新型耐高溫體膨型高分子材料研發(fā)及性能評(píng)價(jià)探析

魏道清

（河南工業(yè)和信息化職業(yè)學(xué)院 河南 焦作 454000）

1 引言

眾所周知，石油是一種戰(zhàn)略物資，能夠助力國(guó)家發(fā)展。但在油田中開(kāi)采原油時(shí)，大部分地層的整體溫度過(guò)高，當(dāng)石油開(kāi)采處于中期或后期，一旦缺乏耐高溫材料，就會(huì)增加石油開(kāi)采的難度，油井內(nèi)部情況也會(huì)越發(fā)復(fù)雜[1]。以往都會(huì)使用凝膠作為耐高溫材料，但由于部分油田地層下方的溫度最高可達(dá)150 ℃，在這種環(huán)境下凝膠性能會(huì)大幅受限，無(wú)法保持材料強(qiáng)度、耐熱性以及穩(wěn)定性，最終會(huì)導(dǎo)致凝膠材料無(wú)法在油田地層發(fā)揮價(jià)值，還會(huì)限制油田開(kāi)采的實(shí)際效率[2]。這時(shí)，為了增加我國(guó)石油的開(kāi)采效率，相關(guān)人員需要重新尋找一種新型材料，最好研發(fā)一種新型耐高溫的體膨型高分子材料，因此，以下便針對(duì)一種新型耐高溫體膨型高分子材料的研發(fā)及性能展開(kāi)討論。

2 實(shí)驗(yàn)材料

2.1 儀器

實(shí)驗(yàn)中所用儀器主要有以下幾種：（1）XMTD-6000電熱恒溫水箱；（2）Nicolet750紅外光譜儀；（3）Vegaiilsu電子圖像顯微分析儀。其中XMTD-6000電熱恒溫水箱具備干燥、蒸餾以及恒溫加熱等功能；Nicolet750紅外光譜儀具備高分辨率、高信號(hào)輸出等功能；Vegaiilsu電子圖像顯微分析儀具備圖像處理、分析等功能[3]。

2.2 材料

在本次實(shí)驗(yàn)中的所用材料較多，其中化學(xué)材料有：丙烯酰胺、草酸、乙酸、磷酸、濃硫酸、氨水、碳酸氫鈉、丙酮、苯甲醛、甲醇、（銨根）過(guò)二硫酸、氯化鈉、化學(xué)純、聚乙烯醇、氟化氫、濃鹽酸、碳酸鈉、甲醛、過(guò)硫酸鉀、化學(xué)純、硼酸、乙醇、交聯(lián)劑（N，N-亞甲基雙丙烯酰胺）、檸檬酸、六次甲基四胺。其他材料有：油田地層水、礦化度32 336數(shù)43 438 mg/L、氯化鈣型，含鈣離子+11 092數(shù)15 352 mg/L、氯-17 193數(shù)23 796 mg/L、去離子水、自來(lái)水。

3 方法與結(jié)果

3.1 實(shí)驗(yàn)方法

提前確定實(shí)驗(yàn)材料的適宜計(jì)量，將聚乙烯醇、丙烯酰胺以及相應(yīng)的反應(yīng)原料，具體有碳酸氫鈉、過(guò)硫酸鉀、交聯(lián)劑、草酸、（銨根）過(guò)二硫酸、六次甲基四胺，根據(jù)適宜計(jì)量放入自來(lái)水中進(jìn)行溶解，溶解過(guò)程需要隨時(shí)進(jìn)行攪拌，并根據(jù)相應(yīng)順序與比例，將所有溶解物相互混合，待所有溶解物完成混合后，方可停止攪拌，將其放在50 ℃左右環(huán)境中進(jìn)行靜置。靜置過(guò)程需要實(shí)時(shí)觀察混合物的顏色，正?；旌衔飼?huì)從透明色變成乳白色，從流動(dòng)液體變成固體，整個(gè)過(guò)程大約需要2 h左右。在完成混合物反應(yīng)之后，便可通過(guò)Nicolet750紅外光譜儀與Vegaiilsu電子圖像顯微分析儀，針對(duì)混合物展開(kāi)深入觀察，在正常的室內(nèi)溫度作用下，觀察浸泡在量筒水中的材料性能，其中涵蓋：吸水性能、穩(wěn)定性能以及體膨性能等。再使用剪裁工具將混合物變成顆粒，將顆粒放入反應(yīng)釜之中，填入適量的油田地層水，最終將其放在90℃、120℃以及140℃的溫度中進(jìn)行觀察，確定新型耐高溫體膨型高分子材料的耐溫性能。

3.2 結(jié)構(gòu)研發(fā)

3.2.1 聚乙烯醇結(jié)構(gòu)

通過(guò)鈉鹽溶液對(duì)聚乙烯醇進(jìn)行3次洗滌操作后，對(duì)其進(jìn)行全面烘干，此時(shí)通過(guò)Nicolet750紅外光譜儀對(duì)其進(jìn)行交聯(lián)，見(jiàn)圖1。

圖1 聚乙烯醇交聯(lián)前后的光譜圖

為了保證交聯(lián)效果，特意在其中加入（銨根）過(guò)二硫酸與過(guò)硫酸鉀。通過(guò)上圖可知，1 200 cm左右的是單鍵吸收峰；在開(kāi)始交聯(lián)之前其中并不存在乙酸，但在開(kāi)始交聯(lián)后，單鍵吸收峰得到顯著的強(qiáng)化。

3.2.2 丙烯酰胺結(jié)構(gòu)

通過(guò)乙醇對(duì)丙烯酰胺進(jìn)行3次洗滌操作后，對(duì)其進(jìn)行全面烘干，此時(shí)通過(guò)Nicolet750紅外光譜儀對(duì)其進(jìn)行交聯(lián)，見(jiàn)圖1。

由圖2可知，其中3 500 cm左右是氨基吸收峰，此峰在交聯(lián)前后都存在；1 650 cm左右是羰基吸收峰，此峰在交聯(lián)前后都有存在。處于1 550 cm左右的是雙鍵振動(dòng)峰；1 300 cm左右的是單鍵振動(dòng)峰。這幾種峰型在相互交聯(lián)后就會(huì)開(kāi)始出現(xiàn)小時(shí)趨勢(shì)，這就證明以上幾種峰型，能夠在交聯(lián)過(guò)程產(chǎn)生聚合反應(yīng)，而且這種反應(yīng)非常徹底，幾乎沒(méi)有留下任何殘留物。

圖2 丙烯酰胺交聯(lián)前后的光譜圖

3.2.3 材料結(jié)構(gòu)分析

在聚乙烯醇和丙烯酰胺都得到交聯(lián)處理后，便可將兩種主要材料相互結(jié)合，這樣就能將聚乙烯醇和丙烯酰胺的價(jià)值發(fā)揮到最大程度，混合材料自身性能也能在兩種材料的加持下得到進(jìn)一步強(qiáng)化[4]。經(jīng)過(guò)相互結(jié)合后的材料混合物十分強(qiáng)韌，將其定型為4.5 cm左右的圓餅，再對(duì)其展開(kāi)拉扯操作，最終將其拉扯至30 cm左右，材料混合物依然沒(méi)有出現(xiàn)斷裂或裂縫等狀況，由此可知，這種材料具備較為理想的抗拉扯性能。

3.3 穩(wěn)定性能

在本次實(shí)驗(yàn)中針對(duì)材料的穩(wěn)定性能進(jìn)行確定時(shí)，需要在正常室內(nèi)溫度下，使用自來(lái)水將材料放在燒杯之中浸泡，浸泡時(shí)間為90 d，最后對(duì)材料形狀與結(jié)構(gòu)展開(kāi)觀察。如果材料形狀與結(jié)構(gòu)出現(xiàn)明顯變化，代表材料穩(wěn)定性較差，但本次實(shí)驗(yàn)中的材料，在形狀與結(jié)構(gòu)上并沒(méi)有出現(xiàn)明顯變化，這就代表新型耐高溫體膨型高分子材料穩(wěn)定性能較為理想[5]。

3.4 體膨性能

在本次實(shí)驗(yàn)中針對(duì)材料的體膨性能進(jìn)行確定時(shí)，需要在正常室內(nèi)溫度下，使用自來(lái)水將材料放在量筒之中浸泡，為了精準(zhǔn)確定材料的體膨性能，特意將浸泡時(shí)間定為：30 min、80 min、130 min，在未開(kāi)始浸泡之前的材料高度為26 cm，在開(kāi)始浸泡實(shí)驗(yàn)后材料高度與體膨性能有所變化，見(jiàn)表1。

表1 材料體膨變化表

通過(guò)表1可知，隨著材料浸泡時(shí)間的加長(zhǎng)，材料高度會(huì)在膨脹作用下有所提高，體膨倍數(shù)也會(huì)隨之出現(xiàn)變動(dòng)，但這種變化在浸泡130 min之后，就不會(huì)出現(xiàn)再次變化，由此可知，新型耐高溫體膨型高分子材料體膨性能的最大倍數(shù)是1.69。

3.5 耐溫性能

在本次實(shí)驗(yàn)中針對(duì)材料的耐溫性能進(jìn)行確定時(shí)，需要使用油田地層水將材料放在90 ℃、120 ℃以及140 ℃的環(huán)境中進(jìn)行浸泡，浸泡時(shí)間為130 d，最終通過(guò)觀察可以得知，材料顏色有所加深，自身性能并沒(méi)有過(guò)多變化，這就代表新型耐高溫體膨型高分子材料的耐溫性能十分良好。在開(kāi)始耐溫性能實(shí)驗(yàn)之前，放在3種溫度環(huán)境中的材料體積均為44 mL，在完成本次實(shí)驗(yàn)后處于3種溫度環(huán)境中的混合物體積有所變化，見(jiàn)表2。

表2 材料體積變化表

通過(guò)表2可知，隨著材料在不同溫度環(huán)境中的浸泡時(shí)間，材料體積會(huì)在高溫作用下持續(xù)下降，這種變化與體膨變化不同，如果繼續(xù)延長(zhǎng)浸泡時(shí)間，材料體積依然會(huì)在原有基礎(chǔ)上繼續(xù)下降。但由于下降趨勢(shì)并不是十分明顯，所以新型耐高溫體膨型高分子材料的耐熱性能較高[6]。

4 討論

聚乙烯醇和丙烯酰胺在多種輔助材料的作用下，便可形成新型耐高溫體膨型高分子材料。通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)分析可以確定，新型耐高溫體膨型高分子材料具有較好的穩(wěn)定性、抗拉性、體膨性以及耐熱性。當(dāng)材料遇水后體積會(huì)有所膨脹，但最大倍數(shù)便是1.69，即便時(shí)間有所延長(zhǎng)，也不會(huì)出現(xiàn)再次變化。經(jīng)過(guò)本次實(shí)驗(yàn)后確定，新型耐高溫體膨型高分子材料完全可以應(yīng)用于油田開(kāi)采領(lǐng)域[7]。