新型耐高溫體膨型高分子材料研發及性能評價探析

魏道清

（河南工業和信息化職業學院 河南 焦作 454000）

1 引言

眾所周知，石油是一種戰略物資，能夠助力國家發展。但在油田中開采原油時，大部分地層的整體溫度過高，當石油開采處于中期或后期，一旦缺乏耐高溫材料，就會增加石油開采的難度，油井內部情況也會越發復雜[1]。以往都會使用凝膠作為耐高溫材料，但由于部分油田地層下方的溫度最高可達150 ℃，在這種環境下凝膠性能會大幅受限，無法保持材料強度、耐熱性以及穩定性，最終會導致凝膠材料無法在油田地層發揮價值，還會限制油田開采的實際效率[2]。這時，為了增加我國石油的開采效率，相關人員需要重新尋找一種新型材料，最好研發一種新型耐高溫的體膨型高分子材料，因此，以下便針對一種新型耐高溫體膨型高分子材料的研發及性能展開討論。

2 實驗材料

2.1 儀器

實驗中所用儀器主要有以下幾種：（1）XMTD-6000電熱恒溫水箱；（2）Nicolet750紅外光譜儀；（3）Vegaiilsu電子圖像顯微分析儀。其中XMTD-6000電熱恒溫水箱具備干燥、蒸餾以及恒溫加熱等功能；Nicolet750紅外光譜儀具備高分辨率、高信號輸出等功能；Vegaiilsu電子圖像顯微分析儀具備圖像處理、分析等功能[3]。

2.2 材料

在本次實驗中的所用材料較多，其中化學材料有：丙烯酰胺、草酸、乙酸、磷酸、濃硫酸、氨水、碳酸氫鈉、丙酮、苯甲醛、甲醇、（銨根）過二硫酸、氯化鈉、化學純、聚乙烯醇、氟化氫、濃鹽酸、碳酸鈉、甲醛、過硫酸鉀、化學純、硼酸、乙醇、交聯劑（N，N-亞甲基雙丙烯酰胺）、檸檬酸、六次甲基四胺。其他材料有：油田地層水、礦化度32 336數43 438 mg/L、氯化鈣型，含鈣離子+11 092數15 352 mg/L、氯-17 193數23 796 mg/L、去離子水、自來水。

3 方法與結果

3.1 實驗方法

提前確定實驗材料的適宜計量，將聚乙烯醇、丙烯酰胺以及相應的反應原料，具體有碳酸氫鈉、過硫酸鉀、交聯劑、草酸、（銨根）過二硫酸、六次甲基四胺，根據適宜計量放入自來水中進行溶解，溶解過程需要隨時進行攪拌，并根據相應順序與比例，將所有溶解物相互混合，待所有溶解物完成混合后，方可停止攪拌，將其放在50 ℃左右環境中進行靜置。靜置過程需要實時觀察混合物的顏色，正常混合物會從透明色變成乳白色，從流動液體變成固體，整個過程大約需要2 h左右。在完成混合物反應之后，便可通過Nicolet750紅外光譜儀與Vegaiilsu電子圖像顯微分析儀，針對混合物展開深入觀察，在正常的室內溫度作用下，觀察浸泡在量筒水中的材料性能，其中涵蓋：吸水性能、穩定性能以及體膨性能等。再使用剪裁工具將混合物變成顆粒，將顆粒放入反應釜之中，填入適量的油田地層水，最終將其放在90℃、120℃以及140℃的溫度中進行觀察，確定新型耐高溫體膨型高分子材料的耐溫性能。

3.2 結構研發

3.2.1 聚乙烯醇結構

通過鈉鹽溶液對聚乙烯醇進行3次洗滌操作后，對其進行全面烘干，此時通過Nicolet750紅外光譜儀對其進行交聯，見圖1。

圖1 聚乙烯醇交聯前后的光譜圖

為了保證交聯效果，特意在其中加入（銨根）過二硫酸與過硫酸鉀。通過上圖可知，1 200 cm左右的是單鍵吸收峰；在開始交聯之前其中并不存在乙酸，但在開始交聯后，單鍵吸收峰得到顯著的強化。

3.2.2 丙烯酰胺結構

通過乙醇對丙烯酰胺進行3次洗滌操作后，對其進行全面烘干，此時通過Nicolet750紅外光譜儀對其進行交聯，見圖1。

由圖2可知，其中3 500 cm左右是氨基吸收峰，此峰在交聯前后都存在；1 650 cm左右是羰基吸收峰，此峰在交聯前后都有存在。處于1 550 cm左右的是雙鍵振動峰；1 300 cm左右的是單鍵振動峰。這幾種峰型在相互交聯后就會開始出現小時趨勢，這就證明以上幾種峰型，能夠在交聯過程產生聚合反應，而且這種反應非常徹底，幾乎沒有留下任何殘留物。

圖2 丙烯酰胺交聯前后的光譜圖

3.2.3 材料結構分析

在聚乙烯醇和丙烯酰胺都得到交聯處理后，便可將兩種主要材料相互結合，這樣就能將聚乙烯醇和丙烯酰胺的價值發揮到最大程度，混合材料自身性能也能在兩種材料的加持下得到進一步強化[4]。經過相互結合后的材料混合物十分強韌，將其定型為4.5 cm左右的圓餅，再對其展開拉扯操作，最終將其拉扯至30 cm左右，材料混合物依然沒有出現斷裂或裂縫等狀況，由此可知，這種材料具備較為理想的抗拉扯性能。

3.3 穩定性能

在本次實驗中針對材料的穩定性能進行確定時，需要在正常室內溫度下，使用自來水將材料放在燒杯之中浸泡，浸泡時間為90 d，最后對材料形狀與結構展開觀察。如果材料形狀與結構出現明顯變化，代表材料穩定性較差，但本次實驗中的材料，在形狀與結構上并沒有出現明顯變化，這就代表新型耐高溫體膨型高分子材料穩定性能較為理想[5]。

3.4 體膨性能

在本次實驗中針對材料的體膨性能進行確定時，需要在正常室內溫度下，使用自來水將材料放在量筒之中浸泡，為了精準確定材料的體膨性能，特意將浸泡時間定為：30 min、80 min、130 min，在未開始浸泡之前的材料高度為26 cm，在開始浸泡實驗后材料高度與體膨性能有所變化，見表1。

表1 材料體膨變化表

通過表1可知，隨著材料浸泡時間的加長，材料高度會在膨脹作用下有所提高，體膨倍數也會隨之出現變動，但這種變化在浸泡130 min之后，就不會出現再次變化，由此可知，新型耐高溫體膨型高分子材料體膨性能的最大倍數是1.69。

3.5 耐溫性能

在本次實驗中針對材料的耐溫性能進行確定時，需要使用油田地層水將材料放在90 ℃、120 ℃以及140 ℃的環境中進行浸泡，浸泡時間為130 d，最終通過觀察可以得知，材料顏色有所加深，自身性能并沒有過多變化，這就代表新型耐高溫體膨型高分子材料的耐溫性能十分良好。在開始耐溫性能實驗之前，放在3種溫度環境中的材料體積均為44 mL，在完成本次實驗后處于3種溫度環境中的混合物體積有所變化，見表2。

表2 材料體積變化表

通過表2可知，隨著材料在不同溫度環境中的浸泡時間，材料體積會在高溫作用下持續下降，這種變化與體膨變化不同，如果繼續延長浸泡時間，材料體積依然會在原有基礎上繼續下降。但由于下降趨勢并不是十分明顯，所以新型耐高溫體膨型高分子材料的耐熱性能較高[6]。

4 討論

聚乙烯醇和丙烯酰胺在多種輔助材料的作用下，便可形成新型耐高溫體膨型高分子材料。通過以上實驗分析可以確定，新型耐高溫體膨型高分子材料具有較好的穩定性、抗拉性、體膨性以及耐熱性。當材料遇水后體積會有所膨脹，但最大倍數便是1.69，即便時間有所延長，也不會出現再次變化。經過本次實驗后確定，新型耐高溫體膨型高分子材料完全可以應用于油田開采領域[7]。