[发明专利]一种石墨烯改性超低密度支撑剂及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于石油、天然气压裂开采领域，具体涉及一种石墨烯改性超低密度支撑剂及其制备方法。

背景技术

当前石油、天然气压裂开采过程所采用的压裂液一般为高分子溶液，密度大、成本高、造成地质岩心的破坏导致岩心倒流能力的降低，还会对环境造成污染。为解决这些问题，清水压裂技术越来越受到重视。清水压裂是指在油气田改造中，应用在清水中加入减阻剂、活性剂、防膨剂等作为工作液进行的水力压裂作业。在清水压裂过程中需要用到超低密度(接近水的密度)的支撑剂，然而目前可用支撑剂多为高密度的无机石英砂、陶粒和覆膜砂。最近也有不少关于纯有机的低密度支撑剂出现，但是与无机材料相比纯有机的材料明显存在抗压强度和耐热性不足的问题。因此，急需开发一种高强度、耐高温改性的有机低密度支撑剂。

石墨烯是一种新型的二维碳纳米材料，厚度仅为一个碳原子层。自2004年由英国曼彻斯特大学的Geim和Novoselov首次利用胶带剥离法制备出来之后，其相关研究在十年间取得了突飞猛进的发展。由于石墨烯具有诸多的物理性质，如超高的机械强度(1TPa)、热导率(3000-5000W/m x K)、比表面积(2630m²/g)、透光率(97.7％)、载流子迁移率(200000cm²/V·S)，使得其在超级电容器、晶体管、太阳能电池、发光二极管、传感器、功能复合材料等领域都有着广阔的应用前景。但石墨烯在复合材料中的分散程度及其与基质间的界面相互作用，一直是限制其性能得到充分利用的问题。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，目的在于提供一种石墨烯改性、高强度、耐高温的超低密度支撑剂及其制备方法。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

一种石墨烯改性超低密度支撑剂的制备方法，包括如下步骤：首先将石墨烯、烯烃单体、交联剂二乙烯基苯、引发剂在超声或搅拌的条件下混合均匀，得到石墨烯与芳环组分形成π-π组装作用的单体混合物；然后将得到的单体混合物加入到分散剂的水溶液中，在加热的条件下经成球、交联和熟化过程得到微球沉淀，再经过滤、洗涤、干燥后得到石墨烯改性的超低密度支撑剂。

上述方案中，所述石墨烯的横向尺寸为0.3～50μm，层数为1～10层。

上述方案中，所述烯烃单体为苯乙烯和/或甲基丙烯酸甲酯。

上述方案中，所述引发剂为偶氮二异丁腈或过氧化苯甲酰等油溶性引发剂。

上述方案中，所述分散剂为聚乙烯醇、明胶、淀粉、或活性磷酸钙。

上述方案中，各原料组分按重量份数计为：石墨烯0.01～0.1份、烯烃单体20～40份、交联剂二乙烯基苯0.5～5份、引发剂0.1～0.5份、分散剂0.5～5份、蒸馏水40～80份。

上述方案中，所述超声或搅拌时间为15～60min。

上述方案中，所述成球的过程为：45～50℃/0.5～1h，所述交联的过程为：75～80℃/2～4h，所述熟化的过程为：95～100℃/0.5～1h。

上述制备方法制备得到的超低密度支撑剂，所述超低密度支撑剂的视密度为1.05～1.35g/cm³，52MPa破碎率小于1.0％，玻璃化转变温度超过300℃。

本发明的有益效果：

(1)本发明采用石墨烯与芳环组分形成π-π组装作用的单体混合物，然后经成球、交联和熟化制备得到超低密度支撑剂，利用有机聚合物微球具有较低的密度，而石墨烯则具有超高强度、高热导率和耐高温的性能，实现复合材料具有超低密度的同时，具有高强度和耐高温的特性，使其达到深井清水压裂的要求；

(2)本发明中，由于石墨烯和芳环组分(交联剂二乙烯基苯、单体苯乙烯)能形成π-π组装作用，使石墨烯可以均匀的分散在聚合物基质中，很好的解决了石墨烯在复合微球中分散问题；

(3)本发明中，由于石墨烯与聚合物微球之间存在强烈的π-π组装作用，增强了两相间的界面相互作用，强的界面相互作用不仅能充分利用石墨烯超高的机械强度增强聚合物微球，而且有利于应力传递，避免应力集中导致脆性断裂；

(4)强烈的界面π-π组装作用不仅能充分利用石墨烯耐高温的性能改性聚合物微球，同时还能阻止聚合物分子链段的运动，从而提高聚合物的玻璃化转变温度，最后强烈的界面作用还有利于声子传导，提高复合材料的热导率，有利于热量的散失。

附图说明

图1为实施例1中单体混合物的透射电镜图。