Введение к работе
Актуальность темы: Характерной чертой современной полимерной химии является её развитее в направлении использования макромолекулярных синтезов для создания нанокомпозитных материалов с заданными свойствами. Всё чаще для этого используют не только синтетические методы, основанные на использовании систем различных ковалентных связей, но и способность молекул к «самосборке» (self-assembling), которая определяется как спонтанная межмолекулярная ассоциация через нековалентные связи (электростатические, водородные, донорно-акцепторные и др.), в результате чего образуются термодинамически устойчивые, чётко определённые супрамолекулярные структуры с размерами от 10 нм до 10 мкм. Контролирование этих процессов открывает широкие возможности по управлению свойствами материалов на молекулярном уровне. Это особенно важно при создании материалов с многофункциональными свойствами, что уже находит применение в разработке микропроцессоров, электронных устройств, ультратонких разделительных мембран, биоматериалов, катализаторов и др. К представителям известных синтетических самоорганизованных полимерных систем относятся интерполимерные комплексы и один из их видов - полимер-коллодные комплексы (ПКК) образующиеся за счёт взаимодействия заряженных полимерных цепей (полиэлектролитов) с противоположно заряженными неорганическими частицами. Материалы, созданные на их основе, представляют значительный практический интерес, так как сочетание свойств соединений органической и неорганической природы, связанных на молекулярном уровне, может придать им ряд специфических полезных свойств. Практическую значимость приобретают металлосодержащие ПКК, используемые в качестве высокоэффективных флокулянтов и гелеобразующих композиций для увеличения нефтеотдачи скважин. Такие ПКК получают при смешении коллоидных растворов, содержащих заряженные наноразмерные алюмоксано-вые частицы, с водными растворами полиэлектролитов.
Цель работы: Изучение закономерностей образования полимер-коллоидных комплексов положительно заряженных алюмоксановых частиц с полиэлектролитами. Исследование условий получения водорастворимых комплексов и изучение их свойств, а также поиск путей их практического применения. Научная новизна: Установлено, что как сильные (Na-соль-поли(стиролсульфокислота)), так и слабые (полиакриловая кислота) полиэлектролиты за счёт образования солевых связей с положительно заряженными центрами алюмоксановых частиц образуют нерастворимые стехиометрические полимерные комплексы. Впервые получены водорастворимые полимер-коллоидные комплексы положительно заряженных наноразмерных алюмоксановых частиц с сополимерами акриламида и акриловой кислоты. Показано, что растворимые ПКК образуются при взаимодействии алюмоксановых частиц с сополимерами, содержащими не более 0,6% масс карбоксильных групп в составе макромолекул. Состав ПКК меняется в широком интервале мольных отношений Z = А13+ : звено сополимера (от 0 до 20). Методами седиментационного анализа и вискозиметрии установленно, что при мольном отношении Z = 7 в растворе образуется ПКК, в котором все макромолекулы сополимера связаны с
минимальным количеством алюмоксановых частиц. Дальнейшее увеличение Z приводит к изменению состава ПКК, но при этом не происходит явления дис-пропорционирования, т.е. все частицы равномерно распределяются по макромолекулам. При достижении мольного отношения Z = 20 в растворе образуется ПКК с максимально возможным содержанием алюмоксановых частиц. Установлено, что при переходе от разбавленных растворов полимеров к полуразбавленным, добавление наноразмерных алюмоксановых частиц приводит к образованию сетки межмолекулярных связей во всём объёме раствора. Такие системы представляют собой гели, которые нашли практическое применение в решении проблемы увеличения нефтеотдачи пластов.
Практическая значимость работы: Получены водорастворимые нанострук-турированные полимер-коллоидные комплексы, расширяющие представление об интерполимерных реакциях. Выявлены закономерности их образования, что позволяет целенаправленно получать гелеобразующие композиции на их основе, обладающие селективной водоизоляцией нефтедофывающих скважин, способствующих увеличению их нефтеотеотдачи и уменьшению обводнённости добываемой нефти. Отдельные разделы работы выполнялись в соответствии с программами:
Фундаментальные исследования по приоритетным направления развития науки, технологии и техники в РФ на период 2007 - 2009 гг (х/д «Разработка коллоидно-химических принципов образования и структура полимерных комплексов органической и органоминеральной природы»);
Грант РФФИ № 08-03-00709 «Изучение комплексообразования ионогенных полимеров с продуктами гидролиза солей алюминия с целью получения гидрогелей для увеличения нефтеотдачи пластов»;
Государственный контракт № 02.445.11.7295 на выполнение НИР по теме 2006-РИ-112.0/001/092 Развитие систем ведущих научных школ как среды генерации знаний и подготовки научно-педагогических кадров высшей квалификации. Выполнение НИР по приоритетным направлениям программы «Полиэлектролитные полимер-коллоидные комплексы, используемые для разрушения устойчивых дисперсий и очистки сильнозагрязненных сточных войвглашение № 02.120.21.1674-НШ с федеральным агентством по науке и образованию в соответствии с грантом для государственной поддержки ведущих научных школ РФ-НШ. 1674.2008.3 «Разработка научных основ создания композиционных материалов на основе высокомолекулярных соединений и дисперсных систем органической и органо-минеральной природы»;
-Грант для молодых учёных ВолгГТУ-2008 «Разработка гелеобразующих композиций на основе водорастворимых полимеров и наноразмерных частиц поли-гидроксохлорида алюминия, используемых для увеличения нефтеотдачи пластов».
Апробация работы: Материалы работы докладывались на: XX Международной научно-технический конференции «Наукоемкие химические технологии-2004» (Волгоград 2004 г.); IV Международной конференции «Перспективные полимерные композиционные материалы. Альтернативные технологии. Переработка. Экология» (Энгельс 2007 г.); XX Симпозиуме «Современная химиче-
екая физика» (Туапсе 2008 г.); VIII Научно-практической конференции «Геология и разработка месторождений с трудноизвлекаемьши запасами» (Небуг 2008 г.), а также на научно-технических конференциях при ВолгГТУ (2006-2008 гг.) Публикация результатов: Результаты проведённых исследований опубликованы в 5 научных статьях из них в журналах, рекомендованных ВАК - 4, в 6 тезисах докладов, получено 2 патент и подана 1 заявка на изобретение. Объём и структура работы: Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, списка литературы из 185 наименований. Работа изложена на 117 страницах машинописного текста, включая 16 таблиц и 32 рисунка. Первая глава посвящена обзору литературы по закономерностям образования полимер-коллиидных комплексов, рассмотрены виды полимер-коллоидных комплексов, методы их получения и свойства; проанализированы закономерностям образования алюмоксановых частиц, методы их получения и свойства. Во второй главе излагаются материалы по исследование молекулярно-массовых и структурных характеристик алюмоксановых частиц в водных растворах.
В третьей главе представлены закономерности образования полимер-коллоидных комплексов водорастворимых полиэлктролитов с алюмоксановы-ми частицами, исследуются условия получения растворимых полимер-коллоидных комплексов, представлены материалы по определению состава получаемых комплексов.
В четвёртой главе излагаются материалы по изучению водоизолирующих свойств ПКК на модельных системах. Даются рекомендации по их возможному практическому применению.
Пятая глава является экспериментальной частью с описанием характеристик исходных веществ, методов исследования ПКК и их использования в качестве водоизолирующих композиций.
