含氮杂环离子液体疏水缔合聚合物的制备及性能研究

来源 :西南石油大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:jinying5322446
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疏水缔合聚合物由于随浓度的增加其溶液粘度呈现良好的增黏性,同时具有良好的流变性,被认为在油气开采领域具有重要的用途;但其存在的一些问题如水溶性较差,在高温、高盐环境下性能变差等问题限制了其应用。离子液体具有不易挥发、化学稳定性高、溶解性好和可设计性等特点,被广泛的应用于有机合成、催化、分离萃取和智能材料等领域,除此之外,离子液体也逐渐被应用于油田化学领域。本文通过合成一系列可聚合含氮杂环离子液体,并用其对普通疏水缔合聚合物进行改性,以期望改善普通疏水缔合聚合物的综合溶液性能(溶解性、耐温、耐盐性),为疏水缔合聚合物的改性提供新思路,为油田用离子液体疏水缔合聚合物的研发提供理论依据。主要研究内容如下:1.以2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)和N-甲基哌嗪、N-甲基吗啉及N-甲基哌嗪为原料,通过一步法合成了含氮杂环离子液体[AMPS][Miz]、[AMPS][Mol]和[AMPS][Piz];以十八胺和丙烯酰氯为原料合成了具有长链结构的疏水单体NPA。同时对合成的含氮杂环离子液体和疏水单体进行了1H NMR的表征,证明合成目标单体。2.以丙烯酸和丙烯酰胺为主链单体,引入疏水单体和离子液体,采用氧化还原引发体系聚合得到三种含有离子液体的疏水缔合聚合物poly AANA[Miz]、poly AANA[Mol]和poly AANA[Piz],以及对应的不含离子液体的疏水缔合聚合物poly AANA和poly AAN。利用FT-IR、热重和特性粘数对它们了进行表征。3.通过单因素控制变量法,以聚合物溶液的粘度值为指标,控制溶液体系pH=7,反应时间为8h,探究了合成的五种疏水缔合聚合物最佳聚合条件。poly AANA[Miz]:m(AM):m(AA)=7:3,引发剂加量为 0.3 wt%,反应温度为 45℃,AMPS[Miz]和 NPA 加量都为 0.4 wt%;poly AANA[Mol]:m(AM):m(AA)=7:3,引发剂加量为0.3 wt%,反应温度为40℃,AMPS[Mol]和NPA加量分别为0.4wt%和 0.2wt%;poly AANA[Piz]:m(AM):m(AA)=7:3,引发剂加量为 0.3 wt%,反应温度为 35℃,AMPS[Mol]和 NPA 加量分别为 0.4 wt%和 0.2 wt%;poly AANA:m(AM):m(AA)=7:3,引发剂加量为0.3 wt%,反应温度为40℃,AMPS和NPA加量分别为 0.4wt%和 0.2wt%;poly AAN:m(AM):m(AA)=7:3,引发剂加量为0.3 wt%,反应温度为 35℃,NPA 加量 0.1 wt%。4.通过与分子链中未引入离子液体的普通疏水缔合聚合物进行对比,研究了所合成的疏水缔合聚合物的微观形貌、溶解性、剪切稀释性、剪切恢复性、粘弹性、耐温性和抗盐性。结果显示,离子液体的引入不仅改善了疏水缔合聚合物的溶解性,并主要通过增强其缔合效应,提升了疏水缔合聚合物溶液的性能:(1)离子液体的引入增强了聚合物的缔合效应,SEM表征发现离子液体疏水缔合聚合物相较于普通疏水缔合聚合物呈现出更加致密的网络结构,分子链缠绕得更紧密。(2)离子液体的引入增强了疏水缔合聚合物在水溶液中的电离效应,相同浓度下,离子液体疏水缔合聚合物相较于普通疏水缔合聚合物不仅溶解时间更短,而且经过吸水溶胀后能均匀溶解,表现出良好的溶解性。(3)在2000mg/L浓度时,聚合物的表观粘度分别为 poly AAN:226.4mPa·s,polyAANA:387.6 mPa·s,poly AANA[Miz]:427.5 mPa·s,poly AANA[Mol]:441.0 mPa·s 和 poly AANA[Piz]:402.4mPa·s,离子液体疏水缔合聚合物的疏水缔合效应更强,使其溶液的表观粘度增大,表现出良好的增黏性。(4)当剪切速率在170 s-1~510 s-1~170 s-1的变化下,合成的疏水缔合聚合物都能在剪切速率减小后恢复至初始表观粘度,表现出良好的剪切恢复性。(5)在0.1~10Hz的振荡频率范围内,同一频率下的离子液体疏水缔合聚合物呈现出更高的弹性/粘性模量,其中聚合物poly AANA[Mol]对应的粘弹性转换频率最小(f=0.034 Hz),表现出优异的粘弹性。(6)热重分析结果表明离子液体的引入使分子链发生断链的温度增大,能够提高疏水缔合聚合物的热稳定性;离子液体疏水缔合聚合物溶液在温度升高的过程中,由于其不仅具有较强缔合效应,同时离子液体中含有刚性基团,能够在一定程度抵抗升温的影响,其在较高温度时的表观粘度值均髙于其他聚合物,体现出良好的耐温性。(7)在2000mg/L的MgCl2、CaCl2和12000mg/L的NaCl溶液中,由于离子液体的引入不仅增强了疏水缔合聚合物的缔合效应,而且能使外加电解质与聚合物作用位点更少,减弱了屏蔽作用,离子液体疏水缔合聚合物相比于其他聚合物在相同的盐浓度下呈现出更高的表观粘度,表现出良好的抗盐性。
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