Kunde-succeshistorie
Supramolekylær kemi: Fra lugtkontrol til optimering af olieudvinding: Hvordan NETZSCH rheometre kan hjælpe
En feltrapport af Andrew Howe
"Jeg er Andrew Howe, en industriel kolloid-/formulerings-/blødstofforsker, som har nydt at arbejde med NETZSCH rheometre og deres direkte forgængere Malvern og Bohlin siden 1988.
Rheometrene er uvurderlige, når man skal designe materialer til maksimal effektivitet i fremstillingsprocesser og til optimal ydeevne i slutprodukterne. Jeg brugte reometriske data, da jeg formulerede hurtige, effektive belægnings- og tørreprocesser hos min tidligere arbejdsgiver, Kodak, og til at optimere væskeforskydning i porøse geometrier hos Schlumberger.
I dag arbejder jeg hos Aqdoten virksomhed, der opstod på University of Cambridge i 2013. Aqdot kommercialiserer en supramolekylær kemiteknologi via cucurbituriler (eller "CB'er"), makrocykliske molekyler, der er unikt effektive supramolekylære "værter". CB'er binder ikke-kovalent en bred vifte af "gæster", især hydrofobe, sure, basiske og kationiske enheder.
Der er udført meget akademisk arbejde med CB-homologerne (CB[6], CB[7] og CB[8]), men materialerne har kun været tilgængelige i gramskala - og selv da kun med store omkostninger - indtil nu."
Innovativ lugtkontrol på en Large skala
"Aqdot har opskaleret produktionen af CB'er til flere tons, og det umiddelbare marked på large for dette materiale er at fjerne ubehagelige lugte og VOC'er (flygtige organiske forbindelser). Teknologien gør det muligt at binde molekyler af en række forskellige størrelser og molekylære egenskaber.
Aqdots tilgang er at licensere og levere deres produkt og aktive markeder, herunder hjemme- og personlig pleje, tekstiler og plast, især til bilindustrien. En konsekvens af at arbejde på tværs af så mange markeder er, at produkterne skal indgå "problemfrit" i mange typer af formuleringer, og reologiske målinger er en fremragende guide til, hvor succesfulde vi har været, og giver fingerpeg om, hvor vi kan foretage justeringer, hvis det er nødvendigt.
Reologi giver unik indsigt
Når der er en "blød" (ikke rent fast) formulering, der skal behandles, giver reometeret en unik indsigt. En af reologiens store fordele er, at den ikke kræver prøvefortynding, dvs. at materialer kan undersøges ved målkoncentrationer.
Almindelige spørgsmål er:
- Vil materialet flyde, vil det suspendere, er det sandsynligt, at det vil sprøjte osv
- Hvor følsomt er materialet over for koncentration, molekylvægt, temperatur og Ionic styrke?
- Er hvert parti af produktet identisk?
Alle disse spørgsmål kan normalt besvares med enkle reometriske målinger. Reologiresultater er altid direkte anvendelige til at designe produkter og optimere ydeevnen. Målingerne kan hjælpe med at indsnævre valgmulighederne og fremskynde udviklingen samt løse problemer.
For eksempel var reometriske målinger af stor betydning for udviklingen af "Oderase", en vandbaseret, parfumefri luftfriskerformulering, der er egnet til brug via pumpespray. Omhyggeligt udvalgte reologiske eksperimenter hjalp med at fremskynde identifikationen af en sammensætning med passende egenskaber og stabilitet.
Min tid inden for reologi startede, da jeg kom til Kodak. I 1988 valgte vi et Bohlin VOR rotationsreometer, et deformationskontrolleret instrument, som vores arbejdshest. Siden da har teknologien til kontrolleret StammeForvrængning beskriver en deformation af et materiale, som belastes mekanisk af en ydre kraft eller spænding. Gummiblandinger har krybeegenskaber, hvis de udsættes for en statisk belastning.belastning udviklet sig hurtigt, så efter flere versioner af Bohlin CS-reometre (i Kodak og derefter Schlumberger) var jeg meget glad for, at Aqdots bestyrelse godkendte købet af to Kinexus Pro+-reometre, efterfølgerne til Bohlin-instrumenterne.
“Det var en nem beslutning at vælge disse NETZSCH instrumenter. Instrumenterne har (og, endnu vigtigere, opfylder!) fremragende specifikationer. NETZSCH forskere og ingeniører er altid meget hjælpsomme og giver klare løsninger på "nemme" problemer og indsigtsfulde forslag til at hjælpe med at overvinde de mere "grænsesøgende" eller nye udfordringer.”
NETZSCH Kinexus Prime-produktporteføljen
Fremragende service og kundesupport
Det var en nem beslutning at vælge disse NETZSCH instrumenter. Instrumenterne har (og, endnu vigtigere, opfylder!) fremragende specifikationer. Det er også vigtigt, at NETZSCH opretholder den fremragende service og kundesupport. NETZSCH Forskere og ingeniører er altid meget hjælpsomme og giver klare løsninger på "nemme" problemer og indsigtsfulde forslag til at hjælpe med at overvinde de mere "grænseoverskridende" eller nye udfordringer.
På det seneste har webinarer givet god indsigt og direkte hjælp til brugerne, ikke kun ved at besvare almindelige spørgsmål, men måske også ved at pege på muligheder for nye måder at anvende instrumenterne på.
Jeg var meget glad for det seneste seminar om reologiske artefakter: En forståelse af artefakter er afgørende for at kunne foretage de bedst mulige målinger og for at kunne beskrive resultaterne med tillid til andre.
Polymerforbedret olieudvinding: Den usædvanlige strømningsadfærd hos vandige opløsninger af polymerer med meget høj molekylvægt
Typiske daglige målinger involverer både kontinuerlig (flowkurver) og oscillerende forskydning (frekvens- og StressStress defineres som et kraftniveau, der påføres en prøve med et veldefineret tværsnit. (Spænding = kraft/areal). Prøver med et cirkulært eller rektangulært tværsnit kan komprimeres eller strækkes. Elastiske materialer som gummi kan strækkes op til 5 til 10 gange deres oprindelige længde.stress-sweeps). At arbejde i industrien betyder, at de fleste målinger ikke kan afsløres. Men sammen med Andrew Clarke og kolleger hos Schlumberger udgav vi en række artikler om usædvanlig strømningsadfærd for vandige opløsninger af polymerer med meget høj MW i porøse medier, hvor anvendelsen var udvinding af råolie[1]
Vores arbejde fulgte det tidligere bemærkede fænomen, at med væsker, der indeholder fleksible polymerer med ekstremt høj MW (>15 MDa), steg modtrykket ud over det, der er foreneligt med forskydningsviskositet over en kritisk strømningshastighed: den kritiske hastighed var tilgængelig under strømningsforhold i oliefelter. Vi bekræftede, at den kritiske hastighed var uafhængig af polymerkoncentrationen, men faldt med kvadratet af polymerens MW. Sådanne afhængigheder er meget uventede.mikrofluidiske undersøgelser viste, at flowet blev ustabilt over denne kritiske flowhastighed. Vi var i stand til at genskabe flow-instabiliteten i et simpelt forskydningsflow, som vist i figur 1 for delvist hydrolyseret poly(acrylamid) med meget høj MW (18-20 MDa).ved lave hastigheder ses konventionel adfærd (newtonsk power-law udtynding), som kan tilpasses med en Carreau-Yasuda model, hvilket giver en relaxationstid lCY. Der er dog en tilsyneladende fortykkelse fra 100s-1, som i første omgang virker overraskende.
Denne kortere relaxationstidlt øges (begyndelseshastigheden falder) med kvadratet på polymerens MW, hvilket er det samme, som ses ved strømning af disse væsker gennem stenkerner (figur 2).
Nulforskydningsviskositeten h(0), relaxationstiderne for begyndelsen af udtynding lCY og G'=G"-overgangen (losc) stiger hver især med polymerkoncentrationenC3, mens begyndelsen af fortykkelse ved høj forskydning (omskaleret som lPM) og i klippen (lcore) er uafhængig af koncentrationen (figur 3).
Fortykkelsen svarer til en overgang til ustabilt flow: I "steady state" step-StressStress defineres som et kraftniveau, der påføres en prøve med et veldefineret tværsnit. (Spænding = kraft/areal). Prøver med et cirkulært eller rektangulært tværsnit kan komprimeres eller strækkes. Elastiske materialer som gummi kan strækkes op til 5 til 10 gange deres oprindelige længde.stress-målinger er der en hysterese i den tilsyneladende viskositetsværdi, mens flowet i StressStress defineres som et kraftniveau, der påføres en prøve med et veldefineret tværsnit. (Spænding = kraft/areal). Prøver med et cirkulært eller rektangulært tværsnit kan komprimeres eller strækkes. Elastiske materialer som gummi kan strækkes op til 5 til 10 gange deres oprindelige længde.stress-ramp (0,3 s ved hver stressværdi) er ustabilt med svingende værdier af "øjeblikkelig" viskositet (figur 4).
Overgangen til ustabilt flow er i overensstemmelse med "elastisk turbulens"[2], et fænomen, der er forbundet med polymerer med meget høj MW, der flyder i buede strømlinjer: porøse medier som sten har stærkt buede strukturer, reometriske geometrier meget mindre. Men selv de lave krumningsniveauer i en keglepladegeometri er tilstrækkelige til at generere ustabilt flow ved hjælp af denne mekanisme[3].
Eksperimenter med 1o og 4o kegler gav de forventede overlappende data ved lav forskydning, men den fortykkende/ustabile strømning ved høje hastigheder starter ved lavere hastigheder med keglen med den større vinkel.
Denne adfærd er meget forskellig fra de sekundære strømninger (Turian-hvirvler), der starter ved højere hastighed ved stigende viskositet: For disse polymerer afhænger starten på ustabil strømning af MW, hastigheden og keglevinklen, men ikke af viskositeten.
Konklusion
Før dette arbejde var forståelsen af polymerforbedret olieudvinding baseret på simpel viskoelastisk adfærd i porøse medier. Disse undersøgelser viste, at ligevægtsstrømning ikke er en passende beskrivelse af lokal adfærd: I elastisk turbulens svinger strømningsfeltet kraftigt omkring middelværdien, både hvad angår retning og størrelse, og er derfor betydeligt mere effektivt til at fortrænge en indesluttet væske med høj viskositet som f.eks. råolie, end man kunne forvente.
Disse data førte til en forudsigelig forståelse af, hvorfor og under hvilke forhold polymerer med meget høj MW fortrænger mere olie end forudsagt ud fra deres lineære viskoelastiske opførsel. Reometriske målinger med reometre af høj kvalitet spillede en afgørende rolle for denne forståelse.
Tak for hjælpen:
Som det ofte har været tilfældet, hjalp diskussioner med Adrian Hill og Shona Marsh (britisk kundesupport) med at styre de optimale eksperimentelle betingelser for rampe-/trinspændingsundersøgelserne! Og Darren Tennant holdt reometrene i tip-top stand."
Andrew, mange tak for denne interessante indsigt i dit forskningsarbejde og for den tillid, du har vist NETZSCH og vores rheometre i årtier!
[1] Mechanism of anomalously increased oil displacement with aqueous viscoelastic polymer solutions, A Clarke, A M Howe, J Mitchell, J Staniland, L Hawkes, K Leeper, Soft Matter, 2015, 11, 3536 - 3541.Viscoelastic Flow of concentrated viscoelastic polymer solutions in porous media. Effekt af MW-molekylvægt og koncentration på elastisk turbulens i forskellige geometrier. A M Howe, A Clarke og D Giernalczyk, Soft Matter, (2015) 11 6419 - 6431.
Overvågning af oliemætning i realtid i stenkerner med lavfelt-NMR J Mitchell A M Howe, A Clarke Journal of Magnetic Resonance, (2015) 256, 34-42
Polymer Flows and Elastic Turbulence in Three-Dimensional Porous Structures, J Mitchell, K Lyons, A M Howe and A Clarke, Soft Matter, 2016,12, 460-468.
How Viscoelastic Polymer Flooding Enhances Displacement Efficiency, A Clarke, A M Howe, J Mitchell, J Staniland, L A Hawkes; SPE Journal, SPE-174654-MS, SPE Journal SPE J. 21 (03): 0675-0687.
[2] Elastisk turbulens i en polymeropløsningsstrøm A Groisman og V Steinberg, Nature 405, 53 (2000).
efficient mixing at low Reynolds numbers using polymer additives A Groisman and V Steinberg, Nature 410, 905 (2001).
[3] Elastisk ustabilitet og buede strømlinjer P Pakdel og G H McKinley, Physical Review Letters, 77, 2459, 1996.