Aloilla, kuten öljynporaus, lääketiede ja päivittäiset kemikaalit, erityisellä materiaalilla, jota kutsutaan "vesiliukoisiksi{0}}amfifiilisiksi kopolymeereiksi", on tärkeä rooli. Kuvittele aine, joka voi sekoittua tasaisesti sekä veden että öljyn kanssa, sakeuttaa nesteitä paakkuuntumatta ja jopa pysyä vakaana ankarissa olosuhteissa-tämä on juuri sitä, mitä nämä kopolymeerit tekevät. Tällaisten hyödyllisten materiaalien valmistuksen ytimessä on keskeinen ainesosa: N-vinyylipyrrolidoni (NVP). Sen puhdasta polymeeriä, polyvinyylipyrrolidonia (PVP), käytetään jo laajalti, koska se on turvallinen (ei--myrkyllinen ihmiskeholle), liukenee helposti veteen ja sillä on hyvä stabiilisuus. Saatat löytää sitä lääketieteellisistä siteistä (pitääkseen haavat kosteana), kosmeettisissa sakeuttamisaineissa (jotta saat lotion koostumuksen sileäksi) tai jopa elintarvikelisäaineista (jotta ainesosat sekoittuvat). Mutta tässä on saalis: NVP itsessään on melko kallis. Jos käytämme vain puhdasta PVP:tä, kustannukset ovat liian korkeat suuriin{10}sovelluksiin, kuten öljykentille. Tästä syystä tutkijat ovat yrittäneet sekoittaa NVP:tä muihin halvempiin, toiminnallisempiin ainesosiin -luoen "kopolymeerejä", jotka säilyttävät PVP:n edut ja lisäävät samalla uusia ominaisuuksia ja leikkaavat kustannuksia.
1. Johdanto: Miksi tutkimme N-vinyylipyrrolidonikopolymeerejä
Ymmärtääksemme, miksi näillä kopolymeereillä on merkitystä, murretaan niiden ydinominaisuus: olla "amfifiilinen". Jokaisessa molekyylissä on kaksi osaa,{1}}joka rakastaa vettä (kutsutaan "hydrofiiliseksi", kuten kahvissasi oleva sokeri) ja toinen, joka vihaa vettä (kutsutaan "hydrofobiseksi", kuten öljy). Tämä kaksoisluonne antaa heille mahdollisuuden tehdä kaksi tärkeää asiaa: ensinnäkin ne alentavat veden pintajännitystä, mikä auttaa sekoittamaan öljyä ja vettä (hyödyllinen puhdistustuotteissa tai öljyn talteenotossa); toiseksi ne voivat sakeuttaa nesteitä kytkeytymällä yhteen muodostaen "verkoston" veteen (täydellinen pitämään shampoo paksuna tai öljykenttien nesteet eivät tule liian ohuiksi).
NVP on näiden kopolymeerien tärkein ainesosa, koska se tarkistaa kaikki laatikot: se on turvallinen (bioyhteensopiva, joten se ei vahingoita ihoa tai ympäristöä), helppo sekoittaa muiden kemikaalien kanssa (sillä on reaktiivinen "kaksoissidos", joka sitoutuu hyvin muihin monomeereihin) ja sen hydrofiilinen osa auttaa kopolymeeriä liukenemaan veteen. Mutta puhtailla NVP{1}}polymeereillä on suuri puute,-että ne eivät kestä ankaria olosuhteita todellisessa-käytössä. Esimerkiksi öljykaivoissa lämpötila voi olla 65 astetta tai korkeampi, ja vesi on täynnä suolaa (kuten NaCl, CaCl2). Puhdas PVP ohenee ja hajoaa nopeasti täällä, mikä tarkoittaa, että se ei voi auttaa työntämään öljyä ulos kaivosta tehokkaasti.
Asetimme selkeän tavoitteen: suunnitella ja valmistaa kolme uutta NVP{0}}pohjaista kopolymeeriä, testata niiden tärkeimmät ominaisuudet (kuten niiden kyky alentaa pintajännitystä, käsitellä lämpöä ja liueta veteen) ja tarkistaa, toimivatko ne hyvin yleisen öljykenttäkemikaalin, nimeltä AP-P4 (öljyn syrjäyttävä aine, joka tyypillisesti menettää sakeuttamiskykynsä lämmön ja suolan vaikutuksesta), kanssa.
2. P:n (NVP/DMFA) tekeminen ja testaus
Ensimmäinen luomamme kopolymeeri on nimeltään P (NVP/DMFA). Sen tekemiseksi he yhdistävät NVP:n toiseen kemikaaliin nimeltä dodekafluoriheptyylimetakrylaatti (DMFA)-älykäs valinta, koska DMFA sisältää fluoriatomeja. Fluori tunnetaan materiaalien stabiilisuudestaan: se kestää lämpöä, vettä ja korroosiota.
Valmistusprosessi on yksinkertainen ja tarkka. Sekoitamme ensin NVP:tä ja DMFA:ta vaihtelevissa suhteissa (99,7:0,3-98,5:1,5) tolueeniin, liuottimeen, jota käytetään yleisesti kemikaalien liuottamiseen. Kun seos on valmis, lisäämme pienen määrän AIBN:ää (atsobisisobutyronitriiliä), kemikaalia, joka "käynnistää" reaktion hajoamalla vapaiksi radikaaleiksi. Kuumenna seos 80 asteeseen ja anna sen reagoida 6 tuntia. Kun reaktio on mennyt loppuun, seos kaadetaan dietyylieetteriin, toiseen liuottimeen, kopolymeerin saostamiseksi valkoisena jauheena. Lopuksi jauhe suodatetaan ja kuivataan tyhjössä, jolloin saadaan P(NVP/DMFA).
Testit osoittivat, että tämä kopolymeeri oli vaikuttava:
- Pinta-aktiviteetti: Kun se sekoitettiin veteen pitoisuudella 10 g/l, se alensi veden pintajännitystä arvosta 72 mN/m (puhdas vesi) arvoon 34 mN/m-, mikä on valtava pudotus, mikä tarkoittaa, että se auttaa erinomaisesti öljyn ja veden sekoittumista.
- Lämpötilan ja suolan vaikutus: Kuumemmat lämpötilat (25 - 45 astetta) saivat sen toimimaan entistä paremmin-korkeampi lämpö heikensi kopolymeerin hydrofiilisten osien ja veden välistä sidosta, joten hydrofobiset osat saattoivat ryhmitellä enemmän, mikä alensi pintajännitystä entisestään. Suolan lisäämisellä (kuten NaCl:lla) oli "U--muotoinen" vaikutus: pieni suola (alle 0,01 mol/L) nosti pintajännitystä hieman (koska suola teki vedestä polaarisemman, jolloin hydrofobiset osat leviävät), mutta enemmän suolaa (yli 0,01 mol/L) sai sen putoamaan uudelleen (suolaosat ryhmittelivät hydrofobiset osat).
- Aggregaatiokäyttäytyminen: Kun kopolymeeri oli laimeaa (alle 0,1 g/l), sen molekyylit laskostivat itsensä päälle (kutsutaan "molekyylinsisäiseksi assosiaatioksi")-ajatella, että lankapallo kiristyy. Kun se oli väkevämpi (yli 0,1 g/l), molekyylit liittyivät toisiinsa (kutsutaan "molekyylienväliseksi assosiaatioksi")-kuten monet lankapallot, jotka liittyivät yhteen muodostaen suuren verkon. Tämä verkko tekee nesteistä paksuja.
- Lämmönkestävyys: Käyttämällä konetta nimeltä termogravimetri (TGA), he havaitsivat, että kopolymeeri vain menetti painoa (hajoaa) yli 300 astetta. Ennen sitä painonpudotus oli vain vettä tai pieniä epäpuhtauksia. Ja kun he lisäsivät DMFA:ta, hajoamislämpötila nousi-osoitus siitä, että fluori tekee siitä lämpöstabiilimman-.
- Öljykentän käyttö: Kun sekoitettiin AP-P4:n (tavallinen öljyn-syrjäytysaine, joka ohenee lämmössä), 75 mg/l P(NVP/DMFA) -lisäyksellä oli suuri ero. 45 asteessa, 400 tunnin vanhentamisen jälkeen, seoksen viskositeetti (paksuus) pysyi yli 300 mPa·s-paljon korkeampana kuin puhdas AP-P4, joka putosi 150 mPa·s:iin. Tämä tarkoittaa, että se voi auttaa pitämään öljykenttien nesteet paksuina ja työntämään enemmän öljyä kaivoista.
3. P(NVP/MA) luominen ja testaus
Toinen kopolymeeri on P(NVP/MA), ja sen supervoima on liukoisuus. Tiimi yhdisti NVP:n maleiinihappoanhydridiin (MA)-halpaan,-helposti-löytävään kemikaaliin, joka on loistava yhdessä asiassa: saa kopolymeerit liukenemaan nopeasti veteen. MA itse ei pysty muodostamaan polymeeriä yksinään, mutta se sitoutuu täydellisesti NVP:n kaksoissidoksen kanssa.
Synteesi oli samanlainen kuin ensimmäinen kopolymeeri: sekoitettiin NVP:tä ja MA:ta suhteessa 75:25 - 25:75 tolueeniin, lisättiin AIBN, kuumennettiin 80 asteeseen 6 tunniksi ja saostettiin dikloorimetaanilla, jolloin saatiin vaaleankeltainen kiinteä aine. Paras osa? Tämä kiinteä aine liukenee veteen välittömästi-ei sekoitusta tuntiin, mikä on iso plussa todellisessa-käytössä.
Testit osoittivat sen vahvuudet (ja muutamat heikkoudet):
- Pinta-aktiviteetti: Se ei alentanut pintajännitystä yhtä hyvin kuin P(NVP/DMFA)-10 g/l:ssa, se laski vain arvoon 45 mN/m. Mutta se on silti parempi kuin monet tavalliset sakeuttamisaineet.
- Aggregaatio ja vakaus: Ensimmäisen kopolymeerin tapaan sen kriittinen pitoisuus oli 0,1 g/l (sen alapuolella taitettuna; yläpuolella verkkoon kytkettynä). Se kesti myös lämpöä hyvin, mutta hajosi kahdessa vaiheessa: ensin NVP:n amidisidokset katkesivat 200-300 asteessa, sitten pääketju katkesi 300-400 asteessa. MA:n lisääminen nosti ensimmäisen läpilyöntilämpötilan korkeammaksi, mikä on hyvä vakauden kannalta.
- Öljykentän käyttö: AP-P4:n kanssa sekoitettuna se loisti kuumissa olosuhteissa. 65 asteessa (yleinen öljykaivolämpötila) vain 25 mg/l P(NVP/MA) lisääminen piti seoksen vakaana -800 tunnin jälkeen, viskositeetti oli edelleen yli 220 mPa·s, kun taas puhdas AP-P4 putosi 80 mPa·s:iin. MA:n polaariset ryhmät muodostivat "vetysidoksia" AP-P4:n kanssa pitäen molekyylit yhdessä ja estäen niitä hajoamasta lämmössä.
4. HDA-P(NVP/MA) luominen ja testaus
Kolmas kopolymeeri, HDA-P(NVP/MA), on päivitetty versio toisesta kopolymeeristä. Tutkimusryhmä totesi, että P(NVP/MA) osoitti huonoja hydrofobisia assosiatiivisia ominaisuuksia-sen hydrofobinen osa ei ollut riittävän vahva. Siksi he modifioivat sitä heksadekyyliamiinilla (HDA), pitkäketjuisella-yhdisteellä, joka sisältää 16 hiiliatomia. Tällä pitkällä ketjulla on poikkeuksellinen hydrofobisuus, mikä mahdollistaa kopolymeerin paakkuuntumisen paremmin ja vähentää pintajännitystä.
Muokkausprosessi on yksinkertainen: toisessa vaiheessa saatu P(NVP/MA)-jauhe liuotetaan asetoniin, minkä jälkeen lisätään HDA:ta. MA sisältää anhydridiryhmiä, jotka reagoivat helposti HDA:n aminoryhmien kanssa (kuten kaksi palapelin palaa, jotka sopivat yhteen). Reaktion annetaan edetä huoneenlämpötilassa neljä tuntia, minkä jälkeen lisätään pieni määrä natriumhydroksidia liuoksen neutraloimiseksi. Modifioitu kopolymeeri saostuu valkoiseksi jauheeksi -HDA-P(NVP/MA).
Testit osoittivat päivityksen toimivan:
- Pinta-aktiviteetti: Se alensi veden pintajännitystä arvoon 38 mPa·s 10g/L-paremmin kuin muokkaamaton P(NVP/MA) (45 mPa·s). Ja toisin kuin kahdessa ensimmäisessä kopolymeerissä, suolan lisääminen vain vähensi pintajännitystä (ei U{5}}muotoa)-pitkät HDA-ketjut ryhmittyivät enemmän yhteen, kun suola teki vedestä polaarisemman.
- Lämmönkestävyys: Se oli lämmön{0}}vakain näistä kolmesta. TGA-testit osoittivat, että se hajosi kahdessa vaiheessa: ensin HDA-ketjut katkesivat 200-300 asteessa, sitten pääketju katkesi 300-450 asteessa. Pääketjun rikkoutumislämpötila oli 380 -30 astetta korkeampi kuin P(NVP/MA) - kiitos HDA:n pitkien ketjujen, jotka toimivat "kilvenä" pääketjulle.
- Öljykentän käyttö: Se oli kustannustehokkain-. Lisäämällä vain 25 mg/l HDA-P(NVP/MA) AP-P4:ään seoksen viskositeetti saavutti 400 mPa·s 400 tunnin jälkeen 45 asteessa. HDA-ketjut ja AP{10}}P4:n hydrofobiset osat muodostivat "synergistisiä assosiaatioita"-ne liittyivät tiiviisti yhteen, mikä teki seoksesta erityisen paksun. Vähän meni pitkälle, mikä säästäisi rahaa öljykentille.
5. Mitä löysimme ja mitä seuraavaksi
Kaikkien kolmen kopolymeerin valmistuksen ja testauksen jälkeen ryhmä teki selvät johtopäätökset:
- Jokaisella kopolymeerillä on supervoimansa: P(NVP/DMFA) sopii parhaiten pintajännityksen alentamiseen ja lämmön käsittelyyn; P(NVP/MA) liukenee välittömästi ja toimii kuumissa kaivoissa; HDA-P(NVP/MA) on halpa (toimii pieninä määrinä) ja erittäin lämpö-stabiili.
- Aggregoinnin keskeiset säännöt: Kaikilla kolmella "kriittinen pitoisuus" oli ~0,1 g/l-sitä alapuolella, molekyylit taittuvat; sen yläpuolella ne linkittyvät verkkoon. Kuumemmat lämpötilat ja enemmän suolaa saivat ne liittymään toisiinsa, mikä on juuri sitä, mitä tarvitaan öljykenttien nesteiden sakeuttamiseen.
- Öljykentän arvo: Kun sekoitettuna AP-P4:n kanssa, jokainen kopolymeeri korjasi AP-P4:n heikkouden (viskositeetin menettäminen lämmössä/suolassa). Tämä tarkoittaa, että niitä voitaisiin käyttää lisäaineina öljyn talteenoton tehostamiseksi.
Toivomme tutkivamme kahta keinoa: näiden kopolymeerien testaaminen lääketieteessä,{0}}voidaanko niitä käyttää lääkkeiden kantajina (lääkkeiden hitaasti vapauttamiseen kehossa) tai bioyhteensopivina pinnoitteina (lääketieteellisille laitteille)? Tai voisimme optimoida synteesiprosessin vähentääksemme kopolymeerien kustannuksia-tällä hetkellä jotkin ainesosat, kuten DMFA, ovat edelleen kalliita, joten halvempien vaihtoehtojen löytäminen voisi auttaa tehtaita tuottamaan niitä suuressa mittakaavassa.
Lisätutkimuksen ansiosta näistä N-vinyylipyrrolidonikopolymeereistä voi tulla öljykenttien, sairaaloiden ja jopa päivittäisen elämän perustuotteita,{1}}joten tuotteista tulee turvallisempia, tehokkaampia ja edullisempia.