納米顆粒表面特性對可逆乳狀液的影響*

陳孟鑫,劉 飛,代曉東,張 捷,鄭 政,王 碩,薛 琳,徐瑩雪

（中國石油大學勝利學院，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化[1],集中其優勢于一身,近年來發展較快。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勢,被認為是一種理想鉆井液[2-3]。

由于大部分常規可逆乳化鉆井液都是由表面活性劑作為乳化劑來穩定,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配制備可逆乳化劑來增強可逆乳狀液的耐溫性能。

納米顆粒與表面活性劑復合作用的關鍵在于其二者之間形成的化學鍵,即表面活性劑基團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關鍵就是納米顆粒的表面性質[5]。所以本文針對納米顆粒表面性質對可逆乳狀液性能的影響進行研究,考慮納米顆粒根據表面性質主要可分為兩種: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配制備的乳狀液的性能進行研究,明確納米顆粒表面性質對可逆乳狀液的影響,以期推動可逆乳狀液研究更好的發展,促進可逆乳化鉆井液在更廣泛范圍內的應用。

經過前期實驗發現:親水性納米二氧化硅顆粒可以在水中較好的分散,而在油中時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,而在水中時漂浮在水相表面不能有效分散其中。故設計,在實驗過程中,親水性納米二氧化硅顆粒預分散于水中,親油性納米二氧化硅顆粒預分散于油中。所用表面活性劑LF-1為前期實驗預選好的可作為可逆乳化劑的有機胺類表面活性劑。

1 實 驗

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,國藥集團化學試劑有限公司；斯卡蘭2#白油,工業級,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:青島膠南分析儀器廠；DWY-2A型智能電穩定性測試儀,青島新領機電科技有限公司。

1.2 實驗方法

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 乳狀液可逆轉相性能的研究

(1）加酸轉相:做多組平行實驗,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相性能的初始乳狀液[6]。

(2）加堿轉相(加酸轉相后）:做多組平行實驗,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）,使用電穩定測試儀測定乳狀液類型[5]。

2 結果與討論

2.1 親水性納米顆粒與表面活性劑復配穩定的乳狀液性能

經過實驗發現(表1）,親水性納米二氧化硅顆粒與表面活性劑復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/堿的加入發生變化,其主要原因為,親水性納米二氧化硅表面吸附有機胺類表面活性劑LF-1時,由于親水性納米二氧化硅表面親水,故有機胺類表面活性劑LF-1的親水基團在納米二氧化硅表面吸附,親油基團伸展在外,有機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不隨著酸/堿的加入發生變化,故初始乳狀液為油包水乳狀液且乳狀液類型不隨著酸/堿的加入發生變化,所形成的改性納米二氧化硅結構見圖1。

表1 親水納米二氧化硅顆粒與表面活性劑復配制備的乳狀液不同階段電導率和破乳電壓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配穩定的乳狀液性能

經過實驗發現(表2）,親油性納米二氧化硅顆粒與表面活性劑復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/堿的加入實現可逆轉化,且可逆轉相過程中各階段乳狀液靜置24 h后僅外相出現析出,內相液滴均未出現明顯析出,即各階段乳狀液均穩定性均較好,乳狀液有良好的可逆轉相性能,分析主要原因為,親油性納米二氧化硅表面吸附有機胺類表面活性劑LF-1時,由于親油性納米二氧化硅表面親油,故有機胺類表面活性劑LF-1的親油基團在納米二氧化硅表面吸附,親水基團伸展在外。該親水基團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為偏親油性,故改性納米二氧化硅所穩定的乳狀液為油包水乳狀液；該親水基團在酸性條件下為帶負電的,改性納米二氧化硅整體表現為偏親水性,故改性納米二氧化硅所穩定的乳狀液為水包油乳狀液。即乳狀液在堿性/中性環境下為油包水乳狀液,在酸性環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配制備的乳狀液不同階段電導率和破乳電壓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

通過上述實驗可知,納米二氧化硅表面性質對 “納米二氧化硅與表面活性劑復合材料”的性質有決定性作用,綜合分析主要原因為納米二氧化硅表面性質會影響表面活性劑與納米二氧化硅之間的作用機制,進而影響納米二氧化硅與表面活性劑復合材料所表現出來的性質,最終導致不同表面性質的納米二氧化硅與表面活性劑形成的復合材料穩定的乳狀液的性質存在差異。

3 結 論

納米二氧化硅顆粒的表面性質對 “納米二氧化硅與表面活性劑復合材料”的性質有決定性作用,親水性納米二氧化硅與表面活性劑復配穩定的乳狀液不能實現pH響應可逆轉化,親油性納米二氧化硅與表面活性劑復配穩定的乳狀液能實現pH響應的可逆轉化。在下一步繼續優化構筑pH響應的可逆乳狀液體系時選用親油性二氧化硅顆粒。