مطالعه مقایسه‌ای میسل‌های کرم‌مانند پاسخگو به CO2 تهیه شده با درشت‌مولکول‌ها و کوچک‌مولکول‌ها

نوع مقاله: پژوهشی

نویسندگان

تهران، دانشگاه شهید بهشتی، دانشکده علوم شیمی و نفت، گروه پلیمر و شیمی مواد، صندوق پستی: 4716-19839

چکیده

به‌تازگی مطالعه میسل‌های کرم‌مانند (WLMs) پاسخگو به گاز کربن دی‌اکسید (CO2) به‌عنوان محرک فراوان، بی‌اثر و سبز توجه زیادی را به خود جلب کرده است. این مواد کاربردهای متعددی در زمینه‌های مختلف از جمله انتقال گرما، کنترل رئولوژی، محصولات حفاظت شخصی و ازدیاد برداشت نفت (EOR) دارند. سامانه ایده‌ال میسل کرم‌مانند پاسخگو به CO2 انتقالی برگشت‌پذیر بین حالت سل به ژل را نسبت به تغییرات محیط نشان می‌دهد. مهم‌ترین ویژگی سامانه‌های مزبور این است که هنگام چرخه‌های مکرر این انتقالات، CO2 تجمع پیدا نمی‌کند. در این مقاله، دو نوع متفاوت از مواد بر پایه 3-(دی‌متیل آمینو)-1-پروپیل آمین (DMAPA) و سدیم دودسیل سولفات (SDS)، و(DMAPA-SDS) به‌عنوان سامانه کوچک‌مولکول و کوپلیمر قطعه‌ای پلی(2-(دی‌متیل آمینو) اتیل متاکریلات و پلی‌متیل متاکریلات و SDS وSDS-(PDMAEMA-b-PMMA) به‌عنوان سامانه پلیمری به منظور امکان تشکیل میسل‌های کرم‌مانند پاسخگو به CO2 بررسی شدند. گروه‌های آمین در ساختار DMAPA و PDMAEMA-b-PMMA این قابلیت را دارند که با حباب‌زنی CO2 پروتون‌دار شده و به نمک‌های آمونیوم چهارتایی تبدیل شوند و با SDS از راه جاذبه الکتروستاتیک غیرکووالانسی برای تشکیل احتمالی میسل‌های کرم‌مانند برهم‌کنش داشته باشند. گرانروی و ویژ‌گی‌های ساختاری محلول‌های آبی این سامانه‌ها پیش و پس از قرارگرفتن در معرض CO2 با رئومتری و 1H NMR ارزیابی شد. نتایج به‌دست آمده از رئومتری رفتار رقیق‌شدن برشی و ژل‌مانند را به ترتیب در سرعت‌های برش و بسامدهای زیاد نشان داد. همچنین نتایج نشان داد، در سامانه کوچک‌مولکول DMAPA-SDS، میسل کرم‌مانند پاسخگو به CO2 به شکل ایده‌آل با مشاهده انتقالات برگشت‌پذیر سل-ژل تشکیل می‌شود در حالی ‌که در سامانه پلیمری (PDMAEMA-b-PMMA)-SDS کلوخه‌شدگی برگشت‌ناپذیر مشاهده شد. نبود انتقالات برگشت پذیر سل-ژل و کلوخه‌شدگی زیاد به گره‌خوردگی زنجیرهای بلند پلیمری نسبت داده شد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

A Comparative Study of CO2-Responsive Worm-like Micelles Prepared by Macromolecules and Small Molecules

نویسندگان [English]

  • Sajad Avar
  • Abbas Rezaee Shirin-Abadi
Department of Polymer Chemistry and Materials,, Faculty of Chemistry and Petroleum Sciences, Shahid Beheshti University, P.O. Box: 19839-4716, Tehran, Iran
چکیده [English]

Hypothesis: Worm-like micelles triggered by carbon dioxide (CO2), as an abundant, inert, and green stimulus have recently attracted much interest. These materials have many potential applications, including heat transfer, rheological control, personal protection and enhanced oil recovery (EOR). An ideal CO2-responsive worm-like micelle reveals a reversible transition state (from sol to gel state and vice versa) in response to environmental changes. The most important feature of these systems during these transitions is that CO2 does not accumulate in the system upon repeated cycles. Herein, we prepared two types of materials based on 3-(dimethylamino)-1-propylamine sodium dodecyl sulfate (DMAPA-SDS) as a small molecule, and poly(2-(dimethylamino)ethyl methacrylate-b-polymethyl mthacrylate)-SDS [(PDMAEMA-b-PMMA)-SDS] as a macromolecule to examine possible formation of CO2-responsive worm-like micelles.
Methods: Amine groups in the structure of DMAPA and PDMAEMA-b-PMMA can be protonated and ionized to quaternary ammonium salts by CO2 bubbling and interact with SDS to possibly form a worm-like micelle through non-covalent electrostatic attraction. The viscosity and structural features of aqueous solutions were evaluated before and after being exposed to CO2 by rheometry and 1H NMR, respectively. The rheometry results showed shear thinning and gel-like behaviors at high shear rates and frequencies, respectively.
Findings: The results showed that for a DMAPA-SDS small molecule an ideal reversible CO2-responsive worm-like micelle was formed and a sol-to-gel transition was observed, whereas in using a macromolecule an irreversible agglomeration occurred. The absence of reversible sol-gel transitions and the presence of heavy agglomeration for the (PDMAEMA-b-PMMA)-SDS macromolecule was attributed to entanglements of its long polymer chains. Therefore, DMAPA-SDS as small molecule with its ideal CO2-responsive worm-like micelle has potential in different useful applications, particularly in EOR.

کلیدواژه‌ها [English]

  • worm-like micelle
  • CO2-responsive
  • DMAPA
  • PDMAEMA
  • enhanced oil recovery
  1. Thomas S., Enhanced Oil Recovery-an Overview, Oil Gas Sci. Technol., 63, 9-19, 2008.
  2. Muggeridge A., Cockin A., Webb K., Frampton H., Collins I., and Moulds T., Recovery Rates, Enhanced Oil Recovery and Technological Limits, Phil. Trans. R. Soc. A, 372, 2006, 2013.
  3. Sabhapondit A., Borthakur A., and Haque I., Characterization of Acrylamide Polymers for Enhanced Oil Recovery, J. Appl. Polym. Sci., 87, 1869-1878, 2003.
  4. Taylor K.C. and Nasr-El-Din H., Water-Soluble Hydrophobically Asociating Polymers for Improved Oil Recovery: A Literature Review, J. Pet. Sci. Eng., 19, 265-280, 1998.
  5. Yang J.,Viscoelastic Wormlike Micelles and their Applications, Curr. Opin. Colloid Interface Sci., 7, 276-281, 2002.
  6. Chu Z., Dreiss C.A., and Feng Y., Smart Wormlike Micelles, Chem. Soc. Rev., 42, 7174-8204, 2013.
  7. Zhang Y., Feng Y., Wang J., He S., Guo Z., and Chu Z., CO2-Switchable Wormlike Micelles, Chem. Commun., 49, 4902–4908, 2013.
  8. Zhang Q., Lei L., and Zhu S., Gas-Responsive Polymers, ACS Macro Lett., 6, 515-522, 2017.
  9. Darabi A., Jessop P.G., and Cunningham M.F., CO2-Responsive Polymeric Materials: Synthesis, Self-Assembly, and Functional Applications, Chem. Soc. Rev., 45, 4391-4436, 2016.
  10. Zhang Y., Feng Y., Wang Y., and Li X., CO2‑Switchable Viscoelastic Fluids Based on a Pseudogemini Surfactant, Langmuir., 29, 4187-4192, 2013.
  11. Su X., Cunningham M. F., and Jessop P.G., Switchable Viscosity Triggered by CO2Using Smart Worm-Like Micelles, Chem. Commun., 49, 2655-2658, 2013.
  12. Wang J., Huang Z., Zheng C., and Lu H., CO2/N2-Switchable Viscoelastic Fluids Based on a Pseudogemini Surfactant System, J. Dispers. Sci. Technol., 38, 1705-1710, 2017.
  13. Moad G., Chong Y. K., Postma A., Rizzardo E., and Thang S.H., Advances in RAFT Polymerization: The Synthesis of Polymers with Defined End-Groups, Polymer., 46, 8458-8468, 2005.