高分子减阻剂

早在18世纪，人们就已发现河流中的淤泥、水藻和水生动物的分泌物都有不同程度的减阻作用，但对于减阻剂和减阻技术的研究和应用，则于20世纪中叶才开始。减阻技术的研究包括水相输送和有机油相输送的减阻两方面。

水相输送减阻的研究开展较早，发展迅速。人们已研究了大量水溶性高分子减阻剂。其中减阻效率高的，使用量仅几ppm就可以降低50%以上的阻力，有时则高达80%。对水而言，有效的减阻剂应具有以下几个特点：分子量高（约106或更高），溶解性能好，抗剪切性好，无支化的长链结构等。例如，瓜尔胶为直链分子，减阻效率高；而分子量与它相近的阿拉伯胶则有高度支化的结构，就没有减阻作用。聚环氧乙烷、聚丙烯酰胺和瓜尔胶都是很有效的水相减阻剂。

有机相中的减阻问题的研究，开始于20世纪60年代中期。对于原油输送的减阻研究已取得了一定的进展。例如，某地的石油用内径为15.6厘米的管道输送，加入2和20ppm的氢化聚异戊二烯（分子量约7×10⁶）后，在24.4°C，流速为2 975升/分时，摩擦损耗可分别降低27%和50%。又如某输油管系统中加入10ppm的CDR高分子减阻剂(一种α-烯烃的梳状共聚物)后，可增大15%的流量。在原油等有机相中研究或采用得较多的高分子减阻剂，有聚异丁烯、氢化聚异戊二烯、无规聚丙烯、丁二烯与苯乙烯的嵌段共聚物、乙烯与乙烯基酯类的共聚物、聚丙烯酰胺（用0.3%～0.9%的水溶液加到原油中，控制含量在2～5ppm）、乙烯-丙烯共聚物、α-烯烃的梳状共聚物等。

减阻剂可分为水溶性减阻剂和油溶性减阻剂， 油溶性减阻剂根据作用原理又分为两类： 一类是有超高分子量的高柔性线型高分子， 主要有烯烃均聚物或共聚物、 聚甲基丙烯酸酯等； 另一类是表面活性化合物。 大量的研究和实践证明， 减阻效果最佳、 应用最广的是α-烯烃聚合物， 特别是聚α-辛烯、 聚α-癸烯。^[1] 

高分子减阻剂已广泛应用于各个领域，取得良好的效果。例如，在消防水带中加入聚环氧乙烷后，用直径较小的水带仍能维持水的流量不变，便于消防人员携带；在农田灌溉中加入减阻剂后，可提高灌溉效率，扩大灌溉面积；在输水和输油系统中加入减阻剂可节省能耗；在泄洪管道中，当出现洪峰时用减阻剂也可提高泄洪效率；在油井钻探方面，在注入水中加入高分子减阻剂可大大提高注入速率。

高分子减阻剂的缺点是价格较贵，不耐剪切应力，易于降解，反复使用或长途使用时减阻效率会降低。

从现有的文献报道中可知，关于减阻机理假说分为五类：Toms 的伪塑假说、Virk 的有效滑移假说、粘弹性假说、湍流脉动抑制假说、湍流脉动解耦假说。这些假说都可以解释一定范围内的减阻现象，但无法全面的解释伴随减阻而产生的各种现象。
　　（1）Toms 伪塑假说^[2] 

Toms 认为高分子聚合物减阻剂溶液具有伪塑性，即剪切速率与表观粘度成反比，剪切速率增大，表观粘度减小，从而导致流动阻力减小。随着非牛顿流体力学的发展，Toms 假说逐渐被人们否定。通过实验发现减阻剂溶液在管内湍流流动时的摩擦阻力实测值与应用伪塑流体计算值误差很大，而且稀减阻剂溶液伪塑性很弱，甚至根本无伪塑性。
　　（2）Virk 的有效滑移假说
　　Virk 认为，流体在管内湍流流动时，紧靠壁面的一层流体为粘性底层，其次为弹性层，中心为湍流核心。通过实验测得速度分布，发现减阻剂溶液湍流核心区的速度与纯容积相比大了某个值，但速度规律分布相同，而且弹性层的速度梯度增大，导致阻力减小。根据 Virk 的假说，减阻剂浓度增大，弹性层厚度也增大，当弹性层扩大到管轴时，减阻就达到了极限。
　　（3）粘弹性假说
　　随着粘弹性流体力学的发展，研究者对特定的高聚物减阻剂稀溶液进行试验，发现聚合物分子的松弛时间比湍流微涡的持续时间长，说明高聚物分子的粘弹性对减阻的确起到了作用。随之提出了粘弹性假说：高分子聚合物具有粘弹性。由于粘弹性与湍流漩涡发生作用，使得漩涡的一部分能量被减阻剂分子所吸收，并以弹性能的方式储存起来，使涡流动能减小达到减阻效果。
　　（4）湍流脉动抑制假说
　　该假说认为高分子聚合物对湍流流动起减阻作用的原因是由于聚合物分子抑制了湍流漩涡的产生，从而使脉动强度减小，最终使能量损失减小。
　　（5）湍流脉动解耦假说
　　所谓湍流脉动解耦就是指减阻剂分子对湍流的作用，降低了径向和轴向脉动速度的相关性，从而减小了湍流雷诺应力。
　　（6）表面随机更新假说
　　人们把流体在管内湍流流动分为三层。近壁区为粘性底层；其次是粘性亚层（过渡或弹性层）；第三个区域为湍流中心。由于粘性底层的速度分布、温度分布规律与层流时相似，因而在较长一段时间里被人们误称为层流底层。大量文献报道由于运用精密的测速装置已能准确测出粘性底层的时均速度分布和脉动速度分布，充分说明粘性底层并不是简单的层流1306状态，而仍有一定的脉动存在。
　　我们把流体在管内湍流流动的动量传递边界层看成是有一块块动量传递块（在三种传递边界层相同时，三种传递块是相同的）所组成，这些流体块随机的被来自主体的流体单元所更新，分解成新的流体单元而产生漩涡。新的流体块又从壁面开始增长直到被更新。尽管这种更新过程是随机的，但每一流体块的年龄存在某一分布函数，且在统计上这种更新的机会是均等的。湍流越激烈，流体块被更新的机会就越大，产生的漩涡也越多，耗能就越大。

减阻剂的聚合方法主要有溶液聚合、本体聚合等工艺路线。
　　本体聚合法聚合初期转化率不高，体系粘度不大，散热容易，但转化率提高后， 体系粘度增大，产生凝胶效应，如不及时散热，易引起爆聚，但因为本体聚合法转化率较高，因此应用广泛。赵梦奇等加入少量1， 5-己二烯交联剂， 本体聚合法合成了超高分子量的聚合物， 产品的抗剪切稳定性及产品的相对分子质量得到提高，但聚合物的减阻率仅为39.1%，其认为这是由于聚合物的分子量分散度低导致聚合物溶解性差，减阻率低。本体聚合是不加溶剂，主要使单体与催化剂体系在一定条件下反应，体系中只有单体及催化剂。其特点是，产品纯，无需复，的产品分离操作，产品直接粉，调制成剂使用。但该方法的反应热不易散出，反应中容易，生飞温现象，因此实验设备中，搅拌及控温系统成为生产的关键。^[3] 

溶液聚合法可以及时将聚合过程中产生的热量排出，避免局部过热，减少凝胶效应。但由于溶剂的稀
　　释作用单体转化率较低，单体和溶剂分离回收费用高，聚合体系粘度大，现场应用困难。通过改进装置和加入一些添加剂，溶液聚合法取得了一定的成就。