JPH0576494B2 - - Google Patents
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Description
発明の要約
本発明は、粘稠化剤(viscosification agent)
が、陰イオンコモノマーを含む水溶性ポリマー主
鎖(backbone)と陽イオンコモノマーを含む水
溶性ポリマー主鎖のコポリマーとの混合物である
水溶液および塩溶液用の粘稠化剤に関する。
ポリマー錯体を含む本発明の水溶液はダイラタ
ント性(dilatant properties)を示すことができ
る。本発明は、陰イオンコポリマーと陽イオンコ
ポリマーとからなる本発明のインターポリマー錯
体が極高分子量ポリマーの使用の代わりとして、
水溶液系用抗力減少剤として有用であり得ること
をも開示する。
本発明は、これらのインターポリマー錯体が多
成分水溶液用抗力減少剤、例えば油井コントロー
ルおよびワークオーバー流体(well control and
workover fluid)、船舶等の如き海に関するもの
についての用途(marine applications)、血液な
どとして有用であり得ることを開示する。後者の
流体では、本発明のインターポリマー錯体の添加
が生物種(動物およびヒト)の循環系中の血液の
流速を増強する。ほとんどの場合に於て、このこ
とは、血液が酸素、医薬、栄養分などを器管へ運
ぶ速度を増加するような、生物にとつて有益な効
果を与える。同様な増強効果は、植物中の流体循
環に関しても見られるであろう。
発明の一般的説明
本発明の水および高イオン強度溶液用水性粘稠
化剤は2種の異なるポリマーの混合物の相互作用
によつて製造される。本発明の錯体製造に適した
コポリマーは数多くある。
1つの好ましい系は(A)スルホン酸塩含量が1〜
50重量%の範囲であるアクリルアミドと中和スチ
レンスルホン酸塩とのコポリマーと、(B)イオンモ
ノマー含量がこれまた1−50重量%の範囲である
アクリルアミドとN,N,N−トリメチルアンモ
ニウムプロピルメタクリルアミド
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention provides a viscosification agent.
relates to thickening agents for aqueous and salt solutions that are mixtures of water-soluble polymer backbones containing anionic comonomers and copolymers of water-soluble polymer backbones containing cationic comonomers. Aqueous solutions of the invention containing polymer complexes can exhibit dilatant properties. The present invention provides that the inventive interpolymer complexes comprising an anionic copolymer and a cationic copolymer can be used as an alternative to the use of very high molecular weight polymers.
It is also disclosed that they may be useful as drag reducers for aqueous systems. The present invention provides that these interpolymer complexes can be used as drag reducers for multicomponent aqueous solutions, such as well control and workover fluids.
It is disclosed that it may be useful as a workover fluid, marine applications such as ships, blood, etc. In the latter fluids, the addition of the interpolymer complexes of the invention enhances the flow rate of blood in the circulatory system of biological species (animals and humans). In most cases, this has a beneficial effect on the organism, such as increasing the rate at which the blood transports oxygen, medicines, nutrients, etc. to the organs. A similar enhancement effect would be seen with regard to fluid circulation in plants. General Description of the Invention The aqueous thickening agent for water and high ionic strength solutions of the present invention is produced by the interaction of a mixture of two different polymers. There are a number of copolymers suitable for making the complexes of the present invention. One preferred system has (A) a sulfonate content of 1 to
(B) a copolymer of acrylamide and neutralized styrene sulfonate having an ionic monomer content ranging from 1 to 50% by weight; Amide
【式】
のような第四アンモニウム塩とのコポリマーとの
混合物からなる。
本発明には、下記制限の下で種々の他のポリマ
ー系を用いることができる。コポリマー(A)は陰イ
オンコモノマーを含む大いに(largely)水溶性
のポリマー主鎖を基礎としなければならない。コ
ポリマー(A)の水溶性ポリマー主鎖はポリアクリル
アミドである。コポリマー(A)の陰イオンコモノマ
ーは、金属またはアミン陽イオンで中和されたス
ルホン酸基またはカルボン酸基または燐酸基を有
するα、βエチレン系不飽和モノマーからなる群
から選ばれる。特に好ましくかつ代表的なポリマ
ー種はスチレンスルホン酸塩、ビニルスルホン酸
塩、アリルスルホン酸塩、アクリルアミドプロピ
ルスルホン酸塩であり、スルホン酸基は、アンモ
ニウム陽イオンまたは元素周期表のA、A、
B、B属からなる群から選ばれる金属陽イオ
ンで中和されている。コポリマー(A)は、1−50重
量%、より好ましくは2−30重量%、最も好まし
くは3−20重量%の陰イオンコモノマーを含む。
コポリマー(A)の数平均分子量は、10000−
5000000、より好ましくは20000−3000000、最も
好ましくは50000−1000000である。コポリマー(A)
は、一般に、ポリマー化学の分野で公知の技術に
よつて製造される。好ましくは、遊離基開始を用
いる。例えば、アクリルアミドとスチレンスルホ
ン酸ナトリウムとの共重合は、以下の実施例中で
記載するように、過硫酸カリウムのような通常の
開始剤を用いて水中で行われる。典型的には、こ
れらのポリマーはこの方法で製造されるが、本発
明の精神から逸脱することなく実施できる多くの
変法がある。
コポリマー(B)は、陽イオン種を含む大いに水溶
性のポリマー主鎖を基礎としなければならない。
コポリマー(B)の水溶性ポリマー主鎖は、ポリアク
リルアミドである。コポリマー(B)の陽イオンコモ
ノマーは、官能基として存在する第四級塩基また
はピリジニウム基を有するα、βエチレン系不飽
和モノマーから選ばれる。N,N,N−トリメチ
ルアンモニウムプロピルメタアクリルアミドおよ
びビニルピリジンが特に好ましい。コポリマー(B)
は、1−50重量%が、より好ましくは2−30重量
%、最も好ましくは3−20重量%の陽イオンコモ
ノマーを含む。ゲルパーミエーシヨンクロマドグ
ラフイーで測定されるコポリマー(B)の数平均分子
量は、10000−5000000、より好ましくは20000−
3000000、最も好ましくは50000−1000000である。
コポリマー(B)は、以下の実施例中で記載されるよ
うに、コポリマー(A)の製造に通常用いられる方法
と同じ方法で製造される。
本発明に用いられる物質の1つの重要な特性
は、ポリマー(A)および(B)を一緒にブレンドすると
きのイオン種の化学量論である。かかる化学量論
の広い範囲を調査したが、その中で陰イオン種/
陽イオン種の比は30/1から1/30までにわた
る。かかる化学量論のさらにより広い範囲も本発
明の範囲内にあると思われる。しかし、この比が
1/1の近傍にある場合には、かかる錯体の溶液
挙動があまり顕著でないことがわかつた。しか
し、水系に於てこの比から実質的に離れると、得
られた溶液は温度または濃度の関数として異常な
粘性挙動を示す。
従つて、陰イオン官能/陽イオン官能の比は、
45/1−1.1/1、最も好ましくは30/1−1.2/
1であることができる。もしくは、陰イオン基/
陽イオン基の比は1/45−1/1.1、より好まし
くは1/30−1/1.2であることができる。
コポリマー(A)とコポリマー(B)との錯体混合物
は、理想的には、コポリマー(A)およびコポリマー
(B)の別々の水溶液を一緒に混合することによつて
製造される。コポリマー(A)の水溶液は、水100ml
につき0.02−10g、より好ましくは0.04−8g、
最も好ましくは0.05−5gのコポリマー(A)を含
む。コポリマー(B)の水溶液は、水100mlにつき
0.02−10g、より好ましくは0.04−8g、最も好
ましくは0.05−5gのコポリマー(B)を含む。
高イオン強度溶液の場合、コポリマー(A)とコポ
リマー(B)との錯体混合物は、理想的には、コポリ
マー(A)およびコポリマー(B)の別々の高イオン強度
溶液を一緒に混合することによつて製造される。
コポリマー(A)の高イオン強度溶液は、水100mlに
つき0.1−5g、好ましくは0.2−5g、最も好ま
しくは0.5−2gのコポリマー(A)を含み、かつ溶
液は、水100mlにつき0.0005−0.5モル、より好ま
しくは0.001−0.5モル、最も好ましくは0.01−0.5
モルの酸または塩基または塩化ナトリウムのよう
な塩を含む。コポリマー(B)の水溶液は、水100ml
につき0.1−5g、より好ましくは0.2−5g、最
も好ましくは0.5−2gのコポリマー(B)を含む。
ダイラタント性を示すポリマー溶液の場合に
は、陰イオンコポリマーと陽イオンコポリマーと
のインターポリマー錯体は、典型的には、陰イオ
ンコポリマーの水溶液中の第1溶液を製造するこ
とによつて製造される。陽イオンコポリマーの第
2溶液は、陽イオンコポリマーを水溶液中に溶解
することによつて製造される。溶液中の陰イオン
コポリマーの濃度は、0.001−10.0g/dl、より
好ましくは0.01−5.0g/dl、最も好ましくは0.1
−4.0g/dlである。第2溶液中の陽イオンコポ
リマーの濃度は、0.001−10.0g/dl、より好ま
しくは0.01−5.0g/dl、最も好ましくは0.1−4.0
g/dlである。陰イオンコポリマーの第1溶液と
陽イオンコポリマーの第2溶液とを一緒に混合
し、それによつて陰イオンコポリマーと陽イオン
コポリマーとを相互作用させて水溶液インターポ
リマー錯体を製造することができる。別法では、
両方のポリマーを同時に一緒に溶解させることが
できる。インターポリマー錯体中のコポリマー中
の陰イオンモノマー単位対コポリマー中の陽イオ
ンモノマー単位のモル比は、0.05−20、より好ま
しくは0.1−10、最も好ましくは0.25である。水
溶液中のインターポリマー錯対の濃度は、0.01−
10g/dl、好ましくは0.1−7g/dl、最も好ま
しくは0.2−5g/dlである。
抗力減少剤として機能する陰イオンコポリマー
と陽イオンコポリマーとのインターポリマー錯体
の場合には、ポリマー溶液は、典型的には、水溶
液中で陰イオンコポリマーの第1溶液を製造する
ことによつて製造される。陽イオンコポリマーの
第2溶液は、陽イオンコポリマーを水溶液中に溶
解することによつて製造される。溶液中の陰イオ
ンコポリマーの濃度は、0.001−10.0g/dl、よ
り好ましくは0.01−5.0g/dl、最も好ましくは
0.1−4.0g/dlである。第2溶液中の陽イオンコ
ポリマーの濃度は、0.001−10g/dl、より好ま
しくは0.01−5.0g/dl、最も好ましくは0.1−4.0
g/dlである。陰イオンコポリマーの第1溶液と
陽イオンコポリマーの第2溶液とを一緒に混合
し、それによつて陰イオンコポリマーと陽イオン
コポリマーとを相互作用させて水溶性インターポ
リマー錯体を製造することができる。別法では、
両方のポリマーを同時に水中に溶解することがで
きる。インターポリマー錯体中のコポリマー中の
陰イオンモノマー単位対コポリマー中の陽イオン
モノマー単位のモル比は、0.05−20、より好まし
くは0.1−10、最も好ましくは0.2−5である。水
溶液中のインターポリマー錯体抗力減少剤の濃度
は、0.0004−10g/dl、より好ましくは0.001−
7g/dl、最も好ましくは0.005−5g/dlの範
囲にさらに減少させることができる。
好ましい実施態様の説明
以下に示す実施例は本発明を説明するためのも
のであり、本発明を限定するためのものではな
い。
実施例 1
アクリルアミド(AM)−スチレンスルホン酸
ナトリウム(SSS)コポリマーの合成のための代
表的実施例を以下に示す。
1の4つ口フラスコに、
アクリルアミド 25g
スチレンスルホン酸ナトリウム 12.75g
蒸留水 500ml
を添加する。
この溶液を、窒素ガスで1時間パージして溶存
酸素を除去する。窒素ガスパージを開始したと
き、溶液を55℃に加熱した。この時点で、0.05g
の過硫酸カリウムを溶液に添加した。24時間後、
アセトンでポリマーを溶液から沈澱させた。次
に、得られたポリマーを多量のアセトンで数回洗
い、真空乾燥器中で、60℃に於て24時間乾燥し
た。元素分析の結果、硫黄含量は4.16重量%であ
つたが、これは11.2モル%のスチレンスルホン酸
ナトリウムに相当する。
実施例 2
アクリルアミド、塩化メタクリルアミドプロピ
ルトリメチルアンモニウム(MAPTAC)コポリ
マーの合成のための代表的な実施例は、本質的に
前実施例の重合と同じである。但し、下に示すよ
うにSSSの代わりに適当量のMAPTACを用い
る。
アクリルアミド 25.0g
MAPTAC(50%溶液) 27.4g
この反応は、上記明細書の説明を用いて行われ
る。元素分析の結果、塩素含量は4.75重量%であ
つたが、これは11.9モル%のMAPTACに相当す
る。
当業者には公知のように、成長しつつあるポリ
マー連鎖に結合するイオンモノマーの濃度は、反
応種の初期濃度に直接関係する。従つて、ポリマ
ー構造内のイオン電荷の調節は、初期の陰イオン
または陽イオンビニル系モノマー濃度を変化させ
ることによつて達成された。
実施例1および2によつて、第1表に示すよう
な異なる組成の一連のコポリマーが製造された。It consists of a mixture of a copolymer with a quaternary ammonium salt such as Various other polymer systems can be used in the present invention, subject to the limitations described below. The copolymer (A) must be based on a largely water-soluble polymer backbone containing an anionic comonomer. The water-soluble polymer backbone of copolymer (A) is polyacrylamide. The anionic comonomer of copolymer (A) is selected from the group consisting of α,β ethylenically unsaturated monomers having sulfonic or carboxylic or phosphoric acid groups neutralized with metal or amine cations. Particularly preferred and representative polymer species are styrene sulfonate, vinyl sulfonate, allyl sulfonate, acrylamide propyl sulfonate, where the sulfonic acid group is an ammonium cation or A, A, A of the periodic table of elements,
It is neutralized with a metal cation selected from the group consisting of B and B genus. Copolymer (A) contains 1-50% by weight, more preferably 2-30%, most preferably 3-20% by weight of anionic comonomer.
The number average molecular weight of copolymer (A) is 10000−
5,000,000, more preferably 20,000-3,000,000, most preferably 50,000-1,000,000. Copolymer (A)
are generally prepared by techniques known in the art of polymer chemistry. Preferably, free radical initiation is used. For example, copolymerization of acrylamide and sodium styrene sulfonate is carried out in water using a conventional initiator such as potassium persulfate, as described in the Examples below. Typically, these polymers are made in this manner, but there are many variations that can be carried out without departing from the spirit of the invention. The copolymer (B) must be based on a highly water-soluble polymer backbone containing cationic species.
The water-soluble polymer main chain of copolymer (B) is polyacrylamide. The cationic comonomers of the copolymer (B) are selected from α,β ethylenically unsaturated monomers having quaternary bases or pyridinium groups present as functional groups. Particularly preferred are N,N,N-trimethylammoniumpropylmethacrylamide and vinylpyridine. Copolymer (B)
contains 1-50% by weight, more preferably 2-30%, most preferably 3-20% by weight of cationic comonomer. The number average molecular weight of the copolymer (B) measured by gel permeation chromatography is 10000-5000000, more preferably 20000-
3,000,000, most preferably 50,000-1,000,000.
Copolymer (B) is prepared in the same manner as is commonly used for the preparation of copolymer (A), as described in the examples below. One important property of the materials used in this invention is the stoichiometry of the ionic species when polymers (A) and (B) are blended together. We have investigated a wide range of such stoichiometry, including the anionic species/
The ratio of cationic species ranges from 30/1 to 1/30. Even wider ranges of such stoichiometry are believed to be within the scope of this invention. However, it has been found that when this ratio is around 1/1, the solution behavior of such complexes is less pronounced. However, when substantially departing from this ratio in aqueous systems, the resulting solutions exhibit unusual viscous behavior as a function of temperature or concentration. Therefore, the ratio of anion functionality/cation functionality is:
45/1-1.1/1, most preferably 30/1-1.2/
1. Or anionic group/
The ratio of cationic groups can be 1/45-1/1.1, more preferably 1/30-1/1.2. A complex mixture of copolymer (A) and copolymer (B) ideally comprises copolymer (A) and copolymer
Produced by mixing together separate aqueous solutions of (B). The aqueous solution of copolymer (A) is 100ml of water.
0.02-10g, more preferably 0.04-8g,
Most preferably it contains 0.05-5g of copolymer (A). The aqueous solution of copolymer (B) is
0.02-10g, more preferably 0.04-8g, most preferably 0.05-5g of copolymer (B). For high ionic strength solutions, the complex mixture of copolymer (A) and copolymer (B) is ideally formed by mixing separate high ionic strength solutions of copolymer (A) and copolymer (B) together. It is manufactured by
The high ionic strength solution of copolymer (A) contains 0.1-5 g, preferably 0.2-5 g, most preferably 0.5-2 g of copolymer (A) per 100 ml of water, and the solution contains 0.0005-0.5 mol per 100 ml of water. More preferably 0.001-0.5 mol, most preferably 0.01-0.5
Contains moles of acids or bases or salts such as sodium chloride. The aqueous solution of copolymer (B) is 100ml of water.
0.1-5g, more preferably 0.2-5g, most preferably 0.5-2g of copolymer (B) per copolymer (B). In the case of polymer solutions exhibiting dilatant properties, interpolymer complexes of anionic and cationic copolymers are typically prepared by preparing a first solution of the anionic copolymer in an aqueous solution. . A second solution of cationic copolymer is prepared by dissolving the cationic copolymer in an aqueous solution. The concentration of anionic copolymer in the solution is 0.001-10.0 g/dl, more preferably 0.01-5.0 g/dl, most preferably 0.1
-4.0g/dl. The concentration of the cationic copolymer in the second solution is 0.001-10.0 g/dl, more preferably 0.01-5.0 g/dl, most preferably 0.1-4.0
g/dl. A first solution of anionic copolymer and a second solution of cationic copolymer can be mixed together, thereby allowing the anionic and cationic copolymers to interact to produce an aqueous interpolymer complex. Alternatively,
Both polymers can be dissolved together at the same time. The molar ratio of anionic monomer units in the copolymer to cationic monomer units in the copolymer in the interpolymer complex is 0.05-20, more preferably 0.1-10, most preferably 0.25. The concentration of interpolymer complex in aqueous solution is 0.01−
10 g/dl, preferably 0.1-7 g/dl, most preferably 0.2-5 g/dl. In the case of interpolymer complexes of anionic and cationic copolymers that function as drag reducers, the polymer solution is typically prepared by preparing a first solution of the anionic copolymer in an aqueous solution. be done. A second solution of cationic copolymer is prepared by dissolving the cationic copolymer in an aqueous solution. The concentration of anionic copolymer in solution is 0.001-10.0 g/dl, more preferably 0.01-5.0 g/dl, most preferably
It is 0.1-4.0g/dl. The concentration of the cationic copolymer in the second solution is 0.001-10 g/dl, more preferably 0.01-5.0 g/dl, most preferably 0.1-4.0
g/dl. A first solution of anionic copolymer and a second solution of cationic copolymer can be mixed together, thereby allowing the anionic and cationic copolymers to interact to produce a water-soluble interpolymer complex. Alternatively,
Both polymers can be dissolved in water at the same time. The molar ratio of anionic monomer units in the copolymer to cationic monomer units in the copolymer in the interpolymer complex is 0.05-20, more preferably 0.1-10, most preferably 0.2-5. The concentration of the interpolymer complex drag reducer in the aqueous solution is 0.0004-10 g/dl, more preferably 0.001-10 g/dl.
Further reductions can be made to 7 g/dl, most preferably in the range of 0.005-5 g/dl. DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The following examples are intended to illustrate the invention and are not intended to limit it. Example 1 A representative example for the synthesis of acrylamide (AM)-sodium styrene sulfonate (SSS) copolymer is shown below. Add 25 g of acrylamide, 12.75 g of sodium styrene sulfonate, and 500 ml of distilled water to the four-necked flask from Step 1. The solution is purged with nitrogen gas for 1 hour to remove dissolved oxygen. The solution was heated to 55°C when the nitrogen gas purge was started. At this point, 0.05g
of potassium persulfate was added to the solution. 24 hours later,
The polymer was precipitated from solution with acetone. The obtained polymer was then washed several times with large amounts of acetone and dried in a vacuum dryer at 60° C. for 24 hours. As a result of elemental analysis, the sulfur content was 4.16% by weight, which corresponds to 11.2 mol% of sodium styrene sulfonate. Example 2 A representative example for the synthesis of acrylamide, methacrylamide propyltrimethylammonium chloride (MAPTAC) copolymer is essentially the same as the polymerization of the previous example. However, as shown below, use an appropriate amount of MAPTAC instead of SSS. Acrylamide 25.0g MAPTAC (50% solution) 27.4g This reaction is carried out using the instructions in the above specification. As a result of elemental analysis, the chlorine content was 4.75% by weight, which corresponds to 11.9 mol% MAPTAC. As known to those skilled in the art, the concentration of ionic monomer attached to the growing polymer chain is directly related to the initial concentration of the reactive species. Therefore, adjustment of the ionic charge within the polymer structure was achieved by varying the initial anionic or cationic vinyl monomer concentration. Examples 1 and 2 produced a series of copolymers with different compositions as shown in Table 1.
【表】
実施例 3
錯体を生成する各混合物のためには、アクリル
アミド−N,N,N−トリメチルアンモニウムプ
ロピレンメタクリルアミドコポリマー
(MAPTACと略称)の水溶液とアクリルアミド
−スチレンスルホン酸ナトリウムコポリマー
(SSSと略称)の水溶液を別々に調製する。各溶
液の濃度は、MAPTAC溶液またはSSS溶液の等
量をブレンドしたとき、MAPTAC/SSSの所要
モル比が得られ、しかも2%のブレンド中の一定
ポリマー濃度を保持するように計算される。ブレ
ンドは、アクリルアミド−N,N,N−トリメチ
ルアンモニウムプロピルメタアクリルアミド溶液
を撹拌しつつ、この中にアクリルアミド−スチレ
ンスルホン酸ナトリウム溶液を注入し、最適な混
合およびブレンデイングを保証するための数時間
撹拌することによつて製造される。この2%濃度
ブレンドを水で希釈することによつて種々の濃度
の各ブレンドを得た。
かくして試料−Cおよび−Eを用いて、約
1.2/1、6.01/1、24/1の一連のSSS/
MAPTAの配給量を調製した。上記方法に従い、
次のように試料を調製した(AMはアクリルアミ
ドを示す)。
−A−水50ml中に0.286gの−C(70AM/
30SSS)
−B−水50ml中に1.714gの−E(95AM/
5MAPTAC)
−C−水50ml中に0.909gの−C
−D−水50ml中に1.091gの−E
−E−水50ml中に1.540gの−C
−F−水50ml中に0.462gの−E
試料を包囲温度に於て撹拌して溶解させた後、
25℃に於て各溶液の粘度を得た。−Aと−
B、−Cと−D、−Eと−Fをブレンド
することによつて上記溶液のブレンドを調製し、
得られたブレンドを、それぞれ−AB、−
CD、−EFと称した。
25℃に於て、ブルツクフイールド粘度計で、
種々のスピンドル速度で測定した個々の成分の粘
度を第2表に示す。
種々の温度およびスピンドル速度に於ける各ブ
レンドの粘度を第3表に示す。Example 3 For each mixture forming the complex, an aqueous solution of acrylamide-N,N,N-trimethylammonium propylene methacrylamide copolymer (abbreviated as MAPTAC) and an aqueous solution of acrylamide-sodium styrene sulfonate copolymer (abbreviated as SSS) were used. ) are prepared separately. The concentration of each solution is calculated such that when equal volumes of MAPTAC or SSS solutions are blended, the required molar ratio of MAPTAC/SSS is obtained while maintaining a constant polymer concentration in the blend of 2%. The blend was made by injecting the acrylamide-sodium styrene sulfonate solution into the stirring acrylamide-N,N,N-trimethylammoniumpropylmethacrylamide solution and stirring for several hours to ensure optimal mixing and blending. Manufactured by Various concentrations of each blend were obtained by diluting this 2% strength blend with water. Thus, using samples -C and -E, approximately
Series of SSS/1.2/1, 6.01/1, 24/1
A ration of MAPTA was prepared. According to the above method,
Samples were prepared as follows (AM indicates acrylamide). -A-0.286g of -C in 50ml of water (70AM/
30SSS) -B-1.714g of -E (95AM/
5MAPTAC) -C-0.909 g of -C in 50 ml of water -D-1.091 g of -E in 50 ml of water -E-1.540 g of -C in 50 ml of water -F-0.462 g of -E in 50 ml of water After stirring and dissolving the sample at ambient temperature,
The viscosity of each solution was obtained at 25°C. -A and-
B, preparing a blend of the above solutions by blending -C and -D, -E and -F;
The resulting blends were −AB and −, respectively.
They were called CD and -EF. At 25℃, with a Burckfield viscometer,
The viscosities of the individual components measured at various spindle speeds are shown in Table 2. The viscosity of each blend at various temperatures and spindle speeds is shown in Table 3.
【表】【table】
【表】【table】
【表】
濃度2%の上記ブレンド溶液に、下記の操作で
水を添加して希釈し、濃度が1.5、1.0、0.5%の一
連の溶液をつくり、下記のように呼称した。次に
0、25、50、75℃に於けるそれぞれの粘度を測定
し、第4表に示した。
溶液を次のように希釈した。[Table] The above blended solution with a concentration of 2% was diluted by adding water in the following manner to create a series of solutions with concentrations of 1.5, 1.0, and 0.5%, which were named as follows. Next, the respective viscosities at 0, 25, 50 and 75°C were measured and shown in Table 4. The solution was diluted as follows.
【表】【table】
【表】【table】
【表】【table】
【表】
実施例 4
上記の操作に従い、但し、今回はMAPTAC/
SSS比が1.24/1、6.2/1、24/1の一連のブレ
ンドを製造した。これらのブレンドは、−Aお
よび−Gを基礎とするポリマー溶液を、最初
に、2%の全ポリマー濃度になるように混合する
ことによつて得られた。次に、これらの溶液を希
釈して1.5、1、0.5%濃度にした。希釈は、下記
のようにして行い、観察した粘度を第5表に示
す。
2%に於て−Aおよび−Gを基礎とする使
用試料:
−AB (1.24/1 22.8MAPTAC/
3.06SSS、水中2%濃度)
−CD (6.2/1 22.8MAPTAC/3.06SSS、
水中2%濃度)
−EF (24/1 22.8MAPTAC/3.06SSS、
水中2%濃度)
これらの試料を、次に下記のように希釈した。
−AB− 34.5ml−AB[Table] Example 4 Follow the above procedure, but this time MAPTAC/
A series of blends with SSS ratios of 1.24/1, 6.2/1, and 24/1 were prepared. These blends were obtained by first mixing -A and -G based polymer solutions to a total polymer concentration of 2%. These solutions were then diluted to 1.5, 1, and 0.5% concentrations. The dilution was carried out as described below and the observed viscosities are shown in Table 5. Samples used based on -A and -G at 2%: -AB (1.24/1 22.8MAPTAC/
3.06SSS, 2% concentration in water) -CD (6.2/1 22.8MAPTAC/3.06SSS,
2% concentration in water) -EF (24/1 22.8MAPTAC/3.06SSS,
2% concentration in water) These samples were then diluted as follows. −AB− 34.5ml−AB
【表】
これら種々の希釈度に於ける溶液粘度を第5表
に示す。[Table] Table 5 shows the solution viscosities at these various dilutions.
【表】【table】
【表】【table】
【表】
第3、4、5表中には、あるポリマー濃度範囲
に対する粘度−温度関係が示されている。明らか
に、陽イオン種対陰イオン種の比が24/1に近づ
くと、得られたポリマー溶液は非常に異常な挙動
をし、溶液粘度が実際に温度と共に増加する。
第4表および第5表に見られる最も顕著な現象
は、粘度のポリマー濃度への依存性である。通常
のポリマー溶液とは異なり、ここに示した粘度値
は、ポリマー濃度が減少するとき単調に減少しな
い。事実、2%−1%の濃度範囲では、溶液粘度
は、特定の場合、特に一方のイオン種(すなわち
MAPTAC)の比が他方(すなわちSSS)より20
倍またはそれ位ずつと大きいとき、実際に増加し
ている。この挙動は、希釈によつて粘度が増加す
るかかるポリマー溶液の特異的でかつ恐らく初め
ての例のように思われる。
同様に、観察は、一方のイオン成分が他方より
高い比率であるとき、溶液粘度が温度と共に一定
値のままか実際に実質的に増加することがあり得
ることを示している。この挙動は炭化水素溶液で
は時々見られるが、これはかかる挙動が均一な水
溶液で見られた最初の場合のように思われる。
水溶性ポリマー錯体を基礎とする上記溶液は異
常でかつ潜在的に有用な性質を示す。特に、水ベ
ース潤滑剤の分野は、広い温度範囲にわたつて一
定の粘度を保つ溶液が特に有用な分野である。そ
れぞれの非錯化状態に於ける個々のポリマー成分
が温度上昇と共に粘度が単調に減少することは明
らかである。典型的には、75℃に於ける粘度値は
0℃に於ける粘度値のわずか1/5である。明らか
に、本発明は、水溶液の新しい粘度調節方法を与
える。この方法が、切削液、液圧流体、掘穿泥水
を含む種々の水ベース流体調節に適用可能である
ことは明らかである。
しかも、ポリマー錯体溶液を希釈するとき溶液
粘度が実際に増加する異常な挙動は、油回収プロ
セスのように希釈による粘度調節が所望な場合に
非常に有用な特徴である。
実施例 5
次表は、AM−co−MAPTAC:AM−co−
SSSインターポリマー錯体を含む0.1M塩化ナト
リウム溶液の典型的な粘性挙動(0−75℃)を示
す。この錯体は、イオンモノマーモル比SSS/
MAPTACで示される残留電荷を有するように製
造されている。この特別な錯体は、32.9モル%の
SSS−co−AMコポリマーと3.6%のむMAPTAC
−co−AMコポリマーとの適当な濃度から形成さ
れる2.3/1.0のモル比を含む。上記モル%は、そ
れぞれのコポリマー構造内のイオン含量を意味す
る。溶液中の錯体の濃度は2g/dlであつた。
粘度(cps) 粘度(cps)温度(℃)
0.1M NaCl 無塩
0 76 65000
25 87 39000
50 74 15000
75 56 550
比較として、個々のコポリマー成分、AM−co
−MAPTACおよびAM−co−SSSは、それぞ
れ、淡水中2g/dlで220cpsおよび210cpsの粘度
を有する。0.1MのNaClを添加すると、AM−co
−MAPTACおよびAM−co−SSSの粘度は、そ
れぞれ、2g/dlで約34cpsおよび19cpsである。
これらのデータを調査すると、水溶性インターポ
リマー錯体は、低ポリマー濃度に於て、高イオン
強度水相粘稠化剤として、両方の個々の成分のい
ずれよりも劇的に有効である。その上、粘度値は
おのおののコポリマーの平均値より顕著に大き
い。さらに、無塩溶液中の錯体の粘度は温度上昇
と共に次第に低下するが、高イオン強度媒質中で
は等粘度効果が生じることがわかる。これは新規
のかつ予期せぬ結果である。基礎となる機構は完
全にはわからないが、この現象には種々の潜在的
な技術的用途がある。
実施例 6
本実施例では、実施例5のNaCl溶液のイオン
強度を減少させ(0.01M)、再び等粘度効果が観
察される。適当なデータを次表に示す。温度(℃)
粘度(cps)
0 110
25 165
50 75
75 105
実施例 7
次表に、高イオン強度(0.2M NaCl)に於て、
高イオンモノマーモル比(4.6 SSS/MAPTAC)
を有する水溶液(2g/dl)の粘度−温度挙動の
典型的な例を示す。温度(℃)
粘度(cps)
0 190
25 275
50 245
75 175
これらのデータは、SSS/MAPTAC比を増加
することにより、著しい粘度増加が生じることを
示す。その上、等粘度効果も観察される。再び、
比較として、錯体の個々のコポリマー成分は、同
じ実験条件下で、著しく低い粘度(あるいはそれ
らの平均粘度値)を有している。
実施例 8
下記の表は、250℃に於けるインターポリマー
錯体を含む水溶液の粘度−ずり速度挙動の典型的
な例である。錯体は、溶液がイオンモノマーモル
比すなわちSSS/MAPTACが1.15/1.0で示され
るような残留電荷を有するように製造された。ポ
リマー濃度は1g/dlであつた。ずり速度(sec-1)
粘度(cps)
3.0 360
6.0 310
9.0 280
12.0 270
22.0 230
30.0 265
50.0 290
75.0 310
105. 260
110. 240
225. 180
250. 160
300. 150
データは、ずり速度が比較的低いとき、粘度が
予期通りに低下することを示す。しかし、約
22sec-1より大きいずり速度では粘度が上昇し始
める(ダイラタント挙動)。ずり速度が100sec-1
に近づくときでもさらに粘度増加が見られる。錯
体の個々のコポリマー成分は、同一実験条件下で
粘度の単調な減少を示す。従つて、水溶性低電荷
密度インターポリマー錯体は、水溶液中でダイラ
タント流体として有効でありかつその上、広いず
り速度範囲にわたつて有効な粘稠化剤
(viscosifier)であることが容易にわかる。
これらの溶液に於ける粘度増強の機構は、主と
して、分子間イオン結合の形成による錯体の見か
けの分子量の増加によるものと考えられる。結合
の数は、ずり場中で錯体主鎖のセグメント配向に
よつて増加する。さらに、粘度増強の幅は、電荷
密度量、個々のコポリマーの分子量、錯体濃度の
直接の関数である。これらの因子のいずれかの増
加が粘度−ずり速度プロフイルを著しく増強する
であろう。
これらの型のポリマー物質は、種々の油井コン
トロールおよびワークオーバー流体中のダイラタ
ント剤として有用であり得る。他の適用領域に
は、消化、抗力減少、液圧流体、増強された油回
収、アンテイミステイング(anti−misting)用
途および水溶液を含む系のホストが含まれる。
実施例 9
内径2.13mmのステンレス鋼管を通して水溶液を
流し、得られた摩擦による圧力低下を測定して抗
力減少を評価した。溶媒は蒸留水であつた。流れ
は、1対のステンレス鋼製タンク(各1)に予
め溶解したポリマー水溶液は装填し、窒素ガス
(300kPa)でタンクを加圧し、管試験部から溶液
を放出することによつて生じさせた。1対の管壁
圧力タツプと差圧トランスミツターとを有する管
の48cmの直線セグメント間の圧力低下を測定し
た。流速は、測定時間中に捕集された流出液の試
料を秤量して測定した。
抗力減少実験に於ける流速は10−24g/sの範
囲であつたが、これは6500−15000溶媒レイノル
ズ数(溶媒レイノルズ数=平均流速×管径×溶媒
の動粘度)に相当した。抗力減少は、ポリマー/
キシレン溶液の圧力低下を等しい流速に於けるキ
シレン溶媒の圧力低下と比較して測定した。結果
は、下記のように定義される%抗力減少として示
された。
%抗力減少
=圧力低下(溶媒)−圧力低下(溶液)圧力低
下(溶媒)×100
インターポリマー錯体ならびにその個々の陰イ
オン成分および陽イオン成分による実験からの典
型的な抗力減少を第6表に示す。TABLES Tables 3, 4 and 5 show the viscosity-temperature relationship for certain polymer concentration ranges. Apparently, as the ratio of cationic to anionic species approaches 24/1, the resulting polymer solution behaves very erratically, with the solution viscosity actually increasing with temperature. The most striking phenomenon seen in Tables 4 and 5 is the dependence of viscosity on polymer concentration. Unlike normal polymer solutions, the viscosity values shown here do not decrease monotonically as the polymer concentration decreases. In fact, in the 2%-1% concentration range, the solution viscosity changes in certain cases, especially for one ionic species (i.e.
MAPTAC) is 20 more than the other (i.e. SSS)
When it's larger by a factor of two or so, it's actually increasing. This behavior appears to be a unique and perhaps the first example of such a polymer solution whose viscosity increases with dilution. Similarly, observations have shown that when one ionic component is in higher proportion than the other, the solution viscosity can remain constant or actually increase substantially with temperature. Although this behavior is sometimes observed in hydrocarbon solutions, this appears to be the first time such behavior has been observed in a homogeneous aqueous solution. The above solutions based on water-soluble polymer complexes exhibit unusual and potentially useful properties. In particular, the field of water-based lubricants is one where solutions that maintain a constant viscosity over a wide temperature range are particularly useful. It is clear that the viscosity of the individual polymer components in their respective uncomplexed states decreases monotonically with increasing temperature. Typically, the viscosity value at 75°C is only 1/5 of the viscosity value at 0°C. Clearly, the present invention provides a new method for adjusting the viscosity of aqueous solutions. It is clear that this method is applicable to a variety of water-based fluid conditioning including cutting fluids, hydraulic fluids, drilling muds. Moreover, the unusual behavior in which the solution viscosity actually increases when diluting a polymer complex solution is a very useful feature when viscosity control by dilution is desired, such as in oil recovery processes. Example 5 The following table shows AM-co-MAPTAC:AM-co-
Typical viscous behavior (0-75°C) of 0.1M sodium chloride solution containing SSS interpolymer complex is shown. This complex has an ionic monomer molar ratio SSS/
Manufactured to have a residual charge of MAPTAC. This special complex contains 32.9 mol%
MAPTAC with SSS-co-AM copolymer and 3.6%
-co-AM copolymer with a molar ratio of 2.3/1.0 formed from appropriate concentrations. The above mole % refers to the ionic content within the respective copolymer structure. The concentration of the complex in the solution was 2 g/dl. Viscosity (cps) Viscosity (cps) Temperature (°C) 0.1M NaCl unsalted 0 76 65000 25 87 39000 50 74 15000 75 56 550 For comparison, individual copolymer components, AM-co
- MAPTAC and AM-co-SSS have viscosities of 220 cps and 210 cps at 2 g/dl in fresh water, respectively. Addition of 0.1M NaCl causes AM−co
-The viscosities of MAPTAC and AM-co-SSS are approximately 34 cps and 19 cps at 2 g/dl, respectively.
Examining these data, the water-soluble interpolymer complex is dramatically more effective as a high ionic strength aqueous phase thickener than either of the individual components at low polymer concentrations. Moreover, the viscosity values are significantly higher than the average values of the respective copolymers. Furthermore, it can be seen that the viscosity of the complex in salt-free solution gradually decreases with increasing temperature, whereas an isoviscosity effect occurs in high ionic strength media. This is a new and unexpected result. Although the underlying mechanism is not completely understood, this phenomenon has a variety of potential technological applications. Example 6 In this example, the ionic strength of the NaCl solution of Example 5 is reduced (0.01 M) and the isoviscosity effect is again observed. Appropriate data is shown in the table below. Temperature (°C) Viscosity (cps) 0 110 25 165 50 75 75 105 Example 7 The following table shows that at high ionic strength (0.2M NaCl),
High ionic monomer molar ratio (4.6 SSS/MAPTAC)
A typical example of the viscosity-temperature behavior of an aqueous solution (2 g/dl) with Temperature (°C) Viscosity (cps) 0 190 25 275 50 245 75 175 These data show that increasing the SSS/MAPTAC ratio results in a significant increase in viscosity. Moreover, isoviscosity effects are also observed. again,
In comparison, the individual copolymer components of the complex have significantly lower viscosities (or their average viscosity values) under the same experimental conditions. Example 8 The table below is a typical example of the viscosity-shear rate behavior of an aqueous solution containing an interpolymer complex at 250<0>C. The complex was prepared such that the solution had a residual charge as indicated by the ionic monomer molar ratio, SSS/MAPTAC, of 1.15/1.0. Polymer concentration was 1 g/dl. Shear rate (sec -1 ) Viscosity (cps) 3.0 360 6.0 310 9.0 280 12.0 270 22.0 230 30.0 265 50.0 290 75.0 310 105. 260 110. 240 225. 180 250. 160 30 0. 150 data indicates that the shear rate is relatively When low, it shows that the viscosity decreases as expected. But about
At shear rates greater than 22 sec -1 the viscosity begins to increase (dilatant behavior). Shear rate is 100sec -1
A further increase in viscosity is observed even when approaching . The individual copolymer components of the complex exhibit a monotonic decrease in viscosity under the same experimental conditions. Therefore, it is easy to see that water-soluble low charge density interpolymer complexes are effective as dilatant fluids in aqueous solutions and, moreover, are effective viscosifiers over a wide range of shear rates. The mechanism of viscosity enhancement in these solutions is believed to be primarily due to an increase in the apparent molecular weight of the complex due to the formation of intermolecular ionic bonds. The number of bonds is increased by the segmental orientation of the complex backbone in the shear field. Furthermore, the extent of viscosity enhancement is a direct function of the amount of charge density, the molecular weight of the individual copolymer, and the complex concentration. An increase in any of these factors will significantly enhance the viscosity-shear rate profile. These types of polymeric materials can be useful as dilatant agents in various well control and workover fluids. Other application areas include digestion, drag reduction, hydraulic fluids, enhanced oil recovery, anti-misting applications and a host of systems involving aqueous solutions. Example 9 Drag reduction was evaluated by flowing an aqueous solution through a stainless steel tube with an inner diameter of 2.13 mm and measuring the resulting pressure drop due to friction. The solvent was distilled water. Flow was generated by loading a pair of stainless steel tanks (one each) with a pre-dissolved aqueous polymer solution, pressurizing the tanks with nitrogen gas (300 kPa), and discharging the solution from the tube test section. . The pressure drop was measured across a 48 cm straight segment of tubing having a pair of wall pressure taps and a differential pressure transmitter. The flow rate was determined by weighing a sample of the effluent collected during the measurement period. The flow rate in the drag reduction experiment was in the range of 10-24 g/s, which corresponds to a solvent Reynolds number of 6500-15000 (solvent Reynolds number = average flow rate x tube diameter x kinematic viscosity of the solvent). Drag reduction is due to polymer/
The pressure drop of the xylene solution was measured compared to the pressure drop of the xylene solvent at equal flow rates. Results were expressed as % drag reduction defined as below. % Drag Reduction = Pressure Drop (Solvent) - Pressure Drop (Solution) Pressure Drop (Solvent) x 100 Typical drag reductions from experiments with interpolymer complexes and their individual anionic and cationic components are given in Table 6. show.
【表】【table】
【表】
データは、すべての溶液で抗力減少が見られる
が、インターポリマー錯体を生成することによつ
て抗力減少の有効性が改良されること示してい
る。
本研究で用いた高分子量コポリマー物質は一般
的現象の特別な例として有用であると思われる。
すなわち、ポリマー連鎖内に広い群の水溶性陰イ
オン部分および陽イオン部分からなるモノマー単
体が存在することが水溶性に於ける抗力減少にと
つて必要条件である。これらの相反する荷電単位
の化学量論量はこれらの溶液の有効な抗力減少に
とつて必要条件ではない。さらに、コポリマー構
造内に存在するアクリルアミドモノマー単位は、
使用できる多くの水溶性または水分散性モノマー
構造の1例に過ぎない。TABLE The data show that while drag reduction is seen with all solutions, the effectiveness of drag reduction is improved by forming the interpolymer complex. The high molecular weight copolymer materials used in this study appear to be useful as a special example of a general phenomenon.
That is, the presence in the polymer chain of a single monomer consisting of a wide group of water-soluble anionic and cationic moieties is a necessary condition for drag reduction in water solubility. Stoichiometry of these opposing charge units is not a prerequisite for effective drag reduction of these solutions. Furthermore, the acrylamide monomer units present within the copolymer structure are
This is just one example of the many water-soluble or water-dispersible monomer structures that can be used.
Claims (1)
ノマーとのコポリマーであつて、該コポリマー
の全重量を基準にして1〜50重量%の陰イオン
コモノマーに対応する繰返し単位を含むコポリ
マーと、 (b) アクリルアミドモノマーと陽イオンコモノマ
ーとのコポリマーであつて、該コポリマーの全
重量を基準にして1〜50重量%の陽イオンコモ
ノマーに対応する繰返し単位を含むコポリマー
との混合物を含み、かつ 陰イオン官能基/陽イオン官能基の比が45/1〜
1.1/1または1/45〜1/1.1の範囲であること
を特徴とするポリマー錯体水溶液。 2 (a) 陽イオンコモノマーが官能基として第四
級塩基またはビニルピリジンを有するα,βエ
チレン系不飽和モノマーの群から選ばれ、かつ (b) 陰イオンコモノマーが、金属中和塩またはア
ミン中和塩としてモノマーの側鎖になつている
スルホン酸官能基またはカルボン酸官能基また
はスルホン酸官能基を有するα,βエチレン系
不飽和モノマーから選ばれることを特徴とする
特許請求の範囲第1項記載のポリマー錯体水溶
液。 3 少なくとも0.01モルの塩濃度を有することを
特徴とする特許請求の範囲第1項記載のポリマー
錯体水溶液。[Scope of Claims] 1 (a) A copolymer of an acrylamide monomer and an anionic comonomer, the copolymer comprising from 1 to 50% by weight of repeating units corresponding to the anionic comonomer, based on the total weight of the copolymer; (b) a copolymer of an acrylamide monomer and a cationic comonomer comprising from 1 to 50% by weight, based on the total weight of the copolymer, of repeating units corresponding to the cationic comonomer, and The ratio of anionic functional group/cationic functional group is 45/1 ~
An aqueous polymer complex solution characterized in that the ratio is 1.1/1 or in the range of 1/45 to 1/1.1. 2 (a) the cationic comonomer is selected from the group of α,β ethylenically unsaturated monomers having a quaternary base or vinylpyridine as a functional group, and (b) the anionic comonomer is selected from the group of α,β ethylenically unsaturated monomers having a quaternary base or vinylpyridine as a functional group, and (b) the anionic comonomer is Claim 1, characterized in that the monomer is selected from α, β ethylenically unsaturated monomers having a sulfonic acid functional group, a carboxylic acid functional group, or a sulfonic acid functional group attached as a salt in the side chain of the monomer. Polymer complex aqueous solution as described. 3. The aqueous polymer complex solution according to claim 1, characterized in that it has a salt concentration of at least 0.01 molar.
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