Dalam bidang seperti penggerudian minyak, ubat, dan bahan kimia harian, jenis bahan khas yang dipanggil "air - copolymers amphiphilic larut" memainkan peranan penting. Bayangkan bahan yang boleh bercampur dengan lancar dengan kedua -dua air dan minyak, menebal cecair tanpa gumpalan, dan juga tetap stabil dalam keadaan yang keras - Ini adalah apa yang dilakukan oleh kopolimer ini. Di tengah -tengah membuat bahan -bahan berguna seperti itu adalah bahan utama: n - vinil pyrrolidone (NVP). Polimer murni, polyvinyl pyrrolidone (PVP), sudah digunakan secara meluas kerana ia selamat (bukan - toksik kepada tubuh manusia), larut dengan mudah di dalam air, dan mempunyai kestabilan yang baik. Anda mungkin menemuinya dalam pembalut perubatan (untuk menjaga luka lembap), pemekat kosmetik (untuk memberikan losyen tekstur yang lancar), atau bahkan bahan tambahan makanan (untuk menyimpan bahan -bahan bercampur). Tetapi inilah tangkapan: NVP sendiri agak mahal. Jika kita hanya menggunakan PVP tulen, kosnya terlalu tinggi untuk aplikasi skala besar - seperti medan minyak. Itulah sebabnya saintis telah cuba mencampurkan NVP dengan bahan -bahan lain yang lebih murah dan lebih berfungsi - mencipta "kopolimer" yang mengekalkan kelebihan PVP sambil menambah sifat baru dan kos pemotongan.
1. Pengenalan: Mengapa kita belajar n - kopolimer vinil pyrrolidone
Untuk memahami mengapa kopolimer ini penting, mari kita memecahkan sifat teras mereka: menjadi "amphiphilic." Setiap molekul mempunyai dua bahagian - yang suka air (dipanggil "hidrofilik," seperti gula dalam kopi anda) dan satu yang membenci air (dipanggil "hidrofobik," seperti minyak). Sifat dua ini membolehkan mereka melakukan dua perkara penting: pertama, mereka menurunkan ketegangan permukaan air, yang membantu mencampurkan minyak dan air (berguna untuk pembersihan produk atau pemulihan minyak); Kedua, mereka boleh menebal cecair dengan menghubungkan bersama untuk membentuk "rangkaian" di dalam air (sesuai untuk menjaga cecair tebal atau cecair medan minyak daripada terlalu nipis).
NVP adalah bahan bintang untuk membuat kopolimer ini kerana ia memeriksa semua kotak: ia selamat (biokompatibel, jadi ia tidak akan membahayakan kulit atau alam sekitar), mudah dicampur dengan bahan kimia lain (ia mempunyai "ikatan berganda" reaktif yang baik dengan monomer lain), dan bahagian hidrofiliknya membantu copolymer di dalam air. Tetapi polimer berasaskan NVP - mempunyai kelemahan besar - mereka tidak dapat mengendalikan keadaan yang keras dalam penggunaan dunia -. Sebagai contoh, dalam telaga minyak, suhu boleh mencapai 65 darjah atau lebih tinggi, dan air penuh dengan garam (seperti NaCl, CaCl₂). PVP tulen mendapat nipis dan pecah dengan cepat di sini, yang bermaksud ia tidak dapat membantu menolak minyak dari yang berkesan.
Kami menetapkan matlamat yang jelas: untuk merekabentuk dan mengeluarkan tiga kopolimer berasaskan NVP - baru, menguji sifat utama mereka (seperti keupayaan mereka untuk mengurangkan ketegangan permukaan, mengendalikan haba, dan larut dalam air), dan periksa sama ada ia berfungsi dengan baik dengan bahan kimia minyak yang disebut AP -
2. Membuat dan Menguji P (NVP/DMFA)
Kopolimer pertama yang kami buat dipanggil P (NVP/DMFA). Untuk membuatnya, mereka berpasangan dengan NVP dengan bahan kimia lain yang dipanggil dodecafluoroheptil methacrylate (DMFA) - pilihan pintar kerana DMFA mengandungi atom fluorin. Fluorin dikenali kerana kestabilannya dalam bahan: ia tahan terhadap haba, air, dan kakisan.
Proses penyediaan adalah mudah dan tepat. Kami mula -mula mencampur NVP dan DMFA dalam nisbah yang berbeza -beza (dari 99.7: 0.3 hingga 98.5: 1.5) dalam toluena, pelarut yang biasa digunakan untuk membubarkan bahan kimia. Sebaik sahaja campuran selesai, kami menambah sedikit AIBN (Azobisisobutyronitrile), sebuah bahan kimia yang "memulakan" reaksi dengan menguraikan radikal bebas. Kami memanaskan campuran hingga 80 darjah dan membolehkannya bertindak balas selama 6 jam. Selepas tindak balas selesai, campuran dicurahkan ke dalam dietil eter, pelarut lain, untuk mendakan kopolimer sebagai serbuk putih. Akhirnya, serbuk ditapis dan dikeringkan di bawah vakum untuk menghasilkan P (NVP/DMFA).
Ujian menunjukkan kopolimer ini mengagumkan:
- Aktiviti permukaan: Apabila dicampur dengan air pada kepekatan 10g/L, ia menurunkan ketegangan permukaan air dari 72 mn/m (air tulen) hingga 34 mn/m - kejatuhan yang besar, bermakna ia hebat membantu campuran minyak dan air.
- Kesan suhu dan garam: Suhu yang lebih panas (dari 25 darjah hingga 45 darjah) menjadikannya lebih baik - haba yang lebih tinggi melemahkan ikatan antara bahagian hidrofilik kopolimer dan air, jadi bahagian -bahagian hidrofobik dapat berkumpul lebih banyak, menurunkan ketegangan permukaan lagi. Menambah garam (seperti NaCl) mempunyai kesan "u-": sedikit garam (kurang daripada 0.01 mol/l) ketegangan permukaan yang dibuat sedikit (kerana garam membuat air lebih kutub, jadi bahagian hidrofobik tersebar), tetapi lebih banyak garam (lebih dari 0.01 mol/l)
- Tingkah laku agregasi: Apabila kopolimer dicairkan (kurang daripada 0.1g/l), molekulnya dilipat pada diri mereka sendiri (dipanggil "persatuan intramolekul") - fikirkan bola rentetan mengetatkan. Apabila ia lebih tertumpu (lebih dari 0.1g/L), molekul yang dikaitkan bersama (dipanggil "persatuan intermolecular") - seperti banyak bola rentetan yang menghubungkan untuk membentuk jaring besar. Jaring ini adalah apa yang menjadikan cecair tebal.
- Rintangan haba: Menggunakan mesin yang dipanggil thermogravimeter (TGA), mereka mendapati kopolimer hanya kehilangan berat badan (rosak) melebihi 300 darjah. Sebelum itu, apa -apa penurunan berat badan hanya air atau kekotoran kecil. Dan ketika mereka menambah lebih banyak DMFA, suhu pecahan naik - bukti bahawa fluorin menjadikannya lebih panas - stabil.
- Penggunaan medan minyak: Apabila dicampur dengan AP - p4 (minyak biasa - ejen penggantian yang keluar dalam haba), menambah 75mg/l p (NVP/DMFA) membuat perbezaan besar. Pada 45 darjah, selepas 400 jam penuaan, kelikatan campuran (ketebalan) tinggal di atas 300 MPa · s - cara lebih tinggi daripada AP tulen - P4, yang jatuh ke 150 mpa · s. Ini bermakna ia dapat membantu mengekalkan cecair medan minyak tebal, menolak lebih banyak minyak dari telaga.
3. Membuat dan Menguji P (NVP/MA)
Kopolimer kedua adalah P (NVP/MA), dan kuasa besarnya adalah kelarutan. Pasukan berpasangan NVP dengan maleic anhydride (ma) - yang murah, mudah - ke - mencari bahan kimia yang hebat pada satu perkara: Membuat kopolimer dibubarkan dengan cepat. MA sendiri tidak dapat membentuk polimer dengan sendirinya, tetapi ikatannya sempurna dengan ikatan ganda NVP.
Sintesis ini sama dengan kopolimer pertama: mereka bercampur NVP dan MA dalam nisbah dari 75:25 hingga 25:75 dalam toluena, tambah AIBN, dipanaskan hingga 80 darjah selama 6 jam, dan dicetuskan dengan diklorometana untuk mendapatkan pepejal kuning cahaya. Bahagian terbaik? Ini pepejal dibubarkan dalam air serta -merta - tidak mengaduk selama berjam -jam, yang merupakan tambah besar untuk penggunaan dunia -.
Ujian menunjukkan kekuatannya (dan beberapa kelemahan):
- Aktiviti permukaan: Ia tidak begitu baik untuk menurunkan ketegangan permukaan sebagai P (NVP/DMFA) - pada 10g/L, ia hanya jatuh kepada 45 mn/m. Tetapi itu masih lebih baik daripada banyak pemekat biasa.
- Pengagregatan dan kestabilan: Seperti kopolimer pertama, ia mempunyai kepekatan kritikal 0.1g/L (di bawah itu, dilipat, di atasnya, dikaitkan dengan jaring). Ia juga mengendalikan haba dengan baik, tetapi ia rosak dalam dua langkah: pertama, ikatan amide di NVP pecah pada 200-300 darjah, maka rantaian utama pecah pada 300-400 darjah. Menambah lebih banyak MA menjadikan suhu pecahan pertama lebih tinggi, yang baik untuk kestabilan.
- Penggunaan medan minyak: Apabila dicampur dengan AP - P4, ia bersinar dalam keadaan panas. Pada 65 darjah (suhu minyak biasa), menambah hanya 25mg/l p (NVP/ma) menyimpan campuran stabil - selepas 800 jam, kelikatan masih melebihi 220 MPa · s, manakala AP tulen - P4 jatuh ke 80 MPA · s. Kumpulan kutub MA membentuk "ikatan hidrogen" dengan AP - P4, memegang molekul bersama -sama dan menghentikannya daripada memecah panas.
4. Membuat dan Menguji HDA - P (NVP/MA)
Kopolimer ketiga, HDA - p (NVP/MA), adalah versi yang dinaik taraf kopolimer kedua. Pasukan penyelidikan menyatakan bahawa P (NVP/MA) mempamerkan sifat bersekutu hidrofobik yang lemah - moiety hidrofobiknya tidak mencukupi. Oleh itu, mereka mengubahnya dengan hexadecylamine (HDA), sebatian rantai panjang - yang mengandungi 16 atom karbon. Rantaian panjang ini mempunyai hidrofobisiti yang luar biasa, yang membolehkan kopolimer berkumpul bersama -sama dengan lebih baik dan mengurangkan ketegangan permukaan.
Proses pengubahsuaian adalah mudah: serbuk P (NVP/MA) yang diperolehi dalam langkah kedua dibubarkan dalam aseton, diikuti dengan penambahan HDA. MA mengandungi kumpulan anhydride, yang mudah bertindak balas dengan kumpulan amino HDA (seperti dua kepingan teka -teki yang sesuai bersama). Reaksi dibenarkan untuk meneruskan pada suhu bilik selama empat jam, diikuti dengan penambahan sedikit natrium hidroksida untuk meneutralkan penyelesaian. Copolymer yang diubahsuai mendahului untuk membentuk serbuk putih - hda - p (nvp/ma).
Ujian membuktikan peningkatan itu berfungsi:
- Aktiviti permukaan: Ia menurunkan ketegangan permukaan air kepada 38 MPa · s pada 10g/l - lebih baik daripada p (NVP/ma) yang tidak diubahsuai (45 MPa · s). Dan tidak seperti dua kopolimer pertama, menambah garam hanya membuat ketegangan permukaan (No U - bentuk) - Rantai HDA yang panjang dikumpulkan bersama lebih banyak kerana garam membuat air lebih kutub.
- Rintangan haba: Ia adalah yang paling panas - stabil dari ketiga -tiga. Ujian TGA menunjukkan ia rosak dalam dua langkah: Pertama, rantai HDA pecah pada 200 - 300 darjah, maka rantaian utama pecah pada 300-450 darjah. Suhu kerosakan rantai utama adalah 380 darjah -30 darjah lebih tinggi daripada P (NVP/MA) -Terima kasih kepada rantai panjang HDA yang bertindak sebagai "perisai" untuk rantaian utama.
- Penggunaan medan minyak: Ia adalah kos yang paling kos - berkesan. Menambah hanya 25mg/l HDA - p (nvp/ma) ke AP - P4 membuat kelikatan campuran mencapai 400 MPa · s selepas 400 jam pada 45 darjah. Rantai HDA dan AP - bahagian hidrofobik P4 membentuk "persatuan sinergi" - mereka dikaitkan bersama dengan ketat, menjadikan campuran tebal. Sedikit pergi jauh, yang akan menjimatkan wang untuk medan minyak.
5. Apa yang kami dapati dan apa yang akan datang
Selepas membuat dan menguji ketiga -tiga kopolimer, pasukan itu membuat kesimpulan yang jelas:
- Setiap kopolimer mempunyai kuasa besar: P (NVP/DMFA) adalah yang terbaik untuk menurunkan ketegangan permukaan dan mengendalikan haba; P (NVP/MA) larut dengan serta -merta dan berfungsi di telaga panas; HDA - p (nvp/ma) adalah murah (berfungsi dalam jumlah kecil) dan super panas - stabil.
- Peraturan utama untuk pengagregatan: Ketiga mempunyai "kepekatan kritikal" ~ 0.1g/l - di bawah itu, molekul lipatan; Di atas itu, mereka menghubungkan ke jaring. Suhu yang lebih panas dan lebih banyak garam mendorong mereka untuk menghubungkan bersama, yang betul -betul diperlukan untuk menebal cecair medan minyak.
- Nilai medan minyak: Apabila dicampur dengan AP - P4, setiap kopolimer tetap AP - kelemahan P4 (kehilangan kelikatan dalam haba/garam). Ini bermakna mereka boleh digunakan sebagai bahan tambahan untuk menjadikan pemulihan minyak lebih cekap.
Kami berharap dapat meneroka dua jalan: menguji kopolimer ini dalam ubat - bolehkah mereka digunakan sebagai pembawa dadah (perlahan -lahan melepaskan ubat -ubatan dalam badan) atau sebagai salutan biokompatibel (untuk peranti perubatan)? Atau kita dapat mengoptimumkan proses sintesis untuk mengurangkan kos kopolimer - pada masa ini, beberapa bahan, seperti DMFA, masih mahal, jadi mencari alternatif yang lebih murah dapat membantu kilang -kilang menghasilkannya secara besar -besaran.
Dengan lebih banyak penyelidikan, n - vinil pyrrolidone copolymers boleh menjadi staples di medan minyak, hospital, dan juga kehidupan seharian kita - menjadikan produk lebih selamat, lebih berkesan, dan lebih murah.