陽離子型表面活性劑與聚合物復(fù)配體系協(xié)同減阻作用

袁穎，敬加強(qiáng)，2，尹然，張明，韓力，賴天華

（1 西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院，四川 成都 610500；2 油氣消防四川省重點實驗室，四川 成都 611731；3 中海油研究總院有限責(zé)任公司，北京 100028；4 中國石油新疆油田公司實驗檢測研究院，新疆 克拉瑪依834000；5 西南石油大學(xué)工程訓(xùn)練中心，四川 成都 610500）

作為非牛頓流體最具技術(shù)經(jīng)濟(jì)及科學(xué)意義的現(xiàn)象之一，添加劑減阻技術(shù)由于其具有用量少、來源廣、操作簡單、減阻率高等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于流動減阻領(lǐng)域。一般情況下減阻劑可分為五類：聚合物、表面活性劑、纖維、微泡以及光滑涂層。其中聚合物與表面活性劑是工業(yè)生產(chǎn)中最常用的兩類減阻劑，二者在使用過程中各具優(yōu)缺點。聚合物只需添加極少量便能產(chǎn)生顯著的減阻效果，但易發(fā)生剪切降解失去減阻效果，且其降解不可逆；而表面活性劑雖然具有良好的光、熱及機(jī)械穩(wěn)定性，且降解可逆，但用量多，需達(dá)到一定濃度才會產(chǎn)生減阻效果?；趦烧叩膬?yōu)缺點，一些學(xué)者研究了表面活性劑和高聚物復(fù)配體系的減阻能力，發(fā)現(xiàn)表面活性劑與聚合物的耦合可以弱化兩者的缺點，提高減阻率、增強(qiáng)減阻穩(wěn)定性。

表面活性劑根據(jù)極性基團(tuán)電荷類型可分為陽離子型、陰離子型、兩性離子型以及非離子型表面活性劑。陰離子型表面活性劑雖有令人驚喜的減阻效果，但其應(yīng)用條件十分苛刻，易與水中的二價鈣、鎂離子生成沉淀，使減阻效果大打折扣；兩性離子型及非離子型表面活性劑因種類不多且價格高昂導(dǎo)致其使用受限；而陽離子型表面活性劑用作減阻劑時不僅減阻性能優(yōu)良，而且具有對水質(zhì)要求不高、來源廣、價格低廉等眾多優(yōu)勢。遺憾的是，迄今為止有關(guān)表面活性劑和聚合物復(fù)配體系的研究主要集中在陰離子表面活性劑-聚合物方面，并聚焦于復(fù)配體系物理特性和流變特性的探索。有關(guān)陽離子表面活性劑和聚合物相互作用的研究較少，陽離子表面活性劑和聚合物復(fù)配體系的協(xié)同減阻研究更是有限。

綜上所述，開展陽離子型表面活性劑和聚合物復(fù)配體系協(xié)同減阻作用研究十分必要?；诖?，以常見的陽離子型表面活性劑和聚合物為研究對象，探究聚合物離子類型對二者復(fù)配體系協(xié)同減阻的影響，優(yōu)選出最佳復(fù)配體系，進(jìn)一步分析表面活性劑濃度、聚合物濃度以及溫度對復(fù)配體系協(xié)同減阻的影響，建立復(fù)配體系微觀結(jié)構(gòu)預(yù)測模型，揭示協(xié)同減阻機(jī)理。這對研究陽離子型表面活性劑與聚合物復(fù)配體系的協(xié)同減阻作用有一定的指導(dǎo)意義。

1 實驗部分

1.1 實驗試劑

陽離子表面活性劑選用常見的減阻劑十六烷基三甲基氯化銨（cetyltrimethyl ammonium chloride，CTAC），并將十二烷基二甲基芐基氯化銨（dodecyl dimethyl benzyl ammonium chloride,DDBAC）用作對照實驗的陽離子表面活性劑。采用水楊酸鈉（NaSal）作為反離子鹽與陽離子表面活性劑共同使用，以降低表面活性劑溶液的臨界膠束濃度，增強(qiáng)膠束結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。聚合物采用不同離子類型（陽離子型、陰離子型、兩性離子型、非離子型）的聚丙烯酰胺（PAM）。試劑的基本性質(zhì)及來源見表1。實驗用水來自成都自來水廠，礦化度為0.132g/L，pH為7.32。

表1 實驗試劑

1.2 實驗裝置與方法

表面活性劑溶液配制：用ESJ-A電子天平稱?。ň?/10000g，中國沈陽）實驗所需的表面活性劑和反離子鹽水楊酸鈉（CTAC與NaSal的摩爾比為1∶1或CTAC 與NaSal 的質(zhì)量比為1∶0.5），同時加入自來水進(jìn)行混合，采用99-1A大功率數(shù)顯磁力攪拌器（無極調(diào)速啟動約2600r/min，中國金壇）以小于60r/min的轉(zhuǎn)速攪拌30min，然后保持靜置12～24h以消除溶液內(nèi)的氣泡，獲得均勻的表面活性劑溶液。聚合物溶液配制：將聚合物粉末均勻撒在清水表面，采用99-1A 大功率數(shù)顯磁力攪拌器以小于60r/min的轉(zhuǎn)速攪拌12h，然后保持靜置12～24h，以獲得均勻的聚合物溶液。表面活性劑-聚合物溶液：在燒杯中混合表面活性劑溶液和聚合物溶液，攪拌并保持靜置以得到均勻的混合溶液。需注意的是，實驗所需的溶液應(yīng)在實驗前24h內(nèi)配制完成。

黏度測試采用德國HAAKE Viscostester IQ Air智能流變儀，測試夾具為雙狹縫圓筒。剪切速率范圍為0.1～1000s，測試溫度范圍為25～55℃（溫度間隔為10℃，升溫時間設(shè)置為600s）。每組試驗采集100 個數(shù)據(jù)點，每個數(shù)據(jù)點的采集時間為3s。此外，為使加入時受到剪切的溶液恢復(fù)平衡，保證整個測試區(qū)的溶液均勻地達(dá)到測試溫度，試驗開始前溶液應(yīng)靜置900s。

為探究表面活性劑和聚合物復(fù)配體系的協(xié)同減阻作用，本文自主設(shè)計并搭建了一套多功能湍流減阻實驗測試裝置，主要包括管路測試系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、吹掃系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其流程如圖1 所示。其中管路測試系統(tǒng)包括長3m 的直管測試段以及長2m 的出入口穩(wěn)定段（以求削弱出入口對直管測試段內(nèi)流體減阻特性的影響，確保測試段內(nèi)流動充分發(fā)展），所用材料為硬質(zhì)聚氯乙烯塑料PVC（管道規(guī)格DN25），直管測試段入口連接LDG 系列電磁流量計（0.5～7m/h，中國上海），實時采集管路流量變化，直管測試段兩端設(shè)有引壓孔連接羅斯蒙特3051差壓變送器（0～100kPa，美國），實時采集測試段壓降變化；溫控系統(tǒng)采取水浴加熱保溫的方式，環(huán)道管路外敷3cm厚的保溫管套，儲液罐及管路出口分別設(shè)有掛壁式數(shù)顯溫控器和溫度變送器（-200～300℃，中國成都），實時采集控制實驗管路和流體溫度；吹掃系統(tǒng)主要包括空氣儲罐、壓縮機(jī)、調(diào)壓閥等，每完成一組實驗，用清水沖洗管路3～5次，每次5min，保證下一組實驗準(zhǔn)確進(jìn)行；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集器和數(shù)據(jù)接收器兩部分。數(shù)據(jù)采集器直接與電磁流量計、差壓變送器、溫度傳感器相連接，采集處理各表的電流信號（4～20mA），然后通過無線發(fā)射裝置將數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)接收器，數(shù)據(jù)接收器與PC端連接，通過PC端軟件可實時記錄各數(shù)據(jù)變化。

圖1 多功能湍流減阻實驗測試裝置

減阻實驗前首先用清水進(jìn)行管徑率定以及實驗環(huán)道的校準(zhǔn)。對于本研究，不同溶液的減阻測量過程都是相同的。實驗溫度范圍為25～55℃（溫度間隔為10℃，溫差控制在±2℃），流量范圍為0～4m/h。減阻溶液在恒定溫度下經(jīng)CDL3-11 立式不銹鋼多級離心泵（0～4m/h，中國廣東）進(jìn)入實驗管路，為最大限度地避免機(jī)械降解對溶液減阻作用的影響，通過調(diào)節(jié)變頻器供電頻率（變頻器調(diào)節(jié)范圍為0～50Hz）來控制離心泵轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)雷諾數(shù)從低到高的變化，需要注意的是對于相同的溶液只記錄一次壓差，但相同的實驗工況需重新配制溶液重復(fù)實驗兩次，最終壓差取兩次實驗的平均值。對于所有實驗，記錄數(shù)據(jù)的時間取決于流動穩(wěn)定的時間，待流量計和差壓變送器的讀數(shù)基本穩(wěn)定后，記錄相關(guān)實驗數(shù)據(jù)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

1.3.1 減阻漸近線

大量減阻流體實驗的研究結(jié)果表明，流體的減阻性能呈現(xiàn)三條漸近曲線，分別為描述清水層流流動的哈根-泊肅葉（Hagen-Poiseuille）經(jīng)驗曲線，如式(1)所示；描述清水湍流流動的普朗特-卡門（Prandtl-Karman）經(jīng)驗曲線，如式(2)所示；以及描述表面活性劑宏觀減阻效率的Zakin 最大減阻率漸近線，如式(3)所示。

在減阻的計算過程中，關(guān)于減阻流體的雷諾數(shù)有兩種計算方法：一種是考慮加入減阻劑量較少和計算方便，采用溶劑的黏度計算雷諾數(shù)；另一種是用流變測試得到的不同剪切速率下的黏度進(jìn)行模擬，這種方法計算的雷諾數(shù)稱為廣義雷諾數(shù)′。目前，國內(nèi)關(guān)于減阻研究為求計算簡便大都采用溶劑的黏度，為求更貼近管內(nèi)減阻的實際情況，本文后續(xù)數(shù)據(jù)處理都將采用廣義雷諾數(shù)′進(jìn)行。

本文作者課題組在此前的表面活性劑溶液流變特性研究中證實Giesekus 黏彈性模型能更好地表征其黏度特性，Giesekus 模型的黏度表達(dá)式如式(7)～式(9)所示，聯(lián)立式(6)與Giesekus 模型黏度表達(dá)式[式(7)～式(9)]得廣義雷諾數(shù)′定義式為式(10)。

2 結(jié)果與討論

2.1 實驗環(huán)道校準(zhǔn)及管徑率定

基于清水在層流區(qū)的流動符合哈根-泊肅葉（Hagen-Poiseuille）定律，精確計算出實驗PVC 管的直徑為25.6mm。進(jìn)一步，利用清水實驗完成實驗裝置校準(zhǔn)，結(jié)果如圖2所示。由圖可知，實驗結(jié)果在層流區(qū)基本符合Hagen-Poiseuille 經(jīng)驗公式，在湍流區(qū)也與普朗特-卡門（Prandtl-Karman）經(jīng)驗公式基本吻合，說明該實驗裝置可靠性較高。

圖2 清水實驗結(jié)果

2.2 聚合物離子類型對復(fù)配體系減阻的影響

在水溶液中，聚合物與表面活性劑之間的相互作用十分復(fù)雜，主要包括范德華作用、疏水作用、氫鍵、靜電作用等。一般認(rèn)為疏水作用和靜電作用是聚合物與表面活性劑之間的主要驅(qū)動力。聚合物所帶電荷離子類型的不同對聚合物和表面活性劑復(fù)配體系的相互作用及聚集體的結(jié)構(gòu)性能均有較大影響，從而導(dǎo)致復(fù)配體系的協(xié)同減阻作用大不相同，如圖3、圖4所示。

圖4 四種不同離子類型的PAM與CATC/NaSal復(fù)配體系協(xié)同減阻作用對比

圖3(a)為0.1g/L CPAM-0.1g/L CTAC/NaSal 復(fù)配體系的阻力特性曲線，由圖可知，復(fù)配體系的范寧摩擦系數(shù)總是小于單一CTAC/NaSal 溶液或單一CPAM溶液的范寧摩擦系數(shù)，二者的復(fù)配體系表現(xiàn)出明顯的協(xié)同減阻作用。此外，相較于單一CTAC/NaSal 溶液或單一CPAM 溶液，復(fù)配體系的臨界廣義雷諾數(shù)小幅度增加，抗剪切性增強(qiáng)。但隨著廣義雷諾數(shù)持續(xù)增加，復(fù)配體系的范寧摩擦系數(shù)逐漸回升。該現(xiàn)象與Chai等的研究結(jié)果一致。這是因為當(dāng)表面活性劑濃度較低，小于臨界聚集濃度（critical aggregation concentration，CAC） 時，表面活性劑主要以單體分子的形式分散在溶液中，與聚合物之間的疏水作用和靜電斥力作用較弱，部分單體分子吸附在聚合物分子鏈上，聚合物分子鏈略微伸展，復(fù)配體系雖表現(xiàn)一定程度的協(xié)同減阻作用，但不十分穩(wěn)定。隨著剪切作用的增強(qiáng)，這種協(xié)同減阻作用被迅速破壞，范寧摩擦系數(shù)開始回升。

圖3 聚合物離子類型對復(fù)配體系協(xié)同減阻作用的影響

相反，0.1g/L APAM-0.1g/L CTAC/NaSal復(fù)配體系的協(xié)同作用對減阻產(chǎn)生負(fù)面效應(yīng)，相較于單一溶液，該復(fù)配體系的范寧摩擦系數(shù)反而明顯增加，如圖3(b)所示。Mohsenipour 等也在實驗中觀測到類似現(xiàn)象。這是因為帶相反電荷的聚合物和表面活性劑之間主要存在疏水作用和靜電引力作用：一方面，聚合物分子鏈在疏水作用下伸展；另一方面，聚合物分子鏈在靜電引力作用下卷曲。Xu 等采用粗粒度分子動力學(xué)（CG-MD）的方法對帶相反電荷的表面活性劑和聚合物之間的相互作用模擬研究，證實了靜電引力在帶相反電荷的表面活性劑和聚合物的相互作用中占主導(dǎo)地位。隨著表面活性劑加入，聚合物分子鏈構(gòu)象逐漸蜷縮，與表面活性劑膠束形成經(jīng)典的“項鏈模型”，最終聚合物分子鏈完全卷曲呈現(xiàn)球形。因此復(fù)配體系的協(xié)同作用不僅不會增強(qiáng)減阻，反而導(dǎo)致范寧摩擦系數(shù)增大，減阻效果變差。

兩性離子型聚合物是指在聚合物分子鏈上既有陽離子基團(tuán)又有陰離子基團(tuán)的聚合物。當(dāng)AmPAM與CTAC/NaSal混合時，一方面陽離子表面活性劑季銨基正電荷會與兩性離子型聚合物羧基負(fù)電荷之間產(chǎn)生靜電引力，引起聚合物分子鏈卷曲；另一方面陽離子表面活性劑季銨基正電荷會與兩性離子型聚合物乙烯基正電荷之間產(chǎn)生靜電斥力，引起聚合物分子鏈伸展。二者在相互競爭中達(dá)到平衡狀態(tài)，使得復(fù)配體系的協(xié)同減阻作用介于陽離子型聚合物-陽離子型表面活性劑與陰離子型聚合物-陽離子型表面活性劑之間，如圖3(c)所示。

圖3(d)為0.1g/L NPAM-0.1g/L CTAC/NaSal 復(fù)配體系的阻力特性曲線。由圖可知，復(fù)配體系的阻力特性曲線基本與單一的CTAC/NaSal 溶液的阻力特性曲線重合，沒有表現(xiàn)出明顯的協(xié)同減阻作用。這是因為陽離子型表面活性劑頭基較大，表面活性劑膠束由于空間位阻的影響而難以接近聚合物分子鏈，導(dǎo)致非離子型聚合物和陽離子表面活性劑之間的相互作用很弱，甚至基本無相互作用。

四種不同離子類型的PAM與CTAC/NaSal復(fù)配體系協(xié)同減阻作用對比如圖4所示。可見，CPAM-CTAC/NaSal 復(fù)配體系的協(xié)同減阻作用>AmPAM-CTAC/NaSal 復(fù)配體系的協(xié)同減阻作用>NPAM-CTAC/NaSal 復(fù)配體系的協(xié)同減阻作用>APAM-CTAC/NaSal 復(fù)配體系的協(xié)同減阻作用。此外，采用常用的殺菌劑十二烷基二甲基芐基氯化銨（DDBAC）進(jìn)一步驗證陽離子表面活性劑在復(fù)配體系中的作用，實驗結(jié)果如圖5 所示。由圖5 可知，DDBAC/NaSal 雖無明顯的減阻作用，但其與聚合物的復(fù)配體系在二者的靜電與疏水作用下仍表現(xiàn)出顯著的協(xié)同減阻作用。DDBAC/NaSal 與不同離子類型PAM的復(fù)配體系減阻作用強(qiáng)弱同CTAC/NaSal 的一致：CPAM-DDBAC/NaSal 復(fù)配體系協(xié)同減阻作用>AmPAM-DDBAC/NaSal 復(fù)配體系的協(xié)同減阻作用>NPAM-DDBAC/NaSal 復(fù)配體系的協(xié)同減阻作用>APAM-DDBAC/NaSal復(fù)配體系的協(xié)同減阻作用。

圖5 四種不同離子類型的PAM與DDBAC/NaSal復(fù)配體系協(xié)同減阻作用對比

基于此，后續(xù)主要以陽離子型聚合物和陽離子表面活性劑的復(fù)配體系為研究對象，進(jìn)一步探究表面活性劑濃度、聚合物濃度以及溫度對復(fù)配體系協(xié)同減阻的影響。

2.3 表面活性劑濃度對復(fù)配體系協(xié)同減阻的影響

聚合物和表面活性劑復(fù)配體系減阻作用受表面活性劑濃度影響較大。隨著陽離子表面活性劑濃度增加，陽離子型表面活性劑與陽離子型聚合物之間的疏水作用和靜電斥力作用不斷增強(qiáng)，二者復(fù)合物結(jié)構(gòu)不斷變化。當(dāng)不斷變化的微觀結(jié)構(gòu)作用于宏觀流動時便會產(chǎn)生不同的減阻現(xiàn)象。本研究通過實驗分析了陽離子型表面活性劑和陽離子型聚合物復(fù)配體系的減阻特性隨陽離子型表面活性劑濃度的變化規(guī)律，實驗結(jié)果如圖6所示。

圖6 表面活性劑濃度對復(fù)配體系協(xié)同減阻作用的影響

由圖6可知，復(fù)配體系減阻能力的強(qiáng)弱與陽離子型表面活性劑濃度不是單一的線性關(guān)系。當(dāng)CTAC/NaSal為0.3g/L時，復(fù)配體系的范寧摩擦系數(shù)最小，減阻率達(dá)到最大值；當(dāng)CTAC/NaSal 濃度小于0.3g/L時，復(fù)配體系減阻率隨著陽離子型表面活性劑濃度增加而增加；當(dāng)CTAC/NaSal 濃度大于0.3g/L后，復(fù)配體系減阻率隨著陽離子型表面活性劑濃度增加而減小。此外，復(fù)配體系的臨界廣義雷諾數(shù)隨著陽離子型表面活性劑濃度的增加先增加后減小：未添加陽離子型表面活性劑溶液的臨界廣義雷諾數(shù)為35339.20；當(dāng)陽離子型表面活性劑濃度為0.1g/L時，復(fù)配體系的臨界廣義雷諾數(shù)為37449.30；當(dāng)陽離子型表面活性劑濃度為0.2g/L時，復(fù)配體系的臨界廣義雷諾數(shù)為49645.06；而當(dāng)陽離子型表面活性劑濃度增加到0.5g/L時，復(fù)配體系的臨界廣義雷諾數(shù)反而減小到7935.20。綜上可見，隨著陽離子型表面活性劑濃度的增加，復(fù)配體系減阻率增大及抗剪切性增強(qiáng)都是有限的，當(dāng)表面活性劑濃度過高時，減阻率及抗剪切性均會減弱。

表2列出了不同雷諾數(shù)下，加入不同濃度表面活性劑后復(fù)配體系的協(xié)同減阻效率。協(xié)同減阻效率反映表面活性劑和聚合物之間協(xié)同減阻作用的強(qiáng)弱。協(xié)同減阻效率越大，表面活性劑和聚合物之間協(xié)同減阻作用越強(qiáng)；反之，表面活性劑和聚合物之間的協(xié)同減阻作用減弱。由表2 列出的數(shù)據(jù)可知，在表面活性劑濃度為0.3g/L時，協(xié)同減阻效率達(dá)到最大值，說明此時兩者的協(xié)同減阻作用最強(qiáng)。此后，繼續(xù)增加表面活性劑濃度，表面活性劑和聚合物的協(xié)同減阻作用減弱，協(xié)同減阻效率逐漸減小，甚至在表面活性劑濃度為0.5g/L時，協(xié)同減阻效率變?yōu)樨?fù)值。說明表面活性劑濃度過高會破壞二者的協(xié)同減阻作用。

表2 加入不同濃度表面活性后復(fù)配體系的協(xié)同減阻效率

產(chǎn)生以上現(xiàn)象的原因在于當(dāng)CTAC/NaSal 濃度為0.1g/L時，表面活性劑濃度較低，主要以單體分子的形式分散在溶液中，與聚合物鏈發(fā)生輕微的相互作用，部分單體分子吸附在聚合物分子鏈上，聚合物鏈在溶液中的構(gòu)象仍舊較為蜷縮[圖7(a)]。此時，混合溶液雖顯現(xiàn)一定程度的協(xié)同減阻作用，但十分不穩(wěn)定。隨著剪切作用的增強(qiáng)，這種協(xié)同作用被迅速破壞，減阻效果顯著下降。隨著CTAC/NaSal 濃度增加到臨界聚集濃度0.2g/L，表面活性劑棒狀膠束的疏水部分吸附在聚合物疏水微區(qū)中，逐漸形成結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定的新三維空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[圖7(b)]。該結(jié)構(gòu)能有效抑制湍流發(fā)生。此外，高聚物分子鏈也在二者的靜電斥力和疏水的共同作用下更為伸展，抗剪切能力增強(qiáng)。當(dāng)表面活性劑濃度增加到聚合物飽和點（polymer saturation point，PSP）0.3g/L時，表面活性劑與聚合物之間的相互作用完全飽和，形成了規(guī)模最大、最稠密、穩(wěn)定性最強(qiáng)的新三維空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[圖7(c)]。表面活性劑與高聚物的協(xié)同減阻作用達(dá)到頂峰，混合溶液減阻率及減阻穩(wěn)定性顯著增強(qiáng)。此后，再持續(xù)增加表面活性劑濃度，在較強(qiáng)的疏水作用和靜電斥力作用下，聚合物分子鏈愈發(fā)伸展，彈性降低[圖7(d)]，三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)逐漸遭到破壞。協(xié)同減阻作用減弱，減阻率減小，抗剪切性變差。

圖7 隨表面活性劑濃度增加復(fù)配體系微觀結(jié)構(gòu)變化示意圖

2.4 聚合物濃度對復(fù)配體系協(xié)同減阻的影響

聚合物濃度亦會對表面活性劑和聚合物復(fù)配體系的減阻作用產(chǎn)生影響。本研究通過實驗分析了陽離子型表面活性劑和陽離子型聚合物復(fù)配體系的減阻特性隨陽離子型聚合物濃度的變化規(guī)律，實驗結(jié)果如圖8所示。

圖8 聚合物濃度對復(fù)配體系協(xié)同減阻作用的影響

由圖8可知，隨著CPAM 濃度增加，復(fù)配體系的范寧摩擦系數(shù)減小，減阻率增加，尤其在減阻破壞區(qū)（廣義雷諾數(shù)大于臨界廣義雷諾數(shù)的區(qū)域），這種減阻率增加作用更加顯著。此外，復(fù)配體系的臨界廣義雷諾數(shù)隨著CPAM濃度的增加而增加：當(dāng)CPAM 濃度為0.05g/L 時，復(fù)配體系的臨界廣義雷諾數(shù)為31272.43；當(dāng)CPAM 濃度為0.1g/L 時，復(fù)配體系的臨界廣義雷諾數(shù)為37449.30；當(dāng)CPAM濃度增加到0.15g/L 時，復(fù)配體系的臨界廣義雷諾數(shù)大幅度增至45033.36；繼續(xù)增加CPAM濃度至0.2g/L，復(fù)配體系的臨界廣義雷諾數(shù)僅增至45116.39。綜上可見，CPAM的存在可有效改善陽離子型表面活性劑的減阻作用及抗剪切性。但當(dāng)CPAM 濃度超過0.15g/L 后，減阻率增加趨勢與抗剪切性增強(qiáng)趨勢均放緩。

產(chǎn)生以上現(xiàn)象的原因在于當(dāng)CPAM 濃度較低，為0.05g/L時，聚合物疏水微區(qū)的疏水締合主要發(fā)生在分子內(nèi)，導(dǎo)致聚合物分子鏈擠壓緊縮，分子鏈的構(gòu)象較蜷縮。隨著聚合物和表面活性劑之間發(fā)生疏水作用和靜電斥力作用，聚合物分子鏈逐漸伸展，并與表面活性劑膠束逐漸形成新三維空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[圖9(a)]，復(fù)配體系的減阻率及抗剪切性增強(qiáng)。由于表面活性劑濃度固定，膠束數(shù)目、結(jié)構(gòu)均不發(fā)生變化，因此新三維空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)基本不變。當(dāng)CPAM濃度增加至第一臨界締合濃度（critical associative concentration Ⅰ,CAC Ⅰ)0.1g/L 時，聚合物疏水微區(qū)逐漸由分子內(nèi)締合向分子間締合轉(zhuǎn)變，聚合物分子鏈伸展并互相纏繞，形成聚集體[圖9(b)]。隨著管道內(nèi)剪切作用增強(qiáng)，新三維空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)逐漸遭到破壞，復(fù)配體系中的聚合物聚集體繼續(xù)發(fā)揮減阻作用，直至其在更強(qiáng)的剪切作用下破裂分解，復(fù)配體系減阻破壞區(qū)減阻率增加，抗剪切性增強(qiáng)。繼續(xù)增加CPAM 濃度至第二臨界締合濃度（critical associative concentration Ⅱ，CAC Ⅱ）0.15g/L 時，聚合物疏水微區(qū)主要是分子間締合，聚集體已大量形成[圖9(c)]，減阻破壞區(qū)減阻率大幅度增加，抗剪切性顯著增強(qiáng)。此后，再繼續(xù)增加聚合物濃度，聚集體的增長速度減緩，復(fù)配體系減阻破壞區(qū)減阻率增加速度與抗剪切性增強(qiáng)速度亦放緩。

圖9 隨聚合物濃度增加復(fù)配體系微觀結(jié)構(gòu)變化示意圖

2.5 溫度對復(fù)配體系協(xié)同減阻的影響

為探究溫度對陽離子型表面活性劑和陽離子型聚合物復(fù)配體系協(xié)同減阻的影響，本研究以0.15g/L CPAM-0.3g/L CTAC/NaSal復(fù)配體系為例，通過實驗分析了復(fù)配體系減阻作用隨溫度的變化規(guī)律，實驗結(jié)果如圖10所示。

由圖10(a)、(b)可知，復(fù)配體系的臨界溫度為35℃。當(dāng)溫度低于35℃時，范寧摩擦系數(shù)隨著溫度的上升而減小、減阻率隨之增大；當(dāng)溫度高于35℃時，范寧摩擦系數(shù)隨著溫度的上升而增大、減阻率隨之降低。這是因為隨著溫度升高，一方面復(fù)配體系黏度降低，有利于減阻，稱為“減阻正作用”；另一方面溶液中分子的不規(guī)則熱運(yùn)動加劇，分子間距離變大、活性增強(qiáng)，新三維網(wǎng)絡(luò)空間結(jié)構(gòu)逐漸破壞分裂，無益于減阻，稱為“減阻負(fù)作用”。臨界溫度是“減阻正負(fù)作用”互相平衡的結(jié)果，當(dāng)溫度低于臨界溫度時，“減阻正作用”占據(jù)主導(dǎo)，表現(xiàn)為減阻率隨著溫度的升高而增加；當(dāng)溫度高于臨界溫度時，“減阻負(fù)作用”占據(jù)主導(dǎo)，表現(xiàn)為減阻率隨著溫度的升高而降低。

此外，對比圖10 中單一CTAC/NaSal 溶液、單一CPAM溶液與復(fù)配體系在不同溫度下的減阻作用可知，復(fù)配體系的減阻作用明顯優(yōu)于任一單一減阻劑（CTAC/NaSal或CPAM）的減阻作用。尤其在高溫條件下，復(fù)配體系的減阻優(yōu)勢更加顯著：55℃時，0.3g/L CTAC/NaSal 溶液最大減阻率僅為15.03%、臨界廣義雷諾數(shù)為10361.64；0.15g/L CPAM溶液最大減阻率為33.53%、臨界廣義雷諾數(shù)為33312.55；而兩者復(fù)配體系的最大減阻率增大到69.05%，臨界廣義雷諾數(shù)增加至66076.59。不僅減阻率明顯上升，而且臨界廣義雷諾數(shù)顯著增大，抗剪切性增強(qiáng)。綜上可見，陽離子表面活性劑和陽離子聚合物復(fù)配能有效增強(qiáng)溶液的耐溫性。

3 結(jié)論

本文研究了陽離子型表面活性劑和聚合物復(fù)配體系的協(xié)同減阻作用，分析了聚合物離子類型、表面活性劑濃度、聚合物濃度以及溫度對復(fù)配體系協(xié)同減阻的影響，對不同協(xié)同減阻現(xiàn)象進(jìn)行了合理解釋，得出以下結(jié)論。

（1）實驗分析了四種不同離子類型的PAM與兩種陽離子表面活性劑（CTAC、DDBAC）復(fù)配體系的協(xié)同減阻作用，發(fā)現(xiàn)無論陽離子表面活性劑單劑是否有減阻作用，其與聚合物復(fù)配體系在二者的靜電和疏水作用下均表現(xiàn)出顯著的協(xié)同減阻作用，且CPAM-CTAC（或DDBAC）/NaSal 復(fù)配體系的協(xié)同減阻作用>AmPAM-CTAC（或DDBAC）/NaSal復(fù)配體系的協(xié)同減阻作用>NPAM-CTAC（或DDBAC）/NaSal 復(fù)配體系的協(xié)同減阻作用>APAM-CTAC（或DDBAC）/NaSal復(fù)配體系的協(xié)同減阻作用。

（2）在聚合物濃度一定的情況下，陽離子型表面活性劑和陽離子型高聚物之間協(xié)同作減阻作用的強(qiáng)弱與陽離子表面活性劑濃度之間并不是單一的線性關(guān)系。當(dāng)表面活性劑濃度小于PSP時，隨著表面活性劑濃度的增加，表面活性劑的棒狀膠束吸附在高聚物分子鏈上形成更稠密、更穩(wěn)定的新三維空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能有效抑制湍流發(fā)生；高聚物分子鏈也在二者逐漸增強(qiáng)的疏水作用和靜電斥力作用下逐漸伸展，協(xié)同減阻作用抗剪切能力持續(xù)增強(qiáng)。但一旦表面活性劑濃度超過PSP，高聚物分子鏈在不斷增強(qiáng)的疏水作用和靜電斥力作用下愈發(fā)伸展，彈性減弱，新三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)開始遭到破壞而分裂，協(xié)同減阻作用減小、減阻穩(wěn)定性變差。

（3）在表面活性劑濃度一定的情況下，新三維空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)基本不會受到聚合物濃度的影響。聚合物濃度對復(fù)配體系協(xié)同減阻作用的影響主要體現(xiàn)在增強(qiáng)抗剪切性及提高減阻破壞區(qū)的減阻率。隨著聚合物濃度增加到CAC Ⅰ，聚合物疏水微區(qū)逐漸由分子內(nèi)締合轉(zhuǎn)變?yōu)榉肿娱g締合，分子鏈互相交叉纏繞形成聚集體，復(fù)配體系抗剪切性增強(qiáng)，減阻破壞區(qū)減阻率增加。繼續(xù)增加聚合物濃度至CAC Ⅱ，聚合物疏水微區(qū)則主要是分子間締合，聚集體已大量形成，抗剪切性顯著提升，減阻破壞區(qū)減阻率亦大幅增加。此后，再增加聚合物濃度，抗剪切性增強(qiáng)趨勢及減阻破壞區(qū)減阻率增加趨勢均明顯放緩。

（4）相較于單一減阻劑，復(fù)配體系的耐溫性顯著提升。尤其在高溫（55℃）條件下，復(fù)配體系仍保有顯著的減阻效果，最高減阻率達(dá)69.05%。

符號說明

——管道直徑，m

——范寧摩擦系數(shù)

——管長，m

、′ ——雷諾數(shù)、廣義雷諾數(shù)

——管道內(nèi)平均流速，m/s

——遷移因子

——剪切速率，s

——協(xié)同效率

Δ——流體流經(jīng)管長的壓差，Pa

——摩擦系數(shù)

′ ——松弛時間，s

——剪切黏度，Pa·s

、、——溶劑剪切黏度、溶質(zhì)剪切黏度、零剪切黏度，Pa·s

——流體密度，kg/m

——剪切應(yīng)力，Pa

、、——管道壁面剪切應(yīng)力、溶劑剪切應(yīng)力、溶質(zhì)剪切應(yīng)力，Pa

下角標(biāo)

a ——減阻劑水溶液

w ——清水