Введение к работе
Актуальность темы. В последние десятилетия растворы цилиндрических мицелл поверхностно-активных веществ (ПАВ) получили значительное и заслуженное внимание во многих экспериментальных и теоретических работах. Большой интерес вызван их полимероподобным поведением в сочетании с высокой чувствительностью к изменению внешних условий. Даже небольшие вариации термодинамических параметров вызывают переходы между структурами ПАВ, которые, в свою очередь, способны приводить к существенным изменениям макроскопических свойств растворов: вязкости, фазового поведения и др. Подобная восприимчивость вязкоупругих растворов ПАВ предоставляет простой метод регулирования их свойств, что делает данные коллоидные системы привлекательными для создания «умных» материалов.
Такие системы уже находят практическое применение. Например, в нефтедобыче восприимчивость цилиндрических мицелл ПАВ к углеводородам используется для селективного ограничения водопритока. При закачивании в скважину вязкоупругие растворы ПАВ разрушаются при контакте с углеводородами, однако сохраняют высокую вязкость при контакте с пластовой водой, демонстрируя таким образом, свойства «умных» материалов.
Однако, одновременно с преимуществами, восприимчивость придает растворам ПАВ некоторые недостатки. Например, повышенная чувствительность растворов ПАВ к температуре приводит к значительному снижению их вязкости при нагревании. В связи с этим актуальным является задача модификации реологических свойств мицеллярных растворов ПАВ таким образом, чтобы сохранить высокие значения вязкости и упругости даже при повышенных температурах, нивелировав таким образом отрицательные стороны восприимчивости.
Повысить прочность мицеллярных сеток ПАВ можно путем добавления полимерных цепей, имеющих боковые гидрофобные группы, способные встраиваться в ядра цилиндрических мицелл. Другой способ состоит в добавлении наночастиц, которые образуют ассоциаты с цилиндрическими мицеллами ПАВ. Оба этих подхода будут использованы в настоящей работе. Можно ожидать, что введение добавок приведет к существенному улучшению физико-механических характеристик вязкоупругих растворов ПАВ, таких как вязкость, модуль упругости, температурная стабильность и т.д.
Цель работы. Преобразование свойств водных растворов цвиттер-ионного ПАВ путем добавления ассоциирующего полимера и наночастиц оксида кремния с целью повышения реологических характеристик системы. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Изучить процессы самоорганизации и реологические свойства индивидуальных растворов эруциламидопропилбетаина (ЭАПБ);
2. Изучить влияние добавки наночастиц Si02 и ассоциирующих полимеров к водным растворам ЭАПБ на поверхностно-активные, реологические и структурные свойства.
Научная новизна работы характеризуется следующими основными результатами:
-
Впервые для мицеллярных растворов цвиттер-ионного ПАВ, на примере эруциламидопропилбетаина (ЭАПБ), показано, что наночастицы могут встраиваться в сетку зацеплений цилиндрических мицелл, не нарушая при этом их формы. Вследствие этого увеличивается вязкость системы как при комнатной, так и при повышенной температурах.
-
Показано, что вязкость и упругость мицеллярных растворов ЭАПБ, модифицированного ассоциирующим полимером, увеличиваются, вследствие образования смешанной сетки зацеплений между ассоциирующим полимером и цилиндрическими мицеллами ПАВ.
-
Обнаружено, что падение вязкости смешанных растворов цвиттер-ионного ПАВ и ассоциирующего полимера при добавлении углеводорода обусловлено преобразованием цилиндрических мицелл в дискообразные агрегаты.
Практическая значимость. Результаты, полученные в работе, могут быть использованы в нефтедобывающей промышленности для разработки различных технологических составов, обладающих высокими значениями реологических характеристик и более высокой устойчивостью к повышенным температурам.
Н защиту выносится:
1. Увеличение реологических характеристик водных растворов
цвиттер-ионного ПАВ, модифицированных наночастицами оксида кремния.
2. Увеличение реологических характеристик, а также термической
устойчивости смешанных растворов цвиттер-ионного ПАВ и
модифицированного гидрофобно-модифицированного акрилового полимера.
3. Изменение структуры смешанных агрегатов, образованных цвиттер-
ионным ПАВ и ассоциирующими полимерами при воздействии
углеводородов.
Методы исследования. В работе использовали тензиометрию, кондуктометрию, реометрию, динамическое рассеяние света, малоугловое рассеяние нейтронов.
Апробация работы. Основные результаты диссертации были представлены на Международном форум-конкурсе молодых ученых «Проблемы недропользования» (Санкт-Петербург, 2011), Всероссийской молодежной конференции с элементами научной школы «Нефть и нефтехимия» (Казань, 2011), Всероссийской научно-практической конференции с международным участием "Энергосбережение и инновационные технологии в топливно-энергетическом комплексе" (Казань, 2014).
Результаты работы также обсуждались на итоговых научных сессиях в Казанском национальном исследовательском технологическом университете в 2010-2015 гг.
Публикации работы. По результатам исследований опубликовано 5 статей (все из списка, рекомендованного ВАК) и три тезиса докладов.
Личный вклад автора. Экспериментальные данные, приведенные в диссертационной работе, получены автором лично или при его непосредственном участии. Постановка задач исследований и интерпретация результатов выполнены лично автором работы.
Структура и объём работы. Диссертация изложена на 120 страницах, состоит из введения и трёх глав, выводов, списка цитируемой литературы, включающего 115 наименований. Работа иллюстрирована 72 рисунками и содержит 9 таблиц.
Работа выполнена на кафедре химической технологии переработки нефти и газа ФГБОУ ВО «КНИТУ».
Благодарности. Автор выражает благодарность Валиахметовой А.Р. за помощь в изучении структуры исследуемых систем.