Synthesis of cross-linked highly substituted cationic starches and study of their thermo-oxidative stability in a model environment | Синтез поперечносшитых высокозамещенных катионных крахмалов и исследование их термоокислительной стабильности в модельной среде

Russian. Цель работы – синтез поперечносшитых высокозамещенных катионных крахмалов (картофельных и кукурузных) и исследование их термоокислительной стабильности в модельной среде для оценки возможности использования в качестве флокулянтов в буровых растворах. Получены диспергируемые в холодной воде сшитые катионные крахмалы с высокой степенью замещения (у картофельного – 0,183 моль/моль; у кукурузного – 0,174 моль/моль) и высокой вязкостью их водных дисперсий (2500…7000 мПа*с для картофельного крахмала и 2250…5500 мПа*с – для кукурузного). Термоокислительную стабильность синтезированных сшитых высокозамещенных катионных крахмалов исследовали по результатам изменения динамической вязкости водных растворов при температуре 45 град. С в течение 28 дней при постоянной скорости сдвига 5,6 1/с, используя в качестве растворителя модельный раствор пресной воды (NaCl – 0,14 г/л, СaCl2 – 0,19 г/л). Условия испытания: концентрация полимера – 0,2%; концентрация кислорода – равновесная. На первом этапе эксперимента (в течение 7 дней выдержки крахмальных растворов) происходит резкое падение динамической вязкости, по сравнению с исходной: при этом сшитый катионный картофельный крахмал теряет 10…11% от исходной вязкости, а сшитый катионный кукурузный крахмал – 14…15%, в зависимости от типа используемого сшивающего агента. Для несшитых катионных картофельного и кукурузного крахмалов уменьшение динамической вязкости через 7 дней хранения было значительно выше – 44,3 и 38,5% соответственно. Наиболее устойчивыми к термоокислительной деструкции в изученных условиях оказались катионные картофельные крахмалы, сшитые эпихлоргидрином в дозах 0,5 и 1,0%, а также – триметафосфатом натрия в дозах 0,5 и 5,0%. По истечение 28 дней динамическая вязкость образцов сшитого катионного картофельного крахмала, изготовленного в присутствии указанных доз сшивающих агентов, снизилась не более, чем на 20% от исходной величины.

English. The purpose of this work was to synthesize cross-linked highly substituted cationic starches (potato and corn), to study their thermo-oxidative stability in a model environment, and to assess the possibility of using them as flocculants in drilling fluids. We obtained cross-linked cationic starches dispersible in cold water with a high degree of substitution (0.183 mol/mol for potato and 0.174 mol/mol for corn) and high viscosity of their aqueous dispersions (2500–7000 mPa*s for potato starch and 2250–5500 mPa*s for corn). The thermo-oxidative stability of the synthesized cross-linked highly substituted cationic starches was investigated by the results of changes in the dynamic viscosity of aqueous solutions at 45 C for 28 days at a constant shear rate of 5.6 s-1 using a model solution of fresh water as a solvent (NaCl – 0.14 g/L, CaCl2 – 0.19 g/L). Test conditions were the following: polymer concentration was 0.2%; oxygen concentration was equilibrium. At the first stage of the experiment (within 7 days of exposure of starch solutions), the dynamic viscosity dropped sharply compared to the initial level. In this case, the crosslinked cationic potato starch lost 10–11% of the initial viscosity and the cross-linked cationic corn starch lost 14–15% of the initial viscosity depending on the type of cross-linking agent used. For uncrosslinked cationic potato and corn starches, the decrease in dynamic viscosity in 7 days of storage was significantly higher – 44.3% and 38.5%, respectively. Cationic potato starches crosslinked with epichlorohydrin (ECH) at the doses of 0.5% and 1.0% as well as sodium trimetaphosphate cross-linked with ECH at doses of 0.5% and 5.0% were the most resistant to thermo-oxidative destruction under the studied conditions. In 28 days, the decrease in the dynamic viscosity of samples of cross-linked cationic potato starch made at the indicated doses of cross-linking agents did not exceed 20% of the initial value.