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疏水缔合聚合物的合成及溶液性能研究 200402050216 刘伟 部分水解聚丙烯酰胺(HPAM)是目前常用的聚合物驱油剂,但是HPAM在盐水溶液中粘度损失较大,严重影响了它的使用效果。此外,我国进行聚合物驱的油田普遍面临着配注聚合物清水缺乏的压力,要求聚合物驱用地层采出的污水进行配注,应用时须提高HPAM的用量,这将使得采油利润大大降低。疏水缔合水溶性聚合物[1]是指在聚合物亲水主链上带有少量疏水基团的一类水溶性聚合物。在聚合物水溶液中,由于疏水基团的憎水作用而产生分子内和分子间的缔合,形成具有特殊性质的高分子溶液。在盐溶液中,小分子电解质的加入使疏水缔合作用增强,溶液粘度大幅增加,表现出明显的抗盐性能,使之有可能成为新一代的聚合物驱油剂。缔合聚合物(简称HAP),并对其溶液性能进行研究。 实　验 主要原料 实验原料包括:疏水单体(2-丙烯酰胺基烷基磺酸),实验室自制;丙烯酰胺(99%),分析纯;氯化钠、碳酸钠,化学纯;复合型引发剂,实验室自制。其中疏水单体的结构式为： 共聚物的合成 先将丙烯酰胺溶于一定量的去离子水中,用Na2CO3溶液调节pH值,然后加入一定量的由水和表面活性剂溶解的疏水单体,置于恒温水浴中,通氮气25 min加入引发剂,再通氮气20 min后封口,恒 温放置一定时间,将反应体系冷却到室温后得到胶状产物,粉碎造粒干燥后得到固体样品。所合成的聚合物结构为： 1.3　特性粘数的测定 参照GB12005.1-89,溶剂为1.0 mol/L的NaCl水溶液,在(30±0.1)℃下,利用乌氏粘度计测定了共聚物溶液的特性粘数η。 1.4　表观粘度的测定 用Brookfield DV-Ⅱ+程序粘度计,在温度(40±0.1)℃、转速7.74 s-1下测定共聚物在标准盐水溶液中的表观粘度及不同矿化度时的粘度。标准盐水为大庆采出液模拟水(用Na2SO4,KCl,CaCl2,MgCl2·6H2O,NaHCO3在蒸馏水中配成,总矿化度为5000 mg/L左右)。 结果与讨论 共聚物稀溶液的性质 不同疏水单体含量的共聚物HAP在浓度为1·0 mol/L的NaCl溶液中的特性粘数η值见表1。由表1可知,随着疏水基含量的增加,其共聚物溶液的η值逐步下降。这是由于在稀溶液中,疏水缔合聚合物分子的缔合是以分子内缔合为主,随着聚合物分子链中疏水基含量的增加,分子内缔合增强,而分子内的缔合导致聚合物大分子链的卷曲收缩,流体力学体积减小,宏观上则表现为η值下降。 2.2　聚合物浓度对溶液表观粘度的影响 图1是不同浓度的疏水缔合聚合物在标准盐水中的表观粘度曲线。随着聚合物浓度的增加,开始时,溶液的表观粘度缓慢增加,在聚合物质量浓度为500 mg/L时,曲线上出现一个转折点即临界缔合浓 度,在临界缔合浓度以上,溶液的表观粘度增加的幅度较大,这是因为在临界缔合浓度以上,聚合物分子中的疏水基团以分子间缔合为主,多个分子链之间通过疏水缔合作用交织形成三维网状结构,高分子的流体力学体积急剧增大,导致溶液的表观粘度显著增加。另外,从图1中还可以看出,在聚合物浓度大于临界缔合浓度时,随着聚合物中疏水基团含量的增加,溶液的表观粘度也增加,表现出与稀溶液中聚合物特性粘度不同的性质,这主要是由于在临界缔合浓度以上时,随疏水缔合聚合物中疏水基团含量的增加,其分子间疏水缔合作用增强所致。 2.3　电解质浓度对表观粘度的影响 图2是浓度为1000 mg/L的聚合物随NaCl质量分数变化的表观粘度曲线。由图可知,聚合物溶液的表观粘度随盐浓度增加是先降低再增加然后下降最后变化不大,不同疏水基含量聚合物溶液的表观粘度随盐浓度变化的差别只是表现在高疏水基含量的聚合物(HAP-0.10)粘度最初下降没有低疏水基(HAP-0.08)的明显。HAP-0.10在淡水中的粘度为77 mPa·s,在盐质量分数为0.1%时粘度下降到67.3 mPa·s后开始增加,在盐质量分数为0.5%时达到最大值420 mPa·s,此后粘度一直下降,在盐质量分数为4%以后粘度变化不大; HAP-0.08在淡水中的粘度为72.4 mPa·s,在盐质量分数为0.2%时粘度下降到30.2 mPa·s后开始增加,其后粘度随盐浓度的变化与HAP-0.10的情况一样。盐的加入具有两方面的作用,一方面是屏蔽离子基团之间的斥力,使高分子链卷曲收缩,流体力学体积减小,粘度降低;另一方面是盐的加入使溶剂的极性增强,高分子链中疏水基团间疏水缔合作用增强,阻止高分子链的收缩,从而使粘度增加。这两种作用存在着相互竞争[2],溶液粘度的升高或降低取决于不同浓度时这两种作用的强弱。 2.4　剪切速率对共聚物溶液表观粘度的影响 考察了剪切速率对浓度为1000 mg/L聚合物水溶液表