芥酸酰胺丙基甜菜堿的合成與性能評價

范振忠，郭 昊，劉慶旺，王繼剛

（東北石油大學， 黑龍江 大慶 163000）

芥酸酰胺丙基甜菜堿的合成與性能評價

范振忠，郭 昊，劉慶旺，王繼剛

（東北石油大學， 黑龍江 大慶 163000）

以芥酸、N，N-二甲基-1,3-丙二胺與氯乙酸鈉為原料，經過酰胺化和季銨化兩步反應，合成了芥酸酰胺丙基甜菜堿。研究了最優合成條件，采用紅外光譜對目標產物進行表征。芥酸酰胺丙基甜菜堿濃度為4%，HCl濃度為10%時，酸液體系黏度最大。當芥酸酰胺丙基甜菜堿濃度大于4%時，黏度隨溫度升高而先增加后減小；當芥酸酰胺丙基甜菜堿濃度小于4%時，黏度隨溫度升高而降低。

芥酸酰胺丙基甜菜堿；性能評價；正交試驗

甜菜堿型表面活性劑分子中同時存在陰、陽離子，有良好的耐硬水性、起泡性、殺菌性、生物降解性能等特點，且耐溫、耐鹽性良好，是高溫高鹽油藏用驅油表面活性劑的重要劑種之一，可有效降低油/水界面張力，在三次采油中大大提高采收率[1-3]。用芥酸合成的酰胺丙基甜菜堿分子結構中含有較長碳鏈，既可以有效降低油/水界面張力，又能夠在鹽溶液或酸、堿溶液中形成不同強度的膠束凝膠，可用于酸液稠化、清潔壓裂液等方面[4]。因此以芥酸合成的甜菜堿型兩性表面活性劑可配制成性能優良的多種油氣田工作液，在油氣田開發中有巨大的需求。

1 實驗部分

1.1 主要試劑及儀器

芥酸（CP）、氯乙酸鈉（AR）、無水乙醇（AR）、N，N-二甲基-1,3-丙二胺(w=99%)；Nicolet-6700型傅里葉紅外光譜儀。

1.2 合成路線

1.3 合成方法

將芥酸加入三口燒瓶中，通N2三次除氧 ,加入適量的KOH作為催化劑，然后加入N，N-二甲基-1,3-丙二胺，加熱攪拌回流進行酰胺化反應，反應6～8 h結束反應。待反應結束后，將產物減壓抽真空，蒸出過量的N，N-二甲基-1,3-丙二胺和水，得到中間產物N，N-二甲基-N'-芥酸酰基丙胺。向三口燒瓶中依次加入N，N-二甲基-N'-芥酸酰基丙胺和氯乙酸鈉溶液，回流反應7 h結束反應，在水浴條件下加熱攪拌，進行季胺化反應，得到芥酸酰胺丙基甜菜堿溶液[5]。

2 合成條件的優化

2.1 酰胺化反應

考慮到影響芥酸酰胺化反應因素主要有反應溫度、物質的量比、反應時間、催化劑用量，以芥酸轉化率為評價指標，用L9(34)正交表進行正交試驗，結果見表1。

表1 酰胺化正交試驗因素水平表Table 1 Amidation orthogonal experimental factors table

分析由表1可知，最佳反應條件為在165 ℃反應6.5 h、催化劑用量1.0%、N，N-二甲基-1,3-丙二胺與芥酸比為1：1。

2.2 季銨化反應

考慮到影響芥酸季銨化反應因素主要有反應溫度、物質的量比、反應時間，以N，N-二甲基-N'-芥酸?；忿D化率作為考察目標，用L9(34)正交表進行正交試驗，見表2。

表2 季銨化正交試驗因素水平表Table 2 Quaternary ammonium orthogonal experimental factor level table

分析由表2可知，最佳反應條件為在80 ℃反應7.0 h、N，N-二甲基-N'-芥酸?；放c氯乙酸鈉比為1：1.1。

2.3 產物的紅外光譜圖分析

圖1為芥酸酰胺丙基甜菜堿的紅外光譜圖。分析可得，3 500～3 100 cm-1處為N-H伸縮振動吸收峰；2 921 ，2 851 cm-1處為C-H伸縮振動吸收峰；1 634 cm-1處為C=O伸縮振動吸收峰；1 548 cm-1處為N-H的變形振動吸收峰；1 466 cm-1處為C-N彎曲振動吸收峰。

圖1 芥酸酰胺丙基甜菜堿紅外光譜圖Fig.1 Erucic amidopropylbetaine infrared spectra

3 性能評價

3.1 酸液濃度的影響

在25 ℃、170 s-1剪切速率下，將4%芥酸酰胺丙基甜菜堿分別加入到6%、8%、10%和12%的HCl中，測定酸液體系的黏度與HCl濃度的變化，見圖2。

圖2 HCl濃度對酸液體系黏度的影響Fig.2 Effect of HCl concentration on the viscosity of acid liquid system

由圖2可見，隨著HCl濃度的增大，黏度也逐漸增大，HCl濃度為10%時達到黏度最大值，之后黏度隨HCl濃度增大而減小。因此確定HCl的最佳濃度為10%。

3.2 pH值的影響

圖3為室內170 s-1下測得pH值對芥酸酰胺丙基甜菜堿水溶液黏度影響的關系曲線[6]。

3.3 芥酸酰胺丙基甜菜堿濃度和溫度對黏度的影響

由圖3可知，隨著pH值升高，溶液黏度先上升，后下降，在pH值為3時，黏度達到最大值。

在剪切速率為170 s-1，鹽酸濃度為10%的條件下，測得芥酸酰胺丙基甜菜堿濃度和溫度對黏度影響的關系曲線見圖4。

由圖4可知，當芥酸酰胺丙基甜菜堿濃度大于4%時，黏度隨溫度升高而先增加后減小，溫度達到60 ℃，溶液黏度達到最大值；當芥酸酰胺丙基甜菜堿濃度小于 4%時，黏度隨溫度升高而降低，溫度為20 ℃時，溶液黏度達到最大值。

圖3 pH值的影響（6%芥酸酰胺甜菜堿）Fig.3 Effect of pH (6% erucic acid amide betaine)

圖4 pH值與殘酸黏度的關系曲線Fig.4 Relationship between pH value and residual acid viscosity

原因為溫度較低時，升高溫度加速膠束運動，膠束間相互纏繞形成球形膠束，從而表現為黏度增加；而當甜菜堿溶液濃度高時，膠束相互纏繞聚合的力本身很小，溫度的升高會破壞膠束結構，因而表現為黏度較低[7]。

4 結 論

通過多次實驗，合成芥酸酰胺丙基甜菜堿最佳實驗條件是：以芥酸和 N,N-二甲基-1,3-丙二胺為原料在165 ℃反應6.5 h，制得N，N-二甲基-N'-芥酸酰基丙胺，再與氯乙酸鈉在80 ℃反應7 h，得到芥酸酰胺丙基甜菜堿。

通過對芥酸酰胺丙基甜菜堿性能評價，pH值為3時，溶液黏度達到最大值。當芥酸酰胺丙基甜菜堿濃度大于 4%時，黏度隨溫度升高而先增加后減??；當芥酸酰胺丙基甜菜堿濃度小于 4%時，黏度隨溫度升高而降低。

［1］ 劉俊，郭擁軍，劉通義. 粘彈性表面活性劑研究進展[J].鉆井液與完井液, 2003,20 (3) :47-51.

［2］馬代鑫，徐賦海，王增林，等.變粘分流酸主劑油酸酰胺丙基甜菜堿的合成[J]，特種油氣藏，2009, 16(3): 89-91.

［3］ 王寶林，曲德仁，張新春.烷基酰胺丙基甜菜堿的合成、性能及應用[J].表面活性劑工業，1993(1): 31-36.

［4］ 趙世民.表面活性劑原理、合成、測定及應用[M]. 北京：中國石化出版社，2005. 343-347.

［5］ 鄭云川，趙立強，劉平禮，等.兩性表面活性劑芥子酸酰胺丙基甜菜堿的合成與應用[J].鉆井液與完井液,2006,23(3):4-7.

［6］ 趙世民.表面活性劑原理、合成、測定及應用[M].北京：中國石化出版社，2005: 343-347.

［7］ 陳馥，侯帆，竭繼衷，等.變黏酸稠化劑甜菜堿的合成及性能評價[J]. 鉆井液與完井液,2011,28 (6) :64-66.

Synthesis and Property Evaluation of Erucic Acid Amide Propyl Betaine

FAN Zhen-zhong，GUO Hao，LIU Qing-wang，WANG Ji-gang
（Northeast Petroleum University, Heilongjiang Daqing 163000，China）

With erucic acid, N, N - dimethyl trimethylene diamine and sodium chloroacetate as raw materials, erucic acid amide carboxy propyl betaine was synthesized via amidation and quaternarization reactions.The optimal synthesis conditions were studied. The target product was characterized by IR spectrum, and its property was evaluated. The results show that when the concentration of erucic acid amide propyl betaine is 4%, the concentration of HCl is 10%, the viscosity of acid liquid system is the maximum;When the concentration of erucic acid amide propyl betaine is more than 4%, the viscosity increase increases first and then decreases with temperature increasing;When the concentration of erucic acid amide propyl betaine is less than 4%, the viscosity decreases with temperature increasing.

Erucic acid amide betaine; Property evaluation; Orthogonal test

TQ 423

A

1671-0460（2015）08-1810-03

黑龍江省自然科學基金項目“陽離子雙子表面活性劑驅油技術研究”，項目號：E201337。

2015-05-25

范振忠（1971-），男，黑龍江大慶人，教授，博士，2005年畢業于浙江大學化學系，研究方向：油田化學。E-mail：fanzhenzhong@163.com。

郭昊（1990-），男，研究方向：油田化學。E-mail：978478964@qq.com。