CN108374984B - 一种表面活性剂/聚合物复配减阻剂及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种表面活性剂/聚合物复配的高效湍流减阻剂及其制备方法，将表面活性剂和聚合物按照一定的比例复配制备一种复合减阻剂，并加入硫酸钠作为稳定剂，促进表面活性剂和聚合物混合减阻液的胶束体系生长，提高生成的剪切诱导结构的抗剪切能力，从而提高减阻效果。其特点是减阻范围大、稳定性强、剪切恢复性强。

Description

一种表面活性剂/聚合物复配减阻剂及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种用于管道领域的湍流减阻剂，具体涉及一种表面活性剂/聚合物复配的高效湍流减阻剂及其制备方法。

背景技术

Toms报道，在一定的湍流条件下，在一氯苯中加入一种稀释的聚乙基甲基丙烯酸酯后，其阻力在很大程度上降低了。众所周知，在湍流中加入一个小的高分子量的线性弹性聚合物后，可以引起壁面摩擦阻力的显著降低，这意味着在管道中在较低的压力条件下维持一定的流量需要加入少量的聚合物，这种现象称为湍流减阻，这表明，在管道中流动的聚合物溶液需要较低的压力梯度来维持相同的流速。这是由于聚合物溶液的粘弹性性质，在湍流区，聚合物粘弹性流体的摩擦因数比牛顿或纯粘性流体的摩擦系数要低很多。

目前聚合物减阻剂存在的最大问题在于流经泵和弯头等时易发生机械降解，从而失去减阻效果，因此在使用过程中需要不断补充减阻剂用量。与聚合物相比，表面活性剂不会发生降解，即使在一定特殊条件下，暂时失去减阻功能也能自行恢复，故已被广泛运用到工业领域。

为了理解减阻流体在流动过程中的动量传递规律，研究表面活性剂减阻原理及表面活性剂对湍流流动结构的影响，不少学者采用不同的测量系统对减阻流体的摩擦系数的影响等进行了大量的试验研究。表面活性剂减阻的机理在于以下因素，如边界层内层扩大、速度分布对数层上移、法向速度脉动强度减弱、雷诺应力受到抑制、湍流动能产生率减少、促发事件的频率和强度降低、近壁低速条纹之间的间距加宽和主流速度脉动谱发生改变，即低频增加、高频减少等等。

表面活性剂在不同浓度下存在临界温度，即流体温度在临界温度之下时，随着温度的增加，溶液的有效减阻范围会扩大，且一旦超过该临界温度，溶液的减阻效果会整体降低，这就是表面活性剂溶液所表现出来的温度效应。

发明内容

将表面活性剂添加到聚合物溶液中可能是一种有效的减阻方法，特别是在高温、高剪切条件下。其减阻原理在于聚合物和表面活性剂复合物的形成过程中，此种复合物能够增强聚合物分子之间的键合力，增加离子聚合物与表面活性剂之间的离子结合几率，非离子聚合物与表面活性剂之间的疏水结合。由此提高了表面活性剂的抗剪切强度，Suksamranchit曾报道,水溶性聚合物PEO和阳离子表面活性剂形成复合物中表面活性剂胶束与聚合物结合，使溶液粘度随着复合物的水动力体积的增加而变化。这一复杂的形成过程在不同的方面影响了其减阻效能，如降低减阻的临界聚合物分子量，并降低减阻的最佳聚合物浓度。聚合物在溶剂中的减阻效果与它的大分子构象有关。在湍流流动中，高分子聚合物能够提供更高的抗剪切性，而较大分子量的聚合物溶液具有较高的减阻效率，且不易机械降解。解释了聚合物诱导的湍流减阻是由单个聚合物分子的粘弹性行为贡献和聚合物浓度的增加引起的，而分子量增加了减阻效率。由于减阻是由单个聚合物分子的贡献之和引起的，聚合物溶液的浓度对减阻增量有积极的影响。随着聚合物浓度的增加，溶液的剪切粘度增加，导致减阻增加，而剪切粘度在较高的浓度下变得越来越显著，在聚合物中雷诺数比初始状态下降，因而降低了减阻效率。

此外，表面活性剂和聚合物复配需要考虑其稳定性和溶解性问题，不同类型的表面活性剂和聚合物存在配伍性，表面活性剂和聚合物配制后一定要溶解并且能够稳定存在，才能取得较好的减阻效果。

本发明针对目前减阻剂减阻率低，聚合物抗剪切破坏性弱且存在剪切不可恢复性。而表面活性剂具有很好的抗剪切破坏性并且剪切恢复性很强，提出将一种将表面活性剂和聚合物按照一定的比例复配制备一种复合减阻剂，并加入硫酸钠作为稳定剂，促进表面活性剂和聚合物混合减阻液的胶束体系生长，提高生成的剪切诱导结构的抗剪切能力，从而提高减阻效果。其特点是减阻范围大、稳定性强、剪切恢复性增强。

本发明提供的表面活性剂/聚合物复配减阻剂由表面活性剂、聚合物和稳定剂组成，其中，表面活性剂、聚合物和稳定剂分别为；十二烷基硫酸钠、聚丙烯酸钠和硫酸钠。

复配减阻剂按质量百分比其组成为：表面活性剂：十二烷基硫酸钠10～40％；聚合物：聚丙烯酸钠10～40％；稳定剂：硫酸钠0.1～6％；其余的为水。

聚合物和表面活性剂都是减阻剂。然而，它们有一定的优势和不足，聚合物在浓度相对较低时可以有效地减少阻力，而表面活性剂的浓度则需要达到临界胶束浓度以上。表面活性剂剪切诱导的结构是再生的，而高分子、大分子聚合物在高剪切应力条件下发生永久性机械破坏。这限制了聚合物添加剂的运用，在低或中等剪应力条件下。聚合物与表面活性剂可以通过两种方式相互作用。第一种相互作用是聚合物和表面活性剂相对电荷之间的静电相互作用。第二种可能的相互作用类型是聚合物的疏水部分与表面活性剂疏水部分之间相互作用。研究证实，阴离子表面活性剂与非离子聚合物的结合更为有效。这些研究支持了负离子基团的大小和疏水条件的观点，大大促进了整体之间的相互作用。非离子表面活性剂和阳离子表面活性剂一般不与聚合物分子相互作用。然而，在某些类型的离子中，弱相互作用可以发生。与阴离子表面活性剂相比，阳离子表面活性剂可以和聚合物发生微弱的相互作用，而这一弱相互作用可能是导致头基较大的主要原因之一，疏水性是在非离子聚合物和阳离子表面活性剂之间相互作用中起重要作用的另一个因素。

与纯聚合物或纯表面活性剂相比，聚合物–表面活性剂混合系统表现出了显著减阻(摩擦系数低)。即在聚合物中加入表面活性剂可提高减阻效果。并且，在低聚合物浓度和高表面活性剂浓度条件下，混合体系的协同效应更强。

溶液中加入表面活性剂和聚合物，两者之间存在疏水相互作用，根据该混合溶液湍流流动中的独特减阻混合网状减阻结构模型，用这一模型能很好地解释溶液湍流减阻时的温度效应和聚合物浓度变化时的减阻变化。当溶液中表面活性剂浓度恒定，则其胶束数量恒定，随着聚合物的浓度提高，聚合物链之间会发生缠绕，当胶束联结到已发生缠绕后的聚合物链上时将形成表面活性剂-非离子型聚合物混合网状结构。湍流强度超过临界雷诺数后，网状结构内的部分胶束首先被破坏，形成了串珠减阻结构，此结构中表面活性剂和聚合物的相互作用仍存在，即使在减阻破坏区，与纯表面活性剂或纯聚合物溶液相比混合溶液仍具备较好的减阻能力，且聚合物浓度提高可以使得串珠结构更稳定，减阻效果更高。

本发明在聚合物中加入表面活性剂，并研究了其对溶液减阻效果的影响，提供了一种新型的减阻剂配方，其特点是结合了表面活性剂和聚合物各自的减阻特点，表面活性剂溶液中随着聚合物的浓度提高，聚合物链之间会发生缠绕，当胶束联结到已发生缠绕后的聚合物链上时将形成的表面活性剂-非离子型聚合物混合网状结构。湍流强度超过临界雷诺数后，网状结构内的部分胶束首先被破坏，形成了串珠减阻结构，此结构中表面活性剂和聚合物的相互作用仍存在，即使在减阻破坏区，与纯表面活性剂或纯聚合物溶液相比混合溶液仍具备较好的减阻能力既发挥了表面活性剂剪切可恢复性优点，又弥补了聚合物起始减阻浓度大的不足。提高减阻剂的剪切恢复性并降低减阻的起始浓度雷诺数，同时增加减阻率。

硫酸钠作为一种稳定剂，其作用机理在于促进表面活性剂和聚合物混合减阻液的胶束体系的生长，提高生成的剪切诱导结构的抗剪切能力。这是因为硫酸钠作为抗剪切破坏离子可以中和表面活性剂分子带电头基的电荷，从而在溶液中形成了球状或棒状胶束，当受到适度的剪切力时可以形成网状胶束结构，即所谓的剪切诱导结构，溶液内的这种微观结构会引起流体湍流减阻效应，并且这种微观结构具有强剪切破坏后剪切消失时的结构自我修复能力。从而提高减阻效果。

本发明还提供了一种上述湍流减阻剂的制备方法：

将十二烷基硫酸钠、聚丙烯酸钠和硫酸钠加水中，水浴加热搅拌。

本发明的减阻剂的复合制备方法如下

(1)、制备减阻剂初液；

先用量筒量取一定量的水，放入到烧杯中，然后依次加入相应质量的表面活性剂、聚合物，最后水浴加热搅拌直到表面活性剂和聚合物溶解完全，得到减阻剂初液。

(2)、添加稳定剂

将硫酸钠稳定剂加入到步骤(1)配制好的减阻剂初液中，搅拌直至其完全溶解，得到减阻剂溶液。

(3)稀释步骤(2)溶液的浓度到相应的浓度

将步骤(2)所配置成的减阻剂加入一定量的水，稀释至相应的浓度。

有益效果：

将表面活性剂和聚合物复配在一起作为减阻剂，结合了表面活性剂和聚合物各自的特点，克服了聚合物剪切易降解和表面活性剂需要达到较高的临界浓度的缺点，两者之间的相互作用提高了聚合物抗热降解和剪切降解的特性，减阻临界雷诺数和临界浓度都有不同程度地降低，其混合减阻溶液在75℃没有被热降解破坏仍有一定的减阻效果，抗剪切能力增加34％，并且减阻的起始浓度比表面活性剂单独作用时降低20ppm，比聚合物单独作用时降低10ppm。减阻起始雷诺数降低1000，减阻率比表面活性剂单独作用时提高10％，比聚合物单独作用时提高12％。加入硫酸钠能够稳定其减阻效果，其作用机理在于促进表面活性剂和聚合物混合减阻液的胶束体系的生长，提高生成的剪切诱导结构的抗剪切能力。

具体实施方式

以下具体实施例是根据实验依据优选的最佳的配方组合方案，并不对本发明的范围有任何限制，以下实施均以配置1L的减阻剂为例。

实施例1

(1)、在水浴加热条件下(温度为45℃)，取500ml水，边搅拌边加入表面活性剂(十二烷基硫酸钠250g)、聚合物(聚丙烯酸钠300g)，搅拌20min，得到减阻剂初液；

(2)、称取硫酸钠12g。边搅拌边加入步骤(1)配制的减阻剂初液中，搅拌5min，得到减阻剂溶液。

(3)、边搅拌边在步骤(2)配制的减阻剂溶液加入相应的水，稀释到1L，然后搅拌30min，得到所需的减阻剂溶液。

将上述制备得到的减阻剂混合物按1％的质量浓度加入到流体水中，经检测，在温度23℃、流体流速2.1m/s、雷诺数5600的条件下，混合减阻剂所达到的相互作用效果最佳，其混合减阻溶液在75℃时没有被热降解破坏仍有一定的减阻效果，抗剪切能力增加34％，并且减阻的起始浓度比表面活性剂单独作用时降低20ppm，比聚合物单独作用时降低10ppm。减阻起始雷诺数降低1000，减阻率比表面活性剂单独作用时提高10％，比聚合物单独作用时提高12％。

同样，将实施例1中制备得到的减阻剂混合物按1％的质量浓度加入到流体水中，经检测，在温度23℃、流体流速1.8m/s、雷诺数5400的条件下，减阻剂混合物相互作用最佳，相比于表面活性剂单独作用时浓度降低18ppm，比聚合物单独作用时浓度降低10ppm。减阻起始雷诺数降低1100，减阻率比表面活性剂单独作用时提高10％，比聚合物单独作用时提高11％。

实施例2

(1)、在水浴条件下(温度为45℃，具体温度)，取500ml水，边搅拌边加入表面活性剂(十加热二烷基硫酸钠150g)、聚合物(聚丙烯酸钠200g)，搅拌20min，得到减阻剂溶液；

(2)、称取硫酸钠12g。边搅拌边加入步骤(1)配制的减阻剂初液中。搅拌10min，得到减阻剂溶液。

(3)、边搅拌边在步骤(2)配制的减阻剂剂溶液加入相应的水，稀释到1L，然后搅拌35min，得到所需的减阻剂溶液。

对比实施例1

仅将实施例1中的稳定剂硫酸钠的用量增加为20g，其余组分及操作不变。

将得到的减阻剂混合物按1％的质量浓度加入到流体水中，经检测，其减阻性能相比于实施例1基本不变：在温度23℃、流体流速1.9m/s、雷诺数5700的条件下，减阻剂混合物所达到的相互作用效果最佳，比十二烷基硫酸钠、聚丙烯酸钠(在摩尔用量相等的前提下)按相同方式配成的减阻溶液的最大临界剪切应力增强22％；在温度23℃、流体流速2.4m/s、雷诺数5600的条件下，减阻剂混合物的相互作用减阻率最佳，相比于十二烷基硫酸钠、聚丙烯酸钠(在摩尔用量相等的前提下)按相同方式配成的减阻溶液的最大减阻率提高11％。可见实施例1中稳定剂硫酸钠的用量已经充足，用量进一步增加没有得到更好的效果。

对比实施例2

将实施例1中的“聚丙烯酸钠”替换为等摩尔的“聚丙烯酰胺”，其余组分及操作不变。将得到的减阻剂混合物按1％的质量浓度加入到流体水中，经检测，相比于十二烷基硫酸钠、聚丙烯酸钠按相同方式配成的减阻溶液，对比实施例2中得到的减阻剂混合物并未能够提高剪切应力，即使是在15℃～75℃、流体流速0.025m/s～2.5m/s、雷诺数4000～50000的环境(即减阻剂使用时的常规条件)下，均未发现减阻效果。(在摩尔用量相等的前提下)可见只有将聚丙烯酰胺这种聚合物和十二烷基硫酸钠复配时才能产生减阻效果。

对比实施例3

将实例1中添加硫酸钠的步骤去掉，其余组分及操作不变。将得到的减阻剂混合物按1％的质量浓度加入到流体水中，经检测，相比于添加硫酸钠的十二烷基硫酸钠、聚丙烯酸钠按相同方式配成的减阻溶液其抗剪切稳定性大大地下降，在雷诺数3000左右就已经开始降解，稳定性下降，在雷诺数3500左右其减阻结构基本降解失去减阻效果。可见，硫酸钠可以作为此减阻配方的减阻稳定剂。

对比实施例4

将实例1中的“十二烷基硫酸钠”换成等摩尔质量“十三烷基氯化氨”，其余组分和操作不变。经检测，相比于十二烷基硫酸钠、聚丙烯酸钠按相同方式配成的溶液没有形成减阻诱导结构，所以没有减阻效果，也不存在剪切降解，也没有稳定性。可见十二烷基硫酸钠这种表面活性剂是唯一可以和聚丙烯酸钠复配形成减阻剂的。

Claims (3)

1.一种表面活性剂/聚合物复配减阻剂，其特征在于：所述复配减阻剂包括表面活性剂、聚合物和稳定剂，其中，表面活性剂为十二烷基硫酸钠；聚合物为聚丙烯酸钠；稳定剂为硫酸钠；所述复配减阻剂按质量百分比其组成为：十二烷基硫酸钠：10～40％；聚丙烯酸钠：10～40％；硫酸钠：0.1～6％；其余为水；

所述的表面活性剂/聚合物复配减阻剂的制备方法步骤如下：

(1)、制备减阻剂初液

用量筒量取水放入到烧杯中，依次加入相应质量的表面活性剂、聚合物，水浴加热搅拌直到表面活性剂和聚合物溶解完全，得到减阻剂初液；

所述水浴加热温度为38-70℃；搅拌时间为20-30min；

(2)、添加稳定剂

将稳定剂硫酸钠加入到步骤(1)配制好的减阻剂初液中，搅拌直至完全溶解，得到减阻剂；

(3)稀释到相应的浓度

将步骤(2)配制成的减阻剂加入水搅拌，稀释至相应的浓度。

2.根据权利要求1所述的表面活性剂/聚合物复配减阻剂，其特征在于：步骤(2)所述的搅拌时间为：5-10min。

3.根据权利要求1所述的表面活性剂/聚合物复配减阻剂，其特征在于：步骤(3)所述的搅拌时间为：30-40min。