CN105350287A - 一种过滤网填充物的制备方法、过滤网及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种过滤网填充物的制备方法、过滤网及其应用，通过对碳纤维表面覆盖有机涂层，并期望通过涂层表面包覆各种疏水性烷烃来构建涂层表面微纳结构，来提高涂层的疏水性得到超疏水亲油型涂层，将经过修饰的碳纤维交联固化后制成具有一定孔径的过滤网填充物；将该过滤网填充物裁剪后填入双层碳纤维网中得到过滤网，该过滤网用于油田井下防砂滤砂的同时，起到部分油水分离的作用，同时也扩大了碳纤维的使用领域，降低了滤油管使用成本与原油冶炼成本。

Description

一种过滤网填充物的制备方法、过滤网及其应用

技术领域

本发明属于化工分离技术领域，尤其涉及一种过滤网填充物的制备方法、过滤网及其应用。

背景技术

目前，超疏水材料的应用十分广泛，可用于建筑防污耐水、提高船舶浮力，对运输管道进行处理、用于织物制造及过滤材料。此外，超疏水材料还可用于微流体控制。构建超疏水材料所采用的降低表面自由能的方法较多。可通过模板法、相分离法、蚀刻法、印刷法、可升华物质微粒成孔法、化学气相沉积法、溶胶-凝胶法、静电纺丝法以及层层自组装法(LBL)等方法在材料表面构造粗糙表面，增加表面的凹凸与起伏，以求在表面能一定的情况下得到超疏水性材料。以上这些方法，多直接用于金属、SiO₂、碳纳米管等的表面修饰，或预先制备超疏水聚氯乙烯膜包覆在材料表面。此外，将已经制得的基材浸入含基团-CF₃的溶液中对材料表面进行修饰后，得到表面自由能较小的纳米结构固体表面，其水的接触角最大能接近理论最大值180°。以含氟材料等低表面能材料为基体，在其表面构造微纳米结构成为制备超疏水材料的一个重要发展方向。

20℃时，水的表面张力为72.8mN·m^-1，烷烃(油品的主要组成是烷烃分子)的表面张力均小于40mN·m^-1。根据润湿原理：低表面能液体可以润湿高表面能材料(或高表面能液体不可以在低表面能材料表面铺展)，理论上存在一种表面能介于油和水之间的材料，使油可以润湿而水不能润湿，这种材料也就是疏水亲油型材料。因此以水滴在荷叶表面的润湿现象为启发，将疏水性的碳纤维表面变成疏水亲油表面可以在油液净化中的应用。表面疏水改性，主要通过低表面能材料修饰实现。常用的低表面能材料有烷基硫醇、长链脂肪酸、有机磷酸和有机硅烷。从化学反应的观点来看，因陶瓷涂层表面具有羟基，易于与有机硅烷发生接枝反应，目前陶瓷涂层表面改性的研究主要利用有机硅烷作为改性剂。如一些研究者利用端基为氨基的硅烷对Al₂O₃涂层进行表面改性，使涂层表面的接触角由15.9°增加到136.3°，再用含氟硅烷对ZrO₂涂层改性，得到接触角为160°的超疏水涂层。利用端基为氨基等官能团的有机硅烷改性得到的涂层疏水性不好，利用氟硅烷增强后得到的涂层表现为超疏水性。涂层的疏水性可通过调节氟代烷烃的结构实现。

对于碳纤维的改造也可使用上述思路，碳纤维的表面修饰通常采用硝酸氧化法，在碳纤维表面修饰上羟基，通过羟基与其它基团间的反应可将功能材料的图层覆盖在碳纤维表面，实现碳纤维的功能化。但是氟硅烷改性得到的表面也具有疏油性，不利于油液的渗透。因此在进行油品脱水时，可采用端基为甲基的直链有机硅烷来进行改性。根据改性过程中是否使用了有机溶剂，改性方法可以分为两种。一种方法是将改性后的碳纤维浸泡在含有有机硅烷的有机溶液中，利用有机硅烷在碳纤维表面形成自组装分子层，实现涂层表面的接枝改性(简称液相接枝改性)。整体浸泡在有机溶剂中，会使得后续的清洗比较困难，特别是相邻碳纤维涂层间残留的未反应硅烷和有机溶剂。另一种方法类似化学气相沉积法，先将有机硅烷汽化，再将陶瓷涂层放入有机硅烷蒸汽中进行接枝改性(简称汽相接枝改性)。

目前油田采出液中含有大量压注水，高效的油水分离成为油田实现节能减排的重要手段之一，油田常用旋流分离的方式进行油水分离，但存在能耗高、设备腐蚀快，分离效率低等缺点。此外，原油开采过程中还面临防砂滤砂的问题，当前使用的不绣钢滤网，只能起到滤砂功能而不具备油水分离功能。碳纤维具有质量轻、比强度高、比模量高、耐高温、耐腐蚀、耐磨等特性，使用刚性碳纤维网代替不绣钢滤网后，上述优势将极大降低使用成本。因此，将表面亲油疏水修饰的碳纤维短纤制成迷宫式滤网，作为内衬制成混合式油水分离滤砂网将极大提高井下采油过程中的防砂滤砂及初步油水分离。

发明内容

本发明的目的在于提供一种过滤网填充物及其制备方法。

本发明的再一目的在于提供由上述方法得到的过滤网填充物制得的过滤网。

本发明的再一目的在于提供上述过滤网在石油井下防砂滤砂方面的应用，旨在防砂滤砂的同时，起到部分油水分离的作用。

本发明目的之一是这样实现的，一种过滤网填充物的制备方法，其特征在于，按以下步骤进行：

(1)将碳纤维丝用浓硝酸60℃加热24小时处理后，得到表面修饰有羟基的碳纤维；

(2)将氟代有机硅烷溶液250mL及质量比为5％至30％的DMSO溶液与步骤(1)中表面修饰碳纤维100g放入烧瓶中，加热至50℃，搅拌24小时；先后用DMSO、蒸馏水清洗去掉多余的氟代有机硅烷；

(3)使用双取代长链有机硅烷，浓度为单取代硅烷浓度的5％至30％，对洗净后的表面修饰碳纤维进行交联固化，得到孔径为2.0～100μm的过滤网填充物。

上述步骤(1)中碳纤维丝的长度为2.5～3.5cm。

上述步骤(2)中氟代有机硅烷包括如下结构。

上述步骤(3)中双取代长链有机硅烷包括如下结构。

本发明目的之二是这样实现的，

一种过滤网填充物制得的过滤网，其关键在于：将所述过滤网填充物裁剪后填入双层碳纤维网中间得到。

本发明目的之三是这样实现的，

一种过滤网作为石油井下防砂滤砂的应用。

有益效果：本发明的过滤网填充物中，两层碳纤维网可以起到固定作用，比原有不锈钢金属网具有更优良的耐腐蚀、耐磨损能力，井下使用时间更长；“迷宫式”过滤网填充物在起到防砂滤砂的同时，由于其表面含有亲油、憎水的含氟烷烃涂层，可起到部分油水分离功能，而原有的不诱钢滤网无法实现该功能。

附图说明

图1是本发明实施例中长度为3cm的碳纤维丝经过改性过程中的纤维表面结构变化示意图；

图2是本发明实施例中长度为3cm的表面改性碳纤维丝；

图3是本发明实施例中过滤网的制备过程示意图；

图4是本发明实施例中所得到的滤砂管装配图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

将拉力为30T的碳纤维丝制成3cm长左右的片段，在浓硝酸溶液中处理碳纤维丝24小时，形成含羟基层。将氟代有机硅烷(5,5,6,6,7,7,8,8-八氟代十烷基硅烷、质量浓度为5％的DMSO溶液250mL)与表面覆盖有羟基的小片段碳纤维(100g)放入烧瓶中，加热至50℃，搅拌24小时。先后用DMSO，蒸馏水洗掉去掉多余有机硅烷。使用双取代长链有机硅烷(1,5-二硅基戊烷为交联剂、质量浓度为0.15％的DMSO溶液250mL)对上述表面修饰碳纤进行结构固化、定型，(结构如图1所示)。其疏水性能如图2所示，可制备孔径为2.0μm的过滤网填充物(如图3所示)。

如图4所示，过滤网填充物裁剪后填入双层碳纤维网中，两头用不锈钢圈进行密封，制成产品。

实施例2

将拉力为30T的碳纤维丝制成3cm长左右的片段，在浓硝酸溶液中处理碳纤维丝24小时，形成含羟基层。将氟代有机硅烷(5,5,6,6,7,7,8,8-八氟代十烷基硅烷、质量浓度为15％的DMSO溶液250mL)与表面覆盖有羟基的小片段碳纤维(100g)放入烧瓶中，加热至50℃，搅拌24小时。先后用DMSO，蒸馏水洗掉去掉多余有机硅烷。使用双取代长链有机硅烷(1,5-二硅基戊烷为交联剂、质量浓度为0.10％的DMSO溶液250mL)对上述表面修饰碳纤进行结构固化、定型。可制备孔径为18.0μm的过滤网填充物。

如图4所示，过滤网填充物裁剪后填入双层碳纤维网中，两头用不锈钢圈进行密封，制成产品。

实施例3

将拉力为30T的碳纤维丝制成3cm长左右的片段，在浓硝酸溶液中处理碳纤维丝24小时，形成含羟基层。将氟代有机硅烷(5,5,6,6,7,7,8,8-八氟代十烷基硅烷、质量浓度为15％的DMSO溶液250mL)与表面覆盖有羟基的小片段碳纤维(100g)放入烧瓶中，加热至50℃，搅拌24小时。先后用DMSO，蒸馏水洗掉去掉多余有机硅烷。使用双取代长链有机硅烷(1,5-二硅基戊烷为交联剂、质量浓度为0.05％的DMSO溶液250mL)对上述表面修饰碳纤进行结构固化、定型。可制备孔径为78.0μm的过滤网填充物。

如图4所示，过滤网填充物裁剪后填入双层碳纤维网中，两头用不锈钢圈进行密封，制成产品。

实施例4

油井下原油含砂量、含水量差异较大，其中原油中含有的砂砾多为粒径为小于1mm的细小颗粒，因此需要在抽取原油的过程中，将砂砾滤除，以免堵塞管道。本发明使用的内外两层碳纤维编织与夹层中的“迷宫式”改性碳纤维填充物均可起到砂石滤除作用。以长度60cm，直径20cm，填充层(以5,5,6,6,7,7,8,8-八氟代十烷基硅烷修饰，1,5-二硅基戊烷为交联剂，固化后孔径为50μm)厚度为2cm的新型滤砂网为例。1L原油(含沙为质量浓度5％)通过后，以沉淀法测定原油中的含砂量，结果显示可将原油中95％的砂砾除去。

通过电脱法(SY/T5402-2008)测定过滤后原油中的含水量，下降了20％左右。相对于原有的不绣钢滤砂管，在起到防砂滤砂功能的同时，还可以分离出原油中的部分水分。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种过滤网填充物的制备方法，其特征在于，按以下步骤进行：

(1)将碳纤维丝用浓硝酸60℃加热24小时处理后，得到表面修饰有羟基的碳纤维；

(2)将氟代有机硅烷溶液250mL及质量比为5％至30％的DMSO溶液与步骤(1)中表面修饰碳纤维100g放入烧瓶中，加热至50℃，搅拌24小时；先后用DMSO、蒸馏水清洗去掉多余的氟代有机硅烷；

(3)使用双取代长链有机硅烷，浓度为单取代硅烷浓度的5％至30％，对洗净后的表面修饰碳纤维进行交联固化，得到孔径为2.0～100μm的过滤网填充物。

2.如权利要求1所述的过滤网填充物的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中碳纤维丝的长度为2.5～3.5cm。

3.如权利要求2所述的过滤网填充物的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中氟代有机硅烷包括如下结构：

4.如权利要求3所述的过滤网填充物的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中双取代长链有机硅烷包括如下结构：

5.一种如权利要求1～4任一项所述过滤网填充物制得的过滤网，其特征在于：将所述过滤网填充物裁剪后填入双层碳纤维网中间得到。

6.一种如权利要求5所述的过滤网作为石油井下防砂滤砂的应用。