聚合物溶液流變性_第1頁(yè)
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1、聚合物溶液的流變模式聚合物流變性是指其在流動(dòng)過(guò)程中發(fā)生變形的性質(zhì),主要體現(xiàn)在有外力場(chǎng)作用時(shí),溶液粘度與流速或壓差之間的變化關(guān)系。高分子的形態(tài)變化導(dǎo)致了聚合物溶液宏觀性質(zhì)的變化。聚合物溶液是非牛頓流體,其流動(dòng)行為可用OstwaldDewael冪律方程[56]來(lái)描述:根據(jù)流體力學(xué)對(duì)液體流型的分類(lèi),驅(qū)油用的部分水解聚丙烯酰胺溶液屬于假塑性流型,即表觀粘度呈現(xiàn)剪切稀化現(xiàn)象。在低剪切速率下,溶液的流變曲線斜率n=1,符合牛頓流動(dòng)定律,稱(chēng)為第一牛頓

2、流動(dòng)區(qū),該區(qū)的粘度通常稱(chēng)為零切粘度η0,即γ&→0的粘度。隨著剪切速率的增大,流動(dòng)曲線的斜率n1,稱(chēng)假塑性區(qū),該區(qū)的粘度為表觀粘度ηa;剪切速率的增大,表觀粘度ηa值變小,其表觀粘度與剪切速率呈冪指數(shù)關(guān)系。在假塑性區(qū),剪切速率與表觀粘度的關(guān)系可用OstwaldDewael冪律模型來(lái)描述。HPAM水溶液的完整的流變曲線如圖21所示。流變曲線包括牛頓段、假塑段、極限牛頓段、粘彈段和降解段。粘度隨剪切速率的變化與高分子在溶液中的形態(tài)結(jié)構(gòu)有關(guān)。

3、在很小的剪切速率下,大分子構(gòu)象分布不改變,流動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)沒(méi)有影響,聚合物溶液的粘度不隨剪切速率的變化而變化,此即牛頓段;當(dāng)剪切速率較大時(shí),在切應(yīng)力的作用下高分子構(gòu)象發(fā)生了變化,長(zhǎng)鏈分子偏離平衡態(tài)構(gòu)象,而沿流動(dòng)方向取向,使聚合物解纏和分子鏈彼此分離,從而降低了相互運(yùn)動(dòng)阻力,這時(shí)表觀粘度隨剪切速率的增加而降低。當(dāng)剪切速率增加到一定程度以后,大分子取向達(dá)到極限狀態(tài),取向程度不再隨剪切速率而變化,聚合物溶液遵守牛頓流動(dòng)定律,表觀粘度又成為常數(shù),此即

4、所謂的極限牛頓段。當(dāng)剪切速率再增加時(shí),主鏈的相鄰鍵偏離了正常的鍵角,從而產(chǎn)生了彈性恢復(fù)力,而表現(xiàn)出粘彈性,使表觀粘度增加。當(dāng)剪切速率增加到足以使高分子鏈斷裂時(shí),發(fā)生能了聚合物降解,使聚合物粘度降低。另外,隨著剪切速率的增加,ηa下降,開(kāi)始時(shí)ηa下降很快,隨后變得緩慢,逐漸趨于平緩,進(jìn)一步說(shuō)明了HPAM屬于假塑性流體。Mooney方程可解釋這一現(xiàn)象,體系的表觀粘度ηa與粒子的內(nèi)相體積Vi、堆積系數(shù)φ和形態(tài)常數(shù)ke有如下關(guān)系:油;(2)相對(duì)

5、分子質(zhì)量對(duì)聚合物溶液流變特性的影響由于在HPAM長(zhǎng)鏈大分子上有大量強(qiáng)極性的—CONH2和—COONa側(cè)基,具有很強(qiáng)的氫鍵作用,在大分子間形成物理交聯(lián)點(diǎn),使之具有空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。隨著聚合物相對(duì)分子質(zhì)量的增大,大分子鏈越長(zhǎng),分子鏈越容易纏結(jié),網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)就不容易被破壞,所以ηa隨相對(duì)分子質(zhì)量的增大而增加。另外,隨著相對(duì)分子質(zhì)量增大,ke增加,而n降小,這是因?yàn)棣莂隨相對(duì)分子質(zhì)量的增大而增加,隨著ηa增大,ke增加,而n降小,符合非牛頓流體的規(guī)律。

6、因此,在注入能力允許的范圍內(nèi),聚合物相對(duì)分子質(zhì)量越大對(duì)驅(qū)油效率越有利。因?yàn)榉肿淤|(zhì)量越小,HPAM溶液的ηa小,則使原油的粘度與HPAM溶液的粘度比值變大,即流度比(M)變大,容易發(fā)生粘性指進(jìn)現(xiàn)象,使驅(qū)油效率下降。反之,相對(duì)分子質(zhì)量越大,τ越大,油HPAM溶液界面作用力越大,越有利于驅(qū)動(dòng)水驅(qū)后殘余油;(3)礦化度對(duì)聚合物溶液流變特性的影響表觀粘度ηa隨著礦化度的增大而降低,原因是在HPAM水溶液中,COONa基團(tuán)上的Na發(fā)生電離,使基團(tuán)呈

7、負(fù)電性,COO基團(tuán)間的相斥作用使高分子鏈的構(gòu)象比較舒展,線團(tuán)尺寸較大,因此使流動(dòng)阻力增大,粘度增大。當(dāng)溶液中加入鹽后一部分陽(yáng)離子相對(duì)集中在COO的周?chē)?,遮蔽了有效電荷,使陰離子的排斥作用引起的鏈的擴(kuò)展作用減弱,分子鏈的蜷曲作用增強(qiáng),使線團(tuán)尺寸縮小,流動(dòng)阻力減小,所以ηa隨著礦化度的增大而降低。n隨礦化度的增大而增大,是由于鹽會(huì)削弱大分子之間作用力,減少了大分子之間的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu);HPAM溶液在驅(qū)油過(guò)程中,由于地層水中經(jīng)常含有一價(jià)陽(yáng)離子(Na

8、)和二價(jià)陽(yáng)離子(Ca2)等,它們對(duì)HPAM溶液的流變行為影響較大,使得HPAM溶液的ηa急劇下降,因此會(huì)使驅(qū)油效率大幅度下降。礦化度的增大,HPAM溶液的τ越小,油HPAM溶液界面作用力越小,越不利于驅(qū)動(dòng)水驅(qū)殘余油。3.1聚合物粘彈性概述粘彈性定義:典型的粘性體服從牛頓流體定律,應(yīng)力與應(yīng)變速率dεdt呈線性關(guān)系,即σ=μdεdt,用積分表示,則ε(t)=tσμ,粘性物體受到切應(yīng)力后,所產(chǎn)生的應(yīng)變不僅與應(yīng)力大小有關(guān),而且隨時(shí)間變化。典型的

9、彈性體服從虎克定律,即σt=Gε,應(yīng)力與應(yīng)變之間存在線性關(guān)系,即物體受應(yīng)力時(shí)立即產(chǎn)生應(yīng)變,應(yīng)變的大小不隨時(shí)間改變,只與應(yīng)力大小成正比。粘彈性流體與粘性流體主要區(qū)別:①粘彈性流體可以“拉動(dòng)”其后面的流體;粘性流體只能“推”,不能拉。②去掉外力后,彈性體可以全部恢復(fù)其形狀;粘彈性流體可以部分恢復(fù);粘性流體不能恢復(fù)。③在外力作用下,流體會(huì)產(chǎn)生與外力方向相同的變形(或位移);彈性體和粘彈性流體除產(chǎn)生上述與外力同方向的變形(或位移)外,還會(huì)產(chǎn)生一

10、個(gè)與外力方向相垂直的力,即法向力,使粘彈性流體各方向上的應(yīng)力不相等,產(chǎn)生法向應(yīng)力差。拉伸時(shí),與拉伸方向(主應(yīng)力)相垂直的應(yīng)力小于主應(yīng)力。流體運(yùn)動(dòng)時(shí)的流體方向就相當(dāng)于拉伸方向。根據(jù)水力學(xué)的原理,粘性流體各方向上的應(yīng)力相等,因此不會(huì)產(chǎn)生法向應(yīng)力差。與普通的牛頓流體的層間粘性切應(yīng)力相比,粘彈性流體則會(huì)表現(xiàn)出不同的力學(xué)行為。在流動(dòng)過(guò)程中,粘彈性流體會(huì)由于微觀結(jié)構(gòu)的原因表現(xiàn)為各向異性,產(chǎn)生非等值的法向應(yīng)力分量(法向應(yīng)力差非零)。法向應(yīng)力差會(huì)引起W

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