利用動態(tài)光散射法研究聚合物分子尺寸

楊香艷 大慶油田勘探開發(fā)研究院

1 動態(tài)光散射方法建立

動態(tài)光散射主要原理：聚合物高分子在溶液中進(jìn)行布朗運(yùn)動，入射光通過高分子鏈時發(fā)生散射，散射光產(chǎn)生多普勒位移，通過測定散射光頻率與入射光頻率之差，得到高分子布朗運(yùn)動產(chǎn)生的平移擴(kuò)散系數(shù)和旋轉(zhuǎn)擴(kuò)散系數(shù)，擴(kuò)散系數(shù)有濃度依賴和分子量依賴性，從而獲得分子尺寸。

在研究不同環(huán)境下聚合物溶液分子尺寸時，引入等效圓球的流體力學(xué)體積概念，將高分子線團(tuán)看作一個直徑為Dh的等效圓球，微球半徑即為高分子的水動力學(xué)半徑（以下記為Rh）。采用動態(tài)光散射方法，可以發(fā)現(xiàn)不同濃度、不同礦化度聚合物溶液中水動力學(xué)半徑的變化規(guī)律。

2 實(shí)驗(yàn)材料儀器

（1）實(shí)驗(yàn)儀器。美國布魯克海文BI-200 SM廣角動/靜態(tài)激光光散射儀，動態(tài)測試散射角為90°，實(shí)驗(yàn)溫度25℃。

（2）試劑材料。選取大慶煉化公司生產(chǎn)驅(qū)油用部分水解聚丙烯酰胺產(chǎn)品、氯化鈉（化學(xué)純）。分子量級別：500~700萬、950~1 200萬、1 200~1 600萬、2 500萬、3 500萬；聚合物濃度：150、400、1 000、1 500和2 000 mg/L；溶液礦化度950、2 41、4 000、10 000和20 000mg/L。

3 分子尺寸影響因素

（1）分子量對分子尺寸的影響。選取聚合物溶液濃度150 mg/L的稀溶液，溶液礦化度選取4 000 mg/L。在稀溶液狀態(tài)下，Rh均隨著分子量增加而增加。布朗運(yùn)動單元為單個高分子鏈。隨著聚合物分子量增加，高分子鏈段在溶液中擴(kuò)散系數(shù)降低。擴(kuò)散系數(shù)與成反比，因而Rh增大。

（2）濃度對分子尺寸的影響。實(shí)驗(yàn)選取兩個分子量級別的驅(qū)油用水解聚丙烯酰胺（1 200萬和2 500萬），溶液礦化度選用4 000mg/L，隨著聚合物溶液濃度的增加，水動力學(xué)半徑增加。其原因是，聚合物由低濃度到高濃度過程中，聚合物溶液中分子存在形態(tài)由單分子向多分子轉(zhuǎn)變，分子尺寸由單分子鏈尺寸變?yōu)槎喾肿渔湹奈⑶蚪Y(jié)構(gòu)。隨著濃度繼續(xù)增加，微球內(nèi)分子鏈纏結(jié)的強(qiáng)度和密度增大，線團(tuán)及水化雙電層尺寸增加，即Rh增加。

（3）礦化度對分子尺寸的影響。實(shí)驗(yàn)選取聚合物分子量級別為1 200~1 600萬，聚合物濃度為150mg/L，Rh隨著溶液礦化度的增加而減小，減小到一定程度后趨于平緩。在低礦化度情況下，形成比較疏松的無規(guī)線團(tuán)，Rh較大。隨著溶液中的Na+增加，分子鏈及Stern吸附水化層有效體積縮小，線團(tuán)緊密，Rh減小。礦化度增加到一定值后，分子鏈吸附的Na+達(dá)到飽和，電解質(zhì)壓縮卷曲達(dá)到極限，聚合物分子鏈及Stern吸附水化層不再變化，即Rh變化趨于平緩。

4 結(jié)論

（1）聚合物溶液分子尺寸與分子量、濃度及礦化度密切相關(guān)，利用動態(tài)光散射法，建立了表征聚合物分子尺寸的新方法。

（2）研究給出聚合物分子量、濃度和礦化度對水動力學(xué)半徑的影響規(guī)律及影響程度。水動力學(xué)半徑隨著聚合物分子量增加而增加，隨著濃度增加而增加，隨著溶液礦化度的增加而降低。