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519-两性瓜尔胶衍生物溶液的流变特征与在线粘度计(黏度-流变性能-假塑性流体-触变性-零切粘度)


物理化学学报(肌“^‰MP妇g缸口)
November

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A呦尸协.一chf卅.5盹,2003,19(11):1081~1084
108l

性瓜尔胶衍生物溶液的流变特征。
周建芳
(中“l大学高分子研究所,广州

张黎明

Perter s.Huil
5l0030)

510275;1美国EcONOMY化学公司中国代理处,广州

摘要借助旋转牯度计研究了一种两性瓜尔胶衍生物fE一刖删口s)溶液的流变特征,考察了衍生物浓度、外加
盐和温度对E.AMPHo—s溶液流变性能的影响 发现在实验条件下,E.AMPHo-s溶液呈非牛顿流体特征,具有 剪切变稀特性;随改性瓜尔胶浓度增大,E—AMPHo—s溶液具有增强的触变性质;在~定浓度盐溶液中, E—AMPHo—s可表现出明显的反聚电解质溶液粘性行为;E—AMPH0_s溶液的零切粘度可由spc肿er_DiJjon方程

外推得出,其与温度的依赖关系服从A呐enills公式.
关键词: 瓜尔胶衍生物,流变性能,假塑性流体,触变性,反聚电解质溶液行为.
0631.4,0645

零切粘度

中国分类号:

瓜尔胶(guar gum)是天然高分子化合物,它是 由许多半乳糖和甘露糖单元按1:2比例彼此以口 (1—4)苷键连接而成的多糖巨分子,主要产于印 度、巴基斯坦以及美国.自问世以来,瓜尔胶及其 衍生物就~直作为性能优良的增稠剂而被广泛地 用于石油开采、涂料、化工、医药、建筑、食品和个人 卫生保健等领域n…. E.AMPHO—s是美国Economy化学公司最近开 发出的一种两性瓜尔胶衍生物,其分子链上不仅含 有羧甲基阴离子基团而且含有季铵阳离子基团. 与非离子、阴离子或阳离子型改性瓜尔胶相比,其 溶液性质较为独特.本文首次报导两性瓜尔胶浓 度、外加盐和温度对其溶液流变性能的影响,以期

1.2

流变参数和触变性考察 为保证E—AMPHO.s充分溶解,测试前所有样

品溶液均放置在磁力搅拌机上搅拌溶解2 h以E 测试时,使用德国Rheotest 2.50Hz-T卯Rv2旋转粘 度计测定试样溶液在不同条件(浓度、温度、外加 盐)下的流变参数.当进行触变性考察时,在该旋 转粘度计中以每隔20 s时间增加1次剪切速率 (f),从最低3 s“均衡地升至最高1312 s~,同时记 录下相应的切力(F)数据,得到一条上行线;再f=}1最 高剪切速率均衡地降回到最低3 s一,同时记录下降 低切速过程中的切力数据,得到一条下行线;以上 行线和下行线是否重合,判定溶液是否具有触变 性;若上行线和下行线不重合成为一个月牙形圈即 “滞后圈”,则说明体系具有触变性并可用此圈的面 积衡量其大小“1.

 

为E.AⅧHo.s的实际应用提供依据.


实验部分 2结果与讨论
2.1浓度的影响 配制不同浓度的E.AMPHo—s水溶液,在不同 剪切速率(r)下测定各种溶液的表观粘度(协),依 据ostwald-Dewaelc方程的对数形式
ln叼。=1n七+(n—1)lnT

1.1原料与试剂 两性瓜尔胶E.AMPHo—s:美国EcONOMY公 司产品,用德国EleInent“公司v撕o EL元素分折仪 测得其中N元素含量为o.759%,由此求得季铵阳 离子基团~N+(c盹)。c1一含量为5.42


10_4 mol?

g叫;用vARLAN公司cARYl00型紫外可见分光 光度计对其中阴离子基团一cooH进行定量分析, 发现其含量为8.2×lo。mol?g.cacl,:化学纯, 广州化学试剂厂.
2003-04-25收到初稿,2003—07—04收到修改稿 基金(20273086)和广东省自然科学基金(021769)资助项目

以In仕对lnf作图得到线性相关系数R均大于o.99 的一组直线(见图1),并由这些拟合直线的斜率和 截距分别求得相应的稠度系数k和粘性指数n值

联系人:张黎明(E_m丑il

ce&zlllm@删edu

cn;hI:020—84112354)

。国家自然科学

万方数据  

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图1

不同E.刖唧O.s浓度条件下试样lII讯对
h一/目。)

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图2

不同浓度E-A】岍Ims溶液的触变性
响应(20℃)

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f作图(17℃)

Fig.1

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E-AMPHo-S∞lutions

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E-AMPHoS c伽cent曲dons(17℃)

vlscosity,f:sl-e盯mt6

∞Ⅱcent瞄d仰s(20℃) ,:shearf0雠f:shear ra把 “凝胶.溶胶”之间相互转换过程的表现“I.当两性 瓜尔胶E-AMPH0.s浓度增加时,相互缠绕的多糖 大分子链便容易在静止情况下通过其分子链J:正 负电荷基团静电相互作用和其它分子间相互作用 产生物理交联。导致凝胶形成.而当外切力(F)作 用于体系时,已形成的平衡物理交联网络则被破坏 使得其分子链能相对自由地活动而成溶胶状态. 这种体系触变性依赖于浓度的现象,GhannaIIl和

(见表1).t~哺关系借ostwald.Dewaele方程得以 很好地描述且H小于l,说明在实验条件下 E.A ̄Ⅱ)HO.s水溶液表现出非牛顿流体流变性质; t值随E.AMPHo.s浓度增大而增大,表明其增粘

  能力随浓度增大而增强;n值随E.mdPH0.s浓度
增大而减小,则反映出溶液的剪切变稀性质随其浓 度增大而进一步增强. 对浓度分别为1.O%、2,O%和3.0%(g?mL~, 下同)的两性瓜尔胶E.AMPHo.s水溶液进行触变 性考察,结果见图2对于1.0%溶液,其上行和下 行流变曲线几乎接近重合,所计算出的滞后圈面积 仅为l_9 kPa?s~,表明此浓度下体系无明显触变 性;当溶液浓度达2.O%时,试样溶液的上行和下行 流变曲线已呈现出月牙形圈,相应滞后圈的面积为
8.5

Esnall“1在研究另一种多糖衍生物——羧甲基纤维
素的溶液流变性能时也曾被发现.事实上,若将两 性瓜尔胶E—AMPHo—s用作钻井泥浆、强化采油、水 性涂料和油墨之类增稠剂时,体系良好的触变性将 有利于其实际应用,
2.2

盐的影响 固定两性瓜尔胶溶液浓度为1.o%,在不同剪

kPa?s~,说明体系此时已开始出现一定程度的

触变性;而当溶液浓度达3.o%时,考察样品溶液已 具有明显的触变性质,此时滞后圈的面积高达32.6 kPa?s~.一般认为,触变性可以视为体系在恒温下
表l
Tab】e


切速率(r)下考察外加盐cack对溶液粘度性能的 影响,结果见图3.有趣的是,在考察外加盐浓度范 围内E.A】恤,H0.s溶液的粘度随外加caClz浓度c。

E.AMPHoS浓度c(g/100 mL)对其溶液稠度系数量和粘性指数n的影响(17℃)
E—AMPHO—s c0沁en妇曲n(c)0n tlle consistency coemcient(t)and visco由ty behavior index(n)(17℃)

Ef妇招of

万方数据  

No.1l

张黎明等:两性瓜尔胶衍生物溶渡的流变特征



c幢,100ml一)

图3

外加caCk浓度c。(譬/100 溶液粘度(m)的影响

mL)对E.A】岍m.s

10’r‘,K。

图5

不同温度下2.0%BAMPH0?S溶液的lnm
对l/r作图

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E—AMPH0一S

conc拍Ⅱ嘶∞:1.O%(g?mL一1):20℃

n盯es

(g/loo mL)的增大不但不降低,结果反而升高,表

2.3温度的影响 零切粘度(伽)是聚合物溶液流变性的重要表 征量.选用spencer_DilloⅡ经验公式”1的对数形式
1n坼=lIl伽一F/6

现出明显的反聚电解质溶液特性“1.究其原因,主 要是外加盐破坏了E一舢讧PHo—s分子链上因羧甲基 阴离子基团和季铵阳离子基团相互作用形成的内

 盐键,增强了E-AMPHo—s分子与溶剂之间的相互
作用能力而使其分子链变得较自由和舒展所致. zh∞g等n“在对不同两性纤维素接枝共聚物溶液性 质研究时,亦证实了与上述类似的盐响应特性.这 些规律不同于外加盐对普通多糖类聚电解质溶液 性能的影响规律.在通常情况下,外加盐常使阴离 子或阳离子多糖衍生物溶剂化作用变差,导致沉淀 失效”7.由此可见,两性瓜尔胶在盐溶液中有较强 耐盐能力这一特性将使其具有另一应用优势.

对2.o%的E—A】胛HO.s溶液在不同温度下的有关
实验数据进行回归分析(见图4),发现所有数据的 拟合关系良好,并从中求得对应浓度和温度下的 1n伽.在此基础上,用所求Jn伽对温度的倒数作图 (见图5),发现lIl伽与l/r有较好的直线关系,符 合Arrhenius公式“01:
伽=口?exp(E。/R丁)

式中骨为气体常数,且为粘流活化能;同时,从图 5中有关直线斜率求得2.o%E。AMpHo—s溶液的 E为7.96 kJ?mol~.这些事实表明,零切粘度对 温度具有依赖关系,且随温度升高而降低.
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万方数据  

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an

AmphOIeric Guar(;um DeriVatiVe+

zhou

Jian—Fang

Zh∞g Li?Ming

Peter

S蹦1
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510275:

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1CM船AgeHq(啦ce《Economy

PolymEH&

Abstract

The rhe0109ical

ch啪cte—stics
te衄s
found that

of 8queous solutions of

an

amphoteric

guar gum derivative,namely

E.AMPH0.S.werc studied in


of the ef艳cts of its concentraⅡon,added salts and tempemture by means of

mtating rheometer

It

was

E—AMPHo-S s01utions

invesⅡgatcd

behaved

as

non—Ne、vtonian

shear_minnjng

nuids.With

the increase of E—A^压PHO-S concentmtion from O.1%t0 2.0%

(g-mL-1),the

coⅡsistency coe厢cient increased wllile the viscosity behavior index

decreased.ne

tllixotropic response became

stmn聆fwhenE—AM口HO.S concen仃a廿on waSincrcasedf如m1.O%to 3.0%(g‘mL一).T和e obvious viscosity
behavior of

“anti-polyelectmlye s01ution”was observed in aqu印us salt solunons containing calcium chloride.

 dence

The zem shcar

viscos时(卵o)could


be obtained by using
relatioD

spencer-Diuon equ撕on,柚d

the tempemture depen—

of讯could be expressed by

of me form of the Arrhenius equatioⅡ,

Keywords:

Guar gum

dcrivative,mleological pmpeny,
solution behaVior,

Pscudopla嘶c fluid,

Thixotropy

A埘-p01yelectmlyte

zero shear

Viscosi【y

R肚西ved:A曲1 25,2003;Re讥sed:】uly 1k Pr面ect

4,2003. NSF of

co珊印彻dcⅡt:ZIl8ngu—M。g(E-man:cesz’Ilm@眦edⅡ.crI:T日:020—84112354)
Gu如gd锄g PmVince(021769)

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NsFC(20273086)md

万方数据  

两性瓜尔胶衍生物溶液的流变特征
作者: 作者单位: 刊名: 英文刊名: 年,卷(期): 被引用次数: 周建芳, 张黎明, Perter S.Hui 周建芳,张黎明(中山大学高分子研究所,广州 510275), Perter S.Hui(美国ECONOMY化学公 司中国代理处,广州 510030) 物理化学学报 ACTA PHYSICO-CHIMICA SINICA 2003,19(11) 20次

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引用本文格式:周建芳.张黎明.Perter S.Hui 两性瓜尔胶衍生物溶液的流变特征[期刊论文]-物理化学学报 2003(11)


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