聚合物PAM_PVP与表面活性剂SDS的相互作用

聚合物／ 表面活性剂在表面相对表面吸附点的 竞争吸附形成两组分共存的表面膜， 聚合物分子在 表面的吸附实际上在某种程度上压缩了表面相中表 面活性剂的浓度。随 ＳＤＳ 浓度的增加， 表面相中的 聚合物分子逐渐被表面活性剂分子取代， 表面相中 表面活性剂浓度增加。当 ＳＤＳ 浓度超过 ＣＭＣ 后， 表面相中的聚合物分子完全被取代， 表面膜主要由 表面活性剂分子构成。当表面活性剂浓度超过其与
研究溶液表面张力随表面活性剂浓度变化的关 系， 发现在不同的聚合物浓度情况下， 都会出现当表 面活性剂浓度处于其临界胶束浓度 ＣＭＣ 附近时， 界面张力出现最低值， 低于 ＣＭＣ 时界面张力随 ＳＤＳ 浓度的增加而迅速降低， 大于 ＣＭＣ 后界面张 力随 ＳＤＳ 浓度的增加而回升 ， 最 终 达 到 平 衡 的 情 况。且聚表相互作用使溶液界面的界面张力比纯表 面活性剂溶液的界面张力有所升高。
最小） 。但不同浓度下的变化趋势又存在差异， 主要 体现在： 聚合物浓度越高， 出现粘度最大值（ 最小值） 的表面活性剂浓度越低； 聚合物浓度越高， 在高表面 活性剂浓度下聚表体系粘度比单独聚合物溶液的粘 度下降越多。
３． 实验结果与讨论 ３．１ ＳＤＳ 浓度对表面张力的影响
由 上 图 可 以 看 出 ＳＤＳ 浓 度 较 低 时 就 能 显 著 降 低表面张力， 而且变化很快， 但是降低到一定值（ １ｇ／ Ｌ） 时不再继续降低了， 依此计算 ＣＭＣ 就在其附近。 表面张力曲线出现最低点， 与文献介绍不同， 主要是 由于表面活性剂的纯度影响。 ３．２ ＳＤＳ／ ＰＡＭ 和 ＳＤＳ／ ＰＶＰ 混合体系的粘度行为
参考文献 ［１］ 赵国 玺． 表 面 活 性 剂 物 理 化 学 ［Ｍ］ 修 订 版． 北 京 大 学出版， １９９１． ［２］ Ｎａｇａｒａｊａｎ Ｒ ． Ｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃｓ ｏｆ ｎｏｎｉｏｎｉｃ ｐｏｌｙｍｅｒ－ ｍｉｃｅｌｌｅ ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ ［Ｊ］． Ｃｏｌｌｏｉｄｓ ａｎｄ Ｓｕｒｆａｃｅｓ， １９８５， （１３）： １－ １７． ［３］ 叶仲斌， 施雷庭等． 新型缔合聚合物与表面活性剂的 相互作用［Ｊ］． 西南石油大学学报， ２００３， ＶＯＬ２５， ＮＯ１． ［４］ 李干佐， 隋卫平， 徐桂英． 日用化学工业， Ｎｏ．５， １９９６． ［５］ Ｋｒｉｓｈｎａｎ Ｃｈａｒｉ， Ｊ． Ｐｈｙｓ． Ⅱ Ｆｒａｎｃｅ ５：１４２１－ １４２６， １９９５ ［６］ Ｃｏｏｋｅ Ｄ． Ｊ．， Ｄｏｎｇ Ｃ．Ｃ．， Ｌｕ Ｊ． Ｒ ．， Ｔｈｏｍａｓ Ｒ ． Ｋ．， Ｓｉｍｉｓｔｅｒ， Ｅ． Ａ． ａｎｄ Ｐｅｎｆｏｌｄ Ｊ．， Ｊ． Ｐｈｙｓ Ｃｈｅｍ． Ｂ １０２（１９９８） ４９１２． ［７］ Ｐｕｒｃｅｌｌ Ｉ．Ｐ．， Ｌｕ Ｊ．Ｒ ．， Ｔｈｏｍａｓ Ｒ ．Ｋ．， Ｈｏｗｅ Ａ．Ｍ． ａｎｄ Ｐｅｎｆｏｌｄ Ｊ． Ｌａｎｇｍｕｉｒ，１４（１９９８）１６３７． ［８］ Ｐｕｒｃｅｌｌ Ｉ．Ｐ．， Ｔｈｏｍａｓ Ｒ ．Ｋ．， Ｐｅｎｆｏｌｄ Ｊ． ａｎｄ Ｈｏｗｅ Ａ．
聚合物相互作用的饱和点时， 过量的表面活性剂分 子仅形成正常的表面活性剂胶束［６－ ８］。
４． 结论 通过以上的研究可以得出结论， 聚合物 ＰＶＰ 和
ＰＡＭ 与表面活性剂 ＳＤＳ 之间存在着明显的相互作 用， 它们通过缔合作用形成混合胶束状聚集体， 导致 溶液性质显著变化． 这种相互作用会影响聚表混合 体系的粘度和溶液界面的表面张力。
本文采用溶液粘度法和表面张力法进行研究， 通过考察聚 ／表复合体系的体相粘度变化和界面张 力变化来研究聚 ／表体系之间的相互作用。
表面活性剂具有一个显著的特征， 即存在一个 临界胶束浓度（ ＣＭＣ） ， 需通过测量表面活性剂溶液 的表面张力随表面活性剂溶液浓度的变化来确定。
对于聚表体系， 为了考察 ＰＡＭ 及 ＰＶＰ 与 ＳＤＳ 之间的相互作用以及这种作用对体相粘度和界面张 力的影响， 分别取不同浓度的表面活性剂溶液和不 同浓度的聚合物溶液进行复配， 并测定其表面张力 和体系粘度的变化。
本 文 的 目 的 是 研 究 阴 离 子 型 表 面 活 性 剂 ＳＤＳ 与 ＰＡＭ 以及 ＰＶＰ 之间的相互作用程度及机理， 从 而对聚表二元体系的实际应用做出理论指导。
２． 实验部分 ２．１ 实验药品
聚丙烯酰胺分子量大约 ３０００００００， 分析纯； 聚乙烯吡咯烷酮 Ｋ３０ 分子量大约 ３００００， 分析 纯；
由图 ２、图 ３ 曲线分析在不同聚合物浓度下， 聚 表体系的相对粘度随 ＳＤＳ 浓 度 的 变 化 趋 势 均 表 现 为， 随着表面活性剂 ＳＤＳ 浓度的增加， 聚 表 复 合 体 系的粘度先增加（ 降低） 后降低（ 增加） ， 然后趋于平 衡， 在某一表面活性剂浓度下相对粘度达到最大（ 或
在聚合物溶液中加入表面活性剂溶液后， 其粘 度表现出明显的聚电解质特征， 并且电粘效应随表 面活性剂浓度的增加而增强。在表面活性剂达到临 界胶束浓度（ ＣＭＣ） 之前， 聚合物分子与表面活性剂 分子发生缔合作用， 且在此过程中， 氢键起到了主导 作用。当表面活性剂浓度大于临界胶束浓度（ ＣＭＣ） 时， 聚合物－ 表面活性剂混合溶液的粘度随表面活 性剂浓度的增加而显著升高， 这主要是因为聚合物 与表面活性剂胶团发生缔合作用， 是大分子链上电 荷数目增多， 静电斥力是聚合物分子进一步伸展造 成的［４－ ５］。 ３．３ ＳＤＳ／ ＰＡＭ 和 ＳＤＳ／ ＰＶＰ 混合体系的表面张力行 为
从 不 同 浓 度 聚 合 物 溶 液 与 不 同 浓 度 ＳＤＳ 作 用 相对表面张力曲线变化可以看出， 聚合物－ 表面活
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性剂混合体系的界面张力随表面活性剂浓度的变化 趋势为： 当表面活性剂浓度处于其临界胶束浓度 ＣＭＣ 附近时， 界面张力出现最低值， 低于 ＣＭＣ 时 界 面 张 力 随 ＳＤＳ 浓 度 的 增 加 而 迅 速 降 低 ， 大 于 ＣＭＣ 后界面张力随 ＳＤＳ 浓度的增加而回升， 最终 达到平衡。与纯表面活性剂表面张力变化曲线比较 可知混合体系表面张力发生了变化， 二者发生了相 互作用。其原因在于当 ＳＤＢＳ 浓度增加到一定程度 后 ， ＳＤＢＳ 的 进 一 步 增 加 将 促 使 在 油 水 界 面 上 膜 的 形成， 降低表面活性剂的界面活性， 使界面张力升 高。
研究溶液粘度随表面活性剂浓度变化的关系， 发现在不同的聚合物浓度情况下溶液粘度曲线均呈 现先升高后下降的同样形状， 其粘度最高值均位于 同样条件下表面活性剂的临界胶束浓度 （ ＣＭＣ） 附 近。它们相互作用的情况在 ＣＭＣ 前后存在两种不 同的分子聚集体形成机制。在表面活性剂浓度小于 ＣＭＣ 时， 表面活性剂在聚合物疏水微区富集， 促进 相互缔合， 形成混合胶束， 不断产生聚合物交联结 构， 使溶液粘度上升。当表面活性剂浓度大于 ＣＭＣ 时， 表面活性剂自身形成胶束， 聚合物疏水体增溶于 胶束， 并随胶束数量增加， 聚合物交联程度不断降 低， 导致溶液粘度下降。
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开发指南 － １５ －
聚 合 物 ＰＡＭ／ＰＶＰ 与 表 面 活 性 剂 ＳＤＳ 的 相 互 作 用
张天宇 代加林 陈 东 （ 西南石油大学材料科学与工程学院 成都， ６１０５００）
摘 要： 本文通过对聚合物 ＰＡＭ／ ＰＶＰ 与表面活性剂 ＳＤＳ 混合体系的相对粘度和表面张力研究， 证明 聚合物 ＰＡＭ／ ＰＶＰ 与表面活性剂 ＳＤＳ 之间存在着明显的相互作用。这两种聚合物很容易和表面活性剂相互 作用， 通过缔合， 形成混合胶束状聚集体， 导致溶液粘度剧增。随聚合物溶液中 ＳＤＳ 的加入， 溶液粘度发生起 伏变化， 出现最大值（ 最小值） 。而二者的相互作用使体系溶液的表面张力在 ＳＤＳ 的临界胶束浓度（ ＣＭＣ） 前 后呈现先减小后增大， 最后趋于平衡的情况。且聚表相互作用使溶液界面的界面张力比纯表面活性剂溶液的 界面张力有所升高。
由于聚合物表面活性剂体系具有这些优良性 质， 已被广泛地应用于涂料、化妆品、洗涤剂、食品、 药 物 、感 光 材 料 、采 矿 和 采 油 等 诸 多 领 域 ［２］。 特 别 是 在油田的三次采油过程中， 聚合物－ 表面活性剂二 元体系已经开始作为高效驱油剂使用， 并且还在不 断研究完善中。
在众多的化学驱提高采收率技术中， 聚合物驱 和表面活性剂驱提高采收率技术是较为成熟的技
术。但单独的聚合物溶液只能提高驱替相的粘度， 不 能明显降低界面张力； 相反， 单独的表面活性剂溶液 只能降低界面张力， 不能提高驱替相的粘度， 故单独 的聚合物驱和表面活性剂驱都不能将原油采收率提 高到满意程度。如果能够综合这二者各自的优点， 形 成既增粘又降低界面张力的聚表二元体系， 就能够 达到大幅度提高采收率的目的［３］。
关键词： 聚合物 ＰＡＭ／ ＰＶＰ， 表面活性剂， 相互作用， 相对粘度， 表面张力
Ｔｈｅ Ｉｎｔｅｒ ａｃｔｉｏｎ Ｂｅｔｗｅｅｎ Ｐｏｌｙｍｅｒ ＰＡＭ／ＰＶＰ ａｎｄ Ｓｕｒ ｆａｃｔａｎｔ ＳＤＳ
Ａｂｓｔｒ ａｃｔ： Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｈａｓ ｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ ｒｅｌａｔｉｖｅ ｖｉｓｃｏｓｉｔｙ ａｎｄ ｓｕｒｆａｃｅ ｔｅｎｓｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｍｉｘｅｄ ｗｉｔｈ Ｐｏｌｙ－ ｍｅｒ ＰＡＭ／ ＰＶＰ ａｎｄ Ｓｕｒｆａｃｔａｎｔ ＳＤＳ， ａｎｄ ｐｒｏｖｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ Ｐｏｌｙｍｅｒ ＰＡＭ／ ＰＶＰ ａｎｄ Ｓｕｒｆａｃ－ ｔａｎｔ ＳＤＳ ｉｓ ｅｘｉｓｔ． Ｔｈｅｓｅ ｔｗｏ ｋｉｎｄ ｏｆ ｐｏｌｙｍｅｒ ｉｓ ｅａｓｙ ｔｏ ｉｎｔｅｒａｃｔ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｔａｎｔ， ａｎｄ ｆｏｒｍ ｍｉｘｅｄ ｍｉｃｅｌｌｅ ｃｏｎ－ ｇｅｒｉｅｓ ｂｙ ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ， Ｔｈｉｓ ｒｅｆｌｅｃｔ ｏｎ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｖｉｓｃｏｓｉｔｙ． Ｔｈｅ ｖｉｓｃｏｓｉｔｙ ｗｉｌｌ ｂｅ ｃｈａｎｇｅｄ ａｎｄ ａｐｐｅａｒｅｄ ａ ｍａｘ ｖａｌｕｅ （ｍｉｎｉｍｕｍ ｖａｌｕｅ） ａｌｏｎｇ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｓｕｒｆａｃｔａｎｔ． Ａｎｄ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ ｃａｕｓｅｓ ｔｈｅ ｉｎｓｔａｎｃｅ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｔｅｎｓｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｍｉｎｉｓ ｂｅｆｏｒｅ ｔｈｅ ＣＭＣ， ｔｈｅｎ ｉｎｃｒｅａｓｅ， ａｎｄ ｆｉｎａｌｌｙ ｇｏｅｓ ｂａｌａｎｃｅ． Ａｎｄ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ ｃａｕｓｅｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｔｅｎｓｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｍｉｘｅｄ ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｉｓ ｈｉｇｈｅｒ ｔｈａｎ ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｔａｎｔ ｓｏｌｕｔｉｏｎ．