CN111234432B - 基于聚合物的co2响应性黏弹性流体及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于聚合物的CO2响应性黏弹性流体及其制备方法。所述流体中包含2,4,6‑三(二甲氨基甲基)苯酚、聚丙烯酸钠、氯化钠和水，其在通入CO2条件下黏度增加，弹性性能增加(即黏弹性增加)。所述黏弹性流体可通过先后通入CO2和N2可逆地调节宏观流变行为，且所述CO2响应性能可调可控；所述方法不需要进行复杂的聚合物结构设计和合成，从而提供了一种简便快捷且成本低廉的黏弹性流体制备方法。
Description
技术领域
本发明属于智能黏弹性流体领域，具体涉及一种CO2响应性黏弹性流体及其制备方法。
背景技术
黏弹性流体兼具黏性与弹性。这种独特的流变性质使其在食品、医药、化妆品、石油生产等领域得到了广泛的应用。近年，流变性质能够在外界刺激因子作用下在一定程度范围内可逆变化的智能性黏弹性流体受到越来越多的关注。这种可逆变化的流变性质赋予了其新的功能，比如“开关”性能。目前已有研究利用光、温度、pH、离子强度、电场、磁场等作为刺激因子，构建智能黏弹性流体。 CO2作为一种生物相容性好、清洁无毒、成本低廉的气体刺激因子近来获得了大量的关注。利用CO2气体作为刺激源，研制CO2响应性智能黏弹性流体是该领域的重点。现有技术所制备的CO2响应性智能黏弹性流体均是基于表面活性剂自组装原理。通常是向表面活性剂水溶液中通入CO2气体，使表面活性剂自组装形成蠕虫状胶束，导致溶液黏弹性迅速增加。然而，基于表活性剂胶束的黏弹性流体的溶液性质稳定性较差，胶束结构容易受温度变化、有机物(例如醇、油等)的引入等发生变化，进而导致溶液失去黏弹性。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于聚合物的CO2响应性黏弹性流体及其制备方法，所述黏弹性流体可通过先后通入CO2和N2可逆地调节宏观流变行为，且所述CO2响应性能可调可控；所述方法不需要进行复杂的聚合物结构设计和合成，从而提供了一种简便快捷且成本低廉的黏弹性流体制备方法。
本发明的构思是，由于聚合物溶液的黏弹性来自于分子链间的摩擦和缠绕，因此在温度、有机物等因素变化下保持稳定性好，对热和有机杂质具有较好的耐受性。因此提出一种基于聚合物的CO2响应性黏弹性流体。
发明提供的一种组合物，组分包括2,4,6-三(二甲氨基甲基)苯酚、聚丙烯酸钠和氯化钠。
该组合可共同添加到需要进行了流体流变行为调节，特别是需要增加黏度的流体中用，可用于化学驱油、流度调节等领域。
上述组合物，进一步地，其中2,4,6-三(二甲氨基甲基)苯酚与聚丙烯酸钠中的羧基的摩尔比为1:(1～18)，氯化钠与聚丙烯酸中的羧基的摩尔比为1: (0.1～3)。
本发明还提供一种基于聚合物的CO2响应性黏弹性流体，所述流体中包含 2,4,6-三(二甲氨基甲基)苯酚、聚丙烯酸钠、氯化钠和水，其在通入CO2条件下黏度增加，弹性性能增加(即黏弹性增加)。
上述基于聚合物的CO2响应性黏弹性流体，进一步地，其中2,4,6-三(二甲氨基甲基)苯酚与聚丙烯酸钠中的羧基的摩尔比为1:(1～18)，氯化钠与聚丙烯酸中的羧基的摩尔比为1:(0.1～3)。
上述基于聚合物的CO2响应性黏弹性流体，进一步地，所述聚丙烯酸钠的质量浓度为1.0～5.0％。
上述基于聚合物的CO2响应性黏弹性流体，进一步地，所述流体在通入CO2条件下黏度增加，弹性性能增加(即黏弹性能增加)在通入氮气除去CO2后恢复至初始状态。
本发明还提供上述CO2响应性黏弹性流体的制备方法，将聚丙烯酸钠与氯化钠搅拌溶于水中，得到溶液一；将2,4,6-三(二甲氨基甲基)苯酚溶于水中并充分搅拌，得到溶液二；将溶液一与溶液二混合并充分搅拌均匀。
本发明还提供上述组合物在制备CO2响应性黏弹性流体中的应用。
本发明还提供2,4,6-三(二甲氨基甲基)苯酚在制备CO2响应性黏弹性流体中的应用。
本发明还提供2,4,6-三(二甲氨基甲基)苯酚、聚丙烯酸钠在制备CO2响应性黏弹性流体中的联合应用。
本发明所述黏弹性流体的机理是：通入的CO2气体在水溶液中产生碳酸，碳酸进一步质子化2,4,6-三(二甲氨基甲基)苯酚中的叔胺基团，生成季铵盐。季铵型阳离子与聚丙烯酸钠中的羧酸根通过静电相互作用形成三维网络结构，导致溶液的黏弹性大幅度增加。而在通入氮气后，会导致季铵盐分解，释放出CO2气体，恢复为原来的叔胺结构，进而导致溶液黏弹性恢复。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.本发明提供了一种新的基于商品化聚合物和商品化叔胺基化合物的黏弹性流体和制备智能黏弹性流体的方法，该方法避免了聚合物结构设计和合成，简单快捷，满足工业化大生产和应用的需要。使用时，仅需要将商品化聚合物和叔胺基化合物溶于盐水中，同时以廉价的二氧化碳为刺激响应因子，即可获得了一种通过通入和去除二氧化碳实现黏弹性能可逆调控的智能黏弹性流体。
2.本发明所述的CO2响应性黏弹性流体的黏弹性CO2响应程度可通过改变 2,4,6-三(二甲氨基甲基)苯酚与聚丙烯酸钠中羧基的摩尔比例，或者氯化钠与聚丙烯酸中羧基的摩尔比例进行调节，即可根据实际需要选择。
附图说明
图1为实施例1中所制备流体及经过CO2处理后流体在25℃的稳态流变测试结果。
图2为实施例1中所制备流体及经过CO2处理后流体在25℃的动态流变测试结果。
图3为实施例1中所制备流体在经过CO2和N2交替处理后在25℃的零剪切黏度。
具体实施方式
下面通过具体实施方式对本发明所述CO2响应性黏弹性流体及其制备方法以及其CO2响应性和可逆调控性能做进一步说明。有必要指出，以下实施例只用于对本发明作进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员根据上述发明内容，对本发明做出一些非本质的改进和调整进行具体实施，仍属于发明保护的范围。
实施例1
本实施例中，聚丙烯酸钠(NaPAA)、2,4,6-三(二甲基氨基甲基)苯酚、分析级氯化钠均于市场购买。所用水为去离子水。
将25g聚丙烯酸钠与31.1g氯化钠在室温下共同溶解于700mL水中，搅拌至充分溶解；将23.5g 2,4,6-三(二甲氨基甲基)苯酚在室温下溶解于300mL水中，充分搅拌。将上述两种溶液混合并充分搅拌均匀，得到黏弹性流体，其中2,4,6-三(二甲氨基甲基)苯酚与聚丙烯酸钠中的羧基的摩尔比为1:3，氯化钠与与聚丙烯酸钠中的羧基的摩尔比为1:0.5，聚丙烯酸钠的质量浓度为2.5％。
实施例2
本实施例中，CO2(≥99.9％)和N2(99.9％)均于市场购买。
本实施例说明黏弹性流体的CO2响应特性。本实施例所述黏弹性流体的制备同实施例1。
使用Anton-Paar MCR 302型流变仪的CC27转子在25℃分别测试所制备流体的稳态流变和动态流变，结果见附图1和2。稳态流变结果表明，所制备的流体具有明显的剪切变稀行为，即在低剪切速率区域黏度大且具有平台区，而随着剪切速率升高，黏度逐渐降低。由图可知，其零剪切黏度为61Pa·s。由动态流变结果可知，流体的储能模量(G′)与损耗模量(G″)，相交于0.31rad·s-1。稳态流变和动态流体结果表明，所制备的流体具有典型的黏弹性行为。
向上述流体中以0.3L/min的速率通入CO2气体20min，随后使用Anton-Paar MCR302型流变仪的CC27转子在25℃分别测试经CO2处理后流体的稳态流变和动态流变，结果见附图1和2。由稳态流变结果可知，通入CO2气体后，在整个剪切速率范围内，流体的黏度大幅度超过原流体的黏度。其零剪切黏度由原来的61Pa·s增加到118Pa·s。动态流变结果表明，通入CO2气体后，流体的储能模量(G′)与损耗模量(G″)均高于原流体的储能模量(G′)与损耗模量(G″)，而且二者交点向低频率移动。稳态和动态流变测试结果表明，经过CO2气体处理后，流体的黏度和弹性性能都显著增加，表现出明显的CO2响应特性。
实施例3
本实施例中，CO2(≥99.9％)和N2(99.9％)均于市场购买。
本实施例说明黏弹性流体的可逆回复特性。本实施例所述黏弹性流体的制备同实施例1。使用Anton-Paar MCR 302型流变仪的CC27转子在25℃测试所制备流体的稳态流变并得到相应的零剪切黏度。
原始流体零剪切黏度为61Pa·s，在25℃向流体中以0.3L/min的速率通入 CO2气体20min，零剪切黏度增加到118Pa·s；将流体升温至90℃并以0.5L/min 的速率通入N2气体90min，零剪切黏度降低到65Pa·s。再交替通入CO2和N2，流体的零剪切黏度均能够可逆变化，结果见附图3。上述结果表明，所制备流体的黏弹性具有可逆回复特性。
实施例4
本实施例中，聚丙烯酸钠(NaPAA)、2,4,6-三(二甲基氨基甲基)苯酚、分析级氯化钠、CO2(≥99.9％)均于市场购买。均于市场购买。所用水为去离子水。使用 Anton-PaarMCR 302型流变仪的CC27转子在25℃测试所制备流体的稳态流变并得到相应的零剪切黏度。
将25g聚丙烯酸钠与31.1g氯化钠在室温下共同溶解于700mL水中，搅拌至充分溶解；将105.9g 2,4,6-三(二甲氨基甲基)苯酚在室温下溶解于300mL水中，充分搅拌。将上述两种溶液混合并充分搅拌均匀，得到黏弹性流体，其中 2,4,6-三(二甲氨基甲基)苯酚与聚丙烯酸钠中的羧基的摩尔比为1:1.5，氯化钠与与聚丙烯酸钠中的羧基的摩尔比为1:0.5，聚丙烯酸钠的质量浓度为2.5％。
所制备流体的零剪切黏度为41Pa·s；在25℃向流体中以0.3L/min的速率通入CO2气体20min，零剪切黏度增加到133Pa·s。经过CO2处理后，零剪切黏度增加224％。
实施例5
本实施例中，聚丙烯酸钠(NaPAA)、2,4,6-三(二甲基氨基甲基)苯酚、分析级氯化钠、CO2(≥99.9％)均于市场购买。所用水为去离子水。使用Anton-Paar MCR 302型流变仪的CC27转子在25℃测试所制备流体的稳态流变并得到相应的零剪切黏度。
将25g聚丙烯酸钠与31.1g氯化钠在室温下共同溶解于700mL水中，搅拌至充分溶解；将11.8g 2,4,6-三(二甲氨基甲基)苯酚在室温下溶解于300mL水中，充分搅拌。将上述两种溶液混合并充分搅拌均匀，得到黏弹性流体，其中 2,4,6-三(二甲氨基甲基)苯酚与聚丙烯酸钠中的羧基的摩尔比为1:6，氯化钠与与聚丙烯酸钠中的羧基的摩尔比为1:0.5，聚丙烯酸钠的质量浓度为2.5％。
所制备流体的零剪切黏度为74Pa·s；在25℃向流体中以0.3L/min的速率通入CO2气体20min，零剪切黏度增加到110Pa·s。经过CO2处理后，零剪切黏度增加48.6％。
实施例6
本实施例中，聚丙烯酸钠(NaPAA)、2,4,6-三(二甲基氨基甲基)苯酚、分析级氯化钠、CO2(≥99.9％)均于市场购买。所用水为去离子水。使用Anton-Paar MCR 302型流变仪的CC27转子在25℃测试所制备流体的稳态流变并得到相应的零剪切黏度。
将25g聚丙烯酸钠与31.1g氯化钠在室温下共同溶解于700mL水中，搅拌至充分溶解；将4.7g 2,4,6-三(二甲氨基甲基)苯酚在室温下溶解于300mL水中，充分搅拌。将上述两种溶液混合并充分搅拌均匀，得到黏弹性流体，其中2,4,6- 三(二甲氨基甲基)苯酚与聚丙烯酸钠中的羧基的摩尔比为1:15，氯化钠与与聚丙烯酸钠中的羧基的摩尔比为1:0.5，聚丙烯酸钠的质量浓度为2.5％。
所制备流体的零剪切黏度为189Pa·s；在25℃向流体中以0.3L/min的速率通入CO2气体20min，零剪切黏度增加到210Pa·s。经过CO2处理后，零剪切黏度增加11.1％。
实施例7
本实施例中，聚丙烯酸钠(NaPAA)、2,4,6-三(二甲基氨基甲基)苯酚、分析级氯化钠、CO2(≥99.9％)均于市场购买。所用水为去离子水。使用Anton-Paar MCR 302型流变仪的CC27转子在25℃测试所制备流体的稳态流变并得到相应的零剪切黏度。
将25g聚丙烯酸钠与15.5g氯化钠在室温下共同溶解于700mL水中，搅拌至充分溶解；将23.5g 2,4,6-三(二甲氨基甲基)苯酚在室温下溶解于300mL水中，充分搅拌。将上述两种溶液混合并充分搅拌均匀，得到黏弹性流体，其中 2,4,6-三(二甲氨基甲基)苯酚与聚丙烯酸钠中的羧基的摩尔比为1:3，氯化钠与与聚丙烯酸钠中的羧基的摩尔比为1:1，聚丙烯酸钠的质量浓度为2.5％。
所制备流体的零剪切黏度为295Pa·s；在25℃向流体中以0.3L/min的速率通入CO2气体20min，零剪切黏度增加到530Pa·s。经过CO2处理后，零剪切黏度增加79.7％。
实施例8
本实施例中，聚丙烯酸钠(NaPAA)、2,4,6-三(二甲基氨基甲基)苯酚、分析级氯化钠、CO2(≥99.9％)均于市场购买。所用水为去离子水。使用Anton-Paar MCR 302型流变仪的CC27转子在25℃测试所制备流体的稳态流变并得到相应的零剪切黏度。
将25g聚丙烯酸钠与46.7g氯化钠在室温下共同溶解于700mL水中，搅拌至充分溶解；将23.5g 2,4,6-三(二甲氨基甲基)苯酚在室温下溶解于300mL水中，充分搅拌。将上述两种溶液混合并充分搅拌均匀，得到黏弹性流体，其中 2,4,6-三(二甲氨基甲基)苯酚与聚丙烯酸钠中的羧基的摩尔比为1:3，氯化钠与与聚丙烯酸钠中的羧基的摩尔比为1:0.33，聚丙烯酸钠的质量浓度为2.5％。
所制备流体的零剪切黏度为40Pa·s；在25℃向流体中以0.3L/min的速率通入CO2气体20min，零剪切黏度增加到75Pa·s。经过CO2处理后，零剪切黏度增加87.5％。
实施例9
本实施例中，聚丙烯酸钠(NaPAA)、2,4,6-三(二甲基氨基甲基)苯酚、分析级氯化钠、CO2(≥99.9％)均于市场购买。所用水为去离子水。使用Anton-Paar MCR 302型流变仪的CC27转子在25℃测试所制备流体的稳态流变并得到相应的零剪切黏度。
将25g聚丙烯酸钠与77.79g氯化钠在室温下共同溶解于700mL水中，搅拌至充分溶解；将23.5g 2,4,6-三(二甲氨基甲基)苯酚在室温下溶解于300mL水中，充分搅拌。将上述两种溶液混合并充分搅拌均匀，得到黏弹性流体，其中 2,4,6-三(二甲氨基甲基)苯酚与聚丙烯酸钠中的羧基的摩尔比为1:3，氯化钠与与聚丙烯酸钠中的羧基的摩尔比为1:0.2，聚丙烯酸钠的质量浓度为2.5％。
所制备流体的零剪切黏度为2Pa·s；在25℃向流体中以0.3L/min的速率通入CO2气体20min，零剪切黏度增加到46Pa·s。经过CO2处理后，零剪切黏度增加22倍。
实施例10
本实施例中，聚丙烯酸钠(NaPAA)、2,4,6-三(二甲基氨基甲基)苯酚、分析级氯化钠、CO2(≥99.9％)均于市场购买。所用水为去离子水。使用Anton-Paar MCR 302型流变仪的CC27转子在25℃测试所制备流体的稳态流变并得到相应的零剪切黏度。
将10g聚丙烯酸钠与2.1g氯化钠在室温下共同溶解于700mL水中，搅拌至充分溶解；将28.2g 2,4,6-三(二甲氨基甲基)苯酚在室温下溶解于300mL水中，充分搅拌。将上述两种溶液混合并充分搅拌均匀，得到黏弹性流体，其中2,4,6- 三(二甲氨基甲基)苯酚与聚丙烯酸钠中的羧基的摩尔比为1:1，氯化钠与与聚丙烯酸钠中的羧基的摩尔比为1:3，聚丙烯酸钠的质量浓度为1.0％。
所制备流体在经过CO2处理后，剪切黏度和弹性性能显著增加。
实施例11
本实施例中，聚丙烯酸钠(NaPAA)、2,4,6-三(二甲基氨基甲基)苯酚、分析级氯化钠、CO2(≥99.9％)均于市场购买。所用水为去离子水。使用Anton-Paar MCR 302型流变仪的CC27转子在25℃测试所制备流体的稳态流变并得到相应的零剪切黏度。
将50g聚丙烯酸钠与311.2g氯化钠在室温下共同溶解于700mL水中，搅拌至充分溶解；将7.8g 2,4,6-三(二甲氨基甲基)苯酚在室温下溶解于300mL水中，充分搅拌。将上述两种溶液混合并充分搅拌均匀，得到黏弹性流体，其中2,4,6- 三(二甲氨基甲基)苯酚与聚丙烯酸钠中的羧基的摩尔比为1:18，氯化钠与聚丙烯酸钠中的羧基的摩尔比为10:1，聚丙烯酸钠的质量浓度为5.0％。
所制备流体在经过CO2处理后，剪切黏度和弹性性能显著增加。
Claims (6)
1.一种组合物，其特征在于，由2,4,6-三(二甲氨基甲基)苯酚、聚丙烯酸钠和氯化钠组成，其中2,4,6-三(二甲氨基甲基)苯酚与聚丙烯酸钠中的羧基的摩尔比为1:(1～18)，氯化钠与聚丙烯酸中的羧基的摩尔比为1:(0.1～3)。
2.一种基于聚合物的CO2响应性黏弹性流体，其特征在于，包含2,4,6-三(二甲氨基甲基)苯酚、聚丙烯酸钠、氯化钠和水，所述流体在通入CO2条件下黏度和弹性性能增加，其中2,4,6-三(二甲氨基甲基)苯酚与聚丙烯酸钠中的羧基的摩尔比为1:(1～18)，氯化钠与聚丙烯酸中的羧基的摩尔比为1:(0.1～3)。
3.根据权利要求2所述基于聚合物的CO2响应性黏弹性流体，其特征在于，其中所述聚丙烯酸钠的质量浓度为1.0～5.0％。
4.根据权利要求2所述基于聚合物的CO2响应性黏弹性流体，其特征在于，所述流体在通入CO2条件下黏度和弹性性能增加，在通入氮气除去CO2后恢复至初始流变性能状态。
5.权利要求2所述基于聚合物的CO2响应性黏弹性流体的制备方法，其特征在于，将聚丙烯酸钠与氯化钠在下搅拌溶于水中，得到溶液一；将2,4,6-三(二甲氨基甲基)苯酚在溶于水中并充分搅拌，得到溶液二；将溶液一与溶液二混合并充分搅拌均匀。
6.权利要求1所述组合物在制备CO2响应性黏弹性流体中的应用。
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| 《CO2刺激响应型清洁压裂液的室内研究》;李雨威;《是由于天然气化工》;20171231 * |
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