完井用多孔隙形状记忆聚合物的性能影响因素研究

2021-04-20段友智刘锦春信卫东

石油钻探技术 2021年2期

段友智，侯倩，刘锦春，岳慧，艾爽，信卫东

（1.中国石化石油工程技术研究院，北京102206；2.青岛科技大学高分子科学与工程学院，山东青岛266042；3.中国石化胜利油田分公司石油化工总厂，山东东营257000）

形状记忆聚合物（SMP）是一种新型功能材料，具有初始形状经形变固定后，在外界条件（热、光、电等）改变后又可恢复其初始形状的特殊性能，可用于天然气水合物防砂完井[1–2]和压裂转向[3]，解决钻井和固井过程中的漏失[4–5]等问题，尤其是热致型形状记忆聚合物在石油工程领域具有广泛的应用前景[6–10]。热致型形状记忆聚合物由内聚能较大的硬段相和内聚能较小的软段相组成，硬段相具有物理交联结构，温度升高不会影响其交联的立体构型，可起到记忆初始形状的作用；软段相分子链较长且内聚能较小，当温度升至其玻化温度或者结晶熔融温度时，会由较硬的玻璃态转变为可变形的高弹态，调节软段相与硬段相的比例，可使形状记忆聚合物呈现良好的热敏性[11–13]。

合成形状记忆聚合物软段相聚己内酯二醇的相对分子质量通常为1 000或2 000，利用不同相对分子质量的多元醇制得的形状记忆聚合物在玻璃化温度、形变恢复温度、力学性能及孔隙结构等方面会有一定的差异[14–16]，形变恢复温度、力学性能及孔隙结构等难以满足该类材料在石油工程领域的应用[17]。为给制备适用于不同井下条件的多孔隙形状记忆聚合物提供依据，笔者通过改变不同相对分子质量聚己内酯二醇N220和N210的质量比，制备了不同的多孔隙形状记忆聚合物，测试了其力学性能、玻璃化温度、热敏性及孔隙结构，分析了不同相对分子质量聚己内酯二醇N220和N210的质量比对多孔隙形状记忆聚合物力学性能、玻化温度、热敏性及孔隙结构的影响。

1 多孔隙形状记忆聚合物的制备

1.1 原材料

聚己内酯二醇N210和N220，相对分子质量分别为1 000和2 000，工业品；二苯基甲烷二异氰酸酯（MDI），工业品；1,4-丁二醇（BDO），分析纯；三羟甲基丙烷（TMP），分析纯；自制去离子水；A-1催化剂，工业品；三亚乙基二胺（A33），工业品；多孔隙形状记忆聚合物稳定剂（DC-2525），工业品；开孔剂（Niax L-6164），工业品。

1.2 试样制备

1）A组分。将计量好的聚己内酯二醇、扩链（交联）剂及其他助剂加入三口烧瓶中，加入计量好的去离子水，搅拌均匀得聚己内酯多元醇，即A组分。

2）B组分。将计量好的聚己内酯多元醇加入三口烧瓶中，在110～120℃下减压脱水，将温度降至60℃，加入计量好的MDI，在一定温度下反应1.5 h得改性MDI，即B组分。

3）制样。将模具加热至50～60℃，将A、B组分加热至40℃左右并按计算好的比例混合均匀，倒入模具，固化后脱模，即得多孔隙形状记忆聚合物。

2 聚己内酯二醇质量比对多孔隙形状记忆聚合物性能的影响

聚己内酯二醇N 210和N 220按100∶0、70∶30、50∶50、30∶70、0∶100的质量比与MDI反应得到改性MDI，与对应的聚己内酯多元醇混合，制备密度0.23～0.24 g/cm3的热致型形状记忆聚合物，考察两种不同相对分子质量聚己内酯二醇质量比对多孔隙形状记忆聚合物性能的影响。

2.1 力学性能

用LX-C硬度计（邵尔C型）按照标准HG/T 2489—2007测试多孔隙形状记忆聚合物的硬度，结果见图1；用A I-7000S型万能拉力机按照标准GB/T1041—2008测试多孔隙形状记忆聚合物的压缩强度，按照标准GB/T9341—2008测试多孔隙形状记忆聚合物的弯曲强度，结果见图2和图3。

图1 不同聚己内酯二醇质量比对多孔隙形状记忆聚合物硬度的影响Fig.1 Effect of different mass ratio of polycaprolactone diol on the hardness of porousshapememory polymer

图2 不同聚己内酯二醇质量比对多孔隙形状记忆聚合物压缩强度和弯曲强度的影响（平行发泡方向）Fig.2 Effect of different mass ratio of polycaprolactone diol on the compressive strength and bending strength of porous shapememory polymer(parallel to foam ing direction)

图3 不同聚己内酯二醇质量比对多孔隙形状记忆聚合物压缩强度和弯曲强度的影响（垂直发泡方向）Fig.3 Effect of different m ass ratio of polycaprolactone diol on the com pressive strength and bending strength of porous shape m emory polymer(perpendicular to foam ing direction)

由图1可以看出：利用聚己内酯二醇N210制得的多孔隙形状记忆聚合物的硬度最高，利用聚己内酯二醇N220制得的多孔隙形状记忆聚合物的硬度最低；不同质量比的N210和N220制得的多孔隙形状记忆聚合物，随着N220比例增大，其硬度逐渐降低。

由图2和图3可以看出：利用聚己内酯二醇N210制得多孔隙形状记忆聚合物的压缩强度及弯曲强度最高；N210和N220按不同质量比制得多孔隙形状记忆聚合物，随着N220比例增大，多孔隙形状记忆聚合物的压缩强度及弯曲强度逐渐降低。这是因为N220比例增大，提高了多孔隙形状记忆聚合物中软段相的含量，从而降低了其内部交联密度及氢键的密度，削弱了分子间的相互作用，提高了分子链的柔顺性，导致其力学性能降低。由于多孔隙形状记忆聚合物存在各向异性，因此其力学性能在平行于发泡方向和垂直于发泡方向上也存在着一定差异，平行于发泡方向上的强度更高、微观结构更完善，因此力学性能较垂直于发泡方向更好。

2.2 玻璃化温度

用1/700型差示扫描量热仪测试多孔隙形状记忆聚合物的玻璃化温度，结果见图4。

从图4可看出，N 210与N220按100∶0、70∶30、50∶50、30∶70、0∶100的质量比制得的多孔隙形状记忆聚合物的玻璃化温度分别为55.6，69.2，59.3，62.9和65.7℃。由此可以看出，制得孔隙形状记忆聚合物原料中N220所占比例越大，玻璃化温度越高，这是因为多孔隙形状记忆聚合物的玻璃化温度主要取决于软段相多元醇的相对分子质量，随着多孔隙形状记忆聚合物分子链中N 220增多，软段相的平均相对分子质量也逐渐变大，软段相分子间的作用力和内聚能变大，原料中的N220含量越高，制得的多孔隙形状记忆聚合物的玻璃化温度越高。

图4 不同聚己内酯二醇质量比对多孔隙形状记忆聚合物玻化温度的影响Fig.4 Effect of different mass ratio of polycaprolactone diol on the glass transition temperature of porous shape memory polymer

2.3 孔隙结构

使用JSM-7500F型扫描电子显微镜观察多孔隙形状记忆聚合物的孔隙结构，按标准GB 8810—2005测试多孔隙形状记忆聚合物的孔径，结果见表1、图5和图6。

表1 不同聚己内酯二醇质量比对多孔隙形状记忆聚合物泡孔尺寸的影响Table 1 Effect of differentmass ratio of polycaprolactone diol on the pore size of porousshape memory polymer

由图5和图6中可以看出，N210和N220按不同质量比制得的多孔隙形状记忆聚合物在开孔性、泡孔尺寸和孔隙结构等方面有所不同。由于N220的相对分子质量较高，随着原料中N220含量增大，在反应温度不变的情况下，其黏度逐渐变大，导致原料的混合均匀度降低，气体逸出的速率也逐渐降低，因此在合成工艺不变的情况下，利用N210制得的多孔隙形状记忆聚合物泡孔的开孔率高，泡孔尺寸小，泡孔均匀性好；利用N220制得的多孔隙形状记忆聚合物开孔率较低，泡孔尺寸、孔型系数和泡孔壁厚大。随着原料中N 220含量增大，多孔隙形状记忆聚合物的开孔率逐渐降低，泡孔尺寸逐渐变大，孔型系数、泡孔壁厚也随之变大，各向异性也逐渐增强。

图5 不同聚己内酯二醇配质量比对多孔隙形状记忆聚合物泡孔尺寸的影响Fig.5 Effect of different mass ratio of polycaprolactone diol on the pore sizeof porousshape memory polymer

2.4 热敏性

将多孔隙形状记忆聚合物在高温下从原始状态压缩至初始高度的30%，冷却固化定型后，将其置于FN101-1A型电热恒温干燥箱中，测量多孔隙形状记忆聚合物的可形变温度及形变恢复温度，结果见图7。

图6 不同聚己内酯二醇质量比对多孔隙形状记忆聚合物孔隙结构的影响Fig.6 Effect of different mass ratio of polycaprolactone diol on the pore structure of porous shapemem ory polymer

图7 不同聚己内酯二醇质量比对多孔隙形状记忆聚合物热敏性的影响Fig.7 Effect of different mass ratio of polycaprolactone diol on the thermal sensitivity of porous shape m em ory polymer

由图7可知，不同相对分子质量聚己内酯二醇按不同质量比制得的多孔隙形状记忆聚合物具有不同的热形变温度和形变恢复温度。热形变温度为试样软化可任意变形的温度，形变恢复温度为材料从压缩状态开始恢复原样的温度。由于不同相对分子质量聚己内酯二醇的分子结构不同，其热形变温度及形变恢复温度也不同。N210的相对分子质量较小，分子间的相互作用力较小，因此利用N210制得的多孔隙形状记忆聚合物的热形变温度及形变恢复温度均较低。N220的相对分子质量较大，分子间的作用力较大，软硬段相之间的相容性较差，促使其形成了更完善的微相分离结构，软段相会形成微结晶结构，分子间的作用力较N210更大，因此利用N220制得的多孔隙形状记忆聚合物的热形变温度和形变恢复温度最高。随着制备多孔隙形状记忆聚合物原料中N220比例逐渐增大，所制多孔隙形状记忆聚合物的热形变温度和形变恢复温度也逐渐升高。