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木基甲醛比色感应器制备及其表面润湿性调控研究

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木基甲醛比色感应器制备及其表面润湿性调控研究

作者：马燚中南林业科技大学

学位级别：硕士

室内甲醛(FA,HCHO)污染严重危害人们的生命健康,快速便捷地检测到室内低浓度甲醛对人们健康家居环境尤为重要。比色感应法能在肉眼观察下将甲醛污染具象化,是简易高效的室内甲醛检测技术。但比色感应器的基底一般使用复杂聚合来实现比... 详细信息

室内甲醛(FA,HCHO)污染严重危害人们的生命健康,快速便捷地检测到室内低浓度甲醛对人们健康家居环境尤为重要。比色感应法能在肉眼观察下将甲醛污染具象化,是简易高效的室内甲醛检测技术。但比色感应器的基底一般使用复杂聚合来实现比色感应剂的分散与固定,而这些复杂聚合物的实际应用成本较高。同时在甲醛比色感应器反应过程中易受到湿度干扰。因此,合理选择甲醛比色感应器基底对绿色、高效地检测室内甲醛污染具有重要的意义。木材作为天然多孔材料,其比表面积大来且源广泛,表面具有的羟基官能团对甲醛气体的捕捉和感应物质的固着具有提升作用。基于此,本论文提出使用天然杨木构筑环境友好型木基甲醛比色感应器,利用天然杨木的多孔结构对比色感应剂进行高效分散与固着,并利用其各向异性构筑不同基底界面。基于体系pH值的特性深入研究碱添加量和天然杨木分层结构对甲醛比色感应特性的影响,评价木基甲醛比色感应器的感应性能与抗外界干扰性能,研究比色感应器表面润湿性调控与比色性能的关系。主要研究内容和结果如下:(1)从天然杨木的各向异性出发,利用甲基黄-硫酸羟胺比色感应物质进行浸渍构筑横切面(W-c)和纵切面(W-1)比色感应器,探究了氢氧化钠添加量对甲醛性能的影响。对比分析后发现,不同切面结构异性对其甲醛比色性能和形貌存在显著差异。在碱添加量为0.025ml时(W-l0.025)感应器,碱添加量为0.85 ml时(W-c0.85)感应器具有最佳灵敏度。W-l0.025感应器和W-c0.85感应器均对甲醛分子有专一选择性。两者在60%湿度下具有最优比色感应性能,但受湿度影响波动大。(2)通过甲基三乙氧基硅烷对W-10.025感应器进行表面疏水调控,探究疏水处理W-10.025感应器的影响。首先通过涂覆法在W-l0.025感应器表面构建疏水层,探究不同处理次数对其表面润湿性的影响。通过形貌、组分和其他化学分析手段发现,当进行单次涂覆时,W-l0.025-MTES-1感应器表现出高疏水角及比色感应性能,并且抗湿度干扰能力更强,其抗湿度干扰能力比W-l0.025感应器高一倍,有效缩小了湿度对感应性能的影响。(3)通过全氟辛基三乙基硅烷(PFOTES)对W-10.025-MTES-1感应器表面润湿性进行调节,将其表面润湿度从127°增大至151.5°。甲醛比色感应结果随着感应器表面润湿度增加先增加后下降。在PFOTES添加量为0.30 g时,其表面润湿度为141.7°,W-l0.025-MTES-1-PFOTES0.30g 具有最佳的比色感应性能,但对比 W-l0.025-MTES-1感应器,其比色感应性能有所下降。抗湿度干扰测试结果显示,PFOTES修饰后比色感应器均具有较好的抗湿度干扰性,超疏水界面W-l0.025-MTES-1-PFOTES0.50g感应器具有最高抗湿度干扰性。W-l0.025-MTES-1-PFOTES0.30g具有最高感应性能,同时抗湿度干扰性也下降。(4)为进一步研究木材基底构建甲醛比色感应器机制,利用常见织物做对比,通过素材甲醛吸附性能测试与其比色感应性能测试,表面形貌及其实际可利用比表面积等方法得出木材W-1是优异的比色感应器基底。木材基底W-l表面丰富羟基和大于宏观面积的实际可利用面积使得能够在短时间吸附大量甲醛,为后续显色反应提供反应物以及提供了更多活性位点。(5)研究了不同表面润湿性的比色感应器及其比色性能表现。W-l0.025感应器表面亲水,W-l0.025-MTES-1感应器表面疏水,W-l0.025-MTES-1-PFOTES0.50g感应器表面超疏水。通过对比抗湿度干扰性和灵敏度,发现W-l0.025-MTES-1感应器具有最优感应性能。此外,对三者胶带剥离稳定性测试表明,只有亲水W-10.025感应器能保持原有性能的60%左右,另外两种疏水界面感应器几乎不具比色感应性能。本文利用绿色、可再生且具有多孔结构的天然杨木作为比色感应器的基底成功构筑了一种环境友好型比色感应器,获得了不同氢氧化钠添加量对甲醛比色感应特性和木材切面的影响关系,全面评价了木基比色感应器的比色感应稳定性,并研究了木基甲醛比色感应器表面润湿性对抗湿度干扰性能影响。本研究为木材在环境监测,尤其甲醛比色感应器中的利用提供了研究思路。

关键词：木基甲醛比色感应器润湿性调控可视化检测环境污染预警稳定性

不锈钢网的表面润湿性调控及其油水分离应用研究

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不锈钢网的表面润湿性调控及其油水分离应用研究

作者：齐博浩青岛理工大学

学位级别：硕士

近年来,伴随着全球经济的高速发展,周围环境中遍布着大量工业废水和生活污水,以及海洋中石油开采、运输中出现的漏油事故,这对人类的健康和生态环境产生重大危害,如何快速有效的处理这些含油污水成了社会发展亟待解决的问题。具有特殊... 详细信息

近年来,伴随着全球经济的高速发展,周围环境中遍布着大量工业废水和生活污水,以及海洋中石油开采、运输中出现的漏油事故,这对人类的健康和生态环境产生重大危害,如何快速有效的处理这些含油污水成了社会发展亟待解决的问题。具有特殊润湿性表面的油水分离材料在油水分离领域表现优异,引起了科研人员的广泛关注。但是目前存在的特殊润湿性材料的材料本身性能及制备工艺上存在一定缺陷,如材料成本高,制备工艺复杂,使用性能差等。针对这些缺点,本文提出经济、工艺简便、性能优异的可控润湿性材料,根据润湿性材料特性设计油水分离实验,并着重评价油水分离性能。首先,本文以常见不锈钢网为基底,围绕表面微观结构和表面化学成分两个润湿性关键因素,来制备可控润湿性材料。采用水热法在304不锈钢网表面上生长一层Zn O涂层。由于Zn O由于具有天然氧空位,水分子极易分配到氧空位中,从而形成亲水基团,因此此时的表面呈超亲水状态,经润湿性测试,水滴在该表面完全铺展仅需0.48 s。为实现超亲水到超疏水的可逆性转变,在Zn O涂层表面自组装一层脂肪酸单分子膜,成功制备出具有可控润湿性表面的不锈钢滤网。结果表明,可控润湿性滤网表面覆着了由Zn O纳米棒组成的微纳米二元粗糙结构的涂层;经不同链长的脂肪酸改性后,表面润湿性随着链长的变化而变化,实现从超亲水到超疏水的可逆性转变,接触角范围为0°～158°,而对于油品则是一直保持亲液状态。应用此可控润湿性不锈钢滤网进行油水分离实验,分离效率高达98%,并经重复分离测试50次后,对不同油水混合物分离效率仍达到85%以上。由于脂肪酸更易于与不锈钢网表面结合,因此选择化学刻蚀法在不锈钢网上直接构造二元微纳米粗糙结构,再通过自组装分子膜技术在该粗糙结构上进行改性修饰,使脂肪酸与不锈钢产生良好结合。结果表明,经三氯化铁溶液刻蚀的不锈钢网表面呈现出由大小不一的凸峰和沟壑组成的三维粗糙形貌;表面自组装分子膜由于不同的链长表现出不同的润湿性能,根据碳链长度的增加,表面实现从亲水到超疏水的转变,接触角范围为45～153°,而超亲油特性不会因为链长的改变而改变。使用改进的滤网进行油水分离实验,分离效率高达96%,经重复油水分离50次测试后,其分离效率略有下降,但对不同油水混合物分离效率仍能达到80%以上。由于考虑到滤网在实际环境中的使用条件,对处理前后的滤网进行耐腐蚀测试,结果表明,处理过的滤网较原始滤网更加耐腐蚀,腐蚀速率得到大幅度降低。最后,为更加切合实际应用,制备高效率、精准化的油水分离滤网,利用两步法制备具超疏水超亲油特性的油水分离滤网。实验选择简单的化学刻蚀法和气相沉积法来制备超疏水超亲油不锈钢网。经测试处理后的材料表明,滤网表面的微观形貌是由微纳米尺寸的凹凸结构组成,经十七氟癸基三甲氧基硅烷（FAS）改性修饰后的表面与水滴的接触角可达到151°,且具有极低的粘附性;而表面能较低的油品在滤网表面迅速铺展,很好地表现出超疏水超亲油特性。针对不同密度的油品,分别用原位分离法和过滤分离法测试了其油水分离性能,结果显示滤网对不同油水混合物都表现出较高的分离效率,均达到90%以上。考虑到滤网的实际使用情况,对滤网进行耐腐蚀测试和重复使用性能测试,结果表明超疏水超亲油的油水分离滤网的耐腐蚀性能明显提高,具有良好的重复使用性能。

关键词：不锈钢网润湿性调控油水分离脂肪酸重复利用性

形状记忆EVA及其复合材料表面微图案的润湿性调控

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形状记忆EVA及其复合材料表面微图案的润湿性调控

作者：刘均澔江南大学

学位级别：硕士

形状记忆聚合物(Shape Memory Polymers,SMPs)是一种在外界刺激下可以在初始形状与临时形状间可逆切换的智能材料。目前对于SMP的研究大多集中于热响应SMP的宏观形状记忆性能,对于多响应性SMP、SMP微图案的研究还不够深入。因此,构筑SM... 详细信息

形状记忆聚合物(Shape Memory Polymers,SMPs)是一种在外界刺激下可以在初始形状与临时形状间可逆切换的智能材料。目前对于SMP的研究大多集中于热响应SMP的宏观形状记忆性能,对于多响应性SMP、SMP微图案的研究还不够深入。因此,构筑SMP表面微图案和开发多响应性SMP是目前研究的重点方向。此外,聚合物的润湿性可以通过表面微图案来调控并应用于防污、液滴存储等领域。基于上述问题,在本论文中,以乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)为基底,在其表面构筑了微米级图案,通过EVA微图案的形状记忆效应,探究表面润湿性的变化,此外,设计并制备了EVA/FeO和EVA/FeO/碳纤维布复合材料,利用EVA微图案的光致形状记忆效应在织物上实现了润湿性的调控。本文的研究内容和结论如下:以EVA为原料,成功制备了具有形状记忆效应的微正方体、微沟槽、微柱三种微图案表面,结果表明,微图案具有良好的形状记忆性能,在拉伸后,微正方体的润湿性呈现各向异性,微沟槽润湿性的各向异性增大,微柱的疏水性增强,加热使微图案形状回复后,其润湿性回复到初始状态。微图案在多次拉伸—回复的形状记忆循环中表现出良好的可循环使用性。此外,由于微柱优异的疏水性能,在防污等领域具有潜在应用。将EVA与FeO纳米粒子通过溶液共混后热压,制备了可在近红外光/热/磁等多种刺激下响应的复合材料。在添加FeO纳米粒子后,EVA/FeO复合材料表现出优异的近红外光响应性,其中EVA/1 wt%FeO表现出优异的形状记忆性能,单向形状固定率为95.0%,单向形状回复率为98.4%。通过近红外光的照射实现了EVA/FeO复合材料的非接触式操控和分段式回复。通过热压将EVA/FeO与碳纤维布复合,并在EVA/FeO/碳纤维布表面构筑了微柱图案。结果表明,利用微图案的光致形状记忆效应在织物表层实现了对润湿性的调控,微柱在直立—倾斜的形状记忆循环中实现了接触角从142o到124o的转变,滚动角从55o到90o的可逆转变,这一研究拓展了EVA微图案的应用范围。本文表明,利用EVA制备的微图案具有良好的形状记忆性能,能够在初始形状与临时形状间相互转换;在加入FeO粒子后,EVA/FeO复合材料表现出优异的近红外光响应性,在近红外光刺激下具有良好的形状记忆性能;最后,制备了EVA/FeO/碳纤维布复合材料,并在其表面构建了微柱图案,实现了复合材料表面的润湿性调控。

关键词：微图案 Fe3O4纳米粒子润湿性调控形状记忆聚合物碳纤维布

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不锈钢网表面润湿性的调控及其油水分离性能

中国表面工程 2020年第5期33卷 10-17页

作者：李志文齐博浩刘长松赵欣生栗心明青岛理工大学机械与汽车工程学院青岛266520

采用简单的化学刻蚀法在304不锈钢网上构造微纳米粗糙结构,随后通过自组装技术将不同链长的脂肪酸装饰到粗糙表面,可制备出具有可控润湿性的网膜;利用接触角测量仪对表面润湿性进行测量,利用原子力显微镜、扫描电子显微镜和傅里叶变换... 详细信息

采用简单的化学刻蚀法在304不锈钢网上构造微纳米粗糙结构,随后通过自组装技术将不同链长的脂肪酸装饰到粗糙表面,可制备出具有可控润湿性的网膜;利用接触角测量仪对表面润湿性进行测量,利用原子力显微镜、扫描电子显微镜和傅里叶变换红外光谱仪对网膜表面的形貌和成分进行表征分析,根据长链脂肪酸改性后的超疏水超亲油特性测试油水分离性能以及重复利用性。结果表明:不锈钢滤网表面呈现二维微纳米粗糙结构,并形成有序碳链薄膜。通过调节脂肪酸的链长可实现亲水到超疏水的转变,接触角范围为45°~153°;油滴迅速在网膜上渗透,接触角始终为0°。链长越长的脂肪酸疏水亲油效果越明显,油水分离效率越高,最高达到96%;经重复油水分离50次测试后,其油水分离效率仍能达到80%以上。

关键词：润湿性调控油水分离不锈钢网化学刻蚀法脂肪酸

纳米二氧化硅表面润湿性对非水相泡沫形成的调控

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纳米二氧化硅表面润湿性对非水相泡沫形成的调控

作者：蔡雨秀西安石油大学

学位级别：硕士

非水相泡沫在石油开采、石油化工、食品加工和多孔功能材料等领域有着十分广泛的应用。然而,非水相溶剂自身具有的低界面张力和低介电常数,致使发泡难度增加。纳米二氧化硅(SiO)颗粒由于具有优良特性,通过接枝改性调控其表面润湿性能,... 详细信息

非水相泡沫在石油开采、石油化工、食品加工和多孔功能材料等领域有着十分广泛的应用。然而,非水相溶剂自身具有的低界面张力和低介电常数,致使发泡难度增加。纳米二氧化硅(SiO)颗粒由于具有优良特性,通过接枝改性调控其表面润湿性能,在非水相溶剂中的发泡研究工作受到关注。本论文探究纳米SiO表面润湿性对非水相溶剂发泡性能的影响,揭示纳米SiO表面润湿性对非水相溶剂发泡性能的影响规律。取得了下列具有创新性的研究成果:1、采用溶胶-凝胶法制备粒径可控且单分散性较好的纳米SiO颗粒。探究最佳实验条件,并用Zeta电位分析仪、透射电子显微镜和场发射扫描电子显微镜对纳米SiO颗粒的粒径分布和微观形貌结构进行表征。2、分别采用有机氯硅烷法和硅烷偶联剂法实现纳米SiO颗粒表面润湿性的调控。通过改变二氯二甲基硅烷(DCDMS)、γ-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷(KH-570)、γ-氨丙基三乙氧基硅烷(KH-550)用量、反应温度以及反应时间,探究其对纳米SiO颗粒表面润湿性的影响。并用Zeta电位分析仪和接触角测量仪对纳米SiO颗粒粒径和表面润湿性进行表征。通过场发射扫描电子显微镜、透射电子显微镜对纳米SiO颗粒的微观形貌进行表征,通过傅里叶变换红外光谱仪对其结构进行分析表征,采用热重分析仪对纳米SiO颗粒的热稳定性进行分析。3、揭示DCDMS修饰的系列润湿性的纳米SiO颗粒在不同极性溶剂中的发泡性能的影响规律。当改性纳米SiO颗粒的浓度为7.0wt.%,纳米SiO颗粒接触角分别为90.75°、86.0°、79.0°、70.5°、66.75°和52.0°时,分别在水、甘油、甲酰胺、乙二醇、乙酸苄酯和α-溴萘中所形成的泡沫体积达到最大值,含气率分别为75.0%、62.5%、70.0%、57.1%、50.0%和45.5%。因此,随着溶剂极性的增大,纳米SiO颗粒的最佳接触角也在增大,发泡性能随之增强,发泡溶液的表面张力降低量最明显,分别为37.5m N/m、23.1 m N/m、25.0 m N/m、14.2 m N/m、8.0 m N/m和6.0 m N/m。对于非极性有机溶剂正十二烷和甲苯,改性纳米SiO颗粒则不具备发泡能力。4、探讨溶剂极性对非水相溶液的影响规律。随着溶剂极性的增大,发泡溶液表面张力的降低量越大,其表面活性增强,越有利于泡沫的形成,发泡体积随之增大。随着改性纳米SiO颗粒浓度的增大,发泡溶液的表面张力降低就越大,发泡性能得到增强。当改性纳米SiO颗粒浓度为7.0wt.%时,最佳接触角下的改性纳米SiO颗粒加入到水、甘油、甲酰胺、乙二醇、乙酸苄酯和α-溴萘等六种溶剂中,其形成的发泡溶液表面张力降低幅度最大,发泡体积最高。

关键词：纳米SiO2 润湿性调控非水相溶剂表面张力发泡性能

可控润湿性的ZnO修饰不锈钢网的制备及其油水分离性能

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复合材料学报 2022年第12期39卷 5827-5834页

作者：王春莹齐博浩刘长松赵欣生栗心明青岛理工大学机械与汽车工程学院青岛266520

为了制备出具有可控润湿性的不锈钢滤网,并根据其相关特性用于研究油水分离性能,本文通过水热法在不锈钢表面生长一层氧化锌,构造微纳米粗糙度,随后用不同链长的脂肪酸改性的方法,成功制备出具有可控润湿性的不锈钢滤网。采用接触角测... 详细信息

为了制备出具有可控润湿性的不锈钢滤网,并根据其相关特性用于研究油水分离性能,本文通过水热法在不锈钢表面生长一层氧化锌,构造微纳米粗糙度,随后用不同链长的脂肪酸改性的方法,成功制备出具有可控润湿性的不锈钢滤网。采用接触角测量仪、FTIR、SEM及XRD等分别对样品的润湿性和表面形貌及成分进行分析,采用油水分离装置表征样品的油水分离效率及重复使用性。结果表明依据不同链长的脂肪酸改性的样品出现了从超亲水到超疏水的润湿性变化,范围为0°~158°,油始终保持在0°。油水分离效率在92%~98%,重复使用50次后,仍然具有油水分离的性能。因此,制备的不锈钢滤网具有优异的油水分离性能和良好的重复使用性能。

关键词：润湿性调控油水分离不锈钢滤网水热法 ZnO 脂肪酸

十四酸铜超疏水表面的溶剂热法制备及其润湿性

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化工进展 2021年第12期40卷 6574-6580页

作者：洪文鹏兰景瑞李浩然陈小龙李艳东北电力大学能源与动力工程学院吉林吉林132012

超疏水表面是防止低温条件下风机叶片表面结冰、保证机组安全运行的重要材料之一。本文以十四酸乙醇溶液和铜片为前体,基于溶剂热法将十四酸铜原位生长于铜片表面,通过调控前体浓度和反应时间获得了不同润湿性的疏水表面,实现了疏水表... 详细信息

超疏水表面是防止低温条件下风机叶片表面结冰、保证机组安全运行的重要材料之一。本文以十四酸乙醇溶液和铜片为前体,基于溶剂热法将十四酸铜原位生长于铜片表面,通过调控前体浓度和反应时间获得了不同润湿性的疏水表面,实现了疏水表面润湿性的有效调控。此外,采用扫描电子显微镜(SEM)观察了十四酸铜团簇的微结构及分布状态;借助X射线衍射仪(XRD)验证团簇粉末的晶格成分;通过接触角测量仪量化不同条件下样品的表面润湿性。结果表明,随着铜片表面十四酸铜团簇密集程度的增加,液滴与铜片的接触角增大,铜片润湿性降低;十四酸乙醇溶液浓度及反应时间可以显著改变十四酸铜分布状态,进而改变表面润湿性。疏水表面润湿性的变化是由于Ostwald熟化促进晶体生长,使表面的“禾苗”状聚合物逐渐生长成十四酸铜微米花。

关键词：十四酸铜疏水表面润湿性调控微米花 Ostwald熟化

新型纳米活性流体协同改变油湿性砂岩表面润湿性的机理

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精细化工 2022年第10期39卷 2141-2148,2160页

作者：王松侯宝峰张富民范海明蔡丰张佳瑶长江大学石油工程学院湖北武汉430100 中国石油大学(华东)山东省油田化学重点实验室山东青岛266580 长江大学油气钻采工程湖北省重点实验室湖北武汉430100

以带正电荷的纳米CaCO_(3)和阳-非离子双子表面活性剂为原料,制备了一种纳米活性流体。通过Zeta电位、FTIR、石英晶体微天平(QCM)、接触角测量和自发渗吸实验研究了纳米活性流体中纳米CaCO_(3)和阳-非离子双子表面活性剂协同改变油湿性... 详细信息

以带正电荷的纳米CaCO_(3)和阳-非离子双子表面活性剂为原料,制备了一种纳米活性流体。通过Zeta电位、FTIR、石英晶体微天平(QCM)、接触角测量和自发渗吸实验研究了纳米活性流体中纳米CaCO_(3)和阳-非离子双子表面活性剂协同改变油湿性砂岩表面润湿性的机理。结果表明,纳米活性流体处理后的油湿性砂岩表面原油的羧基红外吸收峰强度比阳-非离子双子表面活性剂处理后的更低;当阳-非离子双子表面活性剂质量分数>0.003%时,纳米活性流体中的纳米CaCO_(3)促进了阳-非离子双子表面活性剂和原油羧基离子对的形成和解吸附过程,使纳米活性流体处理过的砂岩表面共振频率变化量(Δf)比阳-非离子双子表面活性剂处理过的更小。纳米活性流体改变油湿性砂岩表面润湿性的效果比单一阳-非离子双子表面活性剂和碳酸钙纳米颗粒效果更好,纳米活性流体中的两种组分起到协同效应。

关键词：纳米活性流体油湿性砂岩协同机理润湿性调控油田化学品

超高界面活性阴阳离子表面活性剂复合驱油体系研究

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化学反应工程与工艺 2019年第5期35卷 435-441页

作者：吴欣悦张卫东沙鸥李应成中国石化三采用表面活性剂重点实验室中国石油化工股份有限公司上海石油化工研究院上海201208

为提高高采出、高含水老油田采收率,研发了超高界面活性阴阳离子表面活性剂复合驱油体系S1。结果表明,针对胜利河口原油,在温度75~120℃,矿化度6000~50000 mg/L,二价离子100~2000 mg/L,表面活性剂浓度0.05%~0.50%条件下,体系油水界面张... 详细信息

为提高高采出、高含水老油田采收率,研发了超高界面活性阴阳离子表面活性剂复合驱油体系S1。结果表明,针对胜利河口原油,在温度75~120℃,矿化度6000~50000 mg/L,二价离子100~2000 mg/L,表面活性剂浓度0.05%~0.50%条件下,体系油水界面张力达到2×10-3 mN/m,增溶参数达到20。此外,该体系还可将岩石润湿性由油湿调变为中性润湿,是一种可有效调控油、水和岩石三相界面作用力,实现剥离原油和降低油水界面张力的超高界面活性原位微乳液表面活性剂体系。

关键词：阴阳离子表面活性剂润湿性调控微乳液驱油