纤维素纳米纤丝疏水改性及其在油田封堵凝胶中的应用研究
TEMPO氧化纤维素纳米纤丝（TOCNF）是一种经氧化植物纤维结合机械处理得到的凝胶状物质，其具有特殊的凝胶特性、巨大的比表面积、高反应活性和高机械强度等优势，可作为一种理想的功能材料用于增强水凝胶的强度。然而TOCNF表面功能基团为羧基，在高温下其凝胶耐热性下降，出现变稀行为，限制其在高温环境下的应用。本文旨在对TOCNF进行功能化疏水改性，在纤维表面引入疏水基团，利用疏水缔合原理改善凝胶的耐热性，并以改性TOCNF作为聚合物凝胶的增效剂，改善复合凝胶的耐热性以及机械性能，从而制备出高机械性能的复合水凝胶，并探索其作为油田堵漏材料的潜在应用价值。主要研究内容及成果如下： 1．首先，在CTAB做催化剂的条件下，利用绿色试剂碳酸二甲酯对TOCNF进行疏水改性，将碳酸二甲酯（DMC）的甲基基团接枝到TOCNF表面得到DMC改性的TOCNF（DMC-TOCNF）其中，当DMC添加量为250%（相对于绝干TOCNF）时，取代度最高为0.630，且当温度从30℃上升到160℃时，粘度从2369mPa·s上升到2.9×104mPa·s。相反TOCNF则从2369mPa·s下降到167mPa·s。从而证明DMC改性赋予TOCNF高温凝胶性能，提高其凝胶耐热性。其次，将DMC-TOCNF与丙烯酰胺（AM）和N,N-二甲基丙烯酰胺（DMAA）进行混合，原位聚合制备DMC-TOCNF复合水凝胶。DMC-TOCNF与聚合物键之间通过物理缠结和氢键作用，形成稳定的水凝胶，并通过力学试验证明DMC-TOCNF增强水凝胶的强度。 2．在甲基化改性基础上，利用带有双键的烯基琥珀酸干（ASA）对TOCNF进行改性得到同时带有双键和疏水长链的ASA-TOCNF。其中当ASA添加量为200%（相对于绝干TOCNF）时，ASA-TOCNF取代度达到最大，同时ASA-TOCNF也具有高温成胶性。然后，将ASA-TOCNF与N,N-二甲基丙烯酰胺（DMAA）以及AM混合，通过聚合反应制备ASA-TOCNF基水凝胶。通过ASA-TOCNF侧链上的双键使TOCNF与聚合物键之间形成共价交联，形成更稳定的水凝胶结构。研究发现，拉伸和压缩强度较原始水凝胶分别提高3倍和2.8倍。此外，在模拟油田环境下（110℃，2wt%盐浓度）对ASA-TOCNF增强的水凝胶进行老化和压缩试验，结果表明其具有良好的耐分解能力和凝胶强度。 3．利用单宁酸（TA）具有丰富的酚羟基，将ASA-TOCNF与单宁酸以及AM和DMAA混合后原位聚合制备P(AM-co-DMAA)TA/ASA-TOCNF复合水凝胶。研究发现，当TA添加量为20wt%，ASA-TOCNF添加量为1wt%时，力学试验表明P(AM-co-DMAA)/TA/ASA-TOCNF具有较高的强度和韧性，拉伸强度较传统水凝胶提高了3.3倍。同时，在模拟油田环境下（130℃，5wt%盐浓度）P(AM-co-DMAA)TA/ASA-TOCNF水凝胶的老化和质构试验结果表明其具有良好的耐分解能力和凝胶强度。
纤维素纳米纤丝;四甲基哌啶氧化物;疏水改性;复合水凝胶;油田堵漏材料
天津科技大学
硕士
轻工技术与工程
温洋兵
2022
中文
TE39
2023-08-29（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）