減阻劑對微膠囊相變懸浮液穩(wěn)定性及粘度的影響

呂珊, 張盼, 仇中柱

(上海電力學(xué)院 能源與機(jī)械工程學(xué)院, 上海200090)

摘要:為了獲得穩(wěn)定性較高的微膠囊相變懸浮液,同時減少其流動阻力損失,配制了以異丙醇/水混合溶液為基液的微膠囊相變懸浮液,加入不同種類的減阻劑(PAM和CTAC),并采用旋轉(zhuǎn)流變儀測試其粘度.結(jié)果表明:在實驗溫度為20 ℃,旋轉(zhuǎn)流變儀剪切速率為0~100 L/s時,PAM減阻劑對微膠囊相變懸浮液的穩(wěn)定性影響甚微,但會顯著增大其粘度;CTAC減阻劑不能作為低濃度微膠囊相變懸浮液的減阻劑,質(zhì)量濃度為10 wt.%的微膠囊相變懸浮液對應(yīng)的CTAC最佳減阻濃度為200 mg/L.

關(guān)鍵詞：微膠囊相變懸浮液; 穩(wěn)定性; 減阻劑; 粘度

收稿日期：2015-04-09

作者簡介：通訊呂珊(1990-),女,在讀碩士,湖北孝感人.主要研究方向為微膠囊相變懸浮液的穩(wěn)定性與流變特性.E-mail:lvshan9983@163.com.

基金項目：上海電力學(xué)院能源與機(jī)械工程學(xué)院“十二五”內(nèi)涵建設(shè)項目(Z-2009-100).

中圖分類號：TE869;TK124文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

The Influence of Drag Reduction on the Stability and Viscosity of MPCMS

Lü Shan, ZHANG Pan, QIU Zhongzhu

(SchoolofEnergyandMechanicalEngineering,ShanghaiUniversityofElectricPower,Shanghai200090,China)

Abstract:In order to obtain a high stability of micro-encapsulated phase change suspension(MPCMS),while reducing its flow resistance losses. Isopropanol / water mixed solution is formulated as the base fluid of MPCMS,adding different types of drag reduction (PAM and CTAC) into the suspension,a rotational rheometer is used to test the viscosity of MPCMS. The results show that when the test temperature is 20 ℃,the shear rate is 0~100 L/s,PAM drug reduction does not affect the stability of MPCMS, but significantly increases its viscosity; CTAC drug reduction can not be used when the concentration of MPCMS is low,the optimum CTAC drag reduction concentration of 10 wt.% MPCMS is 200 mg/L.

Key words:micro-encapsulated phase change material suspension; stability; drag reduction ; viscosity

流體在管道中流動時因沿程熱損失及流動阻力損失會產(chǎn)生能量損耗.添加減阻劑可以達(dá)到降低流體流動阻力的效果,最早是由TOMS B A[1]在1948年提出的,通過添加少量聚甲基丙烯酸甲酯(Pdymethyl Methacrylate,PMMA)到氯苯中,使沿程阻力損失降低了50%.美國Conoco公司、日本Sony公司等應(yīng)用表面活性劑減阻技術(shù),均獲得了可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益.[2-3]微膠囊相變懸浮液(Micro-encapsulated Phase Change Material Suspension,MPGMS)較單相水具有較高的粘度,因而在管道中流動時會產(chǎn)生較大的阻力,使泵功增加.因此,降低微膠囊相變懸浮液的流動阻力損失顯得尤為重要.蔡書鵬等人[4]的研究表明,非離子表面活性劑ODMAO水溶液在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.04%時開始呈現(xiàn)明顯減阻現(xiàn)象,在試驗直徑為5 mm的圓管直管段最大減阻率可達(dá)70%.馬寧等人[5]對十六烷三甲基氯化銨(Hexadecyl Trimethyl Ammonium Chloride,CTAC)表面活性劑水溶液的流變特性進(jìn)行了研究,測試了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.007%~0.15%范圍內(nèi)表面活性劑水溶液的流變特性,當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.05%時,穩(wěn)態(tài)粘度幾乎不隨濃度變化.

本文在配制的微膠囊相變懸浮液中分別添加高分子減阻劑和表面活性劑,分析了不同種類的減阻劑對微膠囊相變懸浮液穩(wěn)定性及粘度的影響,進(jìn)而獲得適用于本文所制的微膠囊相變懸浮液的減阻劑及對應(yīng)濃度.

1微膠囊相變懸浮液的配制及粘度

測試

1.1　微膠囊相變懸浮液的配制

實驗采用美國Microtek公司制造的MPCM28相變微膠囊顆粒,芯材為石蠟,壁材為三聚氰胺甲醛樹脂.相變微膠囊顆粒呈白色粉末狀,相變溫度為28 ℃,比重為0.9,相變潛熱為180~195 J/g.基液為異丙醇/水混合溶液,當(dāng)異丙醇與水的體積比為1∶1.75,密度為0.936 g/mL時制得的懸浮液穩(wěn)定性可達(dá)48 h.將一定質(zhì)量的相變微膠囊顆粒分別加入密度為0.936 g/mL的基液中,采用高速剪切乳化機(jī)將配制的微膠囊相變懸浮液以2 000 r/min高速旋轉(zhuǎn)10 min,然后將懸浮液放置于恒溫磁力攪拌器中以600 r/min攪拌3 h后置于超聲波振蕩器中,以16 kHz的頻率振蕩10 min,最終得到質(zhì)量濃度為5 wt.%和10 wt.%的微膠囊相變懸浮液.

1.2　高分子減阻劑聚丙烯酰胺

在質(zhì)量濃度為5 wt.%和10 wt.%的微膠囊相變懸浮液中分別加入100 mg/L,200 mg/L,400 mg/L的聚丙烯酰胺(Poly Acryla Mide,PAM),采用磁力攪拌器低速攪拌5 min,使其充分溶解,并貼上標(biāo)簽,靜置48 h.圖1為48 h后微膠囊相變懸浮液的形貌.圖1中左起依次為5wt.%MPCMS,100mg/L+5wt.%MPCMS,200mg/L+5wt.%MPCMS,400mg/L+5wt.%MPCMS,10wt.%MPCMS,100mg/L+10wt.%MPCMS,200mg/L+10wt.%MPCMS,400mg/L+10wt.%MPCMS.

圖1　 添加PAM靜置48 h后微膠囊相變

1.3　表面活性減阻劑十六烷三甲基氯化銨

在質(zhì)量濃度為5 wt.%和10 wt.%的微膠囊相變懸浮液中分別加入100 mg/L,200 mg/L,400 mg/L的CTAC,采用磁力攪拌器低速攪拌5 min,使其均勻溶于懸浮液,貼上標(biāo)簽,靜置48 h后的結(jié)果如圖2所示.

圖2　 添加CTAC靜置48 h后微膠囊相變

圖2中,左起依次為5wt.%MPCMS,100 mg/L+5wt.%MPCMS,200 mg/L+5wt.%MPCMS,400 mg/L+5wt.%MPCMS,10wt.%MPCMS,100 mg/L+10wt.%MPCMS,200 mg/L+10wt.%MPCMS,400 mg/L+10wt.%MPCMS.

1.4　懸浮液的粘度測量

本文采用安東帕MCR102旋轉(zhuǎn)流變儀測試分別使用CTAC和PAM作為減阻劑時,不同質(zhì)量濃度微膠囊相變懸浮液的粘度.實驗時,首先打開旋轉(zhuǎn)流變儀系統(tǒng)中的空氣壓縮機(jī),使空氣壓力達(dá)到0.4~0.6 MPa;打開空氣閥,檢查水浴液面是否正常,并設(shè)置水浴溫度為20 ℃;最后打開主機(jī).因所需測試樣品為低粘度、微小顆粒的懸浮液,選擇同軸圓筒轉(zhuǎn)子進(jìn)行測試即可.考慮到實驗特定條件下誤差的影響,首先測試了水和異丙醇在 20 ℃時的粘度,分別為1.005 MPa·s和2.401 MPa·s,與水和異丙醇的粘度值十分吻合,因此該流變儀的精度可以滿足測試要求.

2實驗結(jié)果與分析

2.1　減阻劑對微膠囊相變懸浮液穩(wěn)定性的影響

2.1.1PAM對微膠囊相變懸浮液穩(wěn)定性的影響

采用PAM作為減阻劑時,PAM濃度的改變并不影響質(zhì)量濃度為5 wt.%和10 wt.%的微膠囊相變懸浮液的穩(wěn)定性,微膠囊相變懸浮液在48 h內(nèi)保持穩(wěn)定,但傾倒懸浮液時可明顯觀察到流動性變差.

2.1.2CTAC對微膠囊相變懸浮液穩(wěn)定性的影響

在質(zhì)量濃度為5 wt.%的微膠囊相變懸浮液中分別加入含量為100 mg/L,200 mg/L,400 mg/L的CTAC靜置48 h后均出現(xiàn)了明顯的分層,穩(wěn)定性較差.這是由于低濃度的微膠囊相變懸浮液中的有機(jī)分子基團(tuán)較少,表面活性劑在懸浮液中起主要作用的是其不對稱的雙親結(jié)構(gòu),[6]即CTAC的親水疏水性將懸浮液的有機(jī)分子與無機(jī)水分子分離,進(jìn)而導(dǎo)致懸浮液分層.因此,質(zhì)量濃度低于5 wt.%的微膠囊相變懸浮液不宜采用表面活性劑CTAC作為減阻劑;而質(zhì)量濃度為10 wt.%的微膠囊相變懸浮液加入100 mg/L,200 mg/L,400 mg/L 的CTAC減阻劑后,在48 h內(nèi)均表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性,無任何分層現(xiàn)象.

2.2　減阻劑濃度對微膠囊相變懸浮液粘度的影響

2.2.1不同濃度的PAM對微膠囊相變懸浮液粘度的影響

在質(zhì)量濃度為5 wt.%的微膠囊相變懸浮液中加入PAM作為減阻劑,測試溫度為20 ℃,剪切速率為0~100 L/s時,粘度不為定值,且與未加PAM時相比,懸浮液的粘度明顯增大,測試結(jié)果如圖3所示.由圖3可知,在當(dāng)前測試條件下,高分子聚合物對低濃度(φ<5%)懸浮液的減阻效果并不理想,原因是在較低的剪切速率下,PAM分子鏈不能很好地伸縮、彎曲、吸收湍流脈動動能,且PAM含量較多,導(dǎo)致懸浮液中的分子鏈較多且較長,有機(jī)分子之間因相似相溶作用促使分子鏈相互交錯團(tuán)聚,從而造成粘度增大.

圖3　 在質(zhì)量濃度為5 wt.%的懸浮液中添加

在質(zhì)量濃度為10 wt.%的微膠囊相變懸浮液中分別添加100 mg/L,200 mg/L,400 mg/L的PAM作為減阻劑,測試溫度為20 ℃,剪切速率為0~100 L/s時,含量為400 mg/L的PAM使該微膠囊相變懸浮液粘度明顯增大,并先出現(xiàn)剪切變稠之后緩慢發(fā)生剪切變稀,如圖4所示.

圖4　 在質(zhì)量濃度為10 wt.%的懸浮液中添加

這是因為當(dāng)懸浮液所受到的剪切力不大時,PAM的分子鏈呈彎曲狀,與懸浮液中的有機(jī)分子鏈交錯,從而造成流體粘度增大,當(dāng)剪切力超過一定值時,PAM的分子鏈[7-8]發(fā)生伸縮、彎曲,對湍流脈動有一定的緩沖作用,有助于梳理懸浮液的流動,故而粘度降低.添加含量為100 mg/L和200 mg/LPAM的微膠囊相變懸浮液粘度雖可視為定值,但相對于未加減阻劑的濃度為10 wt.%的微膠囊相變懸浮液粘度仍有明顯增加.

2.2.2不同濃度的CTAC對微膠囊相變懸浮液粘度的影響

在實驗溫度為20 ℃,剪切速率為0~100 L/s時,將含量為100 mg/L和400 mg/L的CTAC作為減阻劑加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10 wt.%的微膠囊相變懸浮液中,測試結(jié)果如圖5所示.

圖5　CTAC減阻型微膠囊相變懸浮液的粘度值

雖然隨著剪切速率的增加,懸濁液粘度有降低的趨勢,但均存在較大的粘度.這是因為減阻表面活性劑的濃度低于臨界膠團(tuán)濃度,溶液中的減阻劑主要以球狀膠團(tuán)存在或無法聚集成球狀結(jié)構(gòu),而只有轉(zhuǎn)變?yōu)榘魻钅z團(tuán)[9]才能達(dá)到減阻效果,100 mg/L的CTAC小于此臨界值;當(dāng)CTAC含量為400 mg/L時,減阻劑濃度太高,增大了懸浮液的粘度.CTAC含量為200 mg/L的微膠囊相變懸浮液的粘度值最低,且小于未添加減阻劑時濃度為10 wt.%的微膠囊相變懸浮液的粘度(6.207 MPa·s),這是因為隨著溶液中減阻劑濃度的增加,膠束團(tuán)聚緊密,膠束結(jié)構(gòu)向棒狀膠束轉(zhuǎn)變,達(dá)到了減阻的效果.因此,200 mg/L的CTAC是質(zhì)量濃度為10 wt.%的微膠囊相變懸浮液對應(yīng)的最佳減阻濃度.

3結(jié)語

不同于通常的微膠囊相變懸浮液制備,本文采用液固密度逼近法,以減小微膠囊與載流體之間的密度差來維持懸浮液的動力學(xué)穩(wěn)定性為出發(fā)

點,配制水/異丙醇的混合溶液作為連續(xù)相,減少甚至杜絕分散劑、穩(wěn)定劑、增稠劑、乳化劑等各種助劑的添加,大大降低了配制懸浮液的復(fù)雜性和無規(guī)律性.在實驗條件下,表面活性劑CTAC在減阻能力方面較高分子減阻劑PAM更優(yōu).但實驗的剪切速率范圍較狹窄,對于采用高分子減阻劑進(jìn)行微膠囊相變懸浮液減阻仍有待深入研究.

參考文獻(xiàn)：

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(編輯白林雪)

DOI：10.3969/j.issn.1006-4729.2015.04.003