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摘要：聚合物以其自身特殊的流变性正被越来越多的人所关注和研究。利用粘度计测定了不同条件下功能聚合物的流变性，研究了剪切速率对功能聚合物粘度的影响及其规律。研究结果表明，剪切速率增大的条件下，功能聚合物表现出了很好的流变特性，这在油田三次采油用聚合物驱油中具有很好的利用价值。
关键词：疏水缔合聚合物 流变性 影响因素
中图分类号：TF046.6 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）29-601-01
疏水缔合水溶性聚合物是指在常规的水溶性聚合物主链上引入极少量（摩尔分数小于2%）疏水基团所形成的一类新型聚合物。由于其特有的两亲结构使其溶液特性与一般水溶性聚合物溶液有很大的不同。在水溶液中，疏水基团之间由于憎水作用而发生聚集，使大分子链产生分子内与分子间的缔合。在聚合物溶液浓度高于临界缔合浓度时，以分子间缔合为主，增大了流体力学体积，因而具有较好的增粘作用。疏水基的加入可大幅度地改变聚合物的流变性能，使其在流度控制、提高波及效率以及调剖中起到非常重要的作用。与传统的聚合物相比，它具有抗温、耐盐、抗剪切等优良特性[1]，可以很好地满足三次采油的需要。
本文将主要以实验为手段研究疏水缔合水溶性聚合物的流变性及剪切速率对其流变性的影响规律，以更好的将其应用到三次采油中去。
1、实验设计
本文中以不同浓度的功能聚合物做实验，通过测定粘度及剪切应力随剪切速率的变化来对功能聚合物流变特性，研究剪切速率对功能聚合物流变性的影响规律及影响机理。实验试剂.功能聚合物；NaCl；去离子水。实验仪器.Physica MCR301流变仪：奥地利Anton Paar公司；磁力搅拌器；DHG-924A型恒温箱；CH1015恒温循环水浴。实验方法.配制浓度为6800mg/L的NaCl溶液模拟油田采出污水，不同浓度功能聚合物各50mL。方法是先配制1400mg/L的功能聚合物，室温下用磁力搅拌器搅拌三小时，后将其分别稀释为200、400、600、800、1000、1200mg/L的溶液，放入恒温箱中保持45℃，熟化24小时后使用。水浴温度定在45℃下，用流变仪分别测定不同浓度各溶液的粘度与剪切速率、剪切应力。
2、实验结果与讨论
2.1流变特性
随剪切速率的增大，聚合物溶液依次表现出了牛顿性、假塑性和胀流性的流变特征：聚合物溶液粘度在低剪切速率下粘度随剪切速率的增大只是略有增大，甚至是水平而表现出“平台”的现象，表现为牛顿性；随着剪切速率的进一步升高，溶液粘度随剪切速率的增大而迅速降低，表现为假塑性；剪切速率继续升高，出现了聚合物溶液的粘度随剪切速率的增大而增大，表现为胀流性。粘度不随剪切应力和剪切速率的大小而改变，始终保持常数的流体，称为牛顿流体。凡是不符合牛顿流体公式的流体，统称为非牛顿流体。其中流变行为与时间无关的有假塑性流体、胀塑性流体和宾汉流体。大多数高聚物溶液属假塑性流体，其粘度随剪切速率增加而减小，即所谓剪切变稀。
2.2流型拟合
假塑性流体的流动服从指数定律：
式中 ——剪切应力， ； ——剪切速率， ； ——稠度系数，Pa·s；
——流型指数，无因次。指数 表示假塑性流体在一定剪切速率范围内的非牛顿程度，n值越小，非牛顿性越强； 与流体在1秒-1剪切速率下的粘度有关， 值越大，结构可能越强，粘度越高。在中等剪切速率下流型指数n<1，为假塑性流体；在高剪切速率下n>1，表现为胀流型流体。在分析剪切速率范围内，其规律符合幂律模型。
2.3 剪切速率对功能聚合物溶液粘度的影响
由于疏水缔合作用，剪切速率对缔合聚合物流变性的影响也较为复杂。在研究疏水缔合聚合物溶液的粘度随剪切速率的变化关系时发现，剪切增稠和剪切变稀现象都存在，取决于聚合物浓度和剪切速率。（1）功能聚合物溶液粘度在低剪切速率下粘度随剪切速率的增大只是略有增大，甚至是水平而表现出“平台”的现象；随着剪切速率的进一步升高，溶液粘度随剪切速率的增大而迅速降低；剪切速率继续升高，出现了聚合物溶液的粘度随剪切速率的增大而增大的现象。在一定剪切速率下，剪切应力破坏了稀溶液中聚合物分子内缔合结构，引起聚合物分子链扩张伸展，形成分子间缔合使溶液粘度增加，也有部分分子内缔合结构因被破坏而使溶液粘度下降，在两者共同作用下使溶液表现出粘度略有增大或不变的现象；当剪切速率增加到一定值后，强剪切作用破坏了分子间缔合结构，溶液粘度降低；此后在高剪切速率下聚合物分子链在短时间内高度伸展，使分子间的缔合重新形成，溶液粘度表现为增加，出现剪切增稠现象。 （2）溶液浓度越高，开始出现非牛顿性（假塑性）的剪切速率越高，即“牛顿平台”部分越大。不同聚合物分子链上的疏水基在极性水溶液中形成疏水微区，疏水微区通过伸出的疏水链形成网络状疏水缔合结构。网络结构受到剪切力作用时，分子链段间的缔合被打乱导致溶液粘度的降低，溶液浓度越高，其链段间的缔合越强，越需要更高的剪切速率破坏这种缔合结构，因此出现了浓度越高，“平台”部分越大的现象。（3） 功能聚合物溶液在剪切速率增大的条件下，聚合物溶液的粘度降低到一定值后都表现出了剪切增粘的性质。图4显示了聚合物溶液浓度与其對应的增粘点剪切速率的关系。
分析其原因：溶液浓度越高，溶液中分子间缔合能力越强，缔合后的稳定性也越强。在之前由于剪切的原因聚合物分子间的缔合一直处于一种解缔状态，高浓度聚合物需要更高的剪切速率才能使分子链高度伸展开。
3 结 论
1） 随剪切速率的增大，功能聚合物溶液依次表现出了牛顿性、假塑性和胀流性；2） 将流变曲线进行分段拟合后，进一步验证了在中等剪切速率及高剪切速率下溶液满足幂律模型；3）剪切速率对功能聚合物溶液粘度的影响较为复杂，随剪切速率的增大依次表现出了剪切增稠—剪切稀释—剪切增稠的现象。
关键词：疏水缔合聚合物 流变性 影响因素
中图分类号：TF046.6 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）29-601-01
疏水缔合水溶性聚合物是指在常规的水溶性聚合物主链上引入极少量（摩尔分数小于2%）疏水基团所形成的一类新型聚合物。由于其特有的两亲结构使其溶液特性与一般水溶性聚合物溶液有很大的不同。在水溶液中，疏水基团之间由于憎水作用而发生聚集，使大分子链产生分子内与分子间的缔合。在聚合物溶液浓度高于临界缔合浓度时，以分子间缔合为主，增大了流体力学体积，因而具有较好的增粘作用。疏水基的加入可大幅度地改变聚合物的流变性能，使其在流度控制、提高波及效率以及调剖中起到非常重要的作用。与传统的聚合物相比，它具有抗温、耐盐、抗剪切等优良特性[1]，可以很好地满足三次采油的需要。
本文将主要以实验为手段研究疏水缔合水溶性聚合物的流变性及剪切速率对其流变性的影响规律，以更好的将其应用到三次采油中去。
1、实验设计
本文中以不同浓度的功能聚合物做实验，通过测定粘度及剪切应力随剪切速率的变化来对功能聚合物流变特性，研究剪切速率对功能聚合物流变性的影响规律及影响机理。实验试剂.功能聚合物；NaCl；去离子水。实验仪器.Physica MCR301流变仪：奥地利Anton Paar公司；磁力搅拌器；DHG-924A型恒温箱；CH1015恒温循环水浴。实验方法.配制浓度为6800mg/L的NaCl溶液模拟油田采出污水，不同浓度功能聚合物各50mL。方法是先配制1400mg/L的功能聚合物，室温下用磁力搅拌器搅拌三小时，后将其分别稀释为200、400、600、800、1000、1200mg/L的溶液，放入恒温箱中保持45℃，熟化24小时后使用。水浴温度定在45℃下，用流变仪分别测定不同浓度各溶液的粘度与剪切速率、剪切应力。
2、实验结果与讨论
2.1流变特性
随剪切速率的增大，聚合物溶液依次表现出了牛顿性、假塑性和胀流性的流变特征：聚合物溶液粘度在低剪切速率下粘度随剪切速率的增大只是略有增大，甚至是水平而表现出“平台”的现象，表现为牛顿性；随着剪切速率的进一步升高，溶液粘度随剪切速率的增大而迅速降低，表现为假塑性；剪切速率继续升高，出现了聚合物溶液的粘度随剪切速率的增大而增大，表现为胀流性。粘度不随剪切应力和剪切速率的大小而改变，始终保持常数的流体，称为牛顿流体。凡是不符合牛顿流体公式的流体，统称为非牛顿流体。其中流变行为与时间无关的有假塑性流体、胀塑性流体和宾汉流体。大多数高聚物溶液属假塑性流体，其粘度随剪切速率增加而减小，即所谓剪切变稀。
2.2流型拟合
假塑性流体的流动服从指数定律：
式中 ——剪切应力， ； ——剪切速率， ； ——稠度系数，Pa·s；
——流型指数，无因次。指数 表示假塑性流体在一定剪切速率范围内的非牛顿程度，n值越小，非牛顿性越强； 与流体在1秒-1剪切速率下的粘度有关， 值越大，结构可能越强，粘度越高。在中等剪切速率下流型指数n<1，为假塑性流体；在高剪切速率下n>1，表现为胀流型流体。在分析剪切速率范围内，其规律符合幂律模型。
2.3 剪切速率对功能聚合物溶液粘度的影响
由于疏水缔合作用，剪切速率对缔合聚合物流变性的影响也较为复杂。在研究疏水缔合聚合物溶液的粘度随剪切速率的变化关系时发现，剪切增稠和剪切变稀现象都存在，取决于聚合物浓度和剪切速率。（1）功能聚合物溶液粘度在低剪切速率下粘度随剪切速率的增大只是略有增大，甚至是水平而表现出“平台”的现象；随着剪切速率的进一步升高，溶液粘度随剪切速率的增大而迅速降低；剪切速率继续升高，出现了聚合物溶液的粘度随剪切速率的增大而增大的现象。在一定剪切速率下，剪切应力破坏了稀溶液中聚合物分子内缔合结构，引起聚合物分子链扩张伸展，形成分子间缔合使溶液粘度增加，也有部分分子内缔合结构因被破坏而使溶液粘度下降，在两者共同作用下使溶液表现出粘度略有增大或不变的现象；当剪切速率增加到一定值后，强剪切作用破坏了分子间缔合结构，溶液粘度降低；此后在高剪切速率下聚合物分子链在短时间内高度伸展，使分子间的缔合重新形成，溶液粘度表现为增加，出现剪切增稠现象。 （2）溶液浓度越高，开始出现非牛顿性（假塑性）的剪切速率越高，即“牛顿平台”部分越大。不同聚合物分子链上的疏水基在极性水溶液中形成疏水微区，疏水微区通过伸出的疏水链形成网络状疏水缔合结构。网络结构受到剪切力作用时，分子链段间的缔合被打乱导致溶液粘度的降低，溶液浓度越高，其链段间的缔合越强，越需要更高的剪切速率破坏这种缔合结构，因此出现了浓度越高，“平台”部分越大的现象。（3） 功能聚合物溶液在剪切速率增大的条件下，聚合物溶液的粘度降低到一定值后都表现出了剪切增粘的性质。图4显示了聚合物溶液浓度与其對应的增粘点剪切速率的关系。
分析其原因：溶液浓度越高，溶液中分子间缔合能力越强，缔合后的稳定性也越强。在之前由于剪切的原因聚合物分子间的缔合一直处于一种解缔状态，高浓度聚合物需要更高的剪切速率才能使分子链高度伸展开。
3 结 论
1） 随剪切速率的增大，功能聚合物溶液依次表现出了牛顿性、假塑性和胀流性；2） 将流变曲线进行分段拟合后，进一步验证了在中等剪切速率及高剪切速率下溶液满足幂律模型；3）剪切速率对功能聚合物溶液粘度的影响较为复杂，随剪切速率的增大依次表现出了剪切增稠—剪切稀释—剪切增稠的现象。