Свойства и функции полимеров

Известно, что полимеры представляют собой цепи, состоящие из большого числа звеньев (мономеров). Каждое звено может вращаться вокруг направлений, соединяющих их химические связи. Такое вращение Вант-Гофф назвал внутренним вращением в молекуле. Под воздействием полярной (заряженной) поверхности твердого тела полярные звенья поворачиваются в сторону полярного твердого тела, а неполярной (водородной) в обратную сторону.

В результате этого поверхность становится гидрофобной, а электрический потенциал равным нулю.

Рис. 3.1. Влияние ориентации молекул ПАВ на поверхности металла на электрический потенциал

Способность ПАВ и полимеров к образованию ориентированных слоев на границе с твердым телом была установлена ленинградскими учеными П.И. Лукирским и А.В. Ечеистовой [14].

Они наносили на золотую пластинку различные количества полимера и измеряли потенциал пленки ∆j. Полученные кривые зависимости ∆j от g (количества мультислоев) имели пилообразную форму с максимумами g, 3g, 5g и минимумами (∆j=0) при 2g, 4g (рис.5.6).

К.В. Блоджет [6] наблюдал эти явления на пластинках с отрицательным поверхностным зарядом (кварц, стекло). При подъеме стеклянной пластинки из воды через монослой полимера на ней образуется пленка, гидрофобная поверхность которой ориентирована наружу. Если затем погружать пластинку в обратном направлении в воду, на пластинке "спина к спине" откладывается второй слой с гидрофильной поверхностью и т.д.

При бурении скважин в контакте полимерных растворов с поверхностью бурильных труб адсорбируются макромолекулы полимеров с образованием гидрофобной поверхности, вследствие чего снижается трение и износ твердого тела.

Гидрофобизация бурильных труб снижает трение и расход энергии при вращении бурильной колонны, потери давления при циркуляции жидкости в бурильных трубах и в скважине.

На рис. 3.2 показана зависимость потерь давления растворов полимеров, циркулирующих в колонне бурильных труб диаметром 50,8 мм и длиной 30-50 мм [12].

Из графика видно, что при малых концентрациях полимеров потери давления при циркуляции растворов в бурильных трубах снижаются, по сравнению с потерями давления при циркуляции чистой воды, в 2-3 раза. Однако надо помнить, что гидрофобизация труб возможна лишь при малых концентрациях полимеров в растворе. При больших концентрациях вязкость раствора возрастает, возрастают и потери давления.

Рис. 3.2. Зависимость потерь давления в бурильных трубах от расхода различных растворов: 1 – вода; 2 – 0,17% раствор ПАА; 3 – 0,17% раствор ГПАА; 4 – 0,29% раствор КМЦ

Стенки скважины в уплотненных глинах можно рассматривать как плоское твердое тело. Макромолекулы полимеров вследствие незначительных размеров пор не способны проникать в глинистую породу и адсорбируются на поверхности стенок скважины так же, как и на пластины твердого тела. В зависимости от концентрации полимера в растворе на стенках скважин может адсорбироваться несколько мультислоев полимера. Но при циркуляции раствора неподвижными оказываются лишь один - два слоя, прочно связанных с поверхностью стенок скважин. Причем наружная поверхность всегда гидрофобна, снижает фильтрацию воды в горную породу, ее набухание и диспергирование

3.2. Активация полимеров

Активацию полимеров производят путем полимераналогичных превращений (КМЦ). Он основан на замене малоактивных функциональных групп на более активные (содержащие большее количество атомов кислорода или других высокомолекулярных атомов) и путем гидролиза функциональных групп полимеров (гипан, ГППА).

Гидролиз органических соединений обычно проводят в присутствии щелочей при подогревании.

Гидролиз функционалънных групп полимеров сложных эфиров – это реакция, обратная реакции этерификации органических кислот спиртами (подобной реакции нейтрализации кислот щелочами).

При гидролизе азотсодержащих функциональных групп наблюдаются обратные процессы:

– COONH₄ + H₂O ® COOH + NH₄OH

– CONH₂ +2H₂O ® COOH + NH₄OH

– CN + 3H₂O ® COOH + NH₄OH

В щелочной среде карбоксильная группа переходит в более, активную группу:

–COOH + OH^- ® –COO^- + H₂O

а гидроксид аммония разлагается на аммиак и воду:

NH₄OH ® NH₃­ + H₂O

В результате гидролиза полиакриламида получают высокоактивный полимер ГПАА, а в результате гидролиза полиакрилнитрила-гипан.