為,觸變性可以視為體系在恒溫下E-AMPHO-S solutions with various concentrations (20 t)
        
        F : shear force, T: shear rate“凝膠-溶膠”之間相互轉換過程的表現[5].當兩性 瓜爾膠E-AMPHO-S濃度增加時,相互纏繞的多糖 大分子鏈便容易在靜止情況下通過其分子鏈上正 負電荷基團靜電相互作用和其它分子間相互作用 產生物理交聯,導致凝膠形成。而當外切力(F)作 用于體系時,已形成的平衡物理交聯網絡則被破壞 使得其分子鏈能相對自由地活動而成溶膠狀態。 這種體系觸變性依賴于濃度的現象,Ghannam和 Esnaliw在研究另一種多糖衍生物——竣甲基纖維 素的溶液流變性能時也曾被發現。事實上,若將兩 性瓜爾膠E-AMPHO-S用作鉆井泥漿、強化采油、水 性涂料和油墨之類增稠劑時,體系良好的觸變性將 有利于其實際應用。
        
        2.2 鹽的影響固定兩性瓜爾膠溶液濃度為1.0%,在不同剪 切速率(T)下考察外加鹽CaCl2對溶液粘度性能的 影響,結果見圖3.有趣的是,在考察外加鹽濃度范 圍內E-AMPHO-S溶液的粘度隨外加CaCl2濃度cs表1 E-AMPHO-S濃度c(g/100mL>對其溶液稠度系數ft和粘性指數n的影響(17 *C>Table 1 Effects of E-AMPHO-S concentration( c) on the consistency coefficient (k) and viscosity behavior index (n) (17)
        
        c(g • mL"1)knR20. 1%0. 0340.660.9900.3%0. 1310.590.9900. 5%0.4190.510.9920. 8%1.6620. 390. 9981,0%4. 2240.310.9991.5%15. 5620. 220.9992. 0%36. 2410. 150.9993 03.13.23.33.43.51〇3 r-l/K-l圖S 不同溫度下2.0% E-AMPHO-S溶液的lniyo 對i/r作圖Fig. 5 Plot of intfo versus (1/ T) for aqueous 2.0% E-AMPHO-S solution at various tempera¬tures2.3 溫度的影響零切粘度(%)是聚合物溶液流變性的重要表 征量•選用Spencer-Dillon經驗公式[81的對數形式 In 77, = In 7j〇 - F/ b對2. 0%的E-AMPHO-S溶液在不同溫度下的有關 實驗數據進行回歸分析(見圖4),發現所有數據的 擬合關系良好,并從中求得對應濃度和溫度下的 lnr。•在此基礎上,用所求ln7。對溫度的倒數作圖 (見圖5),發現In項與1/ r有較好的直線關系,符 合 Arrhenius 公式[ie]:7)〇 = B* exp( EJ RT)
        
        式中及為氣體常數,&為粘流活化能;同時,從圖 5中有關直線斜率求得2. 0% E-AMPHO-S溶液的 為   . % kJ • mol          - .這些事實表明,零切粘度對 溫度具有依賴關系,且隨溫度升高而降低。
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