新型耐高温体膨型高分子材料研发及性能评价探析

魏道清

（河南工业和信息化职业学院 河南 焦作 454000）

1 引言

众所周知，石油是一种战略物资，能够助力国家发展。但在油田中开采原油时，大部分地层的整体温度过高，当石油开采处于中期或后期，一旦缺乏耐高温材料，就会增加石油开采的难度，油井内部情况也会越发复杂[1]。以往都会使用凝胶作为耐高温材料，但由于部分油田地层下方的温度最高可达150 ℃，在这种环境下凝胶性能会大幅受限，无法保持材料强度、耐热性以及稳定性，最终会导致凝胶材料无法在油田地层发挥价值，还会限制油田开采的实际效率[2]。这时，为了增加我国石油的开采效率，相关人员需要重新寻找一种新型材料，最好研发一种新型耐高温的体膨型高分子材料，因此，以下便针对一种新型耐高温体膨型高分子材料的研发及性能展开讨论。

2 实验材料

2.1 仪器

实验中所用仪器主要有以下几种：（1）XMTD-6000电热恒温水箱；（2）Nicolet750红外光谱仪；（3）Vegaiilsu电子图像显微分析仪。其中XMTD-6000电热恒温水箱具备干燥、蒸馏以及恒温加热等功能；Nicolet750红外光谱仪具备高分辨率、高信号输出等功能；Vegaiilsu电子图像显微分析仪具备图像处理、分析等功能[3]。

2.2 材料

在本次实验中的所用材料较多，其中化学材料有：丙烯酰胺、草酸、乙酸、磷酸、浓硫酸、氨水、碳酸氢钠、丙酮、苯甲醛、甲醇、（铵根）过二硫酸、氯化钠、化学纯、聚乙烯醇、氟化氢、浓盐酸、碳酸钠、甲醛、过硫酸钾、化学纯、硼酸、乙醇、交联剂（N，N-亚甲基双丙烯酰胺）、柠檬酸、六次甲基四胺。其他材料有：油田地层水、矿化度32 336数43 438 mg/L、氯化钙型，含钙离子+11 092数15 352 mg/L、氯-17 193数23 796 mg/L、去离子水、自来水。

3 方法与结果

3.1 实验方法

提前确定实验材料的适宜计量，将聚乙烯醇、丙烯酰胺以及相应的反应原料，具体有碳酸氢钠、过硫酸钾、交联剂、草酸、（铵根）过二硫酸、六次甲基四胺，根据适宜计量放入自来水中进行溶解，溶解过程需要随时进行搅拌，并根据相应顺序与比例，将所有溶解物相互混合，待所有溶解物完成混合后，方可停止搅拌，将其放在50 ℃左右环境中进行静置。静置过程需要实时观察混合物的颜色，正常混合物会从透明色变成乳白色，从流动液体变成固体，整个过程大约需要2 h左右。在完成混合物反应之后，便可通过Nicolet750红外光谱仪与Vegaiilsu电子图像显微分析仪，针对混合物展开深入观察，在正常的室内温度作用下，观察浸泡在量筒水中的材料性能，其中涵盖：吸水性能、稳定性能以及体膨性能等。再使用剪裁工具将混合物变成颗粒，将颗粒放入反应釜之中，填入适量的油田地层水，最终将其放在90℃、120℃以及140℃的温度中进行观察，确定新型耐高温体膨型高分子材料的耐温性能。

3.2 结构研发

3.2.1 聚乙烯醇结构

通过钠盐溶液对聚乙烯醇进行3次洗涤操作后，对其进行全面烘干，此时通过Nicolet750红外光谱仪对其进行交联，见图1。

图1 聚乙烯醇交联前后的光谱图

为了保证交联效果，特意在其中加入（铵根）过二硫酸与过硫酸钾。通过上图可知，1 200 cm左右的是单键吸收峰；在开始交联之前其中并不存在乙酸，但在开始交联后，单键吸收峰得到显著的强化。

3.2.2 丙烯酰胺结构

通过乙醇对丙烯酰胺进行3次洗涤操作后，对其进行全面烘干，此时通过Nicolet750红外光谱仪对其进行交联，见图1。

由图2可知，其中3 500 cm左右是氨基吸收峰，此峰在交联前后都存在；1 650 cm左右是羰基吸收峰，此峰在交联前后都有存在。处于1 550 cm左右的是双键振动峰；1 300 cm左右的是单键振动峰。这几种峰型在相互交联后就会开始出现小时趋势，这就证明以上几种峰型，能够在交联过程产生聚合反应，而且这种反应非常彻底，几乎没有留下任何残留物。

图2 丙烯酰胺交联前后的光谱图

3.2.3 材料结构分析

在聚乙烯醇和丙烯酰胺都得到交联处理后，便可将两种主要材料相互结合，这样就能将聚乙烯醇和丙烯酰胺的价值发挥到最大程度，混合材料自身性能也能在两种材料的加持下得到进一步强化[4]。经过相互结合后的材料混合物十分强韧，将其定型为4.5 cm左右的圆饼，再对其展开拉扯操作，最终将其拉扯至30 cm左右，材料混合物依然没有出现断裂或裂缝等状况，由此可知，这种材料具备较为理想的抗拉扯性能。

3.3 稳定性能

在本次实验中针对材料的稳定性能进行确定时，需要在正常室内温度下，使用自来水将材料放在烧杯之中浸泡，浸泡时间为90 d，最后对材料形状与结构展开观察。如果材料形状与结构出现明显变化，代表材料稳定性较差，但本次实验中的材料，在形状与结构上并没有出现明显变化，这就代表新型耐高温体膨型高分子材料稳定性能较为理想[5]。

3.4 体膨性能

在本次实验中针对材料的体膨性能进行确定时，需要在正常室内温度下，使用自来水将材料放在量筒之中浸泡，为了精准确定材料的体膨性能，特意将浸泡时间定为：30 min、80 min、130 min，在未开始浸泡之前的材料高度为26 cm，在开始浸泡实验后材料高度与体膨性能有所变化，见表1。

表1 材料体膨变化表

通过表1可知，随着材料浸泡时间的加长，材料高度会在膨胀作用下有所提高，体膨倍数也会随之出现变动，但这种变化在浸泡130 min之后，就不会出现再次变化，由此可知，新型耐高温体膨型高分子材料体膨性能的最大倍数是1.69。

3.5 耐温性能

在本次实验中针对材料的耐温性能进行确定时，需要使用油田地层水将材料放在90 ℃、120 ℃以及140 ℃的环境中进行浸泡，浸泡时间为130 d，最终通过观察可以得知，材料颜色有所加深，自身性能并没有过多变化，这就代表新型耐高温体膨型高分子材料的耐温性能十分良好。在开始耐温性能实验之前，放在3种温度环境中的材料体积均为44 mL，在完成本次实验后处于3种温度环境中的混合物体积有所变化，见表2。

表2 材料体积变化表

通过表2可知，随着材料在不同温度环境中的浸泡时间，材料体积会在高温作用下持续下降，这种变化与体膨变化不同，如果继续延长浸泡时间，材料体积依然会在原有基础上继续下降。但由于下降趋势并不是十分明显，所以新型耐高温体膨型高分子材料的耐热性能较高[6]。

4 讨论

聚乙烯醇和丙烯酰胺在多种辅助材料的作用下，便可形成新型耐高温体膨型高分子材料。通过以上实验分析可以确定，新型耐高温体膨型高分子材料具有较好的稳定性、抗拉性、体膨性以及耐热性。当材料遇水后体积会有所膨胀，但最大倍数便是1.69，即便时间有所延长，也不会出现再次变化。经过本次实验后确定，新型耐高温体膨型高分子材料完全可以应用于油田开采领域[7]。