专利摘要

专利摘要

本发明公开了一种原位聚合插层型复合凝胶材料及其制备方法与应用。该制备方法包括如下步骤：1)将层间修饰剂与粘土溶于水中，在搅拌转速为10000－15000r/min条件下搅拌40－60min至混匀，得到粘土的混合溶液；2)向上述体系中加入水溶性单体和引发剂，500－1000r/min的搅拌转速下搅拌20－40min至混匀；3)将上述体系在80－140℃反应6－12小时即可。所用水溶性单体为丙烯酰胺、丙烯酸、丙烯腈、丙烯酸酯、丙烯醇、烯丙基脲、烯丙基醚、烯丙基酯、烯丙基醚酯或烯丙基叠氮单体中的一种或其任意组合。该复合凝胶材料的层间尺寸为4.5－6.0nm，具有良好的机械强度、注入性能、耐温抗盐性能和封堵性能，在制备调剖堵水材料中具有广阔的应用前景。

权利要求

1、一种制备原位聚合插层型复合凝胶材料的方法，包括如下步骤：

1)将层间修饰剂与粘土溶于水中，混匀，得到粘土的混合溶液；

2)向所述粘土的混合溶液中加入水溶性单体和引发剂，并搅拌至混匀，得到含有水溶性单体和粘土的混合溶液；

3)将所述含有水溶性单体和粘土的混合溶液进行反应，得到所述原位聚合插层型复合凝胶材料。

2、根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤2)中，所述水溶性单体为丙烯酰胺、丙烯酸、丙烯腈、丙烯酸酯、丙烯醇、烯丙基脲、烯丙基醚、烯丙基酯、烯丙基醚酯或烯丙基叠氮单体中的一种或其任意组合；

所述引发剂为过硫酸钾或过硫酸铵，或硫代硫酸钠与硫化亚铁的混合物。

3、根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于：所述步骤1)中，层间修饰剂与粘土的质量份数比为0.3-0.5∶4-6，水的质量份数为80-100；所述步骤2)中，水溶性单体的质量份数为3.5-5.0，引发剂的质量份数为0.01-0.03。

4、根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于：所述步骤2)中，搅拌转速为500-1000r/min，优选为800r/min。

5、根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于：所述步骤2)中，搅拌时间为20-40min，优选为30min。

6、根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于：所述步骤3)中，反应温度为80-140℃，反应时间为6-12小时。

7、根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：所述步骤3)中，反应温度为80-100℃，反应时间为8小时。

8、根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于：所述步骤1)中，搅拌转速为10000-15000r/min，搅拌时间为40-60min。

9、根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于：所述步骤2)中，所述硫代硫酸钠与硫化亚铁的混合物作为引发剂时，硫代硫酸钠与硫化亚铁的质量比为1-2∶0.2-1。

10、根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于：所述步骤1)中，所述层间修饰剂的制备方法，包括如下步骤：

1)将不饱和脂肪酸溶解于二甲苯中，并与催化剂混合，加热至180-220℃，再加入二乙烯三胺进行反应，得到双酰胺；

2)将所述双酰胺与乙醇混合，加热至30-40℃，再加入多乙烯多胺，在70-80℃进行反应，得到所述多季铵盐型粘土层间修饰剂；

其中，所述不饱和脂肪酸为肉豆蔻油酸、棕榈油酸、油酸、蓖麻油酸或芥酸中的一种或其任意组合的混合物；

所述多乙烯多胺为乙二胺、三乙烯四胺、四乙烯五胺或3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵中的一种或其任意组合的混合物。

11、根据权利要求10所述的制备方法，其特征在于：所述不饱和脂肪酸、二乙烯三胺与多乙烯多胺的摩尔比为2∶1∶1。

12、根据权利要求10或11所述的制备方法，其特征在于：所述步骤1)中，反应时间为1.5-2.5h；所述步骤2)中，反应时间为2-4h。

13、根据权利要求10或11所述的制备方法，其特征在于：所述步骤1)中，不饱和脂肪酸为蓖麻油酸，所述多乙烯多胺为3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵。

14、根据权利要求10或11所述的制备方法，其特征在于：所述步骤1)中，催化剂为三氧化二铝、磷酸或硼酸中的任意一种。

15、根据权利要求10或11所述的制备方法，其特征在于：所述催化剂与所述不饱和脂肪酸的摩尔比为0.05-0.1∶1。

16、权利要求1-15任一所述方法得到的原位聚合插层型复合凝胶材料。

17、权利要求16所述原位聚合插层型复合凝胶材料在制备调剖堵水材料中的应用。

说明书

技术领域

本发明涉及原位聚合插层型有机-无机复合材料领域，特别是原位聚合插层型复合凝胶材料及其制备方法与应用。

背景技术

插层原位聚合制备聚合物基有机-无机纳米级复合材料的概念最早由Gianelis、Mehrotra等人首先提出，其合成的过程为：聚合物单体(即客体Guest)插入(Intercalation)到具有层状结构的硅酸盐粘土(MTSs，MicaTypeSilicates)主体(Host)中，在MTSs层间原位聚合，形成二维有序纳米复合材料。此外，聚合物还可在MTSs中直接插层复合。聚合物大分子链的插层在某些情况下可促进MTSs解离(exfolicate)，在聚合物基体中形成纳米量级复合材料。与常规的聚合物无机填料复合材料相比，有机无机纳米复合材料具有以下优点：1)由于无机物与聚合物之间界面面积非常大，且存在有机聚合物与无机填料界面间的化学结合，因此具有理想的粘接性能，可消除无机物与聚合物基体两物质热膨胀系数不匹配的问题，从而充分发挥无机材料的优异力学性能、高耐热性；2)由于此类纳米复合材料的熔体或溶液具有与聚合物流体相似的流变性能，因此对多种类型的成型加工具有广泛的适应性。

20世纪80年代末期，日本丰田研究中心的Okada等人在研究尼龙6/粘土复合材料时，将有机化后的粘土与己内酰胺单体混合引发聚合反应，通过这种方法形成了粘土以纳米尺寸分散在尼龙6基体中的有机-无机复合材料。这是迄今为止最早的相关报道。目前，该领域已成为聚合物材料研究领域的一个热点。

Ususi等人首先报道了“两步法”制备聚酰胺-6/蒙脱土纳米复合材料，将蒙脱土平均粒径由原来的50μm剥离为40nm，将粘土均匀地分散到尼龙6基体中(田军，刘吉平，钱程等，有机插层剂对聚酰胺6/MMT纳米复合材料制备的影响研究，中国塑料，2006，20(4)：31-34)。乔放等人采用“一步法”制备了PA-6/粘土纳米复合材料，在不降低材料性能的基础上缩短了工艺流程(乔放，李强，漆宗能等，纳米复合材料制备、结构表征及性能评价研究，高分子通报，1997，24(3)：135-143)。Moet等人报道了以乙腈为液体介质，制备了聚苯乙烯粘土纳米复合材料(马继盛，张世民，漆宗能等，插层聚合聚丙烯-蒙脱土纳米复合材料的微观结构形态，高等学校化学学报，2002，23(4)：734-738)。陈光明等人利用本体聚合的方法，制备了剥离型的聚苯乙烯/粘土纳米复合材料(陈光明，柯毓才，漆宗能等，聚苯乙烯/粘土纳米复合材料的形成机理与性能，高分子通报，2000，(2)：18-26)。漆宗能等发明了聚酯/层状硅酸盐(PET/层状硅酸盐、PBT/层状硅酸盐)是一种原位缩聚反应(漆宗能，李强，乔放，原位聚合制备聚酯/蒙脱土纳米复合材料及其结构性能表征，高分子材料科学与工程，2004，22(2)：185-187)。

目前，原位聚合有机-无机复合材料只集中在少数油溶性单体或聚合物，如尼龙和苯乙烯。虽然这些材料具有优越的性能，但是不能作为调剖堵水材料，主要作为工程塑料来使用。目前尚未有关水溶性单体和聚合物形成原位聚合有机-无机复合材料的报道。

我国多数油田水驱和聚合物驱的窜流均非常严重，这一问题已经成为制约油田高效开采、提高采收率的主要矛盾。由于在油藏中存在窜流通道，驱替介质，如水、聚合物溶液、气等，沿油水井之间的窜流通道突进，致使其波及效率很低。如果能够将油层中的窜流通道进行有效的封堵，迫使驱替液的流动改向至未被波及的层位与部位，必将大幅度地提高原油采收率。对于窜流型储层，提高采收率的主要问题是如何有效封堵窜流通道，改变储层深部的水流方向，扩大波及体积；且对于窜流通道尺度较大、窜流严重的储层，必须实施深部封堵。

随着油田开发的进行逐步进入中后期，油藏条件越来越苛刻，对于调剖堵水材料的性能要求越来越高。目前，深部调剖堵水材料(尤其是高温、高盐油藏)中，有机调剖剂的耐温抗盐性能差，成本昂贵；而无机调剖剂的选择性和注入性较差。

由于原位聚合有机-无机材料的性能优于相同组分常规复合材料的物理力学性能，可应用于调剖堵水材料中，但现有采用常规共混复合方法制备的超细无机粉末填充聚合物复合材料，只是一种掺杂态的共混材料，远远没有达到纳米分散水平，而只属于微观复合材料(Micro composite)。原因在于：当填料粒径减小到1-0.1μm时，粒子的表面能如此之大，粒子间的自聚集作用非常显著，使得采用现有的共混技术难以获得纳米尺度的均匀共混；且现有的界面改性技术难以完全消除填料与聚合物基体间的界面张力，无法实现理想的界面粘接。如果填料在聚合物基体中的分散达到纳米尺度，就有可能将无机物的刚性、尺寸稳定性和热稳定性与聚合物的韧性、加工性及介电性能完美地结合起来，获得性能优异的分子或纳米复合材料。因此，亟待开发出一种新型原位聚合有机-无机材料，来解决注入性和材料性能及耐温抗盐性能之间的矛盾，达到油藏深部调剖或堵水的目的。

发明内容

本发明的目的是提供原位聚合插层型复合凝胶材料及其制备方法与应用。

本发明提供的制备原位聚合插层型复合凝胶材料的方法，包括如下步骤：

1)将层间修饰剂与粘土溶于水中，混匀，得到粘土的混合溶液；

2)向上述粘土的混合溶液中加入水溶性单体和引发剂，并搅拌至混匀，得到含有水溶性单体和粘土的混合溶液；

3)将上述含有水溶性单体和粘土的混合溶液进行反应，得到原位聚合插层型复合凝胶材料。

该方法的步骤1)中，层间修饰剂与粘土的质量份数比为0.3-0.5∶4-6，水的质量份数为80-100；搅拌转速为10000-15000r/min，搅拌时间为40-60min。步骤2)中，水溶性单体为丙烯酰胺、丙烯酸、丙烯腈、丙烯酸酯、丙烯醇、烯丙基脲、烯丙基醚、烯丙基酯、烯丙基醚酯或烯丙基叠氮单体中的一种或其任意组合，其质量份数为3.5-5.0；引发剂为过硫酸钾或过硫酸铵，或硫代硫酸钠与硫化亚铁的混合物，其质量份数为0.01-0.03。硫代硫酸钠与硫化亚铁的混合物作为引发剂时，硫代硫酸钠与硫化亚铁的质量比为1-2∶0.2-1。由于搅拌转速高于1000r/min，将导致聚合反应不会发生；而低于500r/min，将导致反应液在未聚合前沉降，故该步骤适宜的搅拌转速为500-1000r/min，优选800r/min；搅拌时间为20-40min，优选30min。步骤3)中，反应温度为80-140℃，优选80-100℃，反应时间为6-12小时，优选8小时；反应完毕即得到原位聚合插层型复合凝胶材料，不需要保温等后处理过程。

上述制备方法中，所用粘土为普通粘土，其中蒙脱石的质量百分含量为80％-98％。所用层间修饰剂是按照下述制备方法得到的。该制备方法包括如下步骤：

1)将不饱和脂肪酸溶解于二甲苯中，并与催化剂混合，加热至180-220℃，再加入二乙烯三胺进行反应，得到双酰胺；

2)将双酰胺与乙醇混合，加热至30-40℃，再加入多乙烯多胺，在70-80℃进行反应，得到多季铵盐型粘土层间修饰剂；

其中，所用不饱和脂肪酸为肉豆蔻油酸、棕榈油酸、油酸、蓖麻油酸或芥酸及中的一种或其任意组合的混合物，优选蓖麻油酸；所用多乙烯多胺为乙二胺、三乙烯四胺、四乙烯五胺或3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵中的一种或其任意组合的混合物，优选3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵；所用催化剂为三氧化二铝、磷酸或硼酸中的任意一种。

上述制备方法中，不饱和脂肪酸、二乙烯三胺与多乙烯多胺的摩尔比为2∶1∶1，催化剂与不饱和脂肪酸的摩尔比为0.05-0.10∶1。步骤1)中，二乙烯三胺与不饱和脂肪酸、二甲苯及催化剂进行反应时，反应温度必须控制在180-220℃之间，低于180-220℃会发生其它类型的反应，高于这一温度原料药品会分解；该步骤的反应时间为1.5-2.5h；步骤2)中，反应时间为2-4h。

以反应物选择蓖麻油酸及3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵(CHPTA)为例，上述制备方法步骤1)和步骤2)的化学反应方程式，分别如下所示：

(1)

(2)

另外，利用本发明提供的制备方法得到的原位聚合插层型复合凝胶材料，及该复合凝胶材料在制备调剖堵水材料中的应用，也属于本发明的保护范围。

本发明提供的原位聚合插层型复合凝胶材料，具有以下特点：

1)本发明突破了材料科学领域近几年发明的利用油溶性单体合成粘土插层型工程材料的方法，建立了利用水溶性单体插入粘土层间发生原位聚合反应的思路。

2)本发明提供的制备复合凝胶材料的方法，工艺简便，易于操作，生产成本低，解决了水溶性单体不能发生原位聚合形成插层型复合材料的问题。

3)本发明提供的原位聚合插层型复合凝胶材料，其层间尺寸为4.5-6.0nm，具有良好的机械强度、注入性能、耐温抗盐性能和封堵性能，同时能在多孔介质不断运移中完成晶体的增长，逐步对窜流通道进行封堵，可用于高温高盐油藏的调剖和堵水、水平井调剖和堵水、边水油藏调剖和堵水以及与酸化联作的调剖堵水等一系列油气钻采的作业技术。

附图说明

图1为本发明实施例1制备的多季铵盐型粘土层间修饰剂修饰过粘土XRD图。

图2为本发明实施例3制备的多季铵盐型粘土层间修饰剂修饰过粘土XRD图。

图3为本发明实施例6制备的原位聚合水基有机-无机复合凝胶材料XRD图。

图4为本发明实施例6制备的原位聚合水基有机-无机复合凝胶材料SEM图。

图5为本发明实施例6制备的原位聚合水基有机-无机复合凝胶材料TEM图。

图6为本发明实施例7制备的原位聚合水基有机-无机复合凝胶材料XRD图。

图7为本发明实施例7制备的原位聚合水基有机-无机复合凝胶材料SEM图。

图8为本发明实施例7制备的原位聚合水基有机-无机复合凝胶材料TEM图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。

实施例1、制备多季铵盐型粘土层间修饰剂

将32.4g(0.1mol)的蓖麻油酸放入15mL二甲苯和1.02g(0.01mol)三氧化二铝加入反应器中，加热至180℃后，用滴液漏斗向反应液中滴加5.3g(0.0515mol)的二乙烯三胺，将反应通过分水器不断分出，搅拌1.5hour，蒸发除去二甲苯，得到双酰胺；

将43.6g(0.05mol)双酰胺与12ml乙醇加入到反应器中，加热至30℃，用滴液漏斗向反应体系中滴加23g(0.05mol)3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵溶液，升温至70℃，搅拌反应2h，得到多季铵盐型粘土层间修饰剂。

从附图1中可以看出，经过该种粘土层间修饰剂修饰过的粘土，层间距由原来的1.24nm增加到5.98nm，层间距离明显增大。

实施例2、制备多季铵盐型粘土层间修饰剂

将32.4g(0.1mol)的蓖麻油酸放入15mL二甲苯和1.02g(0.01mol)三氧化二铝加入反应器中，加热至220℃后，用滴液漏斗向反应液中滴加5.3g(0.0515mol)的二乙烯三胺，将反应通过分水器不断分出，搅拌2.5hour，蒸发除去二甲苯，得到双酰胺；

将43.6g(0.05mol)双酰胺与12ml乙醇加入到反应器中，加热至40℃，用滴液漏斗向反应体系中滴加23g(0.05mol)3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵溶液，升温至80℃，搅拌反应4h，得到多季铵盐型粘土层间修饰剂。

实施例3、制备多季铵盐型粘土层间修饰剂

将32.4g(0.1mol)的蓖麻油酸放入15mL二甲苯和1.02g(0.01mol)三氧化二铝加入反应器中，加热至200℃后，用滴液漏斗向反应液中滴加5.3g(0.0515mol)的二乙烯三胺，将反应通过分水器不断分出，搅拌2.0hour，蒸发除去二甲苯，得到双酰胺；

将43.6g(0.05mol)双酰胺与12ml乙醇加入到反应器中，加热至35℃，用滴液漏斗向反应体系中滴加23g(0.05mol)3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵溶液，升温至75℃，搅拌反应3h，得到多季铵盐型粘土层间修饰剂。

从附图2中可以看出，经过该种粘土层间修饰剂修饰过的粘土，层间距由原来的1.24nm增加到5.95nm，层间距离明显增大。

实施例4、制备多季铵盐型粘土层间修饰剂

将32.4g(0.1mol)的蓖麻油酸放入15mL二甲苯和1.02g(0.01mol)三氧化二铝加入反应器中，加热至180℃后，用滴液漏斗向反应液中滴加5.3g(0.0515mol)的二乙烯三胺，将反应通过分水器不断分出，搅拌2.5hour，蒸发除去二甲苯，得到双酰胺；

将43.6g(0.05mol)双酰胺与12ml乙醇加入到反应器中，加热至30℃，用滴液漏斗向反应体系中滴加23g(0.05mol)3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵溶液，升温至80℃，搅拌反应4h，得到多季铵盐型粘土层间修饰剂。

实施例5、制备多季铵盐型粘土层间修饰剂

将32.4g(0.1mol)的蓖麻油酸放入15mL二甲苯和1.02g(0.01mol)三氧化二铝加入反应器中，加热至220℃后，用滴液漏斗向反应液中滴加5.3g(0.0515mol)的二乙烯三胺，将反应通过分水器不断分出，搅拌1.5hour，蒸发除去二甲苯，得到双酰胺；

将43.6g(0.05mol)双酰胺与12ml乙醇加入到反应器中，加热至40℃，用滴液漏斗向反应体系中滴加23g(0.05mol)3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵溶液，升温至70℃，搅拌反应2h，得到多季铵盐型粘土层间修饰剂。

实施例6、制备原位聚合插层型复合凝胶材料

将4g粘土放入100g水中，然后加入0.35g由实施例1制备得到的层间修饰剂CTS，在乳化机上搅拌40min，搅拌速度为15000r/min至混匀；

将3g丙烯酰胺(AM)和0.01g过硫酸钾(K₂S₂O₈)加入上述溶液中，在1000r/min搅拌速度条件下搅拌30min至混匀；

将上述溶液放入80℃的恒温箱中，反应12hour，得到原位聚合水基有机-无机复合凝胶材料。

从附图3-5可以看出，经过原位聚合形成的该种有机-无机复合凝胶材料聚合物填充到粘土片层结构中，粘土层间距离为4.84nm。

实施例7、制备原位聚合插层型复合凝胶材料

将4g粘土放入100g水中，然后加入0.35g由实施例2制备得到的层间修饰剂CTS，在乳化机上搅拌40min，搅拌速度为10000r/min至混匀；

将3g丙烯酰胺(AM)和0.01g过硫酸钾(K₂S₂O₈)加入上述溶液中，在1000r/min的搅拌速度下，搅拌30min至混匀；

将上述溶液放入120℃的恒温箱中，反应8hour，得到原位聚合水基有机-无机复合凝胶材料。

从附图6-8可以看出，经过原位聚合形成的该种有机-无机复合凝胶材料聚合物填充到粘土片层结构中，粘土层间距离为5.42nm。

实施例8、制备原位聚合插层型复合凝胶材料

将4g粘土放入100g水中，然后加入0.35g由实施例3制备得到的层间修饰剂CTS，在乳化机上搅拌40min，搅拌速度为10000r/min至混匀；

将3g丙烯酰胺(AM)和0.01g过硫酸钾(K₂S₂O₈)加入上述溶液中，在1000r/min的搅拌速度下，搅拌30min至混匀；

将上述溶液放入140℃的恒温箱中，反应8hour，得到原位聚合水基有机-无机复合凝胶材料。该材料的层间距离为5.62nm。

实施例9、制备原位聚合插层型复合凝胶材料

将4g粘土放入100g水中，然后加入0.35g由实施例4制备得到的层间修饰剂CTS，在乳化机上搅拌40min，搅拌速度为15000r/min至混匀；

将3g丙烯酰胺(AM)和0.01g过硫酸铵加入上述溶液中，在1000r/min的搅拌速度下，搅拌30min至混匀；

将上述溶液放入100℃的恒温箱中，反应8hour，得到原位聚合水基有机-无机复合凝胶材料。该材料的层间距离为5.84nm。

实施例10、制备原位聚合插层型复合凝胶材料

将5g粘土放入100g水中，然后加入0.30g由实施例1制备得到的层间修饰剂CTS，在乳化机上搅拌40min，搅拌速度为15000r/min至混匀；

将4g丙烯酰胺(AM)和0.02g过硫酸钾(K₂S₂O₈)加入上述溶液中，在500r/min的搅拌速度下，搅拌20min至混匀；

将上述溶液放入100℃的恒温箱中，反应6hour，得到原位聚合水基有机-无机复合凝胶材料。该材料的层间距离为5.28nm。

实施例11、制备原位聚合插层型复合凝胶材料

将6g粘土放入100g水中，然后加入0.40g由实施例2制备得到的层间修饰剂CTS，在乳化机上搅拌40min，搅拌速度为15000r/min至混匀；

将4.5g丙烯酰胺(AM)和0.03g过硫酸钾(K₂S₂O₈)加入上述溶液中，在700r/min的搅拌速度下，搅拌30min至混匀；

将上述溶液放入100℃的恒温箱中，反应7hour，得到原位聚合水基有机-无机复合凝胶材料。该材料的层间距离为5.58nm。

实施例12、制备原位聚合插层型复合凝胶材料

将5g粘土放入100g水中，然后加入0.40g由实施例3制备得到的层间修饰剂CTS，在乳化机上搅拌40min，搅拌速度为15000r/min至混匀；

将5.0g丙烯酰胺(AM)和0.03g过硫酸钾(K₂S₂O₈)加入上述溶液中，在900r/min的搅拌速度下，搅拌20min至混匀；

将上述溶液放入100℃的恒温箱中，反应10hour，得到原位聚合水基有机-无机复合凝胶材料。该材料的层间距离为5.76nm。

原位聚合插层型复合凝胶材料及其制备方法与应用专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

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3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

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