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1、,2019年度国家基金重点项目申请答辩(包头,7月30日),申请项目名称：高分子电解质材料在工程,申 请 人：郑 强依 托 单 位：浙江大学合 作 单 位：南京大学 中科院长春应化所,应用中的基础问题研究,一、项目背景及课题的提出,二、项目主要研究内容,三、项目的研究方案,四、项目实施的可行性,五、项目的特色与总体目标,一、项目背景及课题的提出,2019年度国家基金委工程与材料科学部有机高分子材料学科所列重点项目指南,项目背景,研究背景,国民经济和社会发展的重大需求,能 源,资 源,环 境,对固态材料而言，凝聚态结构是决定其品质和最终使用性能的关键,对液态材料而言，溶液结构和流变行为是决定其品
2、质和最终使用性能的关键,一次（自能量衰减）采油 二次（注水）采油 三次（驱）采油,原油采收率(%),重大需求背景1,三次采油,5-10 30-4050-70,三次采油的关键,聚电解质驱油剂的突破,重大需求背景2,我国的水资源环境日益恶化,污染状况调查表明，中国532条主要河流中,82%受到不同程度的污染；在中国人口密集的地区，湖泊、水库已经全部受到了污染。,我国制污投入进一步加大,2019年全国废水治理投资133.7亿元，比上年分别增加26.6%。,我国污水排放量不断增大,2019年全国废水排放总量482.4亿吨，比上年增加4.9%。2019年全国废水排放总量524.5亿吨，比上年增加8.7%
3、。,污水治理,污水处理的关键,聚电解质絮凝剂的突破,聚电解质基础研究现状1,对聚电解质不能完全离解现象至今仍停留在不完整的定性说明阶段,对“聚电解质效应”本质的解释存在严重误导,溶液性质,对驱油作用（增粘）与聚电解质溶液性质的关系还有待阐明,对絮凝作用与聚电解质溶液性质（电导、迁移）的关系尚不清楚,聚电解质基础研究现状2,Thuresson et al.指出，添加少量表面活性剂使聚电解质溶液体系的动态粘度有数量级的提高，但原因不明,Tsitsilianis et.al考察了Ps-PANa-Ps三嵌段聚电解质溶液的静态和动态流变学，对一些现象还不能解释,Tadros et.al发现，电解质溶液可
4、明显改变煤/水体系流变特性，进而改变输送特性和稳定性，但尚不系统,Cosgrove et al.发现，少量聚电解质NaPAMPS的加入使胶原粘度大幅增高并产生明显的触变行为,但机理不明,Macromolecules 2000,33,1199,Langmuir 2019,12,530,Langmuir 2019,11,Macromolecules 2019,35,3662,流变特性,申请项目的科学问题,聚电解质材料,二、项目主要研究内容,主要研究内容,拟解决的关键科学问题,三、项目的研究方案,验证“动态接触浓度”划分聚电解质溶液浓度区间的普适性、正确性（粘度法、激基荧光光谱、激光光散射）,（一）
5、聚电解质溶液部分,考察不同浓度划分区域不同类型聚电解质溶液的离解行为（pH电极法、电导法）,探索聚电解质溶液粘度-浓度特异关系（Langmiur等温式，2 3种自制的不同材质毛细管粘度计）,（二）聚电解质流变部分,均一聚电解质溶液的稳态、动态剪切流变特性（AR-G2流变仪，稳态旋转粘度计和圆筒式动态流变测定）,聚电解质/添加物混合体系的复杂流变行为（AR-G2流变仪，稳态旋转粘度计和圆筒式动态流变测定、流变-光散射溶液性质表征）,复杂条件下聚电解质溶液剪切流动与凝胶化的测定与模拟（自建的流变参数测定装置）,（三）驱油/絮凝功效部分,模拟絮凝/驱油条件下模型聚电解质的增粘机制及其与驱油/絮凝效果
6、间构效关系（稳态粘度与动态粘度法）,疏水改性聚电解质,不同环境下的疏水缔合凝聚、增粘模型（DLS、SLS、GPC-LS-联用、粘度法）,四、项目实施的可行性,可行性分析,已有工作基础,溶液研究基础：,(1)高分子溶液浓度区间的初步划分,Km 0 分子间范德华力 非聚电解质溶液+部分聚电解质溶液Km=0 库伦力 聚电解质溶液,Km：有效自缔合常数,团簇理论：sp/C=+6 Km CHuggins公式：sp/C=+kH 2 C,Km=kHh/6,KH：Huggins斜率常数,溶液研究基础：,(2)高分子溶液粘度的界面效应,K：有效吸附层厚度,Fint:界面校正因子，与浓度有关,高分子稀溶液粘度的普
7、适公式,溶液研究基础：,(3)聚电解质溶液奇异的粘度-浓度依赖关系,溶液研究基础：,(4)聚电解质溶液奇异的浓度-温度依赖关系,聚电解质溶液粘度界面效应的直接证明Km=0,HPAM M=5.0 x 105Degree of hydrolysis 19%,溶液研究基础：,(5)高分子溶液粘度的界面（材质）效应,聚电解质溶液的离解度 a 的浓度依赖性依从高分子溶液应划分成四个浓度区间的原则,(6)聚电解质溶液的离解与浓度区间的划分,溶液研究基础：,极稀溶液,亚浓溶液,Ka,K0,发现了溶液中高分子的链形态参数（C*）、污水中悬浮物浓度(Css)与絮凝剂最佳浓度(Cod)的相关性,(7)高分子絮凝剂
8、的稀溶液性质及其絮凝规律,溶液研究基础：,Qian JW,Xiang XJ,et al.Euro.Polym.J.2019,40,1699,Yang WY,Qian JW,Shen ZQ,J.Coll.Interf.Sci,2019,273,400,(8)嵌段型聚电解质的形态调控,PEG-b-PLLA-b-PLGA,溶液研究基础：,温度和时间、溶剂的极性、pH等都对聚电解质形态有很大的影响,表明多种因素同时影响高分子链的形态和本体形态,Ji XL,et al.(to be submitted).,聚电解质(驱油剂和絮凝剂)流变学的基本科学问题,复 杂 流 体,(1)粒子填充-流变行为,PDMS
9、/SiO2,流变研究基础：,Zhang XW,Pan Y,Zheng Q,Yi X,J.Polym.Sci.Polym.Phys.,2000,38,2739,ColeCole diagrams for PS filled with 25 vol%SnPb alloy,流变研究基础：,(2)剪切形变-流变行为,粒子形变与基体的松弛行为显著影响体系流变行为,Zheng Q,Zhang XW,Pan Y,Yi XS.J.Appl.Polym.Sci.,2019,86,3166,liquid droplets,Solidparticles,Zhang XW,Zheng Q,Pan Y,Yi XS.J.
10、Appl.Polym.Sci.,2019,86,3173,Relationship between T and Temperature,(3)相分离-流变行为,流变研究基础：,K 值两次突变,0.01585 rad/s,修正Kerner-Nielsen方程以反映复合体系中的团聚结构,流变研究基础：,(4)悬浮体系-流变行为,Wu G,Zheng Q.J.Polym.Sci.Polym.Phys.2019,42,1199,K1、K2 分别接近于 1、2,Wu G,Lin J,Zheng Q,Zhang MQ,Polymer,2019,47,2442,tc t t1,发展了一种用于表征体系物理凝胶
11、点的新方法 静态测试法，并提出了相应的数学模型,T=138oC,流变研究基础：,(5)凝胶化-流变行为,Chen Q,Fan YR,Zheng Q,Rheo.Acta.2019,(In press),Chen Q,Fan YR,Zheng Q.Chinese J.Polym.Sci.,2019,23,423,研究团队,可行性分析,工学博士 浙江大学教授 国家杰出青年科学基金获得者(2019)教育部“长江学者奖励计划”特聘教授(2019),南京大学教授华南理工大学教授 中国科学院院士,程镕时,郑 强,项目申请人,1977年生工学博士浙江大学讲师,年轻团队,1967年生理学博士长春应化所研究员,1
12、974年生理学博士南京大学副教授,1974年生理学博士南京大学副教授,1976年生理学博士浙江大学助理研究员,姬相玲,谢鸿峰,安全福,杨 琥,上官勇刚,可行性分析,雄厚的研究平台,浙江大学 聚合反应工程国家重点实验室 高分子合成与功能构造教育部重点实验室,中科院长春应化所 高分子物理与化学国家重点实验室 国家电化学光谱与测试中心,南京大学 介观化学教育部重点实验室 配位化学国家重点实验室,高级流变仪(ARG-2)(美国)动态力学分析仪(Q800)(美国)调制式示差扫描量热仪(MDSC Q100)(美国)先进流变学扩展系统(ARES-9A)(美国)Haakke流变仪(RHEOFLIXER POL
13、YLAB)(德国)毛细管流变仪(RHEOFLXER HT)(德国)转矩流变仪(XSS-30)(中国)付里叶红外光谱仪(BRUKER VECTOR22)(德国)原子力显微镜(SEIKO SPI3800N)(日本)扫描电镜(JSM-5510LV)(日本)激光共聚焦显微镜(BIO-RAD R-2100)(英国),主要仪器设备,AR-G2流变仪,喷雾干燥机(BUCHI B-191)(德国)先进流变学扩展系统(ARES-9A)(美国)四检测器（示差、紫外、粘度、激光光散射）凝胶渗透GPC静态和动态光散射仪，聚合物制备设施和分级设备,主要仪器设备,热重分析仪(PE TGA-6)(美国)凝胶渗透色谱仪(HERMOSPC)(日本)高温凝胶渗透色谱仪(PL-220)(英国)热台显微镜(OLYMPUS BX-51)(美国)电导仪,ARES流变仪,五、项目的特色与总体目标,本项目的特色,是一项面向石油高效开采、污水治理重大需求的重点申请课题,是一项以高分子材料液体形态结构为对象的重点申请课题,是一项体现高分子溶液与流变学研究特色交叉的重点申请课题,项目的总体目标,感谢国家基金委和各位评审专家！,谢谢！,
