利用动态光散射法研究聚合物分子尺寸

杨香艳 大庆油田勘探开发研究院

1 动态光散射方法建立

动态光散射主要原理：聚合物高分子在溶液中进行布朗运动，入射光通过高分子链时发生散射，散射光产生多普勒位移，通过测定散射光频率与入射光频率之差，得到高分子布朗运动产生的平移扩散系数和旋转扩散系数，扩散系数有浓度依赖和分子量依赖性，从而获得分子尺寸。

在研究不同环境下聚合物溶液分子尺寸时，引入等效圆球的流体力学体积概念，将高分子线团看作一个直径为Dh的等效圆球，微球半径即为高分子的水动力学半径（以下记为Rh）。采用动态光散射方法，可以发现不同浓度、不同矿化度聚合物溶液中水动力学半径的变化规律。

2 实验材料仪器

（1）实验仪器。美国布鲁克海文BI-200 SM广角动/静态激光光散射仪，动态测试散射角为90°，实验温度25℃。

（2）试剂材料。选取大庆炼化公司生产驱油用部分水解聚丙烯酰胺产品、氯化钠（化学纯）。分子量级别：500~700万、950~1 200万、1 200~1 600万、2 500万、3 500万；聚合物浓度：150、400、1 000、1 500和2 000 mg/L；溶液矿化度950、2 41、4 000、10 000和20 000mg/L。

3 分子尺寸影响因素

（1）分子量对分子尺寸的影响。选取聚合物溶液浓度150 mg/L的稀溶液，溶液矿化度选取4 000 mg/L。在稀溶液状态下，Rh均随着分子量增加而增加。布朗运动单元为单个高分子链。随着聚合物分子量增加，高分子链段在溶液中扩散系数降低。扩散系数与成反比，因而Rh增大。

（2）浓度对分子尺寸的影响。实验选取两个分子量级别的驱油用水解聚丙烯酰胺（1 200万和2 500万），溶液矿化度选用4 000mg/L，随着聚合物溶液浓度的增加，水动力学半径增加。其原因是，聚合物由低浓度到高浓度过程中，聚合物溶液中分子存在形态由单分子向多分子转变，分子尺寸由单分子链尺寸变为多分子链的微球结构。随着浓度继续增加，微球内分子链缠结的强度和密度增大，线团及水化双电层尺寸增加，即Rh增加。

（3）矿化度对分子尺寸的影响。实验选取聚合物分子量级别为1 200~1 600万，聚合物浓度为150mg/L，Rh随着溶液矿化度的增加而减小，减小到一定程度后趋于平缓。在低矿化度情况下，形成比较疏松的无规线团，Rh较大。随着溶液中的Na+增加，分子链及Stern吸附水化层有效体积缩小，线团紧密，Rh减小。矿化度增加到一定值后，分子链吸附的Na+达到饱和，电解质压缩卷曲达到极限，聚合物分子链及Stern吸附水化层不再变化，即Rh变化趋于平缓。

4 结论

（1）聚合物溶液分子尺寸与分子量、浓度及矿化度密切相关，利用动态光散射法，建立了表征聚合物分子尺寸的新方法。

（2）研究给出聚合物分子量、浓度和矿化度对水动力学半径的影响规律及影响程度。水动力学半径随着聚合物分子量增加而增加，随着浓度增加而增加，随着溶液矿化度的增加而降低。