本發(fā)明涉及無(wú)機(jī)材料，具體為一種高分散重晶石粉及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、重晶石是一類重要的含鋇工業(yè)礦物，其主要成分是硫酸鋇，具有密度大、化學(xué)性質(zhì)和熱力學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等特點(diǎn)，重晶石粉是石油鉆井液中最主要的加重材料；要想增加鉆井液的密度，通常的做法就是使用重晶石進(jìn)行加重，由于鉆井液需在井中待較長(zhǎng)時(shí)間，重晶石常常因?yàn)槊芏却笞匀话l(fā)生沉降現(xiàn)象，影響鉆井的質(zhì)量與進(jìn)度，要想解決這一問(wèn)題，就要使重晶石在鉆井液中具備較好的分散性和懸浮穩(wěn)定性，而現(xiàn)有的制備超細(xì)重晶石粉由于粒徑較小，具有高的表面能使其易于團(tuán)聚，分散性較差，從而限制了超細(xì)重晶石粉體的應(yīng)用，因此研究出分散性能好的重晶石粉成為目前研究的熱點(diǎn)。

2、天然重晶石礦粉表面親水疏油，用作填料時(shí)，在有機(jī)材料中很難均勻分散，從而影響復(fù)合材料的綜合性能，并難以發(fā)揮無(wú)機(jī)填料的功能性、表面活性和小尺寸等優(yōu)良特性；現(xiàn)有技術(shù)中有采取一般包括超聲分散、機(jī)械攪拌分散、撞擊分散等物理分散方法，這些物理分散方法都具有一定的可行性，但是一旦分散完畢，外部環(huán)境復(fù)原，粉體顆粒可能會(huì)重新團(tuán)聚，從而物理分散受到一定的限制；化學(xué)分散是通過(guò)在顆粒懸浮體中加入分散劑使其在顆粒表面吸附，改變顆粒表面的性質(zhì)，從而改變顆粒與液相介質(zhì)、顆粒與顆粒間的相互作用，使超細(xì)粉體得以分散；現(xiàn)有技術(shù)中解決超細(xì)重晶石粉體分散性差易團(tuán)聚問(wèn)題的主要手段是對(duì)重晶石粉體進(jìn)行表面改性，選用的表面處理劑通常為脂肪酸或脂肪酸鹽，雖然該方法使得粉體的分散性得到一定改善，但二者在化學(xué)結(jié)構(gòu)和物理性態(tài)上存在差異，表面性質(zhì)的不同導(dǎo)致其相容性和親和性會(huì)有差別，難以提高粉體與有機(jī)基材的相容性問(wèn)題。

3、本發(fā)明通過(guò)制備含有兩性離子的聚合物分散劑，利用其與重晶石表面的化學(xué)吸附、靜電等作用，降低了重晶石顆粒在微粉化過(guò)程中由于表面能增大而產(chǎn)生的團(tuán)聚現(xiàn)象，改善了二者之間的相容性，提高了重晶石粉的分散穩(wěn)定性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明解決的技術(shù)問(wèn)題是：提供了一種高分散重晶石粉及其制備方法，解決了重晶石粉在分散的過(guò)程中易團(tuán)聚的問(wèn)題，提高了分散穩(wěn)定性。

2、本發(fā)明的技術(shù)方案是：

3、一種高分散重晶石粉的制備方法按照以下步驟進(jìn)行：

4、(1)氮?dú)夥諊?，向反?yīng)燒瓶中加入丙烯酸和去離子水，攪拌均勻后，在40-60℃下加入結(jié)構(gòu)式為的n,n’-哌嗪-1,4-雙乙基丙烯酰胺甜菜堿和引發(fā)劑過(guò)硫酸銨，進(jìn)行聚合反應(yīng)，反應(yīng)結(jié)束后，用氫氧化鈉水溶液調(diào)節(jié)ph為6-7，加入丙酮沉淀，過(guò)濾，干燥后得到甜菜堿型分散劑。

5、(2)向裝有機(jī)械攪拌的反應(yīng)燒瓶中加入重晶石和去離子水，在1000-1500r/min下加熱至80-90℃，保溫0.5-1h，然后加入甜菜堿型分散劑攪拌1-3h，過(guò)濾，干燥后研磨得到高分散重晶石粉。

6、進(jìn)一步的，步驟(1)中丙烯酸、n,n’-哌嗪-1,4-雙乙基丙烯酰胺甜菜堿、過(guò)硫酸銨的比例關(guān)系為1mo?l:(0.9-1.1)mo?l:(0.04-0.09)mo?l。

7、進(jìn)一步的，步驟(1)中聚合反應(yīng)溫度為85-100℃，反應(yīng)時(shí)間為3-6h。

8、進(jìn)一步的，步驟(1)中氫氧化鈉水溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20-30％。

9、進(jìn)一步的，步驟(2)中重晶石、甜菜堿型分散劑的比例關(guān)系為100g:(0.2-3)g。

10、進(jìn)一步的，步驟(1)中n,n’-哌嗪-1,4-雙乙基丙烯酰胺甜菜堿的制備方法按照以下步驟進(jìn)行：

11、步驟s1、氮?dú)夥諊?，向反?yīng)燒瓶中加入n,n’-二(氨乙基)-哌嗪和四氫呋喃，攪拌均勻后，加入碳酸鉀和丙烯酰氯，攪拌反應(yīng)，反應(yīng)結(jié)束后，減壓蒸餾，乙酸乙酯和去離子水萃取，有機(jī)相濃縮，干燥后得到n,n’-哌嗪-1,4-雙乙基丙烯酰胺。

12、步驟s2、氮?dú)夥諊拢蚍磻?yīng)燒瓶中加入n,n’-哌嗪-1,4-雙乙基丙烯酰胺和乙腈，攪拌均勻后，加入2-溴乙烷磺酸鈉，攪拌反應(yīng)，反應(yīng)結(jié)束后，冷卻至室溫，加入乙醚，析出沉淀，過(guò)濾，乙酸乙酯重結(jié)晶，得到n,n’-哌嗪-1,4-雙乙基丙烯酰胺甜菜堿。

13、進(jìn)一步的，步驟s1中n,n’-二(氨乙基)-哌嗪、碳酸鉀、丙烯酰氯的比例關(guān)系為1mol:(2.1-2.5)mo?l:(2.05-2.2)mo?l。

14、進(jìn)一步的，步驟s1中反應(yīng)溫度為20-35℃，反應(yīng)時(shí)間為5-10h。

15、進(jìn)一步的，步驟s2中n,n’-哌嗪-1,4-雙乙基丙烯酰胺、2-溴乙烷磺酸鈉的比例關(guān)系為1mo?l:(2.2-2.4)mo?l。

16、進(jìn)一步的，步驟s2中反應(yīng)溫度為70-80℃，反應(yīng)時(shí)間為24-48h。

17、本發(fā)明的有益的技術(shù)效果是：

18、本發(fā)明首先通過(guò)n,n’-二(氨乙基)-哌嗪和丙烯酰氯在碳酸鉀的作用下發(fā)生反應(yīng)，得到n,n’-哌嗪-1,4-雙乙基丙烯酰胺，然后利用n,n’-哌嗪-1,4-雙乙基丙烯酰胺與2-溴乙烷磺酸鈉發(fā)生季銨化反應(yīng)，得到n,n’-哌嗪-1,4-雙乙基丙烯酰胺甜菜堿，接著將n,n’-哌嗪-1,4-雙乙基丙烯酰胺甜菜堿與丙烯酸發(fā)生聚合反應(yīng)，得到甜菜堿型分散劑，最后與重晶石分散研磨后，得到高分散重晶石粉。

19、本發(fā)明制備的甜菜堿型分散劑具有較大的分子量，其分子結(jié)構(gòu)中含有能在重晶石表面產(chǎn)生強(qiáng)吸附力的陽(yáng)、陰離子基團(tuán)，從而實(shí)現(xiàn)了聚合物的強(qiáng)抑制性，吸附在顆粒表面時(shí)，其分子鏈可在介質(zhì)中充分伸展，形成吸附層，產(chǎn)生的空間位阻效應(yīng)能有效阻止顆粒間相互聚集，使得重晶石粉的平均粒徑得到有效降低；同時(shí)分散劑的加入顯著提高重晶石的表面帶電量，使得顆粒表面電勢(shì)的絕對(duì)值增大，增大了重晶石之間的靜電斥力，降低了顆粒間的引力，有效改善了重晶石粉的分散效果。

20、本發(fā)明制備的分散劑中含有雙甜菜堿結(jié)構(gòu)，一方面加入的聚合物分子中解離出的羧酸根和磺酸根可以和硫酸鋇顆粒表面上的鋇離子通過(guò)離子交換形成絡(luò)合物的形式，產(chǎn)生強(qiáng)烈的化學(xué)吸附，產(chǎn)生靜電穩(wěn)定性達(dá)到顆粒分散的效果；另一方面，聚合物分散劑另一端帶有正電荷的親水基團(tuán)是重晶石顆粒表面形成一定厚度的有機(jī)殼層，使粒子之間相互排斥，使得顆粒之間的范德華力減弱，不會(huì)因?yàn)橹亓τ绊懚杆俪两?，避免了顆粒在微粉化過(guò)程中由于表面積的增大而產(chǎn)生的團(tuán)聚，達(dá)到了提高重晶石粉在體系中穩(wěn)定分散的目的，提高了顆粒的沉降穩(wěn)定性，從而有效降低了重晶石粉在體系中的沉降速率和沉降體積，使得重晶石粉分散穩(wěn)定性得到有效提高。

技術(shù)特征：

1.一種高分散重晶石粉的制備方法，其特征在于，所述制備方法按照以下步驟進(jìn)行：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高分散重晶石粉的制備方法，其特征在于，所述步驟(1)中丙烯酸、n,n’-哌嗪-1,4-雙乙基丙烯酰胺甜菜堿、過(guò)硫酸銨的比例關(guān)系為1mol:(0.9-1.1)mol:(0.04-0.09)mol。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高分散重晶石粉的制備方法，其特征在于，所述步驟(1)中聚合反應(yīng)溫度為85-100℃，反應(yīng)時(shí)間為3-6h。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高分散重晶石粉的制備方法，其特征在于，所述步驟(1)中氫氧化鈉水溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20-30％。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高分散重晶石粉的制備方法，其特征在于，所述步驟(2)中重晶石、甜菜堿型分散劑的比例關(guān)系為100g:(0.2-3)g。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高分散重晶石粉的制備方法，其特征在于，所述步驟(1)中n,n’-哌嗪-1,4-雙乙基丙烯酰胺甜菜堿的制備方法按照以下步驟進(jìn)行：

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的高分散重晶石粉的制備方法，其特征在于，所述步驟s1中n,n’-二(氨乙基)-哌嗪、碳酸鉀、丙烯酰氯的比例關(guān)系為1mol:(2.1-2.5)mol:(2.05-2.2)mol。

8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的高分散重晶石粉的制備方法，其特征在于，所述步驟s1中反應(yīng)溫度為20-35℃，反應(yīng)時(shí)間為5-10h。

9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的高分散重晶石粉的制備方法，其特征在于，所述步驟s2中n,n’-哌嗪-1,4-雙乙基丙烯酰胺、2-溴乙烷磺酸鈉的比例關(guān)系為1mol:(2.2-2.4)mol。

10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的高分散重晶石粉的制備方法，其特征在于，所述步驟s2中反應(yīng)溫度為70-80℃，反應(yīng)時(shí)間為24-48h。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及無(wú)機(jī)材料技術(shù)領(lǐng)域，且公開(kāi)了一種高分散重晶石粉及其制備方法，甜菜堿型分散劑中的陽(yáng)、陰離子基團(tuán)能在重晶石表面產(chǎn)生強(qiáng)吸附力和空間位阻效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)聚合物的強(qiáng)抑制性，有效阻止顆粒間相互聚集，使得重晶石粉的平均粒徑降低，增大了重晶石之間的靜電斥力，有效改善了重晶石的分散效果；雙甜菜堿結(jié)構(gòu)中解離出的羧酸根和磺酸根可以和硫酸鋇顆粒表面上的鋇離子通過(guò)離子交換形成絡(luò)合物的形式，產(chǎn)生靜電穩(wěn)定性起到顆粒分散的作用，另一端帶有正電荷的親水基團(tuán)在重晶石顆粒表面形成一定厚度的有機(jī)殼層，使得顆粒之間的范德華力減弱，降低了重晶石粉在體系中的沉降速率和沉降體積，提高了分散穩(wěn)定性。

技術(shù)研發(fā)人員：吳勇,王帥之,劉子龍,汪建金,沈靖
受保護(hù)的技術(shù)使用者：旬陽(yáng)市健平礦業(yè)有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/10/21