Растворы с контролируемыми вязкоупругими свойствами на основе олеата калия и модифицированного полиакриламида (1104633)
Текст из файла
Московский Государственный Университет им. М.В. Ломоносова_______________________________________________________________________Физический факультетНа правах рукописиМолчанов Вячеслав СергеевичРАСТВОРЫ С КОНТРОЛИРУЕМЫМИ ВЯЗКОУПРУГИМИ СВОЙСТВАМИНА ОСНОВЕ ОЛЕАТА КАЛИЯ И МОДИФИЦИРОВАННОГО ПОЛИАКРИЛАМИДА02.00.06 - высокомолекулярные соединенияАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква – 2008Работа выполнена на кафедре физики полимеров и кристаллов физического факультетаМосковского государственного университета им.
М.В.ЛомоносоваНаучный руководитель:доктор физико-математических наукФилиппова Ольга ЕвгеньевнаОфициальные оппоненты:доктор физико-математических наукПатлажан Станислав Абрамовичкандидат физико-математических наукГорделий Валентин ИвановичВедущая организация:Институт синтетических полимерныхматериалов им. Н.С.Ениколопова РАНЗащита состоится 10 декабря 2008 года в 1530 на заседании Диссертационного СоветаД.501.002.01 в Московском Государственном Университете по адресу: 119991, ГСП-2,Москва, Ленинские Горы, МГУ им. М.В.Ломоносова, физический факультет, Южнаяфизическая аудитория.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ им.М.В.ЛомоносоваАвтореферат разослан 8 ноября 2008 г.Ученый секретарьдиссертационного совета Д.501.002.01кандидат физико-математических наукТ.В.
ЛаптинскаяОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы. Поверхностно-активные вещества (ПАВ) привлекают ксебе большое внимание благодаря их способности к мицеллообразованию.Амфифильные молекулы ПАВ могут образовывать мицеллы различной формы:сферической, цилиндрической и др. Особый интерес вызывают растворы ПАВ, вкоторых образуются длинные цилиндрические мицеллы (мицеллярные цепи). Такиемицеллы, достигающие в длину нескольких микрон, во многих отношенияхнапоминают полимерные цепи. В частности, при высоких концентрациях ониобразуют сетку топологических зацеплений, в результате чего раствор приобретаетвязкоупругие свойства. Такие ПАВ, как и полимеры, используются в качествезагустителей.Но в отличие от полимерных цепей, в мицеллах ПАВ молекулы связанынековалентно, энергия их связи сравнима с энергией теплового движения молекул,поэтому мицеллы в растворе постоянно разрываются и рекомбинируют.
Благодаряневысокойэнергиисвязимолекулвмицелле,растворыПАВобладаютисключительно высокой восприимчивостью к изменениям состава растворителя ивнешних условий. Особенно сильно свойства растворов меняются при добавлениинеполярных соединений, способных солюбилизироваться в гидрофобных ядрахмицелл. Это свойство применяется в нефтедобыче, где вязкоупругие растворы ПАВиспользуют как один из основных компонентов жидкостей для гидроразрыва пласта,служащих для создания и заполнения полостей в нефтеносном слое. Эти жидкостипредставляют собой суспензию частиц песка (проппанта) в высоковязком растворе,предотвращающем оседание частиц. Под воздействием нефти сетка цилиндрическихмицелл ПАВ разрушается, и в упаковке проппанта образуются каналы, по которымнефть поступает к скважине.
Таким образом, благодаря восприимчивости раствораПАВ к углеводородам, такая система имеет существенно более высокуюпропускающую способность по отношению к нефти по сравнению с земной породой,что позволяет значительно увеличить скорость выкачивания нефти.В литературе широко описаны свойства вязкоупругих растворов на основекатионных ПАВ. Однако они имеют ряд недостатков. В частности, большинство изних являются токсичными. Нетоксичные катионные ПАВ, например, хлоридэруцилбис(гидроксиэтил)метиламмония,являютсядорогостоящимиитруднодоступными.
В связи с этим актуальным представляется исследование-1-вязкоупругих растворов доступных и дешевых анионных ПАВ таких, как олеат калия,чему и посвящена первая часть диссертационной работы.Свойства вязкоупругих растворов ПАВ могут быть модифицированы, есличасть мицеллярных цепей заменить на полимерные.
Исследование таких системимеет важное фундаментальное значение, поскольку взаимодействие полимера иПАВ в случае, когда последнее образует длинные цилиндрические мицеллы,практически не изучено. Исследование растворов, содержащих оба вида цепей, важнои с точки зрения практического применения в случае, когда восприимчивостьвязкопругих растворов ПАВ становится негативным фактором. В частности, принагревании вязкость растворов ПАВ существенно падает, что ограничивает ихприменение в нефтедобыче, поскольку в земной породе температура может достигать60-800С. В полимере, в отличие от мицелл ПАВ, молекулы соединены прочнымиковалентными связями, поэтому цепи устойчивы к нагреванию. Можно полагать, чтовязкоупругие растворы, в которых часть субцепей образована цилиндрическимимицеллами ПАВ, другая часть – полимером, будут обладать как восприимчивостью куглеводородам (благодаря мицеллам ПАВ), так и высокими вязкостями приповышеннойтемпературе(благодаряполимеру).Поэтомуизучениесмесимицеллярных и полимерных цепей представляется актуальной задачей как вфундаментальном, так и в прикладном отношении.Целью работы является исследование вязкоупругих свойств растворованионного ПАВ олеата калия, а также растворов данного ПАВ с модифицированнымполиакриламидом.Научнаяновизнаработыхарактеризуетсяследующимиосновнымирезультатами:oВпервые найдены условия, обеспечивающие высокие вязкости (до 500 000Па·с) и модули упругости (до 70 Па) в растворах анионного ПАВ.oВпервые для анионного ПАВ в полуразбавленных растворах экспериментальнообнаружено существование двух реологических режимов, один из которыхсоответствует коротким «неразрывным» цепям, а другой – длинным «живущим»цепям, многократно разрывающимся и рекомбинирующим в процессе рептации.oВпервые показано, что вязкоупругие растворы олеата калия восприимчивы кдобавлению углеводородов.oВпервые для вязкоупругих растворов анионного ПАВ показано, что цепиассоциирующего полимера могут встраиваться в сетку зацеплений цилиндрических-2-мицелл, не нарушая при этом их формы, вследствие этого увеличиваются вязкость иупругость системы как при комнатной, так и при повышенной температурах.oкалияВпервые экспериментально обнаружено, что вязкоупругий раствор олеатаимодифицированногополиакриламида,восприимчивкдобавлениюуглеводорода.Практическая значимость.
Получены вязкоупругие растворы на основедоступного анионного ПАВ олеата калия. Они обладают высокой вязкостью иупругостью, что делает их перспективными для использования в качествезагустителей в косметике, красках. Получены вязкоупругие растворы олеата калия имодифицированного полиакриламида. Они сохраняют достаточно высокие вязкостипри повышенных температурах и восприимчивы к углеводородам, что делает ихперспективнымидляприменениявнефтедобывающейотрасливкачествезагустителей жидкости для гидроразрыва пласта.Апробация работы.
Результаты работы были доложены на Международныхконференциях студентов и аспирантов по фундаментальным наукам «Ломоносов2005» (Москва, 2005), «Ломоносов-2006» (Москва, 2006), «Ломоносов-2007»(Москва, 2007), «Ломоносов-2008» (Москва, 2008), на конференции студентов иаспирантов Учебно-научного центра по химии и физике полимеров и тонкихорганических пленок (Солнечногорск, 2004), на Всемирном полимерном конгрессеМакро-2006 (Бразилия, 2006), на конференциях Международной группы пополимернымсеткам«Функциональныеибиологическиесетки:теорияиэксперимент» (Англия, 2006), «Полимерные сетки: химия, физика, биология иприменения» (Кипр, 2008) , на четвертой Всероссийской Каргинской конференции«Наука о полимерах 21-му веку» (Москва, 2007), на Санкт-Петербургскихконференциях молодых ученых с международным участием «Современные проблемынауки о полимерах» (Санкт-Петербург, 2007, 2008), на Европейском полимерномконгрессе (Словения, 2007), на совместном Тайваньско-Российском симпозиуме«Мягкие материалы: физика, химия и применения» (Тайвань, 2007), на шестомМеждународном симпозиуме «Молекулярный порядок и мобильность в полимерныхсистемах» (Санкт-Петербург, 2008), на третьей Международной конференции поколлоидной химии и физико-механике, посвященной двухсотлетию открытияэлектрокинетическихявленийФ.Ф.Рейсом(Москва,2008),натретьемМеждународном симпозиуме по молекулярным материалам МОЛМАТ 2008 «Химия,физика твердого тела, теория, нанотехнология.
От молекулы к молекулярному-3-устройству» (Франция, 2008), на шестой Украинской открытой конференциимолодых ученых «ВМС-2008» (Украина, 2008).Публикации. По результатам работы опубликовано 2 статьи и 19 тезисовдокладов.Личный вклад диссертанта. Экспериментальные данные, приведенные вдиссертационной работе, получены автором лично или при его непосредственномучастии.Структура работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, выводов исписка литературы и содержитстраниц текста, включаярисунков итаблиц.ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении обоснована актуальность темы исследований, отражены еенаучная новизна и практическая значимость.В первой главе проведён анализ литературных данных по теме диссертации.Во второй главе описаны методика приготовления образцов и физическиеметоды, используемые в работе.В третьей главе представлены оригинальные результаты экспериментальныхисследований по теме диссертации.
Она состоит из двух частей. Первая посвященарастворам ПАВ, вторая – растворам ПАВ с полимером. Краткое содержание третьейглавы представлено ниже.I. Вязкоупругие растворы олеата калияЦелью первой части данной работы было исследование вязкоупругих свойствводных растворов анионного ПАВ олеата калия СH3(CH2)7CH=CH(CH2)7-COO- K+.Влияние концентрации ПАВ. На рис.1 представлена зависимость вязкостирастворов олеата калия от концентрации ПАВ. Видно, что при низких концентрацияхПАВ (С < 0.15 мас.%) вязкость растворов близка к вязкости воды. Начиная сконцентрации C* = 0.15 мас.%, происходит резкое увеличение вязкости, связанное спереходом раствора из разбавленного в полуразбавленный режим, в котороммицеллы начинают перекрываться друг с другом, образуя сетку зацеплений.-4-0η , Па⋅с10310210110010-110-210-33.1 ± 0.2~ c 5.5 ± 0.3 ~ cC*-101010концентрация ПАВ, мас.%Рис.1. Зависимость вязкости η0 растворов олеата калия от концентрацииПАВ при 200C.
Растворитель: водный раствор KCl концентрации 6 мас.%.В сетке движение мицеллярных цепей происходит путем рептации, т.е.проползания отдельной цепи вдоль эффективной трубки, образованной зацеплениямисоседних цепей. В полуразбавленном режиме можно выделить две области с разнымистепенными зависимостями вязкости от концентрации ПАВ.В первой области (С = 0.15÷0.7 мас.%) вязкость растет с концентрацией ПАВсогласно выражению:η0 ~ C5.5 ± 0.3.Во второй области (С = 0.7÷3 мас.%) вязкостьрастет медленнее и описывается другой степенной функцией: η 0 ~ C 3.3 ± 0.2 . Влитературе до сих пор в подавляющем числе работ наблюдали только однузависимость с показателем степени, близким к 3.5.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
