梳型聚合物的分子设计及其在提高原油低温流动性领域的应用基础研究

因蜡沉积造成的管道堵塞给原油输送带来严重困扰，本项目旨在利用梳型共聚物与原油组分蜡、沥青质和胶质的分子组装，提高原油的低温流动性，解决冬季原油输送问题，达到节能降耗，缓解能源紧张的目的。拟以提高通用性为目标，采用自由基共聚法制备含非极性烷基侧链、极性和芳香基团的梳型共聚物。分子设计的依据是：非极性侧链与蜡通过疏水缔合发生组装成核及共晶，极性和芳香基团分别与沥青质和胶质中的极性和芳香组分组装形成胶束，从而阻止蜡晶的融合和沥青质、胶质的凝聚。重点从流变学角度，研究对原油低温屈服应力影响，模拟原油凝胶的剪切破坏过程，建立组装行为和流变学改性效果的评价体系。结合SAXS、PLM、WAXD、DSC等表征方法，研究组装方式和行为对蜡晶形貌、结构和结晶行为及热、动力学的影响，运用NMR和GPC研究分子结构与组装的内在联系，探索原油低温流动改性的机理，为设计和制备新一代高效通用原油流动改性剂提供理论指导。

选择辽河原油和塔河原油作为主要研究对象，利用ASTM标准对原油中蜡和沥青质组分进行了分离，并利用气-质联用色谱分析了蜡组分的碳分布特点，使用包括红外、核磁共振氢谱和碳谱、元素分析和XRD等手段表征了沥青质的结构。介于原油是一个非常复杂的混合体系，为了更好的寻找到原油组分与梳型聚合物的作用机理，配制了含有简单蜡组分和沥青质组分的模型油。.根据原油的组分特点，设计合成在主链共聚和侧链上接枝不同功能基团的梳型共聚物，如在主链上通过不同单体共聚得到MASC和SMAC，在侧链上通过化学修饰接枝含苯环、萘环和PEG基团的AMAC、NMAC和PMAC。通过完善自由基聚合条件，对梳型聚合物分子中非极性侧链、极性和芳香基团的比例进行调控。采用高级旋转流变仪、差示扫描量热扫描仪(DSC)、广角X射线衍射(XRD)和偏光显微镜(PLM)等表征手段研究梳型共聚物对模型油和原油中蜡晶的结晶行为和沥青质聚集状态的影响。对于模型油体系来说，无论通过共聚手段，还是通过侧链化学接枝的手段，只要在聚合物侧链引入芳香基团，都可以提高模型油的流动性。究其原因，除了梳型聚合物侧链的长链烷基可以破坏蜡的规整结构外，芳香侧链与沥青质基团的作用可削弱沥青质片层的堆叠结构。比较之前的MAC、AMAC和NMAC，AMAC的效果最好，MAC次之，NMAC最差。这一结果与我们当初的设想违背。因此，怀疑芳香基团与主链的距离可能影响聚合物与沥青质的作用。为此，在AMAC的基础上，设计合成了EMAC和BMAC，即与苯环相连的联接基为2碳和4碳。结果显示，联接基越长，模型油的流动性越好，也即与沥青质的作用更好。对于原油体系来说，梳型聚合物提高流动性的规律与模型油体系吻合的很好，这说明完全可以利用相对简单的模型油体系来寻找梳型聚合物与原油组分的组装作用规律。此外，DSC结果显示，加入梳型聚合物后，模型油和原油的初始结晶温度和结晶焓均降低。说明梳型聚合物可抑制原油中蜡晶的形成，使蜡在更低的温度结晶，结晶度也有所下降。XRD结果显示，加入梳型聚合物后，蜡晶的规整度被破坏。偏光显微镜观察到，梳型聚合物不但破坏了蜡晶的规整结构，使蜡晶的尺寸更小，还使沥青质聚集结构被打散，分布更均匀。.最后，总结了梳型聚合物与原油中蜡和沥青质组装行为方式对后者降凝、降粘规律的影响，提出了降凝降粘机理，为合成更高效原油降凝降粘剂提供理论依据和实验指导。