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化学驱用表面活性剂的研究一直是较为活跃的研究领域,开发一种界面性能优异、用量低、耐温耐盐性能好以及生物降解性优异的表面活性剂成为当前油田化学领域研发的发展方向。本文从两性甜菜碱型结构表面活性剂和Gemini表面活性剂的结构特征出发,设计合成了两类新型Gemini甜菜碱型表面活性剂,对其结构与性能关系进行了研究,取得的主要成果有: 1.以N,N-二甲基乙二胺、不同链长α-溴代烷及磺化试剂为原料,设计合成六种新型Gemini甜菜碱型表面活性剂,采用元素分析、红外光谱和核磁共振氢谱对所合成新型表面活性剂的中间体和最终产物的结构进行了表征测试,确认了合成产物的结构。 2.对新型Gemini甜菜碱型表面活性剂的表面性能进行了研究,新型Gemini甜菜碱型表面活性剂具有较高的表面活性,临界胶束浓度值比单疏水链甜菜碱型表面活性剂低1-2个数量级;随着异丙醇加入量增加,γcmc逐渐降低,新型Gemini甜菜碱型表面活性剂受NaCl影响较小,具有较好的抗盐性能;其乳化性能和起泡性能均优于对应单疏水链甜菜碱型表面活性剂,具有一定的降低油/水界面张力的能力。 3.以正辛胺、α-溴辛烷、α-溴癸烷、1,3-二氯丙烷、1,4-二氯丁烷及3-氯-2-羟基丙磺酸钠等为原料,设计合成三种新型孪尾结构Gemini甜菜碱型表面活性剂,采用元素分析、红外光谱和核磁共振氢谱等仪器分析方法对所合成中间体和最终产物结构进行了表征测试,确认了合成产物的结构。 4.对新型孪尾结构Gemini甜菜碱型表面活性剂的表面性能进行了研究,表明其具有较高表面活性,表面张力最低可降至22.49 mN·m-1,胶束化过程热力学行为研究结果表明胶束化过程是熵驱动自发过程且存在焓—熵补偿现象,温度升高及低分子醇加入使熵驱动力增加;新型孪尾结构Gemini甜菜碱型表面活性剂具有较好的乳化性能和起泡性能,低浓度低分子醇和无机盐均能提高泡沫稳定性,且具有一定的界面活性,与正构烷烃间可达到超低界面张力(≤10-3mN·m-1)。 5.采用分子动力学模拟方法对新型Gemini甜菜碱型表面活性剂在气/液界面和体相内部聚集行为进行模拟,随着模拟时间增加,表面活性剂分子疏水作用占据主导作用,单层结构将由有序向无序结构转变;亲水基中增加亚甲基后对气/液界面单分子膜形成将起到一定推动作用,对表面活性剂分子在气/液界面单分子膜伸展性和有序性影响相对较小,新型Gemini甜菜碱型表面活性剂分子在水溶液中将形成胶束且胶束形成过程中存在预胶束形成过程。 6.对所合成新型Gemini甜菜碱型表面活性剂在油/水界面界面性质和聚集行为进行了模拟,表面活性剂分子数目增加导致其在油/水相界面上界面密度和界面膜厚度逐渐增加,体系中加入NaCl对其界面密度和界面宽度等性能影响相对较小,表明新型Gemini甜菜碱型表面活性剂具有一定抗盐能力;疏水基团烷基链长增加,界面密度值逐渐减小,分子伸展性和有序性增加,亲水基中增加亚甲基后,界面密度值和界面宽度变化较小。 本文通过对所合成的新型Gemini甜菜碱型表面活性剂的合成及性能研究,加深了对Gemini甜菜碱型表面活性剂结构与性能关系的认识,为驱油用表面活性剂分子设计和应用奠定了实验和理论基础。