稠油降黏聚合物功能材料的合成与降黏性能研究.pdf

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稠油降黏聚合物功能材料的合成与降黏性能研究1 稠油降黏聚合物功能材料的合成与降黏性能研究2 稠油降黏聚合物功能材料的合成与降黏性能研究3 稠油降黏聚合物功能材料的合成与降黏性能研究4 稠油降黏聚合物功能材料的合成与降黏性能研究5
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 52   材料工程/2012年11期   稠油降黏聚合物功能材料的  合成与降黏性能研究   SynthesisandStudy  ViscosityReduction   ofFunctiona1Polymer     MaterialsforCrudeOi1      吕小博,魏云鹤,于萍,慕春玲,张长桥   (1山东大学化学与化工学院,济南250061;  2山东省产品质量监督检验研究院,济南250103) —   —    LUXiaobo,WEIYunhe,YUPing,  —   — MUChunling。ZHANGChangqiao       (1SchoolofChemistryandChemicalEngineering,Shandong     University,Jinan250061,China;2ShandongSupervisionand         InspectionInstituteforProductQuality,Jinan250103,China) 摘要:对含有苯环、吡啶环和酯基类稠油降黏聚合物的合成过程进行了分子动力学模拟计算。在此基础上,采用溶液聚            合法合成了含有苯环、吡啶环酯基类稠油降黏聚合物功能材料,以傅里叶转换红外法(FTIR)、动态光散射法、凝胶色谱          法(GPC)和热分析法(DSC)对所合成的聚合物进行了表征;以胜利油田稠油为对象,采用流变仪对其进行了降黏效果的                      研究。实验结果表明含有苯环、吡啶环酯基类稠油降黏聚合物在3ooc,聚合物加量为463X10时,其表观降黏率为             79,表现出了含有苯环、吡啶环酯基类稠油降黏聚合物具有潜在的工业应用价值。同时通过SEM冷场发射扫描电子       显微镜对加降黏剂前后原油的微观形貌进行了观察,由此对降黏机理进行初步讨论与分析。      关键词:降黏剂;傅里叶转换红外;光散射;凝胶色谱;热分析  中图分类号:TE08  文献标识码:A —— 文章编号:10014381(2012)11-005205           Abstract:Anewfunctionalpolymerwhichderivedfrommixedester,styrene,and4-vinylpyridine               — monomerswassynthesizedbysolutionpolymerizationandsimulatedbyMaterialsStudio.Whenob         tained,thepolymerwascharacterizedbyFouriertransforminfrared(FTIR)spectroscopy,dynamic        lightscattering(DLS),gelpermeationchromatography(GPC),anddifferentialscanningcalorimetry            (DSC).Later,itwasaddedtoShengLicrudeoils,andevaluatedbyscanningelectronmicroscopy            — (SEM)andRSrheogoniometer,thentheviscosityreductionmechanismwasdiscussed.Resultsindi                    eatethatthepolymershowsagoodperformancefortheoil,anditisobservedthatthevisbreakingrate                isupto79attemperature30 ̄Cwhentheamountofthecopolymeris463×   10.          Keywords:viscosityreducer;FTIR;laserlightscattering;gelpermeationchromatography;thermal analysis                 稠油特别是超稠油,烃类的组成一般在2O~           60之间或甚至更小,远低于轻质石油,因而更易形成              稳定的三维网络结构。在其胶质、沥青质及石蜡含量              高而轻质组分烃类含量少的三维网络结构中,烃类液              态组分被包围在三维网络结构中形成凝胶,使稠油的         相对密度及黏度增加造成流动性的恶化E卜。              随着石油资源的日趋紧张,原不受重视稠油甚至           超稠油的资源开发已进入实际开采利用阶段。但是作  为世界第五大运输行业的管道运输,由于稠油特别是  超稠油的高黏度和高凝固点,使其在管道输运过程中              遇到了新的工程技术难题。因此,国际上稠油特别是          超稠油的降黏减阻构成了该领域研究开发的热点与难  点E5-u]。             针对稠油与超稠油产地不一,因而性质不一的特                点,国内外油溶性降黏功能材料的研究主要集中于缩 合物型、不饱和单体的均聚物、不饱和单体的共聚物以         及高分子表面活性剂型四种类型[1。                 本工作在合成反应的反应分子动力学模拟基础            上,以甲基丙烯酸十八酯、甲基丙烯酸十二酯、甲基丙                烯酸甲酯、丙烯酸丁酯、乙酸乙烯酯、4一乙烯基吡啶和    稠油降黏聚合物功能材料的合成与降黏性能研究 53              苯乙烯为原料合成了含有苯环、吡啶环酯基类稠油降            黏聚合物功能材料,并对其进行了表征;以胜利油田原               油为研究对象进行了降黏测试,实验结果表明其具有       良好的潜在工业应用价值。     1合成反应的反应分子动力学模拟           以甲基丙烯酸十八酯、甲基丙烯酸十二酯、甲基丙               烯酸甲酯、丙烯酸丁酯、乙酸乙烯酯和4一乙烯基吡啶                为聚合原料,采用苯乙烯调整聚合度与聚合物空间结                构,通过分子动力学模拟分析,利用MaterialStudio                  4.4软件对合成含有苯环、吡啶环酯基类稠油降黏聚           合物功能材料进行了分子动力学模拟计算。         在分子动力学模拟计算中,采用AmorphousCell        — Tools模块中的Construction工具建立模型,用Mini                mize工具进行体系的优化处理,然后采用Discover          Tools模块中的Dynamics工具进行分子动力学计算,                   通过设置模拟温度得到热力学计算结果。动力学参                数设置为:模拟温度348K,选用NPT系宗,模拟中           步数为:10000,步长:10.Ops,每50步存储一次输   出信息。    2实验   2.1合成实验             实验试剂:甲基丙烯酸十八酯(分析纯),东京化成                工业株式会社(TCI);甲基丙烯酸十二酯(分析纯),          ACROSORGANICS(USA);丙烯酸丁酯(分析纯),                    北京益利精细化学品有限公司;丙烯酸甲酯(化学                   纯),中国医药集团上海化学试剂公司;乙酸乙烯酯                  (分析纯),天津市大茂化学试剂厂;苯乙烯(旋蒸处      理),国药集团化学试剂有限公司;4-乙烯基吡啶(分          析纯),ACROSORGANICS(USA);偶氮二异丁腈                  (重结晶),上海试四赫维化工有限公司;甲苯(分析                纯),莱阳市康德化工有限公司;无水乙醇(分析纯),                   天津市富宇精细化工有限公司;高纯氮,济南德洋特      种气体有限公司。             合成实验:在250mL四口烧瓶中,加入摩尔比为           l2:3:1的混合酯、苯乙烯和4一乙烯基吡啶。混合酯                中甲基丙烯酸十八酯、甲基丙烯酸十二酯、丙烯酸丁           酯、丙烯酸甲酯、乙酸乙烯酯的体积比为1:1:1:1。     ℃      溶剂为甲苯,加热至6O时加入一定量引发剂AIBN,   ℃           继续升温至75冷凝回流反应18h,反应进行一半时             间时再加入一定量引发剂AIBN。整个反应过程在氮  气保护下进行。反应结束后将产物转移至烧杯中用无            水乙醇进行洗涤分离出聚合产物。将产物置于烘箱中          干燥处理,最后得到浅黄色黏稠液体状产物。           2.2含有苯环、吡啶环酯基类稠油降黏聚合物的表征 方法            采用VERTEX一70型红外光谱仪,以溴化钾进行    — 处理,对聚合物进行红外波谱分析;采用DAWNHE            LEOS多角度激光光散射仪,以四氢呋喃为溶剂,聚合              物测试浓度为10mg/mL对聚合物粒径进行测试;采    用Waters515型凝胶渗透色谱分析仪,以四氢呋喃为               溶剂,聚苯乙烯为标准,聚合物浓度为5mg/mL对聚                合物分子量进行测试;采用DSC822e同步热分析仪,          ℃    氮气保护作用下、温度范围一2O~150,对聚合物进      行热分析测试表征。        2.3稠油降黏性能的实验测试方法                称取一定量含有苯环、吡啶环酯基类稠油降黏聚               合物溶于3mL煤油中,形成稠油降黏剂。以胜利油田                 孤岛稠油为测试研究对象,取稠油降黏剂加入到20g                 孤岛稠油中,稳定30min后作为测试样品。采用              RheoStressR¥75型流变仪进行黏度测试,并以此作           为对比分析的基础。测试参数为:转速0~400r/min;  ℃  时间180s;温度3O。          同时对加入降黏剂前后的孤岛稠油体系在氮气保            护下进行了冷场发射扫描电子显微镜观察。        3实验结果与讨论    3.1模拟计算                对于此类酯基溶液聚合而言,一般认为溶液聚合     ℃     反应温度以75左右为最佳¨        1引。图1给出了含有             苯环、吡啶环、酯基类稠油的降黏聚合物体系能量随帧             数变化;表1给出了分子动力学模拟过程中能量变化。     从图1和表1中可以看出,在该反应温度下体系的能                 量随着模拟帧数的增加而增大,然后趋于一稳定范围   图1体系能量随帧数变化情况          Fig.1Figuresofenergychangevialogicalframenumber 56      材料工程/2012年11期 E2] I-3]  位论文,1999. 张凤英.油溶性稠油降黏剂的研制与评价ED].  学硕士学位论文,2006.  罗塘湖.含蜡原油流变特性及其管道输送[M]   版社,1991.  南充:西南石油大   北京:北京石油出       E4]陈秋芬,王大喜,刘然冰.油溶性稠油降黏剂研究进展[刀.石油钻 — 采工艺,2004,26(2):4549.   [5]潘祖仁.高分子化学EM].北京:化学工业出版社,2007.         [6]CASTROLV,VAZQUEZF.Copolymersasflowimproversfor   — Mexicancrudeoils[J].Energy&Fuels,2008,22:4006401i.        [7]DESHMUKHS,BHARAMBEDP.Synthesisofpolymericpour       — pointdepressantsforNadacrudeoil(Gujarat,India)anditsim      pactonoilrheology[J].FuelProcessingTechnology,2008,89—  (3):227233.       [8]CRISTIANEx,DELLYORS,ELIZABETEF.Newadditives         forthepourpointreductionofpetroleummiddledistillates[J].  —  Energy&Fuels,2004,18(3):599604.        [9]GLOZMANEP,AKHMETOVARS.Propertiesofasphaltenes       andasphaltsfromvarioussources[-J].ChemistryandTechnology   —  ofFuelsandOils,1975,l1(2):107109.          [10]SHADIWH,MAMDOUHTG,NABILE.Heavycrudeoil       vicosityreductionandrheologyforpipelinetransportation[J].—  Fuel,2010,89:10951100.         [1I]RAFAELMP,MARIALM,BEATRIZZR,eta1.Transpor~    —      rationofheavyandextraheavycrude0I1bypipeline:Areview      [J].JournalofPetroleumScienceandEngineering,2011,75:—  274282.    Ⅱ   [12]王子军.石油沥青质的化学和物理:沥青质的化学组成和结构 — [J].石油沥青,1996,10(1):2636.      [13]朱莹,李俊台,马敬环,等.高含蜡原油的双聚合物降凝剂的研制— [J].油田化学,2002,19(4):319321.           — [14]YuP,LICY,ZHANGCQ,eta1.Dragreductionandshearre         sistancepropertiesofionomerandhydrogenbondsystemsbased    onlaurylmethacrylate[J].PetroleumScience,2011,8(3):357— 364.      [15]韩涛,王晓云,于萍,等.甲基丙烯酸十八酯基油溶性聚合物反应    过程的在线红外研究[J].山东大学学报:工学版,2011,41(2):—   ]44148.    项目资助:国家重点基础研究发展计划(973计划)(2008CB617508)  —  — 收稿日期:2012-0127;修订日期:2012-0820     作者简介:吕小博(1984一),男,硕士,主要从事具有降黏功能的油品减      阻剂研究,联系地址:山东省济南市经十路73号,山东大学千佛山校区        — 化学与化工学院1号教学楼328室(250061),Email:Ivxiaobo928@ 126.eom           通讯作者:张长桥(1957一),男,教授,博导,主要从事化学反应工程的       教学与科研工作,联系地址:山东省济南市经十路73号,山东大学千佛               — 山校区化学与化工学院1号教学楼328室(250061),Email:  zhangchqiao@sdu.edu.cn                                                   米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米柴米米米米米米   (上接第33页)— [M].北京:科学出版社,2011.78.              基体在太阳光紫外线作用下,发生了共价键破坏的现            象,使聚合物内的惰性官能团生成了活性自由基,从而               引发材料的光降解过程;紫外线还通过引发和促进氧              对树脂的作用,引发复合材料的热氧老化过程。由于            光降解与热氧老化的存在,使树脂的化学链发生断裂,    交联密度降低,从而造成丁下降。    3结论           (1)通过试样的微观形貌分析,试样表面出现了裸      露纤维,表层树脂含量低。  (2)老化试样的纵向压缩强度与横向压缩强度降        低,其他表征力学性能基本不变。 (3)老化试样玻璃化转变温度降低。          (4)试样在海南地区放置3年后,树脂基体出现了             老化现象,表层树脂甚至出现了化学降解,并因此造成  了力学性能与热性能的下降。 [1] [2] 参考文献    陈祥宝.先进树脂基复合材料的发展[J].航空材料学报,2000,—  20(1):4654.        李晓刚,高瑾,张三平,等.高分子材料自然环境老化规律与机理        E3]吕小军,张琦,马兆庆,等.湿热老化对炭纤维/环氧树脂基复合材  — 料力学性能影响研究[J].材料工程,2005,(11):5053.       [4]过梅丽,肇研,许风和,等.先进聚合物基复合材料的老化研究    I:热氧老化[J].航空学报,2000,21(增刊):6265.           — [5]cANDIDOGM,C0STAMI,REZENDEMC,eta1.Hygro   —     thermaleffectsonquasiisotropiccarbonepoxylaminateswith      machinedandmoldededges[J ̄.CompositesPartB:Engineering,— 2008,39(3):490496.       [6]吕新颖,江龙,闫亮.碳纤维复合材料湿热性能研究进展[J].玻璃 — 钢/复合材料,2009,(3):7680.          [7]黄力刚,杨志忠,阎宏,等.复合材料耐碱性能的研究[J].纤维复 — 合材料,2008,(1):4548.        [8]詹茂盛,刘德顺.玻纤增强环氧树脂复合材料的酸雨循环老化性 — 能与机理[J].玻璃钢/复合材料,2007,(3):2832.          [9]SHOKRIEHMM,BAYATA.Effectsofultravioletradiationon     mechanicalpropertiesofg1ass/polyestercomposites[J].Journal  — ofCompositeMaterials,2007,41(20):24432455.        [1O]郭明映,李海斌,张晖,等.紫外老化对芳纶/环氧复合材料性能  — 和结构的影响[J].纤维复合材料,2008,(1):3538.   基金项目:国家973计划(2010CB631101)  —  —— 收稿日期:2011-l117;修订日期:20120725             作者简介:张代军(1985一),男,硕士,研究方向为先进树脂基复合材      料,联系地址:北京市81信箱3分箱(100095),E-mail:zhang.daijun@ live.cn
庸梦人
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