Á sviðum eins og olíuborun, lyfjum og daglegum efnum gegnir sérstök tegund efnis sem kallast „vatns-leysanlegar amfífískar samfjölliður“ mikilvægu hlutverki. Ímyndaðu þér efni sem getur blandað mjúklega saman við bæði vatn og olíu, þykknað vökva án þess að kekkjast og jafnvel verið stöðugt við erfiðar aðstæður-þetta er nákvæmlega það sem þessar samfjölliður gera. Kjarninn í gerð slíkra nytsamlegra efna er lykilefni: N-vínýlpýrrólídón (NVP). Hrein fjölliða hennar, pólývínýlpýrrólídón (PVP), er nú þegar mikið notuð vegna þess að hún er örugg (ekki-eitruð fyrir mannslíkamann), leysist auðveldlega upp í vatni og hefur góðan stöðugleika. Þú gætir fundið það í læknisfræðilegum sárabindum (til að halda sárum rökum), snyrtivörum (til að gefa húðkrem slétta áferð) eða jafnvel matvælaaukefnum (til að halda innihaldsefnum blönduðum). En hér er gripurinn: NVP sjálft er frekar dýrt. Ef við notum eingöngu hreint PVP er kostnaðurinn of hár fyrir stóra{10}}forrit eins og olíusvæði. Þess vegna hafa vísindamenn verið að reyna að blanda NVP saman við önnur ódýrari og hagnýtari innihaldsefni-og búa til „samfjölliður“ sem halda kostum PVP á sama tíma og þeir bæta við nýjum eiginleikum og draga úr kostnaði.
1. Inngangur: Af hverju við rannsökum N-Vinyl Pyrrolidon Copolymers
Til að skilja hvers vegna þessar samfjölliður skipta máli skulum við brjóta niður kjarnaeiginleika þeirra: að vera „amfífílar“. Sérhver sameind hefur tvo hluta-einn sem elskar vatn (kallaður „vatnssækinn,“ eins og sykurinn í kaffinu þínu) og einn sem hatar vatn (kallaður „vatnsfælin,“ eins og olía). Þetta tvíþætta eðli gerir þeim kleift að gera tvo mikilvæga hluti: Í fyrsta lagi lækka þeir yfirborðsspennu vatnsins, sem hjálpar til við að blanda olíu og vatni (gagnlegt til að hreinsa vörur eða endurheimta olíu); í öðru lagi geta þeir þykkt vökva með því að tengjast saman til að mynda „net“ í vatni (fullkomið til að koma í veg fyrir að sjampóþykkni eða olíusvæðisvökvi verði of þunnur).
NVP er stjörnu innihaldsefni til að búa til þessar samfjölliður vegna þess að það athugar alla kassana: það er öruggt (lífsamhæft, þannig að það skaðar ekki húðina eða umhverfið), auðvelt að blanda því við önnur efni (það hefur hvarfgjarnt "tvítengi" sem tengist vel öðrum einliðum), og vatnssækinn hluti þess hjálpar samfjölliðunni að leysast upp í vatni. En hreinar NVP-fjölliður hafa stóran galla-þær þola ekki erfiðar aðstæður í raunverulegri-heimsnotkun. Til dæmis, í olíulindum, getur hitinn náð 65 gráðum eða hærri og vatnið er fullt af salti (eins og NaCl, CaCl2). Hreint PVP verður þunnt og brotnar hratt niður hér, sem þýðir að það getur ekki hjálpað til við að ýta olíu út úr brunninum á áhrifaríkan hátt.
Við settum okkur skýr markmið: að hanna og framleiða þrjár nýjar NVP-samfjölliður, prófa lykileiginleika þeirra (eins og getu þeirra til að draga úr yfirborðsspennu, meðhöndla hita og leysast upp í vatni) og athuga hvort þær virki vel með algengu olíusvæðisefni sem kallast AP-P4 (olíutilfærslumiðill sem venjulega missir þykknunargetu sína í hita og salti).
2. Gerð og prófun P(NVP/DMFA)
Fyrsta samfjölliðan sem við bjuggum til heitir P(NVP/DMFA). Til að gera það pöruðu þeir NVP við annað efni sem kallast dodecafluoroheptyl methacrylate (DMFA)-snjallt val vegna þess að DMFA inniheldur flúoratóm. Flúor er þekkt fyrir stöðugleika í efnum: það er ónæmt fyrir hita, vatni og tæringu.
Undirbúningsferlið er einfalt og nákvæmt. Við blandum fyrst NVP og DMFA í mismunandi hlutföllum (á bilinu 99,7:0,3 til 98,5:1,5) í tólúeni, leysi sem almennt er notað til að leysa upp efni. Þegar blöndunni er lokið, bætum við litlu magni af AIBN (azóbisísóbútýrónítríl), efni sem „kveikir“ efnahvarfinu með því að brotna niður í sindurefna. Við hitum blönduna í 80 gráður og leyfum henni að hvarfast í 6 klukkustundir. Eftir að hvarfinu er lokið er blöndunni hellt í díetýleter, annan leysi, til að fella út samfjölliðuna sem hvítt duft. Að lokum er duftið síað og þurrkað undir lofttæmi til að gefa P(NVP/DMFA).
Prófin sýndu að þessi samfjölliða var áhrifamikil:
- Yfirborðsvirkni: Þegar það var blandað vatni í styrkleikanum 10g/L lækkaði það yfirborðsspennu vatns úr 72 mN/m (hreint vatn) í 34 mN/m-mikill dropi, sem þýðir að það er frábært til að hjálpa olíu og vatni að blandast saman.
- Áhrif hitastigs og salts: Hærra hitastig (frá 25 gráður til 45 gráður) gerði það að verkum að það virkaði enn betur-hærri hiti veikti tengslin milli vatnssækinna hluta samfjölliðunnar og vatns, þannig að vatnsfælnu hlutarnir gætu hópast meira saman og lækkað yfirborðsspennuna enn frekar. Að bæta við salti (eins og NaCl) hafði "U-lögun" áhrif: smá salt (minna en 0,01 mól/L) varð til þess að yfirborðsspennan hækkaði aðeins (vegna þess að saltið gerði vatnið skautara, svo vatnsfælin dreifðust út), en meira salt (yfir 0,01 mól/L) lét það falla aftur (saltið þrýsti vatnsfælnu hlutunum saman).
- Söfnunarhegðun: Þegar samfjölliðan var þynnt (minna en 0,1g/L) brotnuðu sameindir hennar inn á sig (kallað „innra sameindasamband“)-hugsaðu um að strengjakúla herti. Þegar það var þéttara (yfir 0,1 g/L), tengdust sameindirnar saman (kallað „millisameindasamband“)-eins og margar strengjakúlur sem tengdust og mynduðu stórt net. Þetta net er það sem gerir vökva þykka.
- Hitaþol: Með því að nota vél sem kallast hitaþyngdarmælir (TGA) fundu þeir að samfjölliðan missti aðeins þyngd (brotnaði) yfir 300 gráður. Þar áður var allt þyngdartap bara vatn eða lítil óhreinindi. Og eftir því sem þeir bættu við meira DMFA hækkaði niðurbrotshitastigið-sönnun þess að flúor gerir það hitastöðugra-.
- Notkun olíuvalla: Þegar það var blandað saman við AP-P4 (algengt olíu-tilfæringarefni sem þynnist út í hita) skipti 75 mg/L af P(NVP/DMFA) miklu máli. Við 45 gráður, eftir 400 klukkustunda öldrun, hélst seigja (þykkt) blöndunnar yfir 300 mPa·s-mun hærri en hreint AP-P4, sem fór niður í 150 mPa·s. Þetta þýðir að það gæti hjálpað til við að halda vökva olíuvalla þykkum og ýta meiri olíu út úr brunnum.
3. Gerð og prófun P(NVP/MA)
Önnur samfjölliðan er P(NVP/MA) og ofurkraftur hennar er leysni. Teymið paraði NVP við maleinsýruanhýdríð (MA)-ódýrt,-auðvelt-efni sem er frábært í einu: að láta samfjölliður leysast upp í vatni fljótt. MA sjálft getur ekki myndað fjölliða á eigin spýtur, en það tengist fullkomlega við tvítengi NVP.
Nýmyndunin var svipuð og fyrstu samfjölliðuna: þeir blanduðu NVP og MA í hlutföllum frá 75:25 til 25:75 í tólúeni, bættu AIBN við, hitað í 80 gráður í 6 klukkustundir og botnfelldu það með díklórmetani til að fá ljósgult fast efni. Besti hlutinn? Þetta fasta efni leyst upp í vatni samstundis-ekki hrært í klukkutímum saman, sem er stór plús fyrir raunverulegan-heimsnotkun.
Prófin sýndu styrkleika þess (og nokkra veikleika):
- Yfirborðsvirkni: Það var ekki eins gott að lækka yfirborðsspennu og P(NVP/DMFA)-við 10g/L, hún fór aðeins niður í 45 mN/m. En það er samt betra en mörg algeng þykkingarefni.
- Samsöfnun og stöðugleiki: Eins og fyrsta samfjölliðan hafði hún mikilvægan styrk upp á 0,1g/L (fyrir neðan það, brotin; fyrir ofan það, tengd í net). Það höndlaði einnig hita vel, en það brotnaði niður í tveimur þrepum: fyrst brotnuðu amíðbindingin í NVP við 200-300 gráður, síðan brotnaði aðalkeðjan við 300-400 gráður. Að bæta við meira MA gerði fyrsta niðurbrotshitastigið hærra, sem er gott fyrir stöðugleika.
- Notkun olíuvalla: Þegar það var blandað saman við AP-P4, ljómaði það við heitar aðstæður. Við 65 gráður (venjulegt hitastig olíulindar), með því að bæta aðeins 25 mg/L af P(NVP/MA) við, hélt blöndunni stöðugri-eftir 800 klukkustundir, seigjan var enn yfir 220 mPa·s, en hreint AP-P4 lækkaði í 80 mPa·s. Skauthópar MA mynduðu „vetnistengi“ við AP-P4, sem héldu sameindunum saman og komu í veg fyrir að þær brotnuðu niður í hita.
4. Gerð og prófun HDA-P(NVP/MA)
Þriðja samfjölliðan, HDA-P(NVP/MA), er uppfærð útgáfa af annarri samfjölliðunni. Rannsóknarteymið tók fram að P(NVP/MA) sýndi lélega vatnsfælin tengda eiginleika -vatnsfælinn hluta þess var ekki nægilega sterkur. Þess vegna breyttu þeir því með hexadecýlamíni (HDA), langri -keðju sem inniheldur 16 kolefnisatóm. Þessi langa keðja hefur einstaka vatnsfælni, sem gerir samfjölliðunni kleift að klessast betur saman og dregur úr yfirborðsspennu.
Breytingarferlið er einfalt: P(NVP/MA) duftið sem fæst í öðru þrepi er leyst upp í asetoni, fylgt eftir með því að bæta við HDA. MA inniheldur anhýdríðhópa, sem hvarfast auðveldlega við amínóhópa HDA (eins og tveir púslbútar sem passa saman). Hvarfinu er leyft að halda áfram við stofuhita í fjórar klukkustundir, fylgt eftir með því að bæta við litlu magni af natríumhýdroxíði til að hlutleysa lausnina. Breytta samfjölliðan fellur út og myndar hvítt duft-HDA-P(NVP/MA).
Prófin sönnuðu að uppfærslan virkaði:
- Yfirborðsvirkni: Það lækkaði yfirborðsspennu vatns í 38 mPa·s við 10g/L -betri en óbreytt P(NVP/MA) (45 mPa·s). Og ólíkt fyrstu tveimur samfjölliðunum, þegar salt var bætt við, minnkaði yfirborðsspennan (engin U--lögun)-langu HDA-keðjurnar hópuðust meira saman þar sem salt gerði vatn skautara.
- Hitaþol: Það var mesta-hitastöðugleiki af þessum þremur. TGA prófanir sýndu að það bilaði í tveimur þrepum: Í fyrsta lagi slitnuðu HDA keðjurnar við 200-300 gráður, síðan brotnaði aðalkeðjan við 300-450 gráður. Helstu keðjubrotshitastigið var 380 gráður -30 gráður hærra en P(NVP/MA) - þökk sé löngum keðjum HDA sem virkuðu sem "skjöldur" fyrir aðalkeðjuna.
- Notkun olíuvalla: Það var -hagkvæmast. Með því að bæta aðeins 25mg/L af HDA-P(NVP/MA) við AP-P4 náði seigja blöndunnar 400 mPa·s eftir 400 klukkustundir við 45 gráður. HDA keðjurnar og vatnsfælnir hlutar AP-P4 mynduðu „samverkandi tengsl“-þeir tengdust þétt saman, sem gerði blönduna sérstaklega þykka. Lítið fór langt, sem myndi spara peninga fyrir olíusvæði.
5. Það sem við fundum og hvað er næst
Eftir að hafa búið til og prófa allar þrjár samfjölliðurnar, dró teymið skýrar ályktanir:
- Hver samfjölliða hefur sinn ofurkraft: P(NVP/DMFA) er best til að lækka yfirborðsspennu og meðhöndla hita; P(NVP/MA) leysist upp samstundis og virkar í heitum brunnum; HDA-P(NVP/MA) er ódýrt (virkar í litlu magni) og ofurhita-stöðugt.
- Lykilreglur fyrir samsöfnun: Allir þrír voru með „mikilvægan styrk“ sem var ~0,1g/L-undir því, sameindir brjóta saman; fyrir ofan það tengjast þeir inn í net. Heitara hitastig og meira salt ýtti þeim til að tengjast saman, sem er nákvæmlega það sem þarf til að þykkna olíusvæðisvökva.
- Verðmæti olíuvalla: Þegar blandað var saman við AP-P4 lagaði hver samfjölliða veikleika AP-P4 (missir seigju í hita/salti). Þetta þýðir að hægt væri að nota þau sem aukefni til að gera olíuvinnslu skilvirkari.
Við vonumst til að kanna tvær leiðir: að prófa þessar samfjölliður í læknisfræði-gæti þær verið notaðar sem lyfjaberar (til að losa lyf hægt út í líkamann) eða sem lífsamrýmanleg húðun (fyrir lækningatæki)? Eða við gætum fínstillt nýmyndunarferlið til að draga úr kostnaði við samfjölliðurnar-sem stendur, sum innihaldsefni, eins og DMFA, eru enn dýr, svo að finna ódýrari kosti gæti hjálpað verksmiðjum að framleiða þau í stórum stíl.
Með meiri rannsóknum gætu þessar N-vínýlpýrrólídónsamfjölliður orðið að aðalefni á olíusvæðum, sjúkrahúsum og jafnvel daglegu lífi okkar-og gert vörur öruggari, skilvirkari og hagkvæmari.