改性聚丙烯酰胺水溶液粘度的计算机模拟研究

聚丙烯酰胺（PAM），是一种十分重要的水溶性高分子聚合物。改性后的聚丙烯酰胺能广泛应用于增稠、絮凝、稳定胶体、减阻、以及生理医学材料等领域。高性能PAM类产品的制备与开发是近年来PAM类油田化学品研究领域最热门的课题之一，其工作多集中在如何获得高分子量聚合产品和如何使产品更加耐温耐盐和抗剪切等方向上。在本项目中，就是应用计算机模拟的方法结合实验数据研究聚丙稀酰胺水溶液的粘度，讨论聚合物分子量、溶液密度、温度、盐浓度等因素对溶液粘度的影响，建立构效关系模型；另外以丙烯酰胺为主体，引入从实验上来说可能增加聚合物粘度和抗盐性的单体，用分子设计的方法得到各种具有稳定结构的新型聚丙烯酰胺共聚物，再使用提出的构效关系模型对所设计分子的水溶液的粘度性质进行预测，从中筛选出可能的具有符合实验需要的高粘度抗盐改性聚丙烯酰胺化合物，为实验研究提供参考分子，从而缩短研制周期，降低开发成本。

聚丙烯酰胺（PAM）是一类重要的线性水溶性聚合物，但是其耐温、耐盐和抗剪切等方面性能的不足，阻止了其进一步运用。为了获得具有良好性能的PAM，我们对其进行分子改性设计，不同的疏水单元被用来设计改性聚丙烯酰胺链。我们研究了各种疏水改性聚丙烯酰胺稀溶液的耐盐性以及在不同温度下的行为。. 首先，通过实验方法，研究不同盐浓度及pH对非离子型聚丙烯酰胺（PAM-H）和阴离子型的聚丙烯酰胺（HPAM）水溶液的表观粘度及特征粘度的影响，结果显示表观粘度和特征粘度与聚合物尺寸（流体力学半径和回旋半径）具有相对明确的数学关系，更能准确地反映聚合物分子结构和尺寸，从微观说明了HPAM比PAM-H具有较好的增粘效果及较差的抗盐性能的原因。其次，选用带有C8 ~ C11的饱和碳链疏水单体进行疏水改性设计。通过分子动力学模拟的方法，我们研究了各种改性分子在不同NaCl浓度和不同温度下的动力学性质。考察了疏水单体的结构对聚合物溶液体系特征粘度的影响。在稀溶液内，疏水改性的单体所带支链越少，特征粘度越大。模拟结果和相关实验的分析结果保持一致。即：缔合聚合物的粘度表现出随外加盐含量的增加先下降再上升的特点。和实验数据相比，模拟计算所得的结果表明疏水改性聚丙烯酰胺具有很好的耐盐性。我们还考察了在不同温度下的溶液体系。结果显示HM-HPAM溶液体系的粘度-温度关系不是很有规律性。最后，聚合物链的MSD曲线的研究表明聚合物链的特征粘度越高，聚合物链在溶液中的移动性越差。第三，我们还设计了3种不同的改性单体，分别是苯乙烯，以及苯乙烯上接有2种不同链长度的PEG链，并考察了上述4种改性聚丙烯酰胺在水溶液中的构象和溶液性质，考察了其回旋半径、有效长度、流体力学半径、以及特性黏数随着NaCl浓度的增加的变化的情况。同时，在相同的盐浓度的区间下研究了改性分子稀溶液的特性黏数的降低程度。结果表明，改性相对于聚丙烯酰胺的抗盐性都有一定程度的提高，并且随着苯环上PEG链长度的增加，其抗盐的效果越来越好。我们改变改性单体在聚合物中的摩尔分数从1%~4%。结果表明，当改性单体的数量为4%的时候，其耐盐性最好。. 综上所述，研究的结果让我们对聚合物链的结构变化的微观机制有了更深刻的理解。我们结合实验提出的分子设计方案能够有效改变聚丙烯酰胺稀溶液的粘度和抗盐性，而这些信息将会有效的指导实验合成。