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《中国科学技术大学》 2010年
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高分子/表面活性剂溶液流变行为的研究

李化真  
【摘要】: 表面活性剂和高分子由于其独特的性质在生命科学、材料科学、能源科学以及许多现代高新技术发展中扮演着重要角色。二者混合后其水溶液的许多特性常常优于任一纯组分体系的性质,在石油开采、纺织印染工业、日用化工、纳米材料制备和制药工业中己有广泛的应用。对于两者相互作用的研究也受到越来越多的重视,并不断向纵深方向发展,即逐渐由对宏观性质的研究深入到对微观结构的探测,从经验规律的总结发展到分子、亚分子水平的研究。尽管高分子和表面活性剂之间相互作用的机理已经被公认为合理的,但是在分子水平上对于某些相互作用的细节仍然是不清楚的。 本论文的工作是基于上述研究背景以及发展趋势进行展开的,研究了SDS/阳离子瓜尔胶水溶液的流变行为、外加添加剂NaCl和乙醇对SDS/阳离子瓜尔胶水溶液流变行为的影响、与SDS具有不同性质的油酸钾和阳离子瓜尔胶水溶液的流变行为。除此之外,又分别研究了CTAB和NaCl对甲基纤维素凝胶化行为的影响以及非离子型高分子对油酸钾/碳酸钠体系流变行为的影响,主要得到以下几个方面的结果: 1.当SDS浓度达到C_1=0.08wt%时,阳离子瓜尔胶溶液的零切粘度随SDS浓度的增加而大幅的上升。在SDS浓度为0.043wt%时的零切粘度相对于未加SDS时溶液的剪切粘度有三个数量级的增加。零切粘度和SDS浓度成指数关系。体系的储能模量G′、损耗模量G″随着SDS浓度(大于C_1)的增加有大幅的上升。体系的流变行为比较特殊,和Maxwell模型有很大的偏差,不能用此模型来对实验结果进行讨论。另外,所讨论的体系也不符合Cox-Merz规则,SDS浓度越大,开始发生偏离的扫描频率或剪切速率越小,复数粘度η*均大于稳态剪切粘度η(γ)。用τc(反映交联点强度的大小)和Gc(反映交联点数目的多少)的方法讨论了SDS在阳离子瓜尔胶上的聚集行为。随着SDS浓度的增加,Gc几乎不变,而τc则逐渐增加。温度对SDS和阳离子瓜尔胶体系的研究结果表明,温度的增加使体系的零切粘度、G′、G″都有一定程度的下降。不同温度下的Gc几乎没有变化,τc则随温度的升高而下降。根据Arrhenius公式,计算出了体系的流动活化能Ea随着SDS浓度的增加而增加。 2.与SDS类似,油酸钾的加入可以使阳离子瓜尔胶之间发生交联,溶液的粘度得到显著提高。但是SDS相对于油酸钾来说在很低的浓度下就可以提高阳离子瓜尔胶溶液的粘度。另外,实验还发现油酸钾在浓度超过其CMC时,阳离子瓜尔胶溶液中仍没有发生相分离,而SDS在浓度远低于其CMC时,阳离子瓜尔胶溶液就开始发生相分离。虽然在整个扫描频率范围内,SDS与阳离子瓜尔胶形成的体系的G′、G″要明显大于油酸钾与阳离子瓜尔胶形成的体系,但油酸钾与阳离子瓜尔胶形成的体系的τc要高于SDS与瓜尔胶形成的体系。另外,实验还发现随油酸钾浓度的增加,达到C_1以后Gc减小,τc增加。温度的增加也使得油酸钾/阳离子瓜尔胶体系的零切粘度、G′、G″都有一定程度的下降。但Gc随温度的增加而增大,而τc则下降。相同表面活性剂浓度下,阳离子瓜尔胶/油酸钾体系的流动活化能Ea要高于阳离子瓜尔胶/SDS体系。 3. NaCl和乙醇的加入都导致阳离子瓜尔胶/SDS体系零切粘度以及储能模量G′、损耗模量G″的下降,但两者对体系交联点密度Gc、交联点强度τc的影响有很大的不同。体系的交联点密度Gc、交联点强度τc随NaCl浓度的增加而下降。而乙醇的加入则使体系的τc降低,Gc几乎没有变化。 4. NaCl、CTAB以及两者同时存在时对甲基纤维素(MC)凝胶化行为都有一定的影响。NaCl导致MC发生溶胶-凝胶化转变的温度随NaCl浓度增加呈线性降低。而MC的溶胶-凝胶化转变温度则随CTAB浓度的增加呈线性的增加。NaCl和CTAB的存在并不影响MC发生溶胶-凝胶转变的根本机理,改变的只是溶胶-凝胶转变的过程。 在固定NaCl浓度为3wt%时, MC溶液的溶胶-凝胶转变温度几乎不随CTAB浓度的变化而变化,实验所得到的溶胶-凝胶转变温度要高于理论计算值。在固定CTAB浓度为0.2wt%时,MC溶液的溶胶-凝胶转变温度随NaCl浓度的增加而呈线性下降,直线的斜率和不加CTAB时直线的斜率几乎相等。将不同NaCl浓度时,固定浓度的CTAB和MC溶液的溶胶-凝胶转变温度的实验值和理论计算值对比发现,在NaCl浓度小于3.3wt%之前,实验值均大于理论计算值,而在NaCl浓度大于3.3wt%之后,实验值均小于理论计算值。 5. 3wt%的油酸钾在3.7wt%的碳酸钠存在条件下,溶液具有一定的粘弹性,表现出非牛顿(non-Newtonian)流体的性质。G′、G″对扫描频率作图得到的流变曲线以及G″对G′作图得到的Cole-Cole图形表明体系的粘弹性行为在低频率下符合Maxwell模型,在高频率下有一定的偏离。 PVP、PEG、PPG三种高分子的加入均使3wt%的油酸钾/3.7wt%的碳酸钠体系的零切粘度大幅下降,并且当高分子的浓度达到一定程度时,体系的粘度几乎不随剪切速率而变化,表现出牛顿(Newtonian)流体的性质。三种高分子在相同浓度下使体系粘度下降的幅度有很大的不同,PVPPEGPPG。与对十六烷基三甲基溴化铵/水杨酸钠影响不同,并不是高分子的疏水性越强使表面活性剂溶液的粘度下降越大。与在低浓度阴离子表面活性剂条件下得到的非离子型高分子和表面活性剂的相互作用的大小规律也有很大的不同,并不是PVP与PPG相当,都大于PEG。
【学位授予单位】:中国科学技术大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:O647.1

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