CN114806525B - 一种具有良好抗剪切性能的油品减阻剂及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及石油助剂的技术领域，提供了一种具有良好抗剪切性能的油品减阻剂及制备方法。该减阻剂包括聚α‑烯烃和纳米管，纳米管采用表面处理剂进行预处理，使表面由亲水性变成亲油性。纳米管包括但不限于碳纳米管、埃洛石纳米管中的至少一种。本发明的方法采用表面处理纳米管和聚α‑烯烃制备复合油品减阻剂，与添加粒状纳米材料相比，本发明的方法既可以进一步提高减阻效果，获得更高的初始减阻率，又可使复合减阻剂具有更好的抗剪切性能，降低剪切后减阻率的下降幅度。
Description
技术领域
本发明属于石油助剂的技术领域，提供了一种具有良好抗剪切性能的油品减阻剂及制备方法。
背景技术
油品减阻剂是现代石化行业的重要助剂。随着石化行业的迅速发展，对减阻剂的需求量也日益增加。在石油、天然气开采过程中，压裂用减阻剂是实现压裂的重要物质。在原油、成品油的管道运输过程中，也要使用油品减阻剂，以起到减阻增输的效果。
油品在流动时，容易形成湍流旋涡，使得一部分动能转变为热能而被消散。油品减阻剂是一种长链高聚物，其注入油品后，分子长链沿油品流动方向自然拉伸，油品微元的径向作用力作用在减阻剂微元上，使其发生扭曲、旋转，减阻剂分子间的引力抵抗上述作用力而反作用于油品微元上，改变油品微元的作用方向和大小，使一部分径向力转变为轴向力，从而限制油品分子的径向运动，增加轴向运动，有效减小油品的紊流程度，减小能量消散，同时增大层流趋势。
油品减阻剂常用的有聚异丁烯、聚甲基丙烯酸酯、聚α-烯烃等，其中聚α-烯烃的应用效果较好，具有良好的发展前景。但是，聚α-烯烃的抗剪切性能较差，容易断链降解，失去原有的性质和减阻功能，因此需要不断补充新的减阻剂以维持减阻效果，从而导致成本增加。抗剪切的油品减阻剂是一个重要发展趋势。
代晓东的《功能化纳米复合减阻新材料合成与应用技术研究》中，采用偶联剂处理的纳米SiO2与聚α-烯烃制备了纳米SiO2/聚α-烯烃复合减阻剂。郭旭的《复合油品减阻剂的合成和抗剪切特性研究》中，采用纳米SiO2和蒙脱土为无机填料，与聚α-烯烃制备了复合油品减阻剂。上述通过在聚α-烯烃中添加粒状纳米材料，可使1次离心泵剪切后减阻率维持初始值的50-60%左右，2次离心泵剪切后减阻率维持初始值的40-43%左右，尚有较大的提升空间。进一步提高聚α-烯烃的抗剪切性能，降低剪切后减阻率的下降幅度，对于提高油品减阻剂应用效果、降低应用成本具有重要意义。
发明内容
为进一步提高聚α-烯烃的抗剪切性能，本发明提出一种具有良好抗剪切性能的油品减阻剂及制备方法，可进一步降低剪切后减阻率的下降幅度，实现提高油品减阻剂应用效果、降低应用成本。
为实现上述目的，本发明涉及的具体技术方案如下：
本发明首先提供了一种具有良好抗剪切性能的油品减阻剂，所述减阻剂包括聚α-烯烃和纳米管，所述纳米管采用表面处理剂进行预处理，使表面由亲水性变成亲油性。
优选的，所述聚α-烯烃包括但不限于聚辛烯、聚癸烯、聚十二烯中的至少一种。
进一步优选的，所述聚α-烯烃的重均分子量为106-107。
优选的，所述纳米管包括但不限于碳纳米管、埃洛石纳米管中的至少一种。
公知的，无机纳米管表面具有亲水的极性基团，与油性基体的相容性差，易团聚，因此采用表面处理剂对纳米管进行预处理，使表面由亲水性变成亲油性，以促进纳米管在聚α-烯烃中均匀分散。优选的，所述表面处理剂包括但不限于正十六烷基三乙氧基硅烷、正十二烷基三乙氧基硅烷、正癸基三乙氧基硅烷、正辛基三乙氧基硅烷中的至少一种。
本发明先对纳米管进行表面处理，使其表面由亲水性变成亲油性，然后与聚α-烯烃加热混合制备复合油品减阻剂，与添加粒状纳米材料相比，添加纳米管不仅可提高减阻剂的初始减阻效果，而且可提高减阻剂的抗剪切性能，在剪切后仍能维持较高的减阻率，这是由于：纳米管具有高的长径比，在油品流动时，纳米管可自然地沿流动方向（轴向）取向分布，一方面，沿轴向分布的纳米管与聚α-烯烃分子链共同作用，可更大程度地改变油品微元的作用力方向和大小，使更多的径向力转变为轴向力，因而可更大程度地降低油品的径向运动倾向，减小油品的紊流程度，从而提高减阻效果，获得更高的初始减阻率；另一方面，纳米管具有高的强度和韧性，在剪切作用下能很好地维持原有性质和功能，并且，在油品流动时，纳米管与聚α-烯烃分子链均沿轴向分布，有利于应力在二者之间的传递与分散，因此，添加纳米管的复合减阻剂具有更好的抗剪切性能，可实现降低剪切后减阻率的下降幅度。
优选的，所述聚α-烯烃、纳米管的质量比为100：1-5。
本发明还提供了上述油品减阻剂的制备方法，具体制备步骤为：
S1、将纳米管加入去离子水中，超声分散20-30min，得到纳米管分散液；
S2、将表面处理剂加入无水乙醇中，混合均匀，得到处理液；
S3、将处理液加入纳米管分散液中，先搅拌3-5min，再超声分散20-30min，得到混合液；
S4、将混合液在搅拌状态下加热回流反应；
S5、抽滤、无水乙醇洗涤、真空干燥，得到预处理纳米管；
S6、将预处理纳米管加入聚α-烯烃中，加热至70-75℃，先搅拌10-20min，再超声分散20-40min，自然冷却，得到抗剪切油品减阻剂。
优选的，所述混合液中，纳米管、表面处理剂、去离子水、乙醇的质量比为2-3：4-6：70-80：20-30。
优选的，所述加热回流反应的加热温度为80-85℃，反应时间为20-30h。
本发明的有益效果在于：本发明采用表面处理纳米管和聚α-烯烃制备复合油品减阻剂，与添加粒状纳米材料相比，本发明的方法既可进一步提高减阻效果，获得更高的初始减阻率，又可使复合减阻剂具有更好的抗剪切性能，降低剪切后减阻率的下降幅度。
具体实施方式
本发明提供的减阻剂包括聚α-烯烃和表面预处理纳米管，其中聚α-烯烃的分子量为106-107。以下通过具体实施例对本发明的制备方法作进一步的详细说明，但不应将此理解为本发明的范围仅限于以下的实例。
在以下实施例中，所使用的多壁碳纳米管为北京德科岛金科技有限公司的产品，埃洛石纳米管为江苏先丰纳米材料科技有限公司的产品，聚辛烯、聚十二烯分别采用以下现有技术的方法进行制备：以TiCl4/Al（i-Bu）3为催化体系，以环己烷为溶剂，分别以1-辛烯、1-十二烯为单体，在常压、0℃条件下，反应24h制得，其中，催化剂浓度为5.2×10-4mol/L，单体与环己烷体积比为1：1。
实施例1、实施例2、对比例1采用聚辛烯，分别以埃洛石纳米管、多壁碳纳米管、纳米SiO2粒子制备复合减阻剂；实施例3、实施例4、对比例2采用聚十二烯，分别以埃洛石纳米管、多壁碳纳米管、纳米SiO2粒子制备复合减阻剂。
需要指出的是，在不脱离本发明技术思路的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更，均应包含在本发明的范围内。
实施例1
S1、将3g埃洛石纳米管加入75g去离子水中，超声分散25min，得到埃洛石纳米管分散液；
S2、将6g正辛基三乙氧基硅烷加入25g无水乙醇中，混合均匀，得到处理液；
S3、将处理液加入埃洛石纳米管分散液中，先搅拌4min，再超声分散25min，得到混合液；
S4、将混合液在搅拌状态下加热回流反应；加热温度为83℃，反应时间为25h；
S5、抽滤、无水乙醇洗涤、真空干燥，得到预处理埃洛石纳米管；
S6、将预处理埃洛石纳米管加入100g聚辛烯中，加热至75℃，先搅拌15min，再超声分散30min，自然冷却，得到抗剪切油品减阻剂。
实施例2
S1、将3g多壁碳纳米管加入75g去离子水中，超声分散25min，得到多壁碳纳米管分散液；
S2、将6g正辛基三乙氧基硅烷加入25g无水乙醇中，混合均匀，得到处理液；
S3、将处理液加入多壁碳纳米管分散液中，先搅拌4min，再超声分散25min，得到混合液；
S4、将混合液在搅拌状态下加热回流反应；加热温度为83℃，反应时间为25h；
S5、抽滤、无水乙醇洗涤、真空干燥，得到预处理多壁碳纳米管；
S6、将预处理多壁碳纳米管加入100g聚辛烯中，加热至75℃，先搅拌15min，再超声分散30min，自然冷却，得到抗剪切油品减阻剂。
对比例1
S1、将3g纳米SiO2粒子加入75g去离子水中，超声分散25min，得到纳米SiO2粒子分散液；
S2、将6g正辛基三乙氧基硅烷加入25g无水乙醇中，混合均匀，得到处理液；
S3、将处理液加入纳米SiO2粒子分散液中，先搅拌4min，再超声分散25min，得到混合液；
S4、将混合液在搅拌状态下加热回流反应；加热温度为83℃，反应时间为25h；
S5、抽滤、无水乙醇洗涤、真空干燥，得到预处理纳米SiO2粒子；
S6、将预处理纳米SiO2粒子加入100g聚辛烯中，加热至75℃，先搅拌15min，再超声分散30min，自然冷却，得到抗剪切油品减阻剂。
实施例3
S1、将3g埃洛石纳米管加入75g去离子水中，超声分散20min，得到埃洛石纳米管分散液；
S2、将6g正癸基三乙氧基硅烷加入25g无水乙醇中，混合均匀，得到处理液；
S3、将处理液加入埃洛石纳米管分散液中，先搅拌3min，再超声分散30min，得到混合液；
S4、将混合液在搅拌状态下加热回流反应；加热温度为80℃，反应时间为30h；
S5、抽滤、无水乙醇洗涤、真空干燥，得到预处理埃洛石纳米管；
S6、将预处理埃洛石纳米管加入100g聚十二烯中，加热至75℃，先搅拌10min，再超声分散40min，自然冷却，得到抗剪切油品减阻剂。
实施例4
S1、将3g多壁碳纳米管加入75g去离子水中，超声分散20min，得到多壁碳纳米管分散液；
S2、将6g正癸基三乙氧基硅烷加入25g无水乙醇中，混合均匀，得到处理液；
S3、将处理液加入多壁碳纳米管分散液中，先搅拌3min，再超声分散30min，得到混合液；
S4、将混合液在搅拌状态下加热回流反应；加热温度为80℃，反应时间为30h；
S5、抽滤、无水乙醇洗涤、真空干燥，得到预处理多壁碳纳米管；
S6、将预处理多壁碳纳米管加入100g聚十二烯中，加热至75℃，先搅拌10min，再超声分散40min，自然冷却，得到抗剪切油品减阻剂。
对比例2
S1、将3g纳米SiO2粒子加入75g去离子水中，超声分散20min，得到纳米SiO2粒子分散液；
S2、将6g正癸基三乙氧基硅烷加入25g无水乙醇中，混合均匀，得到处理液；
S3、将处理液加入纳米SiO2粒子分散液中，先搅拌3min，再超声分散30min，得到混合液；
S4、将混合液在搅拌状态下加热回流反应；加热温度为80℃，反应时间为30h；
S5、抽滤、无水乙醇洗涤、真空干燥，得到预处理纳米SiO2粒子；
S6、将预处理纳米SiO2粒子加入100g聚十二烯中，加热至75℃，先搅拌10min，再超声分散40min，自然冷却，得到抗剪切油品减阻剂。
性能测试：
（1）采用威普管道技术有限公司的减阻剂环道测试装置进行初始减阻率测试，按照《输油管道减阻剂减阻效果室内测试方法》进行测试，以0#柴油进行试验，温度为20±2℃，流速为2m/s，雷诺数约9000，输送压力为0.1MPa，复合油品减阻剂添加量为10mg/L。减阻率DR%=（△P0-△Pr）×100%/△P0，其中，△P0为未加入复合减阻剂时管道两端摩阻压降，△Pr为加入复合减阻剂后管道两端摩阻压降。
（2）测试柴油经过初始测试后，通过泵循环回流至压力缓冲罐中，不补加减阻剂进行第二轮减阻测试，并计算得到1次剪切后的减阻率；再次使柴油通过泵循环回流至压力缓冲罐中，不补加减阻剂进行第三轮减阻测试，并计算得到2次剪切后的减阻率。
所得数据如表1所示。由表1可见：
（1）聚α-烯烃相同时，采用多壁碳纳米管或埃洛石纳米管的初始减阻效果差别不大，但高于采用纳米SiO2粒子的复合减阻剂，说明可取向分布的纳米管有利于提高减阻效果，获得更高的初始减阻率。
（2）实施例1、3制得的复合油品减阻剂，在1次剪切后减阻率维持初始值的68%左右，2次剪切后减阻率维持初始值的58%左右；实施例2、4制得的复合油品减阻剂，1次剪切后减阻率维持初始值的71%左右，2次剪切后减阻率维持初始值的60%左右；对比例1、2制得的复合油品减阻剂，1次剪切后减阻率维持初始值的58%左右，2次剪切后减阻率维持初始值的44%左右。可见，采用纳米管比采用纳米SiO2粒子的复合减阻剂具有更好的抗剪切性能，并且多壁碳纳米管对抗剪切性能的提高效果略好于埃洛石纳米管。
表1：
Claims (2)
1.一种具有良好抗剪切性能的油品减阻剂，其特征在于：所述减阻剂包括聚α-烯烃和纳米管，所述纳米管采用表面处理剂进行预处理，使表面由亲水性变成亲油性；所述聚α-烯烃为聚辛烯、聚癸烯、聚十二烯中的至少一种，所述聚α-烯烃的重均分子量为106-107；所述纳米管为碳纳米管、埃洛石纳米管中的至少一种；所述聚α-烯烃、纳米管的质量比为100：1-5；所述表面处理剂为正十六烷基三乙氧基硅烷、正十二烷基三乙氧基硅烷、正癸基三乙氧基硅烷、正辛基三乙氧基硅烷中的至少一种。
2.如权利要求1所述的一种具有良好抗剪切性能的油品减阻剂的制备方法，其特征在于，所述油品减阻剂的制备步骤为：
S1、将纳米管加入去离子水中，超声分散20-30min，得到纳米管分散液；
S2、将表面处理剂加入无水乙醇中，混合均匀，得到处理液；
S3、将处理液加入纳米管分散液中，先搅拌3-5min，再超声分散20-30min，得到混合液；所述混合液中，纳米管、表面处理剂、去离子水、乙醇的质量比为2-3：4-6：70-80：20-30；
S4、将混合液在搅拌状态下加热回流反应；所述加热回流反应的加热温度为80-85℃，反应时间为20-30h；
S5、抽滤、无水乙醇洗涤、真空干燥，得到预处理纳米管；
S6、将预处理纳米管加入聚α-烯烃中，加热至70-75℃，先搅拌10-20min，再超声分散20-40min，自然冷却，得到抗剪切油品减阻剂。
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