油田聚丙烯酰胺聚合物溶液的物理性质


       聚合物溶液根据聚合物和低分子液体之间数量比的不同大致分为:稀溶液、浓溶液和凝胶。通常把浓度5%以下的聚合物溶液认为是稀溶液,5%以上的则属于浓溶液的范畴,而凝胶则是浓度很大的溶液。一般浓度达60%左右时,溶液最容易形成凝胶状态。高分子稀溶液有以下特点:一是与低分子稀溶液定律有偏差,二是与同浓度的低分子溶液相比黏度大,三是具有一定的稳定性,四是溶液黏度受多种因素影响。与高分子稀溶液相比,高分子浓溶液有以下几个特点:一是多数浓溶液具有抽丝成膜性,二是浓溶液具有触变性。高分子聚合物的溶解与低分子化合物的溶解不同,低分子化合物溶解时,由于溶质和溶剂的分子都很小,互相扩散很容易进行,且它只是经历分子扩散、渗透这一过程,而高分子聚合物的溶解有两个过程,必须先经过溶胀,然后才逐渐溶解。造成这种不同的原因,主要是高分子聚合物与溶剂分子的尺寸相差悬殊,两者分子运动速度存在着数量级差别,溶剂小分子能很快渗入大分子间的空隙,但聚合物大分子自身分子间的吸引力远比低分子大,当将它们投入溶剂时,不能迅速扩散进入溶剂分子中。溶胀是溶剂小分子渗入聚合物大分子空隙后,吸附在分子链上使大分子质量、体积相对增大的现象。溶胀的类型有两种,即无限溶胀和有限溶胀。无限溶胀是聚合物无线地吸收溶剂分子直至形成均相溶液为止,亦即先溶胀后溶解,如聚丙烯酰胺溶于水即为此种类型,线型、支链型聚合物可以限线溶胀。有限溶胀是聚合物吸收溶剂到一定限度后,无论与溶剂接触多长时间,都极少溶解或完全不溶解,交联体型聚合物只能有限溶胀。

    聚合物溶解需要三个条件:(1)聚合物分子结构为直链线型能溶解,交联度很低的聚合物加热后缓慢溶解,交联度高的体型聚合物不易溶解;(2)聚合物溶解必须有适当的溶剂,根据“极性相似相容”原则选择溶剂,如聚丙烯酰胺有极性基因,可溶于水而不溶于油;(3)分子链越长(即相对分子质量越大),因聚合物自身分子间的内聚力越大,所以溶解性越小。

      聚合物溶解遵循的规律:“极性相似相容原则”、“溶剂化原则”、“溶度参数相近原则”。这三条溶解规律不是孤立无关的,而是有一定联系的,所以选溶剂时要综合起来考虑,并结合一定的试验才能选出最合适的溶剂。极性相似相容原则,即聚合物可以溶解在化学结构和极性与其相似的溶剂中,两者的极性越相近,其溶解性越好。溶剂化原则,溶剂化作用是溶质与溶剂接触时,溶剂分子对溶质分子产生相互作用力,该作用力大于溶质分子之间的内聚力时,使溶质分子彼此分离而被溶剂分子包围的作用。极性溶剂分子和聚合物分子中的极性基团相互吸引能产生溶剂化作用,即聚合物溶解。分子和分子间的力或相互作用能,统称为内聚能,它是使物质分子间通过相互作用而聚到一起的能。单位体积的内聚能称为内聚能密度,内聚能密度的平方根称为溶度参数,溶度参数也是分子间力的一种量度。当某种溶剂与聚合物能以任何比例相容,互不发生反应或缔合,且溶解过程没有体积和热焊的变化时,认为该溶剂与聚合物的溶度参数相同。只要选择与聚合物溶度参数相同或相近的溶剂,就可以溶解聚合物。溶度参数相近原则又称为内聚能密度相近原则,适用于非极性或弱极性聚合物和溶剂体系。

      聚合物的流变性:可简单划分为弹性、黏性和塑性。基丙烯酰胺的流变性是指在外力作用下,溶液黏度与流速或压差之间的关系。聚丙烯酰胺溶液完整的流变曲线,如图1-1所示。