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含氧乙烯基团的阴离子表面活性剂是性能优良且环境友好的绿色产品,本研究组前期已开展了Guerbet醇聚氧乙烯醚硫酸酯钠盐的合成及性质研究,由于其抗温性较差,对于高温条件难以适用,本论文有针对性地合成了抗温性能更优良的Guerbet醇聚氧乙烯醚乙酸钠(简称CmGAEC)作为研究对象,以泡沫复合驱技术为主要研究背景,着重考察CmGAEC类表面活性剂的溶解特性、表/界面活性以及泡沫性能,并用荧光探针和电子顺磁共振自旋探针方法进一步研究了其在水溶液中的胶团化作用,具体研究内容及结果如下:
以正庚醇、正辛醇为起始原料,依次通过Guerbet反应、醇的卤代反应、Williamson反应、羧基化反应以及中和反应等过程,选择恰当的分离分析手段,合成得到未见文献报道的八种结构明确、纯度较高的Guerbet醇聚氧乙烯醚乙酸钠化合物(C14GA(EO)nCH2COONa,n=0,1,2,3,4;C16GA(EO)nCH2COONa,n=0,1,2;其中GA代表Guerbet alcohol)。
通过对不同结构CmGAEC表面活性剂表面张力随其浓度变化曲线的测定,结合热力学计算,得到了各种表征表面活性剂表面性质的物化参数(如临界胶团浓度cmc,降低表面张力的能力πcmc、降低表面张力的效率pC20,饱和吸附量Γmax及标准胶束自由能△G0mic),并探讨了氧乙烯基(EO)数目变化对CmGAEC表面性质的影响规律和相关机理。实验发现在本论文研究范围内,随EO数目的增加CmGAEC降低表面张力的能力和效率均增强;本论文还通过对CmGAEC盐溶液与不同正构烷烃及原油之间的界面张力测定,发现在合适盐浓度时(无碱条件下)CmGAEC水溶液能与正构烷烃和胜利原油之间形成超低界面张力,说明这类表面活性剂具有良好的界面活性和潜在的应用前景。
利用荧光探针法和电子顺磁共振自旋探针法,从微观角度研究了合成的CmGAEC系列表面活性剂在水溶液中的聚集性能和胶团微环境特征。探讨了CmGAEC分子中氧乙烯基团(EO)数目的变化对临界胶团浓度、胶团聚集数、以及胶团微环境性质等方面的影响,发现分子中EO数目增加(从0-4),CmGAEC的临界胶团浓度下降,胶团核壳层极性变化不大,胶团亲水表面层极性由于电荷更加分散有变小趋势,胶团聚集数减小。
通过气流法测定了不同结构CmGAEC表面活性剂水溶液的泡沫性能,并考察了不同因素(如表面活性剂浓度、温度、不同添加剂等)的影响。实验发现,在本论文研究范围内,分子中EO单元数的增加使其发泡性能增强;温度升高,其起泡能力有所增强,但泡沫稳定性变差;烷基醇酰胺的加入使泡沫稳定性明显增强;不同高聚物的加入对泡沫稳定性影响复杂,有待进一步深入研究。
本论文的研究为构筑高效驱油表面活性剂的分子设计理论提供了相关的理论依据和实验基础。