5.1.2. Синтетические структурообразователи

Природные гетероцепные и ароматические полимеры относительно неус­тойчивы при высоких температурах и окислении они легко подвергаются деструкции. Более термостойки и устойчивы карбоцепные полимеры (поли­мерные предельные и непредельные углеводороды, полимерные спирты, альдегиды, кислоты).

Такие полимеры способны образовывать длинные макромолекулы с мо­лекулярной массой, исчисляемой миллионами и десятками миллионов.

Существует большое количество карбоцепных полимеров. Наиболее ак­тивны (гидрофильны) полимерные кислоты и их производные, такие как полиакриловая кислота и ее эфиры (полиакрилаты: полиакрилонитрил, полиакриламид).

Получают полиакриловую кислоту и её производные путём полимериза­ции.

Полимеризация - это реакция соединения низкомолекулярных молекул в макромолекулы, не сопровождающаяся выделением побочных продуктов. Различают цепную и ступенчатую полимеризацию. Цепная полимеризация -это реакция, протекающая в результате активации молекул, т.е. перевода их в свободный радикал или ион. В зависимости от вида активации молекул различают радикальную и ионную полимеризацию.

Свободный радикал (при радикальной полимеризации) возникает под влиянием физического или химического воздействия. Так, в результате окис­лительно-восстановительной реакции образуется радикал RО по схеме:

Этот радикал реагирует с двойной связью молекулы мономера и, присое­диняясь к ней, образует новый более сложный радикал

,

способный взаимодействовать со следующей молекулой мономера и т.д. Таким образом образуется длинная макромолекула.

Превращение мономера в свободный радикал может происходить под влиянием тепла, света, ионизирующего излучения, введением в раствор ини­циаторов, образующих в растворе свободные радикалы (перекиси, гидроперекиси), а также введения инициатора окислителъно-восстановительных реак­ций: Fе²⁺, Сг³⁺ и др. Примером радикальной полимеризации являются эфиры полиакриловой кислоты.

Полиакриловую кислоту [— СН₂— СH(СООН)— ]_n ( n = 1 000–6000) получают полимери­зацией акриловой кислоты в воде или органических растворителях при концентрации мономера не более 25%.

Однако полиакриловую кислоту в чистом виде, как и другие кислоты для приготовления промывочных жидкостей не применяют вследствие ее кислотных свойств .

Для приготовления буровых растворов в качестве структурообразователя используют полиакрилаты образованные в результате этерификации полиакриловой кислоты .

–COOONH₄ + H₂O-полиакриламонит,

–COOH + NH₄OH –CONH₂ + 2H₂O - полиакриламиды,

–CN + 3H₂O - полиакрилонитрил,

Функциональную группу COONH₄ получают при комнатной температуре , группа неустойчива и поэтому полиакриламонит на практике не применяют .

Полиакриламид (ПАА) с функциональной группой CONH₂ получают при подогревании .

Полиакриламид (ПАА) [–CH₂–CH(CONH₂)–CH₂–CH(CONH₂)]n имеет молекулярную массу от 3^. 10⁴ до 6^. 10⁶ , растворяется в воде при температуре 40-50°С в течение 48ч. Применяют для регулирования структурно реологиче­ских свойств и понижения водоотдачи промывочных жидкостей.

Полиакрилонитрил с функциональной группой CN образуется при подогревании в присутствии P₂O₃.

Полиакрилонитрил [–СН₂–СH(CN)–]n (n=300–1000) в воде слабо растворяется, в растворах щелочей деструктируется. В промышленности выпускают в виде, сополимеров акрилонитрила с метилакрилатом и другими сомономерами и применяют в производстве волокон (например, "нитрона" –сополимера акрилонитрила, метилакрилата и итаконата натрия).

Для повышения активности акрилатов , они подвергаются гидролизу в щелочной среде.

При гидролизе азотсодержащих производных полиакриловой кислоты наблюдаются обратные процессы:

– COONH₄ + H₂O COOH + NH₄OH

– CONH₂ + 2H₂O COOH + NH₄OH

– CN + 3H₂O COOH + NH₄OH

В щелочной среде карбоксильная группа переходит в более, активную группу:

– СООН + ОН^- –СОО^- + Н₂О

а гидроксид аммония разлагается на аммиак и воду:

– NН₄ОН NН₃ + Н₂О

В результате гидролиза нолиакриламида получают высокоактивный по­лимер ГПАА.

–CH₂–CH(COO)–CH₂–CH(COO)–,

а в результате гидролиза полиакрилнитрила–гипан.

–CH₂–CH(COONa)–CH₂–CH(CONH₂)–CH₂–CH(CN)–

Гипан–сополимер полиакрилата натрия, полиакриламида и полиакрилонитрила .

Это весьма активный и термостойкий структурообразователь (до 200°С), но также, как и другие полиакрилаты, чувствителен к ионам поливалентных металлов. Реагент К–4 –аналог гипана, продукт неполного омыления полиакрилонитрила едким натром при соотношении 2,5:1. К аналогам гипана можно отнести и реагент К–9 – продукт омыления отходов волокна нитрона.

В результате гидролиза и добавок полярных электролитов получают раз­новидности ПАА. Так, при обработке ПАА каустической содой получают реагент РС–1, путём обработки ПАА щёлочью и триполифосфатом – РС–2, пу­тём обработки ПАА щёлочью и кальцинированной содой – РС–4.

Из сополимеров полиакрилатов в буровой практике находят применение метас, сополимеры М–14 и лакрис–20.

Метас – сополимер метакриловой кислоты и метакриламида, термостой­кий (до 220°С) понизитель фильтрации.

М–14 – термостойкий сополимер метакриловой кислоты и метилметакрилата с молекулярной массой 0,6-10⁶ — 1 • 10⁶.

Лакрис–20 – высокотермостойкая модификация сополимера М–14.