超低张力体系油水界面层分子组装规律及微观机理研究

超低界面张力体系在三次采油、洗涤、农药、纳米材料合成等重要领域具有巨大应用潜力，但产生超低张力现象的微观机制仍不清晰，体系的设计缺乏理论指导，应用受到极大制约。现已发现的超低界面张力体系相态变化复杂、适用条件苛刻，特别是与油相组成严重相关，而实际过程中油相组成往往多变，是影响其应用的极大缺限。本项目拟采用耗散颗粒动力学和分子动力学模拟方法，结合界面张力、界面流变、激光二次谐波和拉曼光谱等实验技术，研究超低界面张力体系油水界面层组成、分子构象、排布规律及相互作用，揭示产生超低界面张力的微观机理,确定超低界面张力体系油水界面层的微观结构特征和分子组装规律；并探索根据优化的界面组成，在体相中预组装为胶束(或微乳液)后靶向吸附在油水界面原位组装界面层产生超低界面张力的技术路线，通过降低界面层组成对油相的依赖取得油相适应性，创新界面分子工程理论，填补国内外空白，引领三采化学驱油体系的设计和应用方向。

近年来超低界面张力体系在三次采油方面的重要性持续增长，具有超低界面张力的表活剂/聚合物二元复合驱和低张力泡沫驱被认为是最具技术优势和应用前景的强化采油技术，同时其在洗涤、农药、医药、纳米材料合成等领域的创新应用的优良效果也逐渐被揭示，为这些领域的发展提供了生命力和新机遇。由于超低界面张力现象涉及到微小尺度的界面上分子水平的信息，受研究手段的限制，对于超低界面张力体系界面分子行为规律的微观认识缺乏，使得微观机理不够清晰，不仅体系的设计缺乏依据和指导，而且一些制约实际应用效果的问题一直无法解决。比如油相适应性是影响应用效果的致命缺限，复配表活剂的色谱分离对现有超低界面张力体系的实际应用造成极大困扰。.本项目采用耗散颗粒动力学和分子动力学模拟方法研究了多个单一和复配表面活性剂体系在气/液和油/水界面的分子行为，系统考察了界面层内所有分子的行为和分布信息，并采用二次谐波、全内反射红外光谱、界面流变等先进实验手段探测表面活性剂的界面行为和界面层性质的变化。模拟和实验结果相结合，分析表面活性剂的界面行为和排布规律，并结合界面生成能的计算和界面张力的测定，揭示了超低界面张力体系的关键界面组装规律。研究发现，表面活性剂在界面层内高度致密排列的体系，油相和水相被最大程度地隔开，体系的界面生成能的显著降低，是确保体系产生超低界面张力的关键机制。基于此，不仅将超低界面张力相关的理论研究推进到微观水平，具有重要的理论意义。更重要的是，由此明确了克服超低张力体系油相适应性和复配表面活性剂色谱分离这些难题的的技术途径。基于前述界面组装规律和理论机制，以界面生成能为核心参数确定体系的最优组成和表面活性剂最佳配比，以特定步骤组装而成的胶束或微乳液，不仅可彻底避免色谱分离，油相适应性增强，而且在极低的浓度下即可将界面张力降至10-4mN.m-1以下。研究揭示的超低张力体系界面分子组装规律还将表面活性剂的油水界面活性和泡沫性能统一了起来，为低张力泡沫体系的设计明确了方向。本项目所研究的基于绿色表面活性剂的环境友好低张力泡沫体系，在三次采油以及环境污染治理方面均具有重要应用前景。本项目还研究了无机盐、表面活性剂副产物、聚合物等对表面活性剂分子的体相和界面组装行为的影响规律和机制，取得的理论认识对超低界面张力体系在相关领域的应用有重要的指导作用。