减阻剂对微胶囊相变悬浮液稳定性及粘度的影响

减阻剂对微胶囊相变悬浮液稳定性及粘度的影响

吕珊, 张盼, 仇中柱

(上海电力学院 能源与机械工程学院, 上海200090)

摘要:为了获得稳定性较高的微胶囊相变悬浮液,同时减少其流动阻力损失,配制了以异丙醇/水混合溶液为基液的微胶囊相变悬浮液,加入不同种类的减阻剂(PAM和CTAC),并采用旋转流变仪测试其粘度.结果表明:在实验温度为20 ℃,旋转流变仪剪切速率为0~100 L/s时,PAM减阻剂对微胶囊相变悬浮液的稳定性影响甚微,但会显著增大其粘度;CTAC减阻剂不能作为低浓度微胶囊相变悬浮液的减阻剂,质量浓度为10 wt.%的微胶囊相变悬浮液对应的CTAC最佳减阻浓度为200 mg/L.

关键词：微胶囊相变悬浮液; 稳定性; 减阻剂; 粘度

收稿日期：2015-04-09

作者简介：通讯吕珊(1990-),女,在读硕士,湖北孝感人.主要研究方向为微胶囊相变悬浮液的稳定性与流变特性.E-mail:lvshan9983@163.com.

基金项目：上海电力学院能源与机械工程学院“十二五”内涵建设项目(Z-2009-100).

中图分类号：TE869;TK124文献标志码： A

The Influence of Drag Reduction on the Stability and Viscosity of MPCMS

LÜ Shan, ZHANG Pan, QIU Zhongzhu

(SchoolofEnergyandMechanicalEngineering,ShanghaiUniversityofElectricPower,Shanghai200090,China)

Abstract:In order to obtain a high stability of micro-encapsulated phase change suspension(MPCMS),while reducing its flow resistance losses. Isopropanol / water mixed solution is formulated as the base fluid of MPCMS,adding different types of drag reduction (PAM and CTAC) into the suspension,a rotational rheometer is used to test the viscosity of MPCMS. The results show that when the test temperature is 20 ℃,the shear rate is 0~100 L/s,PAM drug reduction does not affect the stability of MPCMS, but significantly increases its viscosity; CTAC drug reduction can not be used when the concentration of MPCMS is low,the optimum CTAC drag reduction concentration of 10 wt.% MPCMS is 200 mg/L.

Key words:micro-encapsulated phase change material suspension; stability; drag reduction ; viscosity

流体在管道中流动时因沿程热损失及流动阻力损失会产生能量损耗.添加减阻剂可以达到降低流体流动阻力的效果,最早是由TOMS B A[1]在1948年提出的,通过添加少量聚甲基丙烯酸甲酯(Pdymethyl Methacrylate,PMMA)到氯苯中,使沿程阻力损失降低了50%.美国Conoco公司、日本Sony公司等应用表面活性剂减阻技术,均获得了可观的经济效益和社会效益.[2-3]微胶囊相变悬浮液(Micro-encapsulated Phase Change Material Suspension,MPGMS)较单相水具有较高的粘度,因而在管道中流动时会产生较大的阻力,使泵功增加.因此,降低微胶囊相变悬浮液的流动阻力损失显得尤为重要.蔡书鹏等人[4]的研究表明,非离子表面活性剂ODMAO水溶液在质量分数为0.04%时开始呈现明显减阻现象,在试验直径为5 mm的圆管直管段最大减阻率可达70%.马宁等人[5]对十六烷三甲基氯化铵(Hexadecyl Trimethyl Ammonium Chloride,CTAC)表面活性剂水溶液的流变特性进行了研究,测试了质量分数为0.007%~0.15%范围内表面活性剂水溶液的流变特性,当质量分数大于0.05%时,稳态粘度几乎不随浓度变化.

本文在配制的微胶囊相变悬浮液中分别添加高分子减阻剂和表面活性剂,分析了不同种类的减阻剂对微胶囊相变悬浮液稳定性及粘度的影响,进而获得适用于本文所制的微胶囊相变悬浮液的减阻剂及对应浓度.

1微胶囊相变悬浮液的配制及粘度

测试

1.1　微胶囊相变悬浮液的配制

实验采用美国Microtek公司制造的MPCM28相变微胶囊颗粒,芯材为石蜡,壁材为三聚氰胺甲醛树脂.相变微胶囊颗粒呈白色粉末状,相变温度为28 ℃,比重为0.9,相变潜热为180~195 J/g.基液为异丙醇/水混合溶液,当异丙醇与水的体积比为1∶1.75,密度为0.936 g/mL时制得的悬浮液稳定性可达48 h.将一定质量的相变微胶囊颗粒分别加入密度为0.936 g/mL的基液中,采用高速剪切乳化机将配制的微胶囊相变悬浮液以2 000 r/min高速旋转10 min,然后将悬浮液放置于恒温磁力搅拌器中以600 r/min搅拌3 h后置于超声波振荡器中,以16 kHz的频率振荡10 min,最终得到质量浓度为5 wt.%和10 wt.%的微胶囊相变悬浮液.

1.2　高分子减阻剂聚丙烯酰胺

在质量浓度为5 wt.%和10 wt.%的微胶囊相变悬浮液中分别加入100 mg/L,200 mg/L,400 mg/L的聚丙烯酰胺(Poly Acryla Mide,PAM),采用磁力搅拌器低速搅拌5 min,使其充分溶解,并贴上标签,静置48 h.图1为48 h后微胶囊相变悬浮液的形貌.图1中左起依次为5wt.%MPCMS,100mg/L+5wt.%MPCMS,200mg/L+5wt.%MPCMS,400mg/L+5wt.%MPCMS,10wt.%MPCMS,100mg/L+10wt.%MPCMS,200mg/L+10wt.%MPCMS,400mg/L+10wt.%MPCMS.

图1　 添加PAM静置48 h后微胶囊相变

1.3　表面活性减阻剂十六烷三甲基氯化铵

在质量浓度为5 wt.%和10 wt.%的微胶囊相变悬浮液中分别加入100 mg/L,200 mg/L,400 mg/L的CTAC,采用磁力搅拌器低速搅拌5 min,使其均匀溶于悬浮液,贴上标签,静置48 h后的结果如图2所示.

图2　 添加CTAC静置48 h后微胶囊相变

图2中,左起依次为5wt.%MPCMS,100 mg/L+5wt.%MPCMS,200 mg/L+5wt.%MPCMS,400 mg/L+5wt.%MPCMS,10wt.%MPCMS,100 mg/L+10wt.%MPCMS,200 mg/L+10wt.%MPCMS,400 mg/L+10wt.%MPCMS.

1.4　悬浮液的粘度测量

本文采用安东帕MCR102旋转流变仪测试分别使用CTAC和PAM作为减阻剂时,不同质量浓度微胶囊相变悬浮液的粘度.实验时,首先打开旋转流变仪系统中的空气压缩机,使空气压力达到0.4~0.6 MPa;打开空气阀,检查水浴液面是否正常,并设置水浴温度为20 ℃;最后打开主机.因所需测试样品为低粘度、微小颗粒的悬浮液,选择同轴圆筒转子进行测试即可.考虑到实验特定条件下误差的影响,首先测试了水和异丙醇在 20 ℃时的粘度,分别为1.005 MPa·s和2.401 MPa·s,与水和异丙醇的粘度值十分吻合,因此该流变仪的精度可以满足测试要求.

2实验结果与分析

2.1　减阻剂对微胶囊相变悬浮液稳定性的影响

2.1.1PAM对微胶囊相变悬浮液稳定性的影响

采用PAM作为减阻剂时,PAM浓度的改变并不影响质量浓度为5 wt.%和10 wt.%的微胶囊相变悬浮液的稳定性,微胶囊相变悬浮液在48 h内保持稳定,但倾倒悬浮液时可明显观察到流动性变差.

2.1.2CTAC对微胶囊相变悬浮液稳定性的影响

在质量浓度为5 wt.%的微胶囊相变悬浮液中分别加入含量为100 mg/L,200 mg/L,400 mg/L的CTAC静置48 h后均出现了明显的分层,稳定性较差.这是由于低浓度的微胶囊相变悬浮液中的有机分子基团较少,表面活性剂在悬浮液中起主要作用的是其不对称的双亲结构,[6]即CTAC的亲水疏水性将悬浮液的有机分子与无机水分子分离,进而导致悬浮液分层.因此,质量浓度低于5 wt.%的微胶囊相变悬浮液不宜采用表面活性剂CTAC作为减阻剂;而质量浓度为10 wt.%的微胶囊相变悬浮液加入100 mg/L,200 mg/L,400 mg/L 的CTAC减阻剂后,在48 h内均表现出良好的稳定性,无任何分层现象.

2.2　减阻剂浓度对微胶囊相变悬浮液粘度的影响

2.2.1不同浓度的PAM对微胶囊相变悬浮液粘度的影响

在质量浓度为5 wt.%的微胶囊相变悬浮液中加入PAM作为减阻剂,测试温度为20 ℃,剪切速率为0~100 L/s时,粘度不为定值,且与未加PAM时相比,悬浮液的粘度明显增大,测试结果如图3所示.由图3可知,在当前测试条件下,高分子聚合物对低浓度(φ<5%)悬浮液的减阻效果并不理想,原因是在较低的剪切速率下,PAM分子链不能很好地伸缩、弯曲、吸收湍流脉动动能,且PAM含量较多,导致悬浮液中的分子链较多且较长,有机分子之间因相似相溶作用促使分子链相互交错团聚,从而造成粘度增大.

图3　 在质量浓度为5 wt.%的悬浮液中添加

在质量浓度为10 wt.%的微胶囊相变悬浮液中分别添加100 mg/L,200 mg/L,400 mg/L的PAM作为减阻剂,测试温度为20 ℃,剪切速率为0~100 L/s时,含量为400 mg/L的PAM使该微胶囊相变悬浮液粘度明显增大,并先出现剪切变稠之后缓慢发生剪切变稀,如图4所示.

图4　 在质量浓度为10 wt.%的悬浮液中添加

这是因为当悬浮液所受到的剪切力不大时,PAM的分子链呈弯曲状,与悬浮液中的有机分子链交错,从而造成流体粘度增大,当剪切力超过一定值时,PAM的分子链[7-8]发生伸缩、弯曲,对湍流脉动有一定的缓冲作用,有助于梳理悬浮液的流动,故而粘度降低.添加含量为100 mg/L和200 mg/LPAM的微胶囊相变悬浮液粘度虽可视为定值,但相对于未加减阻剂的浓度为10 wt.%的微胶囊相变悬浮液粘度仍有明显增加.

2.2.2不同浓度的CTAC对微胶囊相变悬浮液粘度的影响

在实验温度为20 ℃,剪切速率为0~100 L/s时,将含量为100 mg/L和400 mg/L的CTAC作为减阻剂加入质量分数为10 wt.%的微胶囊相变悬浮液中,测试结果如图5所示.

图5　CTAC减阻型微胶囊相变悬浮液的粘度值

虽然随着剪切速率的增加,悬浊液粘度有降低的趋势,但均存在较大的粘度.这是因为减阻表面活性剂的浓度低于临界胶团浓度,溶液中的减阻剂主要以球状胶团存在或无法聚集成球状结构,而只有转变为棒状胶团[9]才能达到减阻效果,100 mg/L的CTAC小于此临界值;当CTAC含量为400 mg/L时,减阻剂浓度太高,增大了悬浮液的粘度.CTAC含量为200 mg/L的微胶囊相变悬浮液的粘度值最低,且小于未添加减阻剂时浓度为10 wt.%的微胶囊相变悬浮液的粘度(6.207 MPa·s),这是因为随着溶液中减阻剂浓度的增加,胶束团聚紧密,胶束结构向棒状胶束转变,达到了减阻的效果.因此,200 mg/L的CTAC是质量浓度为10 wt.%的微胶囊相变悬浮液对应的最佳减阻浓度.

3结语

不同于通常的微胶囊相变悬浮液制备,本文采用液固密度逼近法,以减小微胶囊与载流体之间的密度差来维持悬浮液的动力学稳定性为出发

点,配制水/异丙醇的混合溶液作为连续相,减少甚至杜绝分散剂、稳定剂、增稠剂、乳化剂等各种助剂的添加,大大降低了配制悬浮液的复杂性和无规律性.在实验条件下,表面活性剂CTAC在减阻能力方面较高分子减阻剂PAM更优.但实验的剪切速率范围较狭窄,对于采用高分子减阻剂进行微胶囊相变悬浮液减阻仍有待深入研究.

参考文献：

[1]TOMS B A. Some obervations on the flow of linear polymer solutions through straight tubes at large Reynolds numbers[C].Proceeding of the First International Congress of Rheology．North Holland,Amsterdam,1949(2):135-141.

[2]BURGER E D,MUNK W R,WAHL H A,etal．Flow increase in trans-Alaska pipeline through use of polymeric drag-reducing additive[J]．Journal of Petroleum Technology,1982(34):377-386.

[3]焦利芳,李凤臣,苏文涛,等. 表面活性剂减阻剂在集中供热系统中的应用试验研究[J]. 节能技术,2008(3):195-201.

[4]蔡书鹏,鈴木洋,菰田悦之. 一种非离子表面活性剂水溶液的管流减阻与流变特性[J]. 中国科学:技术科学,2012(4):388-394.

[5]马宁,魏进家,张成伟,等. CTAC表面活性剂水溶液的流变特性[J]. 工程热物理学报,2012(9):1 547-1 550.

[6]陈联群,李丽莎,李菊艳,等. 十六烷基三甲基溴化铵临界胶束浓度与温度的关系[J]. 内江师范学院学报,2006(6):49-51.

[7]周英博. 表面活性剂溶液胶束聚集数与流变特性和减阻效率研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2011.

[8]邹春昱. 新型胶束体系流变和减阻性能研究[D].上海:华东理工大学,2012.

[9]OHLENDORF D,ITERTHAL W,HOFFNANN H.Surfactant systems for drag reduction:physic-chenical properties and rheological behavior[J].Rheol Acta, 1986,25(5):468-486. Some obervations on the flow of linear polymer solutions through straight tubes at large Reynolds numbers[C].Proceeding of the First International Congress of Rheology．North Holland,Amsterdam,1949(2):135-141.

[2]BURGER E D,MUNK W R,WAHL H A,etal．Flow increase in trans-Alaska pipeline through use of polymeric drag-reducing additive[J]．Journal of Petroleum Technology,1982(34):377-386.

[3]焦利芳,李凤臣,苏文涛,等. 表面活性剂减阻剂在集中供热系统中的应用试验研究[J]. 节能技术,2008(3):195-201.

[4]蔡书鹏,鈴木洋,菰田悦之. 一种非离子表面活性剂水溶液的管流减阻与流变特性[J]. 中国科学:技术科学,2012(4):388-394.

[5]马宁,魏进家,张成伟,等. CTAC表面活性剂水溶液的流变特性[J]. 工程热物理学报,2012(9):1 547-1 550.

[6]陈联群,李丽莎,李菊艳,等. 十六烷基三甲基溴化铵临界胶束浓度与温度的关系[J]. 内江师范学院学报,2006(6):49-51.

[7]周英博. 表面活性剂溶液胶束聚集数与流变特性和减阻效率研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2011.

[8]邹春昱. 新型胶束体系流变和减阻性能研究[D].上海:华东理工大学,2012.

[9]OHLENDORF D,ITERTHAL W,HOFFNANN H.Surfactant systems for drag reduction:physic-chenical properties and rheological behavior[J].Rheol Acta, 1986,25(5):468-486.

(编辑白林雪)

DOI：10.3969/j.issn.1006-4729.2015.04.003