微乳液、纳米乳液的制备及应用性能研究

摘要

纳米乳液是液滴粒径在50-500 nm的透明、半透明乳液体系，在药物、化妆品、农业及石油开采等领域有非常重要的应用价值。但是纳米乳液只是一种动力学稳定体系，有长期放置不稳定的问题。目前最常见的提高纳米乳液稳定性的方法是在纳米乳液中加入长碳链的油相，以降低纳米乳液液滴在水中的溶解度。尽管如此，仍有很多问题需要进一步解决:
　　(1)一般长碳链油相体系的界面张力较高，难以乳化，目前最常用的乳化方法是高能乳化法。但是高能乳化法的能量利用率很低，甚至不到1％，耗能高，设备昂贵，导致纳米乳液的制备成本很高，因此通过能量利用率很高的低能乳化法制备长碳链纳米乳液是纳米乳液发展的重要方向。
　　(2)微乳液稀释法制备纳米乳液是一种非常优异的低能乳化方法，其制备方法简单、非常容易扩大生产，同时还可以利用微乳液的热力学稳定性来克服纳米乳液的放置不稳定问题，但是，目前微乳液稀释法备的纳米乳液的内相含量很低（不超过10 wt％），只适用于医药领域。不仅如此，微乳液稀释法的机理研究不如其他低能乳化法深入，需要更多的新的表征方法对其机理进行研究。
　　(3)目前，纳米乳液在钻井液中已经取得了良好的应用效果。纳米乳液只是一种动力学稳定体系，在地表温度极低的俄罗斯或者海上，由于温度过低，纳米乳液的稳定性很差，放置一段时间后就会发生分层，导致失去原有的优良性能，无法继续使用。
　　基于以上背景，本文首先研究了利用W/O微乳液稀释法制备长碳链油相液体石蜡纳米乳液，探讨了乳化温度、稀释水量及助表面活性剂等因素对制备的长碳链油相纳米乳液粒径的影响。在此基础上，进一步利用W/O微乳液稀释法制备了内相含量高达50 wt％的生物柴油纳米乳液。同时通过低温透射电子显微镜，小角X射线散射仪等手段探究了W/O微乳稀释法制备纳米乳液的机理。虽然我们利用W/O微乳液稀释法提供了一种克服纳米乳液不稳定性的方法。但是在低温时，W/O微乳液依然会发生凝固，无法流动，因此在第四章中，本文研究利用相转变组分法制备了耐低温-30℃的纳米乳液，并详细研究了其在水基钻井液中的应用性能及原理，进一步解决了纳米乳液在低温下不稳定性的问题。最后，在前面对微乳液及纳米乳液的理论研究的基础上，针对油基钻井液会沉积在井壁和套管上从而严重影响钻完井质量的问题，我们利用表面活性剂水溶液遇油会自发形成微乳液的特点，实现了油基钻井液的清洗，并明确了清洗机理，有非常重要的应用价值。
　　本文主要包括以下几部分内容:
　　1.W/O微乳液稀释法制备液体石蜡纳米乳液
　　最常见的提高纳米乳液稳定性的方法是在纳米乳液中加入长碳链的油相，以降低纳米乳液液滴在水中的溶解度。然而长碳链油相体系的界面张力较高，一般难以利用微乳液稀释法进行乳化。在本章中，我们利用W/O微乳液稀释法制备了长碳链油相液体石蜡纳米乳液。随着乳化温度从40℃升高到60℃，乳液的粒径从1.2μm降到61 nm。同时稀释水量的增大也会导致最终形成的纳米乳液的粒径增大。这主要是由于稀释W/O微乳液时，纳米乳液是由异相成核诱导形成的。通过向W/O微乳液中添加聚醚胺D230或者十六烷基三甲基溴化铵CTAB可以调控纳米乳液的带电性质，甚至使得纳米乳液的带电性质由负电转变为正电。更重要的是，我们可以利用W/O微乳液的热力学稳定性，来解决纳米乳液的放置不稳定性问题。本章中的石蜡纳米乳液在水基钻井液中有优良的润滑封堵效果，有非常重要的应用价值。
　　2.W/O微乳液稀释法制备高浓度的生物柴油纳米乳液
　　通常，微乳液稀释法制备的纳米乳液的内相含量都不超过10 wt％，本章中，我们成功地利用W/O微乳液稀释法制备了内相含量高达50 wt％的生物柴油纳米乳液。并利用低温透射电子显微镜和小角X射线散射等手段研究了W/O微乳液稀释法制备纳米乳液的机理。高温稀释时，由于表面活性剂的迁移和反转，纳米粒径的小液滴会自发形成。但是这些液滴在高温下并不稳定。因此，通过降低乳液的温度来提高液滴界面膜的稳定性以及降低液滴之间的碰撞频率。本章中的生物柴油纳米乳液是一种绿色的乳液体系，环保无毒，易降解，可以用作一种新型的绿色润滑剂。
　　3.耐低温纳米乳液的制备与应用
　　前两章我们利用微乳液稀释法有效地解决了纳米乳液的储存及放置不稳定性问题。但是，在低温（＜-20℃）时，W/O微乳液依然会发生凝固，无法流动，虽然可以通过加热将其重新融化再进行应用，但在实际生产应用会造成很大困扰。因此，在本章中我们以丙三醇的水溶液为连续相，利用相转变组分法制备了在低温-30℃依然有良好的流动性的固体石蜡、液体石蜡混合油相的纳米乳液，并详细研究了表面活性剂的复配比、含量和纳米乳液内相含量对耐低温纳米乳液粒径及稳定性的影响。理论计算证明耐低温纳米乳液能够有效地降低滤失速率，形成内泥饼，起到良好的封堵作用，防止压差卡钻。表明耐低温纳米乳液在水基钻井液中具有潜在的应用价值。
　　4.表面活性剂水溶液在油基钻井液清洗中的应用
　　油基钻井液连续相是油，能够避免油层的水敏作用，因此对于储层水敏程度较高的井段，往往采用油基钻井液钻井，防止油气层损害。但是油基钻井液会沉积在在套管和井壁上，严重影响钻完井质量。在本章中，我们利用微乳液能够自发形成的特点，以绿色表面活性剂烷基糖苷APG和十二烷基聚氧乙烯醚复配表面活性剂的水溶液作为油基钻井液清洗液，实现了油基钻井液的清洗。当表面活性剂水溶液遇到油基钻井液的油相液体石蜡后，能够自发形成O/W微乳液，有效地清洗油基钻井液。表面活性剂水溶液对油基钻井液的清洗主要分为两个过程:(1)由于表面活性剂水溶液界面张力很低，与井壁上的油基钻井液油滴接触后，会自发地将井壁上的油滴进行乳化，形成微乳液，有效地将粘附在井壁上的油基钻井液完全分散在微乳液中。与此同时，油基钻井液中的固体颗粒也在旋转冲刷的作用下脱落下来。(2)表面活性剂水溶液中过量的表面活性剂的亲油基团能够吸附在疏水的井壁上，而亲水头基暴露在外面，使得井壁的润湿性由亲油性转变为亲水性，这一研究对于油基钻井液的处理具有非常重要的指导意义及实际应用价值。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及立题意义

1．2 纳米乳液的研究进展

1．2．1 乳液概况

1．2．2 纳米乳液的特点

1．2．3 纳米乳液的制备方法

1．2．4 纳米乳液带电性质的调控

1．2．5 纳米乳液的稳定性

1．3 微乳液的研究进展

1．3．1 微乳液的结构与类型

1．3．2 微乳液与纳米乳液的异同

1．4 微乳液、纳米乳液在钻井液中的应用

1．4．1 钻井液概述

1．4．2 纳米乳液在水基钻井液中的应用现状

1．4．3 微乳液在油基钻井液的应用现状

1．5 本文的主要研究内容

参考文献

第二章 W／O微乳液稀释法制备液体石蜡纳米乳液

2．1 引言

2．2 仪器和药品

2．2．1 主要仪器和设备

2．2．2 原料及试剂

2．3 实验方法

2．3．1 纳米乳液的制备

2．3．2 乳液的粒径分布测量

2．3．3 界面张力

2．3．4 电导率测量

2．3．5 流变测量

2．3．6 相图的绘制

2．3．7 纳米乳液带电性质测定

2．3．8 纳米乳液润滑性能测定

2．3．9 纳米乳液封堵性能测定

2．4 结果与讨论

2．4．1 乳化温度对液体石蜡纳米乳液的影响

2．4．2 稀释前体系的相行为对液体石蜡纳米乳液的影响

2．4．3 W／O微乳液的油剂比对液体石蜡纳米乳液粒径的影响

2．4．4 稀释水量对液体石蜡纳米乳液的影响

2．4．5 助表面活性剂的加入对液体石蜡纳米乳液的影响

2．4．6 带正电的液体石蜡纳米乳液的制备

2．4．7 W／O微乳液稀释法制备液体石蜡纳米乳液在水基钻井液中的应用

2．5 本章小结

参考文献

第三章 W／O微乳液稀释法制备高浓度的生物柴油纳米乳液

3．1 引言

3．2 仪器和药品

3．2．1 主要仪器和设备

3．2．2 原料及试剂

3．3 实验方法

3．3．1 纳米乳液的制备

3．3．2 乳液的粒径分布测量

3．3．3 界面张力

3．3．4 相图的绘制

3．3．5 低温透射电子显微镜

3．3．6 小角X射线散射测量

3．3．7 纳米乳液润滑性能测定

3．4 结果与讨论

3．4．1 W／O微乳液稀释法制备生物柴油纳米乳液的影响因素

3．4．2 W／O微乳液稀释法制备生物柴油纳米乳液的机理研究

3．4．3 W／O微乳液稀释法制备生物柴油纳米乳液的稳定性

3．5 本章小结

参考文献

第四章 耐低温纳米乳液的制备与应用

4．1 引言

4．2 仪器和药品

4．2．1 主要仪器和设备

4．2．2 原料及试剂

4．3 实验方法

4．3．1 纳米乳液的制备

4．3．2 乳液的粒径分布测量

4．3．3 凝固点测定

4．3．4 纳米乳液的长期稳定性

4．3．5 纳米乳液润滑性能测定

4．3．6 纳米乳液封堵性能测定

4．4 结果与讨论

4．4．1 耐低温连续相的制备

4．4．2 表面活性剂的复配比例对耐低温纳米乳液的影响

4．4．3 乳化温度对耐低温纳米乳液性质的影响

4．4．4 体系的油剂比对耐低温纳米乳液性质的影响

4．4．5 体系的内相含量对耐低温纳米乳液性质的影响

4．4．6 耐低温纳米乳液的稳定性

4．4．7 耐低温纳米乳液低温下的流动性

4．4．8 耐低温纳米乳液在水基钻井液中的应用

4．5 本章小结

参考文献

第五章 表面活性剂水溶液在油基钻井液清洗中的应用

5．1 引言

5．2 仪器和药品

5．2．1 主要仪器和设备

5．2．2 原料及试剂

5．3 实验方法

5．3．1 表面活性剂水溶液的配制

5．3．2 表面活性剂水溶液相图的绘制

5．3．3 表面活性剂水溶液对模拟井壁的清洗效果

5．3．4 表面活性剂水溶液对模拟井筒的清洗效果

5．3．5 表面活性剂水溶液对油基钻井液的清洗效率

5．3．6 高温高盐对表面活性剂水溶液的影响

5．4 结果与讨论

5．4．1 表面活性剂复配比的选择

5．4．2 表面活性剂水溶液对液体石蜡的增溶能力

5．4．3 表面活性剂的含量对模拟井筒的清洗效果的影响

5．4．4 表面活性剂水溶液对模拟井壁的清洗效果

5．4．5 温度对模拟井筒的清洗效果的影响

5．4．6 无机盐对模拟井筒的清洗效果的影响

5．4．7 表面活性剂水溶液对原油污染的模拟井筒的清洗效果

5．4．8 表面活性剂水溶液的清洗机理

5．5 本章小结

参考文献

第六章 本文主要结论及创新点

致谢

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