一种大晶面间距的有机粘土及其生产方法技术

一种大晶面间距的有机粘土及其生产方法，由累托石和双长链烷基季铵盐组成，其重量份配比为：累托石46～81，双长链烷基季铵盐19～54。其生产工艺步骤为：A、无机酸活化预处理；B、双长链烷基季铵盐有机化反应；C、过滤、陈化、干燥、粉碎。本发明专利技术的特点是，以累托石为粘土原料，以含有双长链烷基的季铵盐为有机改性剂，以无机酸活化预处理、高温湿法有机化、过滤陈化干燥粉碎等工序为生产工艺，制得的有机粘土产物的晶面间距d[001]能达到4.5～5nm，晶面间距显著增大。在钻井液领域，本发明专利技术的大晶面间距的有机粘土产品可作为白油、精炼矿物油、合成基油品等低毒环保型钻井液的胶体材料，具有成胶体性好、流变性好、滤失量低、高温稳定性优异等特点。

【技术实现步骤摘要】
一种大晶面间距的有机粘土及其生产方法
本专利技术涉及一种有机粘土的组成和生产工艺，特别涉及一种有机累托石及其生产方法。同时，本专利技术也涉及一种石油、天然气、地矿、建筑工程等行业用于钻井液、完井液的胶体材料。
技术介绍
一、大晶面间距的有机粘土的实现途径有机粘土在工业上可广泛应用于石油钻井液、涂料、聚合物纳米复合材料及其它的精细化工领域。经过有机化改性的粘土，其原有晶面间距变大。在钻井液、流变剂等领域，胶体体系的悬浮性、流变性与有机粘土的晶面间距正相关。在聚合物复合材料领域，有机粘土的晶面间距越大，粘土相越容易剥离成片状分散至聚合物基体之中，从而提高材料性能。有机粘土的组分一般由粘土原料、有机改性剂构成，组分中有时还需添加一些助剂，以促进有机化反应，或提高应用性能。现有有机粘土的原料以膨润土类为主。膨润土的主要成分为蒙脱石。依蒙脱石层间阳离子的不同类型，其晶面间距d[001]一般为1.2～1.5nm；若无层间阳离子，d[001]则为0.96nm。有机膨润土的d[001]可以达到2nm以上。增大晶面间距的途径有二。一条途径是选择分子量更大的适当的有机改性剂，如双长链烷基季铵盐能提供更大的分子量，遗憾的是，世界上已知的粘土矿藏中，只有少数矿藏适合于用双长链烷基季铵盐有机改性，大部分膨润土不适合双长链烷基季铵盐有机改性；另一条途径是选择初始晶面间距更大的粘土，累托石的d[001]为2.2～2.7nm，是已知的各种粘土中原始晶面间距最大的粘土矿物之一，以其为原料制备有机粘土是提高晶面间距的有效途径。专利02115758.8公开了一种有机复合累托石及其制备方法，其中的有机累托石由累托石、有机插层剂(如长链烷基季铵盐、己二酸己二胺或碳原子数6～12的氨基酸)、质子化剂组成。所谓有机插层剂即为有机改性剂。例如，所称的长链烷基季铵盐插层剂为十六烷基胺、十六烷基三甲基胺(原文如此)或碳原子数为12～18的其它长链烷基季铵盐，为单长链烷基季铵盐，每100份累托石加入的有机插层剂最多可至30份。即使采用纯度90%以上的累托石为原料，制得的有机累托石晶面间距d[001]最高仅能达到3.8～4.1nm。专利02115876.2公开了一种用于合成纳米复合材料的累托石/有机复合物及其制备方法，其有机累托石复合物由累托石与胺或胺盐、氨基酸、内酰胺、二胺二酸盐类等有机单体或有机单体和质子化试剂发生离子交换反应制成。据文献“累托石在聚合物纳米复合材料中的应用”(《工程塑料应用》2004年，第32卷，第1期)报道，应用该技术，经有机阳离子交换反应所制得的高纯累托石/有机复合物的晶面间距d[001]由2.2616nm提高到4.2924nm。上述两个专利中有机累托石由粘土/有机改性剂/质子化剂三种组分或粘土/有机改性剂两种组分构成，其中的有机改性剂不包括双长链烷基的季铵盐，改性剂分子量尚不足够高，其有机化产物不易获得更大的晶面间距。作为以超大分子量为有机改性剂制备有机累托石的例子，专利200610124484.6公开了一种壳聚糖季铵盐/累托石纳米复合材料及其制备方法，该复合材料实质上是一种有机累托石，基本组成为壳聚糖季铵盐和累托石，以壳聚糖季铵盐为有机改性剂，插层后累托石晶面间距d[001]在2.9nm～3.5nm之间。另一个有关壳聚糖季铵盐类有机改性剂的涉及有机累托石的专利是200910213896.0，所用有机改性剂为羧甲基壳聚糖季铵盐，其有机累托石的晶面间距d[001]在4.2nm～4.72nm之间。但是，壳聚糖类季铵盐的成本高昂，其有机累托石产品定位于医药材料、生物材料，不具备在石油钻井、涂料、工程塑料、橡胶等领域应用的经济性。专利201010258856.0、专利201510893277.6、专利201511005536.3公开了几种不同的油基钻井液用有机累托石及其生产方法，其中的有机累托石都是由累托石和单长链烷基季铵盐构成，其权利要求、
技术实现思路
阐明了所用季铵盐改性剂的通名为m-烷基三甲基卤化铵或n-烷基二甲基苄基卤化铵。因此，就有机改性剂分子量的对比而言，其有机化产物不易获得更大的晶面间距。如果采用累托石/双长链烷基季铵盐这种全新的组分，就能提高其有机粘土终产品的晶面间距，前文所述的提高有机粘土晶面间距的两条途径都得以实现，这正是本专利技术的产品创新之所在。累托石粘土是一种新型的间层硅酸盐矿物，其晶体结构中，类蒙脱石层和类云母层以1:1规则交错排列。天然累托石的d[001]为2.2～2.7nm，大约是蒙脱石的两倍。累托石层电荷适中，既具有良好的离子交换性，可具有良好的分散剥离性。采用恰当的工艺，累托石适合于用双长链烷基季铵盐等大分子量的有机改性剂来进行有机化改性。二、大晶面间距有机粘土对低毒环保非水钻井液的意义石油钻探过程中，非水基钻井液(NADFs)—即油基和合成基钻井液—在石油工业的应用越来越广泛，油基钻井液体系的基液以前以柴油基为主。然而，柴油芳香烃含量较高，不利于环保。近年来，为降低钻屑排放对环境所造成的影响，具有可降解、低污染的环保型的低毒矿物油(白油)、高精炼矿物油和合成基(酯、烷烃、烯烃)钻井液的应用越来越广泛。柴油以外的油基钻井液以及合成基钻井液，可统称低毒环保型钻井液。然而，这些低毒环保型钻井液的体系特点是粘度低、芳香含量低，目前市场上的油基钻井液用有机粘土作为低毒环保体系的亲油胶体的凝胶性、降滤失性、增粘提切性普遍较差。根据钻井液的胶体化学原理，有机粘土晶体结构更大的晶面间距有利于它们在低毒环保钻井液体系中发挥良好的胶体性能、流变性、悬浮稳定性能。因此，在钻井液这一重要应用领域，大晶面间距有机粘土对低毒环保非水钻井液具有重大的意义。
技术实现思路
结构决定性能。针对现有有机粘土的晶体结构上的缺憾，本专利技术公开了一种具有大晶面间距的新型的有机粘土及其生产方法，以便满足工业上对高性能有机粘土的要求，尤其是低毒环保型油基及合成基钻井液体系对有机粘土的要求。为此，本专利技术采用双长链烷基季铵盐为累托石的有机改性剂。为了准确地量化配方，我们使用本专利的专利技术人已公开过的有机累托石的季铵盐饱和加入量Q的计算公式：Q=0.073776×M×p×(1－wr)÷(1－wq)式中，Q—有机化反应时，每100kg累托石使用季铵盐的饱和加入量(kg)；M—所使用的季铵盐的分子量；p—累托石纯度，数值范围0～1；wr—累托石含水量，数值范围0～1；wq—季铵盐含水量，数值范围0～1。按照本专利技术的产品组分中累托石、双长链烷基季铵盐的工业级原料的通常条件，最大季铵盐加入量的情形：p=98.0%，wr=6.5%，wq=50%，非烷基活性基团为苄基，季铵盐种类为双二十四烷基甲基苄基溴化铵(分子量874)，Q=118.2，即100份累托石加入季铵盐118.2份，亦即45.9份累托石加入54.1份季铵盐，取整后，得累托石:季铵盐=46:54。本专利技术最小的季铵盐加入量的情形：p=65.0%，wr=6.5%，wq=90%，季铵盐种类为双十四烷基二甲基氯化铵(分子量473)，Q=23.6，即100份累托石加入季铵盐23.6份，亦即80.9份累托石加入19.1份季铵盐，取整后，得累托石:季铵盐=81:19。所以，本专利技术专利的大晶面间距的有机粘土由累托石和双长链烷基季本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种大晶面间距的有机粘土，由累托石和双长链烷基季铵盐组成，其重量份配比为：累托石46～81，双长链烷基季铵盐19～54。

【技术特征摘要】
1.一种大晶面间距的有机粘土的生产方法，其特征在于它由累托石和双长链烷基季铵盐组成，其重量份配比为：累托石46～81，双长链烷基季铵盐19～54；其生产工艺步骤为：(1)无机酸活化预处理：在盛有累托石100重量份的容器中加入无机酸水溶液400～600重量份，该无机酸水溶液为1～2%浓度的硫酸或0.4～1.0%浓度的盐酸，然后升温至60～80℃，搅拌30～210min，搅拌转速120rpm，形成均匀的浆液，放置8～48小时，再压滤脱水，得无机酸活化累托石；(2)有机改性：将无机酸活化累托石放入容器中，加入相当于累托石重量1～20倍的水搅拌为浆液，取浓度为50～90%的双长链烷基季铵盐23.6～118.2重量份加入到浆液中，继续搅拌并加热，反应温度设定在70～115℃，保温搅拌30～210min，搅拌转速120rpm，得混合浆液；（3）成品化：将100～400重量份水加入混合浆液中，搅拌1～3min后，过滤、陈化、干燥、粉碎，得大晶面间距有机粘土成品。2.根据权利要求1所述的一种大晶面间距的有机粘土的生产方法，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪昌秀，梅宏，
申请(专利权)人：武汉华矿胶体化学有限公司，
类型：发明
国别省市：湖北;42