國家自然科學基金重點項目答辯PPT

2006年度(niándù)國家基金重點項目申請答辯(包頭,7月30日)申請(shēnqǐng)項目名稱：高分子電解質材料在工程申

請

人：鄭

強依

托

單

位：浙江大學合

作

單

位：南京大學

中科院長春應化所

應用中的基礎問題研究精品資料一、項目(xiàngmù)背景及課題的提出二、項目(xiàngmù)主要研究內容三、項目的研究方案四、項目實施的可行性五、項目的特色與總體目標精品資料一、項目背景(bèijǐng)及課題的提出精品資料2006年度(niándù)國家基金委工程與材料科學部有機高分子材料學科所列重點項目指南通用和特種高分子材料高性能化中的的基礎科學問題與生命科學相關的高分子材料的基礎研究有機高分子功能材料：具有光、電、磁、吸附與分離功能材料的可控制備和應用的基礎研究與能源、環(huán)境、資源利用相關的高分子材料的基礎研究精品資料

環(huán)境保護是目前世界尤其是我國面臨的重大問題項目(xiàngmù)背景

能源、資源已成為當今世界尤其是我國可持續(xù)發(fā)展的重大問題精品資料研究(yánjiū)背景國民經濟和社會發(fā)展的重大(zhòngdà)需求能

源高效開采（原油）

驅油劑資

源環(huán)

境

絮凝劑高分子電解質（聚電解質）材料污染治理（污水）精品資料

聚電解質材料的溶液特性與流變行為，是其在工程應用中最主要的基礎科學問題對固態(tài)材料(cáiliào)而言，凝聚態(tài)結構是決定其品質和最終使用性能的關鍵

對液態(tài)材料而言，溶液結構和流變行為是決定其品質和最終使用性能的關鍵精品資料一次（自能量衰減）采油(cǎiyóu)二次（注水）采油(cǎiyóu)三次（驅）采油(cǎiyóu)意味著三次采油主要采用聚合物驅油劑來實現，聚電解質是最理想的聚合物驅油劑原油(yuányóu)采收率(%)重大需求背景1三次采油5-10

30-4050-70我國油田平均采收率僅34.2%我國有近100億噸探明石油地質儲量無法開采精品資料三次采油的關鍵(guānjiàn)聚電解質驅油劑的突破(tūpò)開展新型高效聚電解質驅油劑的研究，探明并調控其溶液性質以及在使用過程中的特殊流變行為，具有重要意義聚電解質驅油劑分子結構形態(tài)調控驅油劑剪切降解與環(huán)境降解聚電解質效應與驅油機制的關系精品資料重大需求(xūqiú)背景2我國的水資源環(huán)境日益(rìyì)惡化污染狀況調查表明，中國532條主要河流中,82%受到不同程度的污染；在中國人口密集的地區(qū)，湖泊、水庫已經全部受到了污染。我國制污投入進一步加大

2005年全國廢水治理投資133.7億元，比上年分別增加26.6%。我國污水排放量不斷增大

2004年全國廢水排放總量482.4億噸，比上年增加4.9%。2005年全國廢水排放總量524.5億噸，比上年增加8.7%。污水治理我國每年廢水處理用絮凝劑約150~

200萬噸，最主要的是高分子絮凝劑.其中，絮凝效率最高的是聚電解質精品資料污水處理(wūshuǐchǔlǐ)的關鍵聚電解質絮凝劑的突破(tūpò)聚電解質絮凝劑分子結構形態(tài)調控聚電解質絮凝劑的締合凝聚（凝膠化）聚電解質絮凝劑的電離、遷移與絮凝效率開展新型高效聚電解質絮凝劑的研究，探明并調控其溶液性質以及在使用過程中的凝聚行為，具有重要意義精品資料聚電解質基礎(jīchǔ)研究現狀1對聚電解質不能完全離解現象至今仍停留在不完整的定性說明(shuōmíng)階段對“聚電解質效應”本質的解釋存在嚴重誤導

溶液性質聚電解質的溶液特性的研究亟待深入對驅油作用（增粘）與聚電解質溶液性質的關系還有待闡明對絮凝作用與聚電解質溶液性質（電導、遷移）的關系尚不清楚精品資料聚電解質基礎研究(yánjiū)現狀2Thuressonetal.指出(zhǐchū)，添加少量表面活性劑使聚電解質溶液體系的動態(tài)粘度有數量級的提高，但原因不明Tsitsilianiset.al考察了Ps-PANa-Ps三嵌段聚電解質溶液的靜態(tài)和動態(tài)流變學，對一些現象還不能解釋

Tadroset.al發(fā)現，電解質溶液可明顯改變煤/水體系流變特性，進而改變輸送特性和穩(wěn)定性，但尚不系統(tǒng)

Cosgroveetal.發(fā)現，少量聚電解質NaPAMPS的加入使膠原粘度大幅增高并產生明顯的觸變行為,但機理不明

Macromolecules2000,33,

1199Langmuir1996,12,530Langmuir1995,11Macromolecules2002,35,3662流變特性聚電解質的流變特性亟需開展精品資料申請(shēnqǐng)項目的科學問題聚電解質材料(cáiliào)絮凝劑驅油劑驅油效率獨特的溶液性質粒子填充、相分離、懸浮、剪切形變……復雜的流變行為聚電解質效應、電離、電導、遷移……加注和輸送

絮凝效應

凝聚行為精品資料二、項目主要(zhǔyào)研究內容精品資料聚電解質溶液電離與電導行為聚電解質的溶液結構、流變

特性與驅油/絮凝功效聚電解質溶液的

特征流變行為主要研究(yánjiū)內容精品資料擬解決(jiějué)的關鍵科學問題

聚電解質溶液剪切流變行為的模型

“聚電解質效應”的本質

聚電解質結構與特殊溶液性質、流變行為的關系以及在復雜外場下驅油劑與絮凝劑的功效

精品資料三、項目的研究(yánjiū)方案精品資料

驗證“動態(tài)接觸(jiēchù)濃度”劃分聚電解質溶液濃度區(qū)間的普適性、正確性（粘度法、激基熒光光譜、激光光散射）（一）聚電解質溶液(róngyè)部分

考察不同濃度劃分區(qū)域不同類型聚電解質溶液的離解行為

（pH電極法、電導法）

探索聚電解質溶液粘度-濃度特異關系（Langmiur等溫式，2~3種自制的不同材質毛細管粘度計）精品資料（二）聚電解質流變(liúbiàn)部分均一聚電解質溶液的穩(wěn)態(tài)、動態(tài)剪切流變(liúbiàn)特性（AR-G2流變(liúbiàn)儀，穩(wěn)態(tài)旋轉粘度計和圓筒式動態(tài)流變(liúbiàn)測定）聚電解質/添加物混合體系的復雜流變行為（

AR-G2流變儀，穩(wěn)態(tài)旋轉粘度計和圓筒式動態(tài)流變測定、流變-光散射溶液性質表征）

復雜條件下聚電解質溶液剪切流動與凝膠化的測定與模擬

（自建的流變參數測定裝置）

精品資料（三）驅油/絮凝功效(gōngxiào)部分模擬絮凝/驅油條件(tiáojiàn)下模型聚電解質的增粘機制及其與驅油/絮凝效果間構效關系（穩(wěn)態(tài)粘度與動態(tài)粘度法）疏水改性聚電解質不同環(huán)境下的疏水締合凝聚、增粘模型（DLS、SLS、GPC-LS-η聯(lián)用、粘度法）模擬驅油/絮凝條件下模型聚電解質的增粘機制及其與驅油/絮凝效果間構效關系（鏈段長度、序列結構，電荷種類和強度，pH值，濃度和溫度及時間等因素的影響）嵌段型聚電解質在溶液中的構象及形態(tài)（動態(tài)光散射跟蹤組裝和形態(tài)變化過程）嵌段型聚電解質精品資料四、項目(xiàngmù)實施的可行性精品資料可行性分析(fēnxī)已有工作(gōngzuò)基礎聚電解質溶液研究基礎復雜流體流變學研究基礎精品資料溶液(róngyè)研究基礎：(1)高分子溶液濃度(nóngdù)區(qū)間的初步劃分Km>0分子間范德華力

非聚電解質溶液+部分聚電解質溶液Km=0庫倫力

聚電解質溶液

Km：有效自締合常數團簇理論：

sp/C=[]+6Km[]CHuggins公式：

sp/C=[]+kH[]2C

Km=kH[h]/6KH：Huggins斜率常數極稀溶液稀溶液亞濃溶液濃溶液動態(tài)接觸濃度交疊濃度靜態(tài)接觸濃度臨界纏結濃度0C*CsC+CC**動態(tài)接觸濃度概念的提出，為正確理解聚電解質的溶液特性開辟了新的途徑

ChengRS.,Macromol.Symp.,1997,124,27.PanY.,ChengRS,Chin.J.Polym.Sci.,2000,18,57.精品資料溶液(róngyè)研究基礎：(2)高分子溶液(róngyè)粘度的界面效應溶質的吸附滑流K：有效吸附層厚度Fint:界面校正因子，與濃度有關高分子稀溶液粘度的普適公式為從理論上分析并驗證聚電解質效應的本質提供了可能精品資料溶液研究(yánjiū)基礎：(3)聚電解質溶液奇異的粘度-濃度(nóngdù)依賴關系極稀溶液的粘度隨濃度減小而急劇增大的反?，F象ChengRS

etal.(tobeSubmitted)由聚電解質的開拓者、美國科學家Fuoss教授提出實驗點“聚電解質效應”(J.Polym.Sci.,Polym.Phys.Ed.3,

603,1948)聚電解質以棒狀存在理論模擬值聚電解質效應本質

界面吸附效應由中國學者程镕時提出精品資料溶液(róngyè)研究基礎：(4)聚電解質溶液奇異的濃度-溫度(wēndù)依賴關系聚電解質極稀溶液粘度隨溫度降低出現的異?，F象YLi,RSCheng,J.Polym.Sci.Polym.Phys.2006,44,1804.精品資料聚電解質溶液粘度(zhāndù)界面效應的直接證明Km=0HPAMM=5.0x105Degreeofhydrolysis19%溶液(róngyè)研究基礎：(5)高分子溶液粘度的界面（材質）效應蔡佳利

薄淑琴

秦汶

嚴小虎

程镕時,應用化學

18(05),377(2001)慶賀黃葆同院士80壽辰?？疌ai,JL,Bo,SQ,Cheng,RS,ColloidPolym.Sci.2003,282,182,發(fā)現聚電解質的界面吸附效應與材質和環(huán)境密切相關

精品資料聚電解質溶液的離解度a的濃度(nóngdù)依賴性依從高分子溶液應劃分成四個濃度(nóngdù)區(qū)間的原則(6)聚電解質溶液(róngyè)的離解與濃度區(qū)間的劃分溶液研究基礎：極稀溶液亞濃溶液KaK0發(fā)現聚電解質的離解度與濃度區(qū)間密切相關

提出了聚電解質的存在兩個電離常數

ChengRS,etal.(tobesubmitted)精品資料發(fā)現了溶液中高分子的鏈形態(tài)參數（C*）、污水(wūshuǐ)中懸浮物濃度(Css)與絮凝劑最佳濃度(Cod)的相關性(7)高分子絮凝劑的稀溶液性質(xìngzhì)及其絮凝規(guī)律溶液研究基礎：QianJW,XiangXJ,

etal.Euro.Polym.J.

2004,40,1699YangWY,QianJW,ShenZQ,J.Coll.Interf.Sci,2004,273,400

精品資料(8)嵌段型聚電解質的形態(tài)(xíngtài)調控PEG-b-PLLA-b-PLGA溶液(róngyè)研究基礎：溫度和時間、溶劑的極性、pH等都對聚電解質形態(tài)有很大的影響,表明多種因素同時影響高分子鏈的形態(tài)和本體形態(tài)JiXL,etal.(tobesubmitted).精品資料4.懸

浮3.相

分

離2.

剪切形變1.

粒子填充聚電解質(驅油劑和絮凝劑)流變學的基本(jīběn)科學問題復

雜

流

體5.凝

膠

化精品資料(1)粒子填充(tiánchōng)----流變行為PDMS/SiO2流變(liúbiàn)研究基礎：揭示了納米SiO2表面性質對儲能模量應變依賴行為的影響，發(fā)現了強化的Payne效應HuHG,ZhengQ,

J.Mater.Sci.,2005,40,249HuHG,LinJ,ZhengQ,XuXM,J.Appl.Polym.Sci.,2006,99,3477DongQQ,ZhengQ,DuMandSongYH,J.Soc.Rheo.Japan,2004,32,271DongQQ,DuM,ZhengQ.

J.Mat.Sci.,2006，41,3175

精品資料ZhangXW,PanY,ZhengQ,YiX,J.Polym.Sci.Polym.Phys.,2000,38,2739

——

Cole–ColediagramsforPSfilledwith25vol%Sn–Pballoy流變(liúbiàn)研究基礎：(2)剪切形變(xíngbiàn)----流變行為粒子形變與基體的松弛行為顯著影響體系流變行為ZhengQ,ZhangXW,PanY,YiXS.J.Appl.Polym.Sci.,2002,86,3166liquiddropletsSolidparticlesZhangXW,ZhengQ,PanY,YiXS.J.Appl.Polym.Sci.,2002,86,3173精品資料——RelationshipbetweenT

andTemperature

(3)相分離----流變(liúbiàn)行為流變研究(yánjiū)基礎：發(fā)現用弛豫時間與溫度關聯(lián)的類WLF方程，可以描述真實的Spinodal溫度(低于表觀Tg)ZhengQ,PengM.,SongYH.,ZhaoTJ.,Macromolecules,2001,34,8483

DuM,GongJH,ZhengQ,Polymer2004,45,673

ZuoM,PengM,ZhengQ,Polymer2005,46,11085ZuoM,PengM,ZhengQ,

J.Polym.Sci.Polym.Phys.2006,44,1547

精品資料K值兩次突變(tūbiàn)0.01585rad/s修正Kerner-Nielsen方程以反映復合體系(tǐxì)中的團聚結構流變研究基礎：(4)

懸浮體系----流變行為WuG,ZhengQ.J.Polym.Sci.Polym.Phys.2004,42,1199K1

、K2

分別接近于1、2WuG,LinJ,ZhengQ,ZhangMQ,Polymer,2006,47,2442

精品資料tc≤t≤t1發(fā)展了一種用于表征(biǎozhēnɡ)體系物理凝膠點的新方法?靜態(tài)測試法，并提出了相應的數學模型T=138oC流變(liúbiàn)研究基礎：(5)凝膠化----流變行為ChenQ,FanYR,ZhengQ,Rheo.Acta.2006,(Inpress)ChenQ,FanYR,ZhengQ.ChineseJ.Polym.Sci.,2005,23,423精品資料研究(yánjiū)團隊可行性分析(fēnxī)溶液/流變強強聯(lián)合

特色互補精品資料工學博士浙江大學教授國家杰出青年科學基金獲得者(2001)教育部“長江學者獎勵(jiǎnglì)計劃”特聘教授(2004)南京大學教授(jiàoshòu)華南理工大學教授(jiàoshòu)中國科學院院士程镕時鄭

強項目申請人精品資料1977年生工學博士(bóshì)浙江大學講師年輕(niánqīng)團隊1967年生理學博士長春應化所研究員

1974年生理學博士南京大學副教授1974年生理學博士南京大學副教授1976年生理學博士浙江大學助理研究員姬相玲謝鴻峰安全福楊

琥上官勇剛精品資料可行性分析(fēnxī)雄厚(xiónghòu)的研究平臺浙江大學

聚合反應工程國家重點實驗室

高分子合成與功能構造教育部重點實驗室中科院長春應化所

高分子物理與化學國家重點實驗室

國家電化學光譜與測試中心

南京大學

介觀化學教育部重點實驗室

配位化學國家重點實驗室精品資料高級流變儀(ARG-2)