硫離子對聚合物溶液黏彈性的影響

伊 卓，劉 希，方 昭，杜 超，胡曉娜

（中國石化 北京化工研究院，北京 100013）

硫離子對聚合物溶液黏彈性的影響

伊 卓，劉 希，方 昭，杜 超，胡曉娜

（中國石化 北京化工研究院，北京 100013）

模擬油田含S2-污水配制聚丙烯酰胺（HPAM）溶液，利用FTIR、黏度計、流變儀等研究了S2-含量對HPAM分子結構及溶液黏彈性的影響。表征結果顯示，S2-存在下，聚合物分子主鏈C—C鍵發生斷裂導致溶液黏彈性降低。實驗結果表明，隨S2-含量的增大，聚合物溶液表觀黏度下降速率增大。在實驗應力范圍內，S2-含量不同的聚合物溶液均出現線性黏彈區，但隨S2-含量的增大，聚合物溶液線性黏彈區對應的復合模量逐漸降低，儲能模量和損耗模量均減小。S2-含量較高時，聚合物增黏效果變差。隨剪切速率的增大，法向應力差逐漸增大；S2-含量越高，法向應力差增幅越顯著。在剪切速率為7.34 s-1下，當S2-含量低于1.7 mg/L時，法向應力差保留率大于表觀黏度保留率；當S2-含量高于1.7 mg/L時，表觀黏度保留率大于法向應力差保留率。

聚丙烯酰胺；驅油聚合物；硫離子；黏彈性；儲能模量；損耗模量；法向應力差

聚丙烯酰胺（HPAM）溶液具有黏彈性流體特征，其提高采收率主要依靠黏性擴大波及體積，依靠彈性提高驅油效率［1-2］。目前，HPAM驅油技術已成為我國油田三次采油的主要技術手段［3-4］。油田現場配制聚合物溶液的工藝主要是清水配制母液，再用污水稀釋。但隨著三次采油應用規模的不斷擴大，采出污水逐年增加，處理壓力日益加重。因此，利用污水替代清水配制聚合物母液已成為必然趨勢［5］。

與清水配制相比，污水配制對HPAM性能有重要影響。一方面，污水礦化度的增大不利于聚合物的溶解和增黏；另一方面，污水中的S2-和Fe2+等易使聚合物主鏈斷裂，導致溶液表觀黏度大幅降低。孟令偉等［6］研究了S2-含量對HPAM溶液表觀黏度的影響，探討了降黏機理，比較了過氧化氫、空氣和臭氧的除硫效果。李道山等［7］研究發現，用模擬回注污水配制聚合物溶液，當溶液中S2-含量為2 mg/L時，在85 ℃下老化70 d后，溶液的表觀黏度急劇下降。黃漫等［8］研究發現，勝坨油田T28區污水中的Fe2+使HPAM溶液的表觀黏度降低80%以上。現有文獻多關注S2-和Fe2+含量對溶液表觀黏度的影響，而它們對溶液黏彈性，尤其是對衡量溶液彈性大小的法向應力差的影響的報道很少。

本工作針對雙河油田采出污水特點，采用模擬含S2-污水配制HPAM聚合物溶液，利用FTIR、黏度計、流變儀等系統研究了S2-含量對HPAM分子結構及溶液黏彈性的影響，以期為油田污水配制驅油聚合物溶液及效果分析提供參考。

1 實驗部分

1.1 試劑和儀器

HPAM：自制，結構單元包括丙烯酰胺（AM）、丙烯酸鈉（NaAA）和2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸鈉（AMPSNa），固含量90.3%（w），水解度20.6%，特性黏數2 437 mL/g，黏均相對分子質量1.976×107。

采用上海一恒公司DHG-9070A型電熱恒溫鼓風干燥箱測試固含量；采用Brookfield公司DV-Ⅲ型黏度計測試表觀黏度；采用LAUDA公司PVS型微機黏度測量系統測試相對分子質量；采用HAKKE公司RS-6000型流變儀測試溶液流變性能；采用Bruker 公司vertex70型傅里葉變換紅外光譜儀測定FTIR譜圖。

1.2 測試方法

聚合物固含量、水解度和特性黏數等按Q/SH 1020 1572—2006［9］規定的方法測試。模擬鹽水總礦化度為6 127 mg/L，其中，Na+含量2 165.1 mg/ L、Cl-含量2 168.8 mg/L、Ca2+含量35.3 mg/L、Mg2+含量18.4 mg/L、含量257.2 mg/L、含量1 298.6 mg/L、S2-含量范圍0～5 mg/L。

考察溶液表觀黏度隨配制時間變化：聚合物母液配制溫度45 ℃，質量濃度4 500 mg/L。聚合物溶液靜置過夜后進行黏彈性測試。流變性能測試：溫度45 ℃，C60/1 Ti L08082型錐板測量系統，錐板直徑60 mm，錐角1°，兩板間隙0.052 mm。

復合模量和線性黏彈區范圍的測定：固定頻率0.5 Hz，應力掃描范圍0.01～10 Pa，應力振幅掃描。動態流變測定：應力0.02 Pa，掃描頻率范圍0.01～10 Hz。穩態流變測定：剪切速率范圍0.01～1 000 s-1，采用Ostwald-dewale公式對流變曲線非牛頓區進行擬合，求得流變參數。在低剪切速率下，剪切速率與角速度近似相等，采用公式N1= 2G′［1+（G′/G′）2］0.7（式中，N1為法向應力差；G′為儲能模量，Pa；G′為損耗模量，Pa），由動態數據計算法向應力差［10］。利用黏度計測試溶液表觀黏度，0號轉子，剪切速率7.34 s-1。在特性黏數和相對分子質量測試時，加入S2-，考察S2-含量對特性黏數和相對分子質量的影響。聚合物母液經干燥成膜后進行FTIR譜圖測定。

2 結果與討論

2.1 S2-含量對表觀黏度的影響

S2-含量對聚合物溶液表觀黏度的影響見圖1。從圖1可看出，隨時間的延長，S2-含量不同的聚合物溶液的表觀黏度均不斷下降；S2-含量越大，溶液表觀黏度下降速率越快；10 h后，溶液表觀黏度基本保持不變。這主要是由于自由基的生成引發了鏈式氧化反應，而S2-可促進該反應的進行，使聚合物主鏈斷裂，聚合物相對分子質量降低，宏觀表現為聚合物溶液表觀黏度降低［7］。

圖1 S2-含量對聚合物溶液表觀黏度的影響Fig.1 Efects of S2-content on the apparent viscosity of HPAM polymer solutions.HPAM： hydrolyzed polyacrylamide.Test conditions：45 ℃，salinity 6 127 mg/L，ρ(polymer)=4 500 mg/L Concentration of S2-/(mg·L-1)：■ 0；● 0.5；▲ 1.0；▼ 2.0；◆ 3.0；○ 5.0

2.2 線性黏彈區

聚合物溶液的復合模量隨應力變化的曲線見圖2。從圖2可看出，在實驗應力范圍內，S2-含量不同的聚合物溶液均出現線性黏彈區；隨S2-含量的增大，聚合物溶液線性黏彈區對應的復合模量逐漸降低，且應力范圍有變小趨勢；當應力大于線性黏彈區應力上限后，隨應力的繼續增大，復合模量開始逐漸降低，即聚合物溶液結構在應力作用下遭到破壞。

圖2 聚合物溶液的復合模量隨應力變化的曲線Fig.2 Efects of stress(τ) on the composite modulus of the polymer solutions.Test conditions referred to Fig.1.Concentration of S2-/(mg·L-1)：■ 0；● 1；▲ 2；▼ 3；◆ 5

2.3 動態流變性能

根據聚合物溶液線性黏彈區范圍，選擇應力0.02 Pa進行動態流變性能測試。聚合物溶液儲能模量和損耗模量隨角頻率的變化曲線見圖3。

圖3 聚合物溶液的儲能模量和損耗模量隨角頻率的變化曲線Fig.3 Efects of angular frequency on the storage modulus(G′) and loss modulus(G″) of the polymer solutions.Test conditions referred to Fig.1.Concentration of S2-/(mg·L-1)：■ 0(G′) ；□ 0(G″)；● 1(G′)；○ 1(G″)；▲ 2(G′)；△ 2(G″)；▼ 3(G′)；▽ 3(G″)；◆ 5(G′)；◇ 5(G″)

從圖3可看出，隨S2-含量的增大，溶液的儲能模量和損耗模量均減小，儲能模量和損耗模量交點處對應的角頻率增加。這是因為：S2-含量越大，聚合物分子斷鏈越嚴重，相對分子質量越低，溶液中分子纏結程度降低越顯著。隨聚合物相對分子質量的降低，溶液僅在較高角頻率下表現出較強的彈性效應［11］。

2.4 穩態流變性能

聚合物溶液表觀黏度隨剪切速率的變化曲線見圖4。從圖4可看出，當溶液中S2-含量分別為0，1，2，3 mg/L時，在低剪切速率下，溶液表觀黏度幾乎不變，說明溶液處在第一牛頓區。隨剪切速率的增加，溶液表觀黏度逐漸降低，溶液轉變為非牛頓流體。當溶液中S2-含量為5 mg/L時，溶液沒有出現第一牛頓區，只觀察到非牛頓區。在相同剪切速率下，S2-含量越高，溶液表觀黏度越低，但隨剪切速率的增加而下降的幅度減小。這是由于S2-含量越高，聚合物分子斷鏈數量越多，體系中的分子纏結程度減弱，因此表觀黏度降低；當受剪切作用時，相對分子質量較高的聚合物分子鏈更易取向并解纏結，且隨剪切速率的增大，取向和解纏結作用引起的表觀黏度降低現象越顯著。

圖4 聚合物溶液表觀黏度隨剪切速率變化的曲線Fig.4 Efects of shear rate(γ) on the apparent viscosity of the polymer solutions.Test conditions referred to Fig.1.Concentration of S2-/(mg·L-1)：■ 0；● 1；▲ 2；▼ 3；◆ 5

高相對分子質量HPAM的分子結構和構象較為復雜，為了定量描述HPAM溶液表觀黏度變化規律及其流變特征，可采用多種公式對流變曲線進行擬合。Ostwald-dewale公式簡便快捷，為工業上常采用的擬合方法。采用該公式對表觀黏度-剪切速率流變曲線中的非牛頓區進行擬合可獲得溶液稠度系數（k）和非牛頓指數（n）。根據第一牛頓區對應表觀黏度和第一牛頓區與非牛頓區交點處對應剪切速率，可得到溶液表觀黏度（ηo）和臨界剪切速率（γc）。聚合物溶液的流變參數見表1。從表1可看出，隨S2-含量的增大，k逐漸變小，n逐漸增大，說明溶液增黏效果變差，溶液越接近牛頓流體。同時，隨S2-含量的增大，ηo逐漸變小，γc逐漸增大，也說明聚合物增黏效果變差，只在較高剪切速率下才體現非牛頓流體特征。可見，S2-含量對聚合物溶液的流變性能有較大影響。

表1 聚合物溶液的流變參數Table 1 Rheological parameters of the polymer solutions.

2.5 法向應力差

彈性對驅油效率至關重要，衡量溶液彈性的指標有儲能模量和法向應力差。動態剪切實驗測定的儲能模量只能作為溶液彈性效應的定性指標，不能作為量化指標。穩態剪切實驗測定的法向應力差可對溶液彈性大小進行量化，但受儀器量程限制，低剪切速率下的結果不太準確。文獻多采用動態數據計算穩態數據［10］。聚合物溶液的法向應力差隨剪切速率的變化曲線見圖5。從圖5可看出，隨剪切速率的增大，法向應力差增大；S2-含量越大，法向應力差的增幅越顯著；在相同剪切速率下，隨S2-含量的增大，法向應力差降低。

圖5 聚合物溶液法向應力差隨剪切速率變化的曲線

Fig.5 Efects ofγon the normal stress diference of the polymer solutions.

Test conditions referred to Fig.1.

Concentration of S2-/(mg·L-1)：■ 0；● 1；▲ 2；▼ 3；◆ 5

2.6 表觀黏度和法向應力差保留率

表觀黏度決定流度控制能力，工業上最常采用同軸圓筒布氏黏度計測定聚合物溶液的表觀黏度。參考聚合物溶液在地層中運移所受剪切速率，在剪切速率為7.34 s-1下，比較了S2-含量對溶液法向應力差和表觀黏度的影響，結果見圖6。從圖6可看出，當S2-含量為1.0 mg/L時，表觀黏度保留率為64.48%，法向應力差保留率為47.25%；隨S2-含量的增大，表觀黏度和法向應力差保留率均降低，但二者下降程度不同。當S2-含量低于1.7 mg/L時，法向應力差保留率大于表觀黏度保留率；當S2-含量高于1.7 mg/L時，表觀黏度保留率大于法向應力差保留率。說明S2-含量對溶液法向應力差和表觀黏度的影響不同，這與S2-存在下引起聚合物分子結構變化有關。

圖6 S2-含量對聚合物溶液表觀黏度和法向應力差保留率的影響Fig.6 Efects of S2-content on the retention rates of the apparent viscosity and normal stress diference of the polymer solutions.Test conditions referred to Fig.1.Retention rate of：■ Apparent viscosity；● Normal stress diference

3 S2-含量對聚合物結構的影響

3.1 FTIR表征結果

HPAM溶液的FTIR譜圖見圖7。從圖7可看出，3 360，3 190，1 610 cm-1處的吸收峰歸屬于AM結構單元中—NH2和AMPSNa結構單元中—NH—基團的伸縮振動；1 660 cm-1處的吸收峰歸屬于AM結構單元中C＝O鍵的伸縮振動；1 560 cm-1處的吸收峰歸屬于NaAA結構單元中羰基的伸縮振動；1 407 cm-1處的吸收峰歸屬于AM結構單元中—C—N—H鍵的伸縮振動；1 190 cm-1處的吸收峰歸屬于AMPSNa結構單元中S＝O鍵的伸縮振動；1 040 cm-1處的吸收峰為AMPSNa結構單元中S—O鍵的伸縮振動［12］。隨S2-含量的增大，各結構單元官能團峰強及峰位置幾乎不變，說明聚合物側鏈基團不會發生降解。

圖7 HPAM溶液的FTIR譜圖Fig.7 FTIR spectra of the HPAM solutions.

3.2 特性黏數和相對分子質量

HPAM的特性黏數和相對分子質量隨S2-含量變化的曲線見圖8。從圖8可看出，當溶液中不含S2-時，HPAM的特性黏數為2 437 mL/g；當S2-含量為1 mg/L時，特性黏數為1 501 mL/g；當S2-含量為2 mg/L時，特性黏數為1 198 mL/g；當S2-含量為5 mg/L時，特性黏數為1 012 mL/g。可見，當S2-含量低于5 mg/L時，隨S2-含量的增大，HPAM的特性黏數下降顯著；當溶液中S2-含量高于5 mg/L時，進一步增加S2-含量，HPAM的特性黏數降幅變緩。說明隨S2-含量的增大，聚合物主鏈C—C鍵發生了斷裂［7］。

圖8 聚合物特性黏數和相對分子質量隨S2-含量變化的曲線Fig.8 Efects of mass concentrations of S2-content on the intrinsic viscosity and relative molecular weight of the polymer.

4 結論

1）隨S2-含量的增大，聚合物溶液表觀黏度下降速率增大。在實驗應力范圍內，S2-含量不同的聚合物溶液均出現線性黏彈區；隨S2-含量的增大，聚合物溶液線性黏彈區對應的復合模量逐漸降低。

2）隨S2-含量的增大，溶液的儲能模量和損耗模量均減小，兩者交點處對應的角頻率增加；溶液零切黏度逐漸變小，臨界剪切速率逐漸增大，聚合物增黏效果變差，只在較高剪切速率下才體現非牛頓流體特征。

3）隨剪切速率的增大，法向應力差逐漸增大；S2-含量越高，法向應力差的增幅越顯著；在相同剪切速率下，隨S2-含量的增大，法向應力差逐漸降低。在剪切速率為7.34 s-1下，隨S2-含量的增大，溶液表觀黏度和法向應力差保留率均逐漸降低，但下降幅度不同。當S2-含量低于1.7 mg/L時，法向應力差保留率大于表觀黏度保留率；當S2-含量高于1.7 mg/L時，表觀黏度保留率大于法向應力差保留率。

4）S2-存在下，聚合物側鏈基團不會發生降解，溶液黏彈性降低是由于聚合物分子主鏈C—C鍵發生斷裂形成的。

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（編輯 鄧曉音）

日本東邦Tenax公司開發出高強度高剛性碳纖維預浸料

石油化學新報（日），2016（4977）：13

日本東邦Tenax公司采用熱塑性超級工程塑料作為母料，開發出阻燃高強度高剛性的聚丙烯腈系碳纖維織物預浸料。該產品于2016年1月開始有少量產品上市有償銷售。

新產品是對碳纖維及樹脂進行改性。熱塑性碳纖維強化的研發課題之一是如何提高碳纖維在樹脂織物預浸料中的滲透量。為了使用方便，把預浸料制成卷曲狀材料（寬1 m、長100 m）。另外，由于新產品使用的是熱塑性樹脂，在常溫下還可長時間保存，作為注射成型材料還可循環使用。

新產品使用阻燃性樹脂，符合塑料材料阻燃標準UL94中的規定，即燃燒時間不超過10 s的V-0級別標準。它將可廣泛用于工業機械和飛機零部件的生產，同時公司還想進一步開拓其用途。

日本昭和電工公司開發出新型散熱碳箔膠帶

日經技術在線（日），2016 - 01 - 07

日本昭和電工公司開發出新型散熱碳箔膠帶。新產品是公司為了提高半導體和電子零件散熱性，作為碳箔膠帶使用軟質鋁箔開發出了柔軟性更高的“HS-2500”及使用厚度10 μm的超薄銅箔實現了超薄的“HS-3000”膠帶。這兩種牌號的產品已經在2016年1月開始上市提供試樣。并且，產品也在2016年1月13～15日，東京有明國際會展中心“第45屆INTERNEPCON 日電子制作與封裝技術展”上展出。

碳箔膠帶的特點是：1）黏接在發熱體上的黏結劑層；2）可散熱的金屬層；3）可將熱量散發到空氣中的碳層；4）維持絕緣性的被覆聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）層上附加剝離用PET層制備而成。由于使用的是散熱性很強的碳，因此與普通銅箔散熱片材相比，可使機器的溫升降低15%。其中，“HS-2500”使用的是厚度50 μm的軟質鋁，以此來提高產品的柔軟性，并提高了曲面的黏接強度。整個膠帶的厚度為75 μm，由于其散熱效果好，因此適合散熱性高的產品。“HS-3000”材料使用的是10 μm的超薄銅箔，膠帶整體厚度只有30 μm，因此它適用于需要狹窄空間的產品。

茂金屬催化劑生產聚烯烴及其回收利用

Macromolec Sym，2016 - 02 - 10

聚烯烴改變了世界，它們不僅是最高產量的聚合物，且產量不斷增加。由于聚烯烴只包含碳和氫原子，它是可持續材料且質輕并具有各種性能。生產聚烯烴的工藝只需使用易得且無毒的單體，反應過程中幾乎沒有單體損失或無副反應。反應完成后，廢物很容易被回收，通過熱解轉變成天然氣和石油，或通過焚燒產生能源。全球正為塑料廢棄物的熱解安裝新的中試裝置。在過去幾十年里已經發明了新一代具有較高活性和立體專一性的催化劑和現代生產工藝用于生產各種聚烯烴，從高密度聚乙烯到線型低密度聚乙烯、高熔點聚丙烯、高模量聚烯烴纖維、乙丙橡膠和三元乙丙橡膠。

該研究領域的巨大發展是：開發了可通過甲基鋁氧烷活化的茂金屬和其他過渡金屬配合物催化劑。這些催化劑比Ziegler-Natta催化劑活性高100倍，它們可溶于碳氫化合物，只含有一種類型的活性中心（單活性中心催化劑）且可以很容易地改變其化學結構。這些屬性允許通過了解催化劑的結構準確地預測聚烯烴的性能并通過仔細選擇合適的反應器條件來控制相對分子質量及其分布、共聚單體含量和立構規整度。通過鏈穿梭、活性聚合和極性單體共聚等反應生產具有特殊屬性的聚烯烴的研究剛剛處于起步階段。基于茂金屬單活性中心催化劑的特性，有助于人們更好地理解烯烴聚合機理及其他龐大助催化劑引入的機理。

Carbios公司開發酶工藝用于PET生物回收

Focus on Catal，2016 - 03

Carbios公司在其聚酯的酶解聚工藝開發中已邁出重要的一步，認定該工藝適用于聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）。該工藝首次能使100%非晶PET基商業化產品解聚成其初始單體對苯二甲酸和乙二醇。把這種選擇性解聚應用于PET能使單體再生，同時保持其石油基相應物相同的質量和理化性質。分離和純化后，從酶回收過程提取的該單體隨后可以用于合成PET原生料，避免了回收材料的價值損失。THANAPLAST項目是法國農業科學研究院團隊和法國國立圖盧茲應用科學學院的LISPB實驗室之間密切合作的結果。

2014年PET塑料市場顯示，全世界PET的產量為21 Mt。由于4%～5%的年增長率，到2020年PET產量將達到26 Mt以上。這種熱塑性材料廣泛用于制造塑料瓶（69%的PET塑料）、薄膜（14%）和包裝材料（10%）及其他應用。在歐洲， 2013年對PET基塑料原生料需求估計為3.2 Mt，其中，1.8 Mt是回收的（占57%）。Carbios公司的生物回收工藝應用于PET時可處理100%的PET廢料（預計1.4 Mt PET），相當于歐洲目前被遺棄在垃圾填埋場或焚燒而不能回收的廢料量。Carbios公司的生物回收工藝將可阻止4.6 Mt的二氧化碳等價物的排放。可積極地促成歐洲限制全球變暖的努力。

Effects of sulfide ion on the viscoelasticity of polymer solution

Yi Zhuo，Liu Xi，Fang Zhao，Du Chao，Hu Xiaona
（SINOPEC Beijing Research Institute of Chemical Industry，Beijing 100013，China）

Hydrolyzed polyacrylamide(HPAM) solutions were prepared using simulated oilfield sewage containing S2-and the efects of S2-content on the molecular structure and viscoelasticity of the HPAM solutions were investigated by means of FTIR，viscometer and rheometer. The results showed that the viscoelasticity of the polymer solutions decreased due to the break of C—C bonds in the main chains of HPAM. It was indicated that the decline rate of the polymer apparent viscosity increased with the increase of the S2-content. The polymer solutions with different S2-content showed linear viscoelastic region. With the increase of S2-content，the composite modulus of the polymer solutions in relation to the linear viscoelastic region gradually reduced，and both the storage modulus and the loss modulus reduced. When the S2-content was high，the tackability of HPAM weakened. With increasing shear rate，the frst normal stress diference increased gradually. The higher the S2-content was，the more obvious the normal stress diference increased. When the shear rate was 7.34 s-1and the S2-content was less than 1.7 mg/L，the normal stress diference retention rate was greater than the apparent viscosity retention rate，and when the S2-content was higher than 1.7 mg/L，the apparent viscosity retention rate was greater than the normal stress diference retention rate.

hydrolyzed polyacrylamide；fooding polymer；sulfde ion；viscoelasticity；storage modulus；loss modulus；normal stress diference

1000 - 8144（2016）06 - 0701 - 06

TE 357.46

A

10.3969/j.issn.1000-8144.2016.06.010

2016 - 01 - 13；［修改稿日期］2016 - 03 - 25。

伊卓（1978—），男，吉林省蛟河市人，博士，高級工程師，電話 010 - 59202934，電郵 yiz.bjhy@sinopec.com。

中國石油化工股份有限公司資助項目（211048）。