一种驱油用两亲聚合物溶液性能研究

张红艳 康万利

摘      要： 通过激光光散射仪和扫描电镜对两亲聚合物（AP）溶液微观形态进行了研究，结合界面张力仪和流变仪对两亲聚合物性能进行了探讨。结果表明，AP溶液的临界胶束浓度（CMC）为1 000 mg·L-1，当AP溶液浓度低于CMC时，溶液中自由链与单分子胶束发生聚集交联，形成具有一定网络结构的单分子胶束聚集体，使AP溶液表现出以弹性为主的特征;当AP溶液浓度高于CMC时，溶液中会形成多分子胶束以及胶束的聚集体，随着AP溶液浓度的增加，多分子胶束和胶束的聚集体交联成了超分子结构的空间网络。AP溶液对油-水界面张力的降低最低可达10 mN·m-1左右 。

关  键  词：两亲聚合物;界面张力;临界胶束浓度;扫描电镜

中图分类号：TE39      文献标识码： A      文章编号： 1671-0460（2019）12-2820-04

Abstract： The microscopic morphology of the amphiphilic polymer （AP） solution was studied by laser light scattering and scanning electron microscopy. The characteristics of the amphiphilic polymer were investigated by means of interfacial tension meter and rheometer. The results indicated that the critical micelle concentration （CMC） of AP solution was 1 000 mg·L-1. When the concentration of AP solution was lower than CMC， the free chains in the solution aggregated and crosslinked with the monomolecular micelles to form monomolecular micelles aggregates with a certain network structure， which made the AP solution show the characteristics of elasticity; when the AP solution concentration was higher than CMC， multi-molecule micelles and micelle aggregates were formed in the solution. With the increase of the concentration of AP solution， the multi-molecular micelles and micellar aggregates crosslinked into supramolecular networks. The AP solution reduced the oil-water interfacial tension up to 10 mN·m-1.

Key words： Amphiphilic polymer; Interfacial tension; Critical micelle concentration; Scanning electron microscopy

兩亲聚合物的的基本结构是分子链中同时含有疏水链段和亲水链段，也称为疏水缔合聚合物或聚表剂。近年来，国内外对于两亲聚合物的研究取得了一定的成果[1-5]。韩利娟[6]等利用动态光散射方法研究了HAPAM两亲聚合物溶液的自组装行为，确定了其聚集体的微观结构及聚集体的大小，从微观结构角度证实了HAPAM和HPAM的差别。任鲲[7]等通过环境扫描电镜对两亲聚合物溶液形态进行了研究，证实了两亲聚合物溶液在去离子水中无论浓度高低均存在空间网状结构。一些研究[8-12]也探讨了疏水缔合聚合物溶液粘弹性和流变性，其中也包括微观结构与宏观流变性质的关系。

笔者对两亲聚合物溶液的特性展开了研究，通过动态光散射方法和扫描电子显微镜了解了AP溶液的粒度分布情况以及溶液的微观形态，并结合对两亲聚合物溶液的性质研究，对两亲聚合物溶液的性能进行了探讨。

1  实验部分

1.1  材料和试剂

原油：大庆采油一厂脱水原油;两亲聚合物（AP）：相对分子质量分别为570×104，上海海博公司。

1.2  主要仪器

分光光度计：ALV-5000/E/WINMultiple Tau Digital Correlator;激光光散射仪：包含配件Spectra-Physics 2017 Ar激光器，200 mW，波长514.5 nm;扫描电镜：日本日立公司S-4800型;流变仪：奥地利安东帕公司 Physica MCR301;全量程界面张力测定仪：美国彪维工业公司TX550A型。

2  结果与讨论

2.1  AP对油水界面张力的影响研究

图1为不同浓度AP聚合物对油-水界面张力影响。可以看出，随着AP溶液浓度的增加，油-水界面张力逐渐下降，当溶液浓度达到1 000 mg·L-1时，界面张力降到10 mN·m-1左右，溶液浓度再增加，油界面张力值变化不大，AP的临界胶束浓度（CMC）为1 000 mg·L-1。AP的亲水和亲油两亲支链呈多点吸附在界面上，对界面的覆盖能力较强，使界面自由能降低。

2.2  AP溶液的动态光散射研究

采用动态光散射方法研究了AP溶液的表观流体力学半径R分布（见图2），由图可以看出，AP溶液的质量浓度在50～500 mg·L-1范围时，曲线呈现单峰形式，峰值在58 nm附近;AP溶液的质量浓度为1 000 mg·L-1时，曲线呈现双峰形式，第1个峰也在60 nm附近，表示有单分子胶束形成;第2个峰在2 200 nm附近，表示有多分子胶束形成。从AP溶液的质量浓度为50～500 mg·L-1曲线还可以看出，溶液中存在单分子链、单分子胶束以及单分子胶束聚集体，粒子半径的范围较宽。从AP溶液浓度为1 000 mg·L-1曲线来看，由于AP溶液处于临界胶束浓度，溶液中存在单分子胶束、多分子胶束以及胶束聚集体[13]。

2.3  聚合物溶液的扫描电镜研究

图3为AP溶液（50 mg·L-1）电镜扫描图，由图可见50 mg·L-1 AP溶液已经形成许多聚集体，这些聚集体的形状和大小不一。说明50 mg·L-1AP溶液中，由于AP主链的侧基上含有疏水基团和亲水基团，即使在濃度很低时，疏水基团在溶液中为了保持稳定，尽量减少与水的接触面积，会在水分子的驱动下尽量靠在一起形成了单分子胶束的内核，亲水基团包裹在内核外形成胶束的外壳，单分子和胶束以及胶束和胶束间也会缔合形成了聚集体。

图4为聚合物AP溶液（200 mg·L-1）电镜扫描图，对比图3可以看出，200 mg·L-1 AP溶液中相比50 mg·L-1 AP溶液形成了更多的聚集体，对这些聚集体进一步放大倍数观察，发现在聚集体内部，单分子胶束之间相互交联，形成了网状结构，在这些网状结构中出现了许多疏水微区。

图5为聚合物AP溶液（1600 mg·L-1）电镜扫描图，此时AP溶液的浓度超过了CMC，从图5可见，溶液中聚集体更加密集、交错，聚集体间交联成空间网络结构，已不见单个聚集体存在。

2.4  AP溶液的流变行为研究

流变学是研究物质在外力作用下流动与形变的科学。聚合物溶液的流变性不仅是单个粒子性质的反映，而且也是粒子与粒子间，以及粒子与溶剂间相互作用的结果。两亲聚合物AP溶液是一种粘弹性流体，在受到交变应力作用产生形变时，一部分能量被耗散或损耗，另一部分能量被储存起来。

通过流变仪测定了浓度为50～600 mg·L-1两亲聚合物溶液的储存模量G'和损耗模量G''，实验结果如图6所示。

从图6可以看出，体系中聚合物含量增加，溶液的G'和G''随之增大;在同震荡频率条件下，G'和G''量也依次增大。体系的G'大于G''，表现出以弹性为主的特点和较强的变形恢复能力。在聚合物浓度处于50～600 mg·L-1的低浓度区时，溶液中自由链和单分子胶束会发生聚集交联，形成具有一定交联结构的单分子聚集体，使AP溶液表现出以弹性为主的特征。

3  结论

AP溶液的临界胶束浓度（CMC）为1 000 mg·L-1，当AP溶液浓度低于CMC时，溶液中自由链与单分子胶束发生聚集交联，形成具有一定网络结构的单分子胶束聚集体，使AP溶液表现出以弹性为主的特征;当AP溶液浓度高于CMC时，溶液中会形成多分子胶束以及胶束的聚集体，随着AP溶液浓度的增加，多分子胶束和胶束的聚集体交联成了超分子结构的空间网络。AP溶液对油-水界面张力的降低最低可达10 mN·m-1左右。

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