О формировании полиэлектролитного комплекса на примере полидиаллилдиметиламмонийхлоррида (пдадмах) и полисиликата натрия

УДК 665.612.2

С. В. Крупин, Л. Ф. Биктимирова, М. А. Сувейд, А. А. Адебайо

О ФОРМИРОВАНИИ ПОЛИЭЛЕКТРОЛИТНОГО КОМПЛЕКСА НА ПРИМЕРЕ

ПОЛИДИАЛЛИЛДИМЕТИЛАММОНИЙХЛОРРИДА (ПДАДМАХ) И ПОЛИСИЛИКАТА НАТРИЯ

Ключевые слова: методы увеличения нефтеотдачи (МУН), интерполимерный комплекс (ИПК), водоограничительный материал (ВОМ), полимер, ограничение водопритоков.

В данной статье был рассмотрен механизм ионного взаимодействия между полидиаллилдиметиламмоний хлоридом и полисиликатом натрия, с последующим образованием интерполимерного комплекса. Также были рассмотрены изменения дисперсности частиц систем в зависимости от концентраций исходных компонентов.

Keywords: Enhanced Oil Recovery (EOR), interpolymer complexes, water screening materials, polymer, water shut-off.

In this paper reviews the mechanism of ionic interaction between polydiallyldimethylammonium chloride and sodium polysilicate, with the formation of polyelectrolyte complex. Also we examined were changes in particle size of the system depending on the concentrations of the components used.

Введение

Полиэлектролиты в классическом понимании используются в таких областях, как стабилизация коллоидных частиц, флокуляция при очистке сточных вод, в бумажной индустрии, и в производстве загустителей для пищевой промышленности. В настоящее время, полиэлектролитные системы находят применения в нанотехнологии и в биотехнологии. Из перспективных областей применения можно выделить производство биоматериалов и косметических средств. Кроме своих возможностей для модификации поверхности, полиэлектролитные системы могут быть использованы для создания функциональных полимерных наночастиц. Это применение является наиболее привлекательным для смешанных систем. Смешивание противоположно заряженных полиэлектролитов во всем объеме растворов приводит к образованию полиэлектролитных комплексов (ПЭК), как было показано в работах Кабанова и др. [1].

В зависимости от способа агрегирования частиц, образуются разные размеры ПЭК. Предполагается, что они образуют структуру ядро / оболочка, в соответствии с которым в ядре частиц, молярное соотношение зарядов равно 1: 1 . Полиэлектролитный компонент, который в избытке заполняет оболочку, дает системе определенный знак заряда и коллоидную стабильность. Существует экспериментальное доказательство того, что внутренняя структура и размер этих агрегированных частиц ПЭК зависит от концентрации, ионной силы, рН, молекулярных параметров использованных полиионов и метода приготовления [2].

Полиэлектролитные комплексы представляют интерес из-за двух причин. Во-первых, из-за Оствальдовского созревания, происходит агрегирование мелких частиц с образованием более крупных частиц. Следовательно, если созревание частиц может быть ускорено в том смысле, чтобы в конечном итоге получить мономодальные частицы, то можно получить стабильные коллоидные дисперсии. В этом контексте, ПЭК могут быть интересны для ши-

рокого промышленного применения, например для косметики, красок (например, в работах [3]) или как наноноситель для лекарств, белков и ДНК. Во-вторых, есть понятие модификация поверхности, основанные на мокрой химической адсорбции пред-образованных частиц ПЭК на поверхность (кремниевой пластины, суспензии оксида кремния, мембран, текстиль) для изменения заряда поверхности или формирования наноструктур на поверхности. Для эффективной модификации поверхности требуется эффективный процесс адсорбции. В более ранней работе [4], сообщалось о неполном распределении ПЭК на поверхности. Это было вызвано тем, что более мелкие компоненты системы ПЭК (радиус ~ 5-25 нм), адсорбируются быстрее к противоположно заряженной поверхности по сравнению с более крупными частицами. В следствие образуется слой из более мелких частиц определенного заряда, который препятствует адсорбции более крупных частиц.

Мы в этой работе сообщаем о диспергирование системы ПДАДМАХ :Псил с получением стабильного комплекса с регулируемым размером частиц. Это достигается за счет изменения времени перемешивания, либо с изменением концентрации одного из компонентов.

Экспериментальная часть

Объектами исследования являлись полисиликат натрия и ПДАДМАХ (полидиаллилдиметиламмоний хлорид). Модуль (соотношение SiO2 к Na2O) полисиликата натрия составил 2,7. ПДАДМАХ с молекулярной массой 250 000-350 000 г/мол получен компанией ООО "УралНефтеХим" г. Стерлитамак. ПДАДМАХ предоставлен в виде желтой жидкости с содержанием 33% масс. активных компонентов. ПДАДМАХ смешивается с водой в любых пропорциях и характеризуется очень высоким катионным зарядом при относительно невысокой молекулярной массе. При взаимодействии этих компонентов образуется интерполимерный комплекс, который при смешивании с водой превращается в твердый белый осадок.

Ниже схематично изображены структурные формулы этих двух компонентов.

+ Na О

\ /

О" Na+

ХГ

I II

Рис. 1 - Структурные формулы полиэлектролитов: (I) ПДАДМАХ и (II) Полисиликат натрия

Полиэлектролитные дисперсии были приготовлены путем прямого смешивания растворов разнородных полиэлектролитов ПДАДМАХ и полисиликата натрия как показано в рисунке 2. Для приготовления нужных концентрации, исходных реагентов предварительно разбавляли дистиллированной водой.

Î>

надосадочная

жидкость

Рис. 2 - Приготовление полиэлектролитного комплекса

Ионное взаимодействие можно представить на примере взаимодействия силиката натрия и ПДАДМАХ как показано ниже.

О

Na+ll Na+ +2

А

/ О-

сн2 сн2

\\ //

сн/ \н3

Cl-

О" О-

СНз СНз

N(

/\ СНз СН

Рис. 3 - Ионное взаимодействие между компонентами

Из выше приведенной  схемы взаимо-деиПствия, можно заключить, что на каждый  сили-катныи^ ион приходит два противоиона со стороны ПДАДМАХ. Комплекс стабилизируется избытком любого из реагентов. Нами для определения дисперсности системы, использовался прибор Malvern Zetasizer - гибкий многоканальный анализатор позволяющий определить размер частиц от 0,3 нм до 10

мкм. Прибор выдает распределение размеров частиц в зависимости от долей этих частиц в системе.

При исследовании дисперсности использовалась дисперсная система с содержанием частиц ПДАДМАХ - от 1-8% и полисиликат натрия 30%. Также было рассмотрено системы с различным содержанием полсиликата натрия в системе. Результаты экспериментальных исследовании приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Изменение дисперсности частиц в зависимости от концентрации ПДАДМАХ в системе

Размер частиц, мкм Массовая доля ПДАДМАХ в системе, %

3,0 5,0 5,2 5,5 5,8 6,0

от 0,82,0 80,5 79,9 82,9 45,4 46,3 42,6

от 2,05,0 15,8 14,9 9,3 26,1 24,9 29,2

от 5,010,0 3,7 5,2 7,8 28,5 28,8 28,2

Полученные результаты свидетельствует о том, что концентрация ПДАДМАХ в интервале от 5-6% значительно влияет на распределение частиц системы по размерам. С точки зрения применения, большая дисперсность системы может оказать существенное положительное влияние на дальности проникновения системы при использовании данных систем для ограничения водопритоков нефтяных скважин или при создании кондиционирующих агентов в косметике.

Для того чтобы удостовериться в стабильности системы, измерение размеров частиц проводилось после шести месяцев хранения образцов: существенное изменение размеров частиц не обнаружено.

Литература

1. Kabanov, V. A.; Zezin, A. B. Pure Appl. Chem. 1984, 56, 343.

2. Buchhammer, H. M.; Mende, M.; Oelmann, M. Colloids Surf., A 2003, 218, 151.

3. Scha  dler, V.; Mukherjee, P. Macromol. Rapid. Commun. 2005, 26, F43 (special issue).

4. Reihs, T.; Mu  lier, M.; Lunkwitz, K. Colloids Surf., A 2003, 212, 79-95.

© С. В. Крупин - д. т. н., профессор кафедры Физической и коллоидной химии КНИТУ, sta.krupin@yandex.ru; Л. Ф. Бикти-мирова - бакалавр каф. технологии косметических средств, КНИТУ, lisa_bf@mail.ru; М. А. Сувейд - магистр той же кафедры, suwaidmuneer@gmail.com; А. А. Адебайо - магистр той же кафедры, aden.adebayo@gmail.com.

© S. V. Krupin - ph.D. in Technical Sciences., Professor, Department of Physical and Colloid Chemistry KNRTU, sta.krupin@yandex.ru; L. F. Biktimirova - bachelor of Department technology cosmetics KNRTU, lisa_bf@mail.ru; M. A.Suwaid -Master of Department chemical technology of oil and gas KNRTU, suwaidmuneer@gmail.com А. А. Adebayo - Master of Department chemical technology of oil and gas KNRTU, aden.adebayo@gmail.com.