CTAC/NaSal和PEO復(fù)合水溶液減阻和流變實(shí)驗(yàn)研究

龐明軍，徐 遣，田 偉，閆寬寬，洪心怡

（常州大學(xué) 機(jī)械與軌道交通學(xué)院，江蘇 常州 213164）

0 引 言

添加劑減阻是一種可用于液體長距離輸送或液體循環(huán)系統(tǒng)中的節(jié)能措施。 常見的減阻劑有聚合物、表面活性劑和微氣泡。 目前研究相對(duì)深入且減阻最有效的添加劑是高分子聚合物和表面活性劑[1]。 研究發(fā)現(xiàn)，高分子聚合物和表面活性劑單獨(dú)減阻都存在自身的不足，如高分子聚合物在低溫下不易溶解，在極端條件下（如強(qiáng)剪切和高溫）長分子鏈會(huì)發(fā)生降解，降解是不可逆的，降解后會(huì)永久失去減阻能力[2，3]。 表面活性劑只有達(dá)到臨界濃度形成減阻膠束后才具有減阻作用，有效減阻雷諾數(shù)范圍較窄，且在高溫下易失活，受pH值和離子濃度影響較大[4，5]。近來的研究發(fā)現(xiàn)，復(fù)合加入高分子聚合物和表面活性劑不僅能夠提高減阻率，而且能夠結(jié)合各自的優(yōu)點(diǎn)、強(qiáng)化減阻[6]。 為此，研究者針對(duì)高分子聚合物和表面活性劑復(fù)合減阻開展了相關(guān)研究。

Mohsenipour等[7]發(fā)現(xiàn)低濃度的聚氧化乙烯（PEO）和較高濃度的表面活性劑十二烷基硫酸鈉（SDS）組合減阻時(shí)，可顯著增強(qiáng)減阻效果。 在高分子聚合物溶液中加入表面活性劑后可以提高聚合物長鏈的抗剪切降解能力[8，9]。 Matras等[10]研究了管徑對(duì)陽離子表面活性劑十六烷基三甲基氯化銨（CTAC/NaSal）和非離子型高分子聚合物聚氧化乙烯（PEO）復(fù)合減阻的影響，發(fā)現(xiàn)了減阻帶的存在。 該團(tuán)隊(duì)研究小直徑管道內(nèi) PEO 和CTAB/NaSal復(fù)合溶液減阻時(shí)，發(fā)現(xiàn)在一定雷諾數(shù)范圍內(nèi)復(fù)合溶液的減阻效果優(yōu)于純PEO 和CTAB/NaSal溶液的減阻效果，且復(fù)合溶液的減阻趨勢與CTAB/NaSal溶液相似[11]。 Sarmad 等[12]研究了表面活性劑十二烷基苯磺酸鈉（SDBS）對(duì)PEO溶液減阻效果的影響，在低濃度PEO溶液中加入較高濃度的SDBS 和在較高濃度PEO溶液中加入低濃度SDBS 的組合均可以取得較好的減阻效果。 Suksamranchit等[13]研究了PEO和表面活性劑鯨蠟烷三甲基氯化銨（HTAC/NaSal）復(fù)合溶液在庫埃特流中的減阻效果，與純體系相比，PEO與HTAC復(fù)合溶液出現(xiàn)減阻效果所需的PEO臨界分子量有所降低。 Suksamranchit等[14]研究了反離子對(duì)PEO和HTAC復(fù)合溶液減阻效果的影響，反離子水楊酸鈉NaSal的加入改善了HTAC膠束的穩(wěn)定性，促進(jìn)PEO分子鏈與HTAC膠束的結(jié)合，使膠束尺寸增大和減阻效果增加。 Musaab等[15]利用旋轉(zhuǎn)圓盤裝置對(duì)高分子聚合物聚異丁烯（PIB）與表面活性劑十二烷基硫酸鈉（SDS）復(fù)合溶液進(jìn)行了減阻實(shí)驗(yàn)研究，并用透射電子顯微鏡（TEM）觀察了復(fù)合溶液中微觀減阻結(jié)構(gòu)。 結(jié)果表明，微觀減阻結(jié)構(gòu)不易降解，復(fù)合溶液的減阻效果優(yōu)于純?nèi)芤旱臏p阻效果。 Kim等[16]研究了高分子聚合物聚丙烯酸（PAA）和SDS 復(fù)合溶液在旋轉(zhuǎn)圓盤裝置內(nèi)的減阻效果，發(fā)現(xiàn)SDS 是通過改變分子構(gòu)象、增加聚合物分子鏈的尺寸，來提高聚丙烯酸的減阻效果。 Liu 等[17]研究了CTAC/NaSal和非離子高分子聚合物聚丙烯酰胺（PAM）復(fù)合溶液的減阻效果，指出表面活性劑膠束聯(lián)結(jié)在聚合物長鏈上或許會(huì)形成內(nèi)部交聯(lián)密集、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的混合網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)模型，使減阻效果顯著提高。

研究表明，與對(duì)純高分子聚合物或表面活性劑溶液減阻的研究相比，對(duì)二者復(fù)合溶液減阻的研究較少且不全面，而且在研究某一影響因素時(shí)，往往忽略其他因素的協(xié)同作用，所給出的減阻機(jī)理難以解釋所有的物理現(xiàn)象。 在不同條件下，表面活性劑分子能夠聚集形成囊泡、球形、棒狀、蠕蟲狀、網(wǎng)狀等結(jié)構(gòu)[18，19]，高分子聚合物分子鏈會(huì)發(fā)生卷曲、拉伸、相互纏繞等現(xiàn)象[20，21]。 可想而知，復(fù)合溶液中微觀減阻結(jié)構(gòu)的形態(tài)變化種類和方式或許會(huì)更多。 而減阻溶液的減阻效果和流變特性直接受微觀減阻結(jié)構(gòu)形態(tài)的影響[22]。 研究減阻溶液的流變特性有助于理解減阻規(guī)律，推測減阻溶液內(nèi)部微觀的演變過程。 結(jié)合減阻現(xiàn)象，可進(jìn)一步分析與驗(yàn)證減阻機(jī)理的正確性。 因此，本文利用旋轉(zhuǎn)圓盤減阻裝置分別研究了溫度、濃度和雷諾數(shù)對(duì)CTAC/NaSal和PEO復(fù)合溶液減阻的影響，利用旋轉(zhuǎn)流變儀研究了復(fù)合溶液的流變特性，期望獲得一些減阻規(guī)律，并提出一些機(jī)理解釋。

1 實(shí)驗(yàn)方法和裝置

1.1 實(shí)驗(yàn)試劑的選取

鑒于陽離子表面活性劑CTAC具有易溶于水、毒性小以及減阻效果較好等優(yōu)點(diǎn)，且與反離子鹽NaSal以質(zhì)量比1 ∶1 溶于去離子水后，CTAC分子頭基上的陽離子會(huì)被NaSal中和，能使表面活性劑分子聚集形成更為牢固的膠束減阻結(jié)構(gòu)[23]；水溶性非離子型PEO具有耐高溫、價(jià)格低廉、對(duì)環(huán)境無污染、受pH值和離子濃度影響小等優(yōu)點(diǎn)[24]。 故選取CTAC/NaSal和PEO作為實(shí)驗(yàn)試劑，溶劑為市售去離子水，詳見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)試劑

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

1.2.1 旋轉(zhuǎn)圓盤減阻裝置

旋轉(zhuǎn)圓盤減阻裝置結(jié)構(gòu)如圖1 所示，由高速大扭矩?cái)嚢杵?、旋轉(zhuǎn)圓盤、盛液槽和循環(huán)水浴控溫系統(tǒng)等四個(gè)部分組成。 盛液槽由兩個(gè)無蓋中空圓柱體聯(lián)接而成的帶夾套玻璃容器，內(nèi)筒尺寸為180 mm×65 mm，容積約為1.65 ×106mm3。 夾套的作用是流通循環(huán)水控制待測溶液的溫度。 盛液槽蓋子由橡膠材料制作而成，橡膠蓋子是可拆的。 實(shí)驗(yàn)前，先在橡膠蓋子四周纏上防水膠帶并涂上密封軟膠，之后輕輕擠壓進(jìn)盛液槽，卡緊后再在四周涂上密封膠防止溶液泄露。 圓盤與旋轉(zhuǎn)軸焊接在一起，材質(zhì)為不銹鋼，圓盤半徑為50 mm、厚度為3 mm。高速大扭矩?cái)嚢杵饔陕?lián)軸器、電機(jī)和扭矩傳感器組成，旋轉(zhuǎn)軸通過聯(lián)軸器與電機(jī)相連。 電機(jī)轉(zhuǎn)速范圍為0 ～3000 r/min、精度為±10 r/min，扭矩傳感器量程為0 ～3.39 N·m，精度為10-4N·m。

圖1 旋轉(zhuǎn)圓盤減阻裝置結(jié)構(gòu)示意圖

恒溫槽是循環(huán)水浴控溫系統(tǒng)的主要部件，利用橡膠軟管將設(shè)定溫度的水循環(huán)流入盛液槽的夾套，來調(diào)節(jié)減阻溶液的溫度。 控溫范圍在-5 ～99.99 ℃，精度為±0.01 ℃。

1.2.2 流變儀裝置

使用安東帕MCR302 旋轉(zhuǎn)流變儀對(duì)減阻溶液進(jìn)行動(dòng)態(tài)流變測量。 流變儀性能參數(shù)和精度如表2 所示。 因所測樣品黏度較低，故采用測量精度較高的同心圓筒雙間隙夾具進(jìn)行測量（見圖2），結(jié)構(gòu)參數(shù)見表3。 為了減少測量過程中試劑的蒸發(fā)，在夾具上方設(shè)置兩塊半圓形的蓋子。

表3 雙間隙夾具幾何尺寸

圖2 雙間隙夾具結(jié)構(gòu)示意圖

表2 MCR302 流變儀主要性能參數(shù)

1.3 實(shí)驗(yàn)工況設(shè)置

為了方便對(duì)比CTAC/NaSal、PEO及其復(fù)合水溶液三者圓盤減阻規(guī)律的異同，將三種減阻溶液的實(shí)驗(yàn)溫度和雷諾數(shù)范圍設(shè)置相同，CTAC/NaSal水溶液和PEO水溶液濃度設(shè)置也相同，而兩者復(fù)合溶液的濃度設(shè)置是由單一溶液設(shè)定的濃度進(jìn)行兩兩組合而來，即給定濃度的PEO或CTAC/NaSal分別對(duì)應(yīng)三個(gè)不同濃度的另一種試劑。 文獻(xiàn)[25]表明在低溫下PEO不易溶解，試驗(yàn)結(jié)果也表明，濃度達(dá)到150 mg/L時(shí)，溶液已經(jīng)較難配置均勻，所以，CTAC/NaSal水溶液和PEO水溶液濃度范圍均設(shè)置為30 ～150 mg/L。 因CTAC/NaSal水溶液Krafft點(diǎn)[26]（開始形成膠束結(jié)構(gòu)的溫度）為9 ℃，且在過高的溫度下膠束結(jié)構(gòu)會(huì)分解和破壞，失去減阻效果。 雖然高分子聚合物具有較好的耐熱性能，但溫度過高時(shí)溶液中的分子鏈容易發(fā)生纏繞且伸展后熱動(dòng)能高的長分子鏈易斷裂[27]。 此外，文獻(xiàn)[28]對(duì)450 mg/L CTAC/NaSal水溶液剪切黏度隨溫度的變化規(guī)律表明，在低剪切速率下，CTAC/NaSal水溶液在30 ℃時(shí)黏度就接近于溶劑的黏度；在較高剪切速率下，CTAC/NaSal水溶液在50 ℃時(shí)黏度開始接近于溶劑黏度。 實(shí)驗(yàn)溫度范圍均設(shè)置為10 ～40 ℃，步長為10 ℃。 研究表明，液體流動(dòng)從層流狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧鳡顟B(tài)的旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)[29，30]應(yīng)大于3 ×105，考慮到裝置的穩(wěn)定性，雷諾數(shù)不宜過大，故雷諾數(shù)測量范圍取為3 ×105～5.5 ×105。

文獻(xiàn)[31，32]研究了剪切速率在1 ～300 s-1范圍內(nèi)表面活性劑CnTAB的流變特性，結(jié)果表明，在300 s-1之前減阻溶液表觀黏度的變化已經(jīng)接近于溶劑黏度，這說明在300s-1左右減阻溶液中膠束結(jié)構(gòu)的演化已經(jīng)結(jié)束。 復(fù)合溶液中微觀結(jié)構(gòu)的變化可能更加復(fù)雜，抗剪切力更強(qiáng)，因此，為了測量出復(fù)合減阻溶液剪切黏度隨剪切速率的變化規(guī)律，盡可能展現(xiàn)出復(fù)合溶液中微觀結(jié)構(gòu)在減阻雷諾數(shù)范圍內(nèi)的所有結(jié)構(gòu)形態(tài)，剪切速率的測量范圍設(shè)置為1 ～1000 s-1。 具體實(shí)驗(yàn)工況設(shè)置如表4所示。

表4 實(shí)驗(yàn)工況設(shè)置

1.4 減阻率計(jì)算

減阻溶液只有達(dá)到湍流狀態(tài)（旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)大于3 ×105）才能產(chǎn)生良好的減阻效果，旋轉(zhuǎn)雷諾數(shù)定義式如下：

式中：ρ為溶液密度，kg/m3；μ為溶液動(dòng)力黏度，Pa·s；ω為圓盤角速度，rad/s；r為圓盤半徑，m。

盡管減阻溶液的動(dòng)力黏度會(huì)隨著濃度、溫度和雷諾數(shù)的變化而改變，導(dǎo)致達(dá)到湍流狀態(tài)所需的轉(zhuǎn)速不同。 但由于本文減阻溶液的測量濃度較低，其密度和動(dòng)力黏度變化較小，且由于溫度變化引起動(dòng)力黏度變化而帶來的額外摩擦阻力較小[28，29]，在儀器允許的誤差范圍內(nèi)。 因此，為了方便計(jì)算和對(duì)比，本文選用去離子水的物性參數(shù)計(jì)算雷諾數(shù)。

在相同的轉(zhuǎn)速和溫度下，先后測量去離子水和減阻溶液各自的扭矩值，用式（2）計(jì)算減阻溶液的減阻率DR%：

式中：Ts為去離子水的扭矩，N·m；Tp為減阻溶液的扭矩，N·m。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論

實(shí)驗(yàn)裝置的可靠性，在文獻(xiàn)[33]進(jìn)行了驗(yàn)證，不再重復(fù)。

2.1 復(fù)合溶液減阻實(shí)驗(yàn)研究

2.1.1 CTAC/NaSal濃度對(duì)PEO水溶液減阻率的影響

圖3 給出不同溫度下CTAC/NaSal濃度變化對(duì)固定濃度PEO溶液減阻率的影響。 可以看出，隨著CTAC/NaSal的加入，PEO水溶液（即復(fù)合溶液）的減阻率明顯提高，即減阻效果顯著增強(qiáng)。在10 ℃時(shí)，所有溶液的減阻率均隨雷諾數(shù)的增加先輕微減小后快速增大，CTAC/NaSal濃度變化對(duì)復(fù)合溶液減阻率的影響不明顯，各復(fù)合溶液的減阻率相差不大。 在20 ℃和30 ℃時(shí)，復(fù)合溶液減阻率隨雷諾數(shù)的變化與PEO純水溶液的存在輕微的差別。 在研究所涉及的雷諾數(shù)范圍內(nèi)，復(fù)合溶液的減阻率均隨著雷諾數(shù)的增加而增大，而PEO純水溶液減阻率在20℃時(shí)達(dá)到一定雷諾數(shù)才開始小幅增加。 在相同雷諾數(shù)下，復(fù)合溶液的減阻率隨CTAC/NaSal濃度的增加均增大。 在40 ℃時(shí)，PEO水溶液和復(fù)合溶液的減阻率隨雷諾數(shù)的增加先增大后輕微減小或保持不變，出現(xiàn)了減阻最大雷諾數(shù)，且CTAC/NaSal濃度對(duì)復(fù)合溶液減阻率的影響相對(duì)較小，不像20 ℃和30 ℃時(shí)那么明顯。 對(duì)于所測溫度下，150 mg/L CTAC/NaSal的加入使PEO水溶液減阻效果增強(qiáng)的最明顯。在低溫和低雷諾數(shù)下，CTAC/NaSal的加入使PEO水溶液減阻率增加的較明顯，可達(dá)PEO純水溶液減阻率的5 倍；在高溫下，CTAC/NaSal的加入增大了減阻最大雷諾數(shù)。

圖3 不同溫度下CTAC/NaSal濃度對(duì)PEO水溶液減阻率的影響

2.1.2 PEO濃度對(duì)CTAC/NaSal水溶液減阻率的影響

圖4 給出了不同溫度下PEO濃度變化對(duì)CTAC/NaSal水溶液減阻率的影響。 可以看出，PEO的加入同樣使CTAC/NaSal水溶液的減阻效果得到了增強(qiáng)。 在低雷諾數(shù)和較低溫度（10 ℃和20 ℃）下，30 mg/L和75 mg/L PEO與CTAC/NaSal組成復(fù)合溶液的減阻率差別不大，其減阻率比150 mg/L PEO組成復(fù)合溶液的大。 在低雷諾數(shù)和較高溫度（30 ℃和40 ℃）下，所測濃度組合復(fù)合溶液的減阻率差別不大，即減阻效果強(qiáng)化程度相似。 高雷諾數(shù)下，在所測溫度下復(fù)合溶液的減阻率均隨加入PEO濃度的增加而增大，復(fù)合溶液的最大減阻率約為同等條件下CTAC/NaSal純水溶液的2.5 倍。 總而言之，復(fù)合溶液的減阻率均比PEO和CTAC/NaSal純?nèi)芤旱拇?，?fù)合溶液減阻率的增加不是隨某一減阻劑濃度增加單調(diào)增加的，復(fù)合溶液減阻率的變化除了受減阻劑濃度組合的影響，還與溫度和雷諾數(shù)有關(guān)。

圖4 不同溫度下PEO濃度對(duì)CTAC/NaSal水溶液減阻率的影響

2.2 流變實(shí)驗(yàn)研究

研究表明，減阻溶液的減阻效果與其內(nèi)部形成的微觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，而減阻溶液的表觀黏度也與溶液內(nèi)部減阻微觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān)[34，35]。 因此，可通過研究溶液的表觀黏度來間接反映溶液內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的變化，進(jìn)一步理解減阻機(jī)理。

2.2.1 CTAC/NaSal和PEO水溶液表觀黏度

圖5 給出了不同溫度下CTAC/NaSal和PEO純水溶液表觀黏度隨剪切速率的變化。 可以看出，對(duì)于150 mg/L的PEO水溶液，當(dāng)剪切速率較低時(shí)，溶液表觀黏度隨剪切速率的變化很小。 當(dāng)剪切速率較高時(shí)，隨著剪切速率的增加，溶液表觀黏度快速增加，出現(xiàn)剪切增稠現(xiàn)象；當(dāng)剪切速率進(jìn)一步增加，溶液表觀黏度快速降低，出現(xiàn)剪切稀化現(xiàn)象；如剪切速率繼續(xù)增大，溶液中的分子鏈會(huì)被完全破壞，溶液的表觀黏度可能與溶劑的表觀黏度相近。 另外，相同剪切速率下，溶液的表觀黏度隨溫度的升高而降低。 在較低剪切速率下，或許溫度對(duì)PEO水溶液中分子鏈的熱運(yùn)動(dòng)和相互作用起主導(dǎo)作用。 當(dāng)溫度較低時(shí)，分子鏈的熱動(dòng)能小，卷曲的分子鏈剛性較大、不易伸展，分子鏈之間也不會(huì)相互纏繞，溶液表觀黏度較高。 隨著溫度的升高，分子鏈的熱動(dòng)能增加，卷曲的分子鏈剛性變?nèi)?、逐漸展開，且沿著剪切方向漸漸排列有序，所以溶液表觀黏度降低。 在較高剪切速率下，溶液中PEO分子鏈加速伸展，并相互聯(lián)接形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致溶液表觀黏度快速增加，出現(xiàn)剪切增稠現(xiàn)象。 此時(shí)溶液減阻效果最好，減阻率最高。 在高剪切速率下，由于強(qiáng)剪切作用，空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)會(huì)被分解為分子鏈，隨著剪切持續(xù)分子鏈有可能被進(jìn)一步剪斷，導(dǎo)致溶液表觀黏度快速降低；微觀減阻結(jié)構(gòu)的消失，使溶液的減阻率減小為零。

圖5 不同溫度下CTAC/NaSal和PEO水溶液表觀黏度隨剪切速率變化規(guī)律

對(duì)于150 mg/L的CTAC/NaSal水溶液，隨著剪切速率的增加，溶液表觀黏度快速增加，在較低剪切速率就出現(xiàn)剪切增稠現(xiàn)象。 隨著剪切速率的持續(xù)增加，在較高剪切速率時(shí)，溶液表觀黏度快速降低，出現(xiàn)剪切稀化現(xiàn)象，直到溶液中膠束結(jié)構(gòu)被完全破壞，溶液表觀黏度和溶劑表觀黏度相同。值得注意的是，隨著溫度的增加，CTAC/NaSal水溶液剪切增稠時(shí)所需剪切速率增大，表觀黏度的增加幅度減小。 剪切增稠現(xiàn)象的出現(xiàn)或許是源于剪切誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)的形成。 在剪切和靜電斥力的雙重作用下，溶液中原有的囊泡結(jié)構(gòu)會(huì)逐漸轉(zhuǎn)化為棒狀膠束結(jié)構(gòu)，而棒狀膠束結(jié)構(gòu)首尾相連會(huì)形成蠕蟲狀膠束結(jié)構(gòu)。 受剪切的影響，蠕蟲狀膠束相互碰撞纏結(jié)又會(huì)形成剪切誘導(dǎo)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，所以溶液的表觀黏度快速增加，此時(shí)溶液的減阻效果最好。當(dāng)剪切速率繼續(xù)增大時(shí)，在強(qiáng)剪切作用下，剪切誘導(dǎo)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)又會(huì)分解為棒狀膠束和單分子結(jié)構(gòu)，溶液的表觀黏度快速降低。 當(dāng)微觀減阻結(jié)構(gòu)消失后，溶液的減阻率基本為零。 另外，隨著溫度的增加，高溫對(duì)膠束結(jié)構(gòu)的破壞作用增強(qiáng)，此時(shí)需要更強(qiáng)的剪切作用來克服熱運(yùn)動(dòng)對(duì)膠束結(jié)構(gòu)的影響、促使剪切誘導(dǎo)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的形成，但高溫下形成的剪切誘導(dǎo)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)數(shù)量少、強(qiáng)度弱，所以剪切增稠現(xiàn)象不明顯、溶液表觀黏度低，減阻率也小。對(duì)比CTAC/NaSal和PEO純水溶液表觀黏度曲線，發(fā)現(xiàn)PEO純水溶液剪切增稠現(xiàn)象發(fā)生在較高剪切速率下。 說明該溶液在低剪切速率下不易生成有效減阻結(jié)構(gòu)，所以在低雷諾數(shù)下減阻效果較差。 在高剪切速率下能形成有效減阻結(jié)構(gòu)，減阻效果較好。 CTAC/NaSal純水溶液剪切增稠現(xiàn)象發(fā)生在較低剪切速率下，說明該溶液在較低剪切速率下可以形成有效減阻結(jié)構(gòu)，減阻效果較好。在較高剪切速率下出現(xiàn)剪切稀化現(xiàn)象，說明減阻結(jié)構(gòu)不耐強(qiáng)剪切。 此外，隨著溫度的升高，雖然CTAC/NaSal和PEO純水溶液剪切增稠的峰值均在減小，但PEO純水溶液峰值降低幅度較小，這說明PEO溶液減阻結(jié)構(gòu)更耐高溫，在高溫下具有良好的減阻性能。

2.2.2 CTAC/NaSal和PEO復(fù)合水溶液表觀黏度

圖6 給出不同溫度下CTAC/NaSal濃度變化對(duì)相同濃度PEO水溶液表觀黏度的影響。 可以看出，同PEO純水溶液相比，復(fù)合溶液不僅在高剪切速率下剪切增稠時(shí)表觀黏度的峰值得到了提高，而且當(dāng)CTAC/NaSal達(dá)到一定濃度時(shí)，在低剪切速率下會(huì)再次出現(xiàn)剪切增稠現(xiàn)象，即較高濃度組合的復(fù)合溶液出現(xiàn)了兩次剪切增稠現(xiàn)象。 隨著溫度的升高，復(fù)合溶液剪切增稠時(shí)表觀黏度的峰值降低，達(dá)到峰值所需的剪切速率卻在增大，且較低剪切速率下的剪切增稠現(xiàn)象會(huì)消失。 與減阻現(xiàn)象相類似，剪切增稠次數(shù)也與溫度和加入的CTAC/NaSal濃度有關(guān)，當(dāng)溫度較低和CTAC/NaSal濃度較大時(shí)易出現(xiàn)兩次剪切增稠現(xiàn)象。

圖6 不同溫度下CTAC/NaSal濃度對(duì)PEO水溶液表觀黏度的影響

圖7 給出了不同溫度下PEO 濃度變化對(duì)CTAC/NaSal水溶液表觀黏度的影響。 可以看出，除40℃外，其他溫度下所有復(fù)合溶液均出現(xiàn)兩次剪切增稠現(xiàn)象，復(fù)合溶液表觀黏度的峰值基本高于CTAC/NaSal純水溶液的峰值。 隨著溫度的升高，復(fù)合溶液剪切增稠時(shí)表觀黏度的峰值減小，說明溫度對(duì)微結(jié)構(gòu)的破壞作用增強(qiáng)。 在高剪切速率下，所有溫度下復(fù)合溶液剪切增稠時(shí)表觀黏度的峰值均隨PEO濃度的增加而增加。 值得注意的是，當(dāng)溫度為40 ℃時(shí)，CTAC/NaSal純水溶液的剪切增稠現(xiàn)象約在剪切速率為100 s-1時(shí)結(jié)束，溶液表觀黏度達(dá)到最大值。 在強(qiáng)剪切作用下，發(fā)生剪切變稀現(xiàn)象，直至溶液表觀黏度與溶劑一樣。 PEO和CTAC/NaSal復(fù)合溶液約在100 s-1時(shí)才開始出現(xiàn)剪切增稠現(xiàn)象，一直持續(xù)到極高剪切速率時(shí)增稠現(xiàn)象才消失，復(fù)合溶液表觀黏度增加幅度隨加入PEO濃度的增加而增大。

圖7 不同溫度下PEO濃度對(duì)CTAC/NaSal水溶液表觀黏度的影響

圖6 和圖7 表明復(fù)合溶液剪切增稠時(shí)表觀黏度的峰值均大于純?nèi)芤旱姆逯?，特別是當(dāng)溫度較低時(shí)這種趨勢特別明顯。 這說明復(fù)合溶液內(nèi)部形成的微結(jié)構(gòu)更復(fù)雜、尺寸或許更大，對(duì)減阻更有利，所以復(fù)合溶液的減阻率更高。 復(fù)合溶液雙剪切增稠現(xiàn)象的出現(xiàn)，說明復(fù)合溶液同時(shí)具有PEO純?nèi)芤焊呒羟新氏录羟性龀砗虲TAC/NaSal純水溶液低剪切速率下增稠的特點(diǎn)，因此復(fù)合溶液在高低剪切速率下減阻率均相對(duì)較高。 隨著溫度的升高，復(fù)合溶液剪切增稠現(xiàn)象所需的剪切速率在增加，說明在高溫下大強(qiáng)剪切有助于有效減阻微結(jié)構(gòu)的形成。 可見，CTAC/NaSal和PEO的復(fù)合溶液結(jié)合了CTAC低雷諾數(shù)下減阻率高和PEO耐高溫、耐剪切的優(yōu)點(diǎn)，兩者協(xié)同作用、相互促進(jìn)，使復(fù)合溶液的減阻效果得到增強(qiáng)，在高溫、高雷諾數(shù)條件下有更高的減阻率。 也說明減阻溶液中微觀減阻結(jié)構(gòu)形成的數(shù)量和大小，直接影響減阻溶液表觀黏度的高低和減阻效果的強(qiáng)弱。

3 結(jié) 論

（1）PEO和CTAC/NaSal復(fù)合水溶液的減阻率遠(yuǎn)高于PEO以及CTAC/NaSal純水溶液的減阻率，復(fù)合減阻溶液結(jié)合了CTAC/NaSal減阻率高和PEO耐高溫、耐剪切的優(yōu)點(diǎn)，其減阻雷諾數(shù)和減阻溫度范圍均變寬，在高溫和（或）高雷諾數(shù)條件下減阻率較高。

（2）CTAC/NaSal（或PEO）濃度變化對(duì)復(fù)合溶液減阻率的影響，在低雷諾數(shù)時(shí)小于高雷諾數(shù)時(shí)的影響，且PEO濃度變化對(duì)復(fù)合溶液減阻率的影響小于CTAC/NaSal濃度變化的影響；對(duì)于復(fù)合減阻溶液，最佳減阻溫度約為30 ℃，與純?nèi)芤簻p阻率相比40 ℃時(shí)其減阻增強(qiáng)最為顯著；當(dāng)溫度和雷諾數(shù)較低時(shí)，CTAC/NaSal加入使PEO溶液減阻率的增加幅度，大于PEO加入使CTAC/NaSal溶液減阻率的增加幅度，而在高溫和高雷諾數(shù)情況下結(jié)果相反。

（3）在所測溫度和濃度下，CTAC/NaSal和PEO純水溶液僅出現(xiàn)一次剪切增稠現(xiàn)象，而兩者某些濃度組合的復(fù)合溶液卻出現(xiàn)了兩次剪切增稠現(xiàn)象，且復(fù)合溶液剪切增稠時(shí)表觀黏度的峰值大于純水溶液的，充分表明復(fù)合溶液結(jié)合了CTAC/NaSal在較低剪切速率下減阻率高和PEO耐高溫和強(qiáng)剪切的優(yōu)點(diǎn)，從而導(dǎo)致減阻效果得到增強(qiáng)，減阻雷諾數(shù)和減阻溫度范圍變寬。