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《中国海洋大学》 2012年
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表面活性剂在油水界面上聚集行为的介观模拟研究

郭营艳  
【摘要】:表面活性剂在许多领域具有广泛的应用,如油田开发、纺织染整、日用化工、药物缓释等。这些应用都与其在界面上的聚集行为密切相关。表面活性剂在油水界面上的聚集行为同时受到表面活性剂浓度和结构、油水比例、聚合物的浓度和聚合度等因素的影响,因此研究以上因素对表面活性剂在油水界面上聚集行为的影响,掌握其结构特性和界面性质的变化具有非常重要的理论指导意义和实际应用价值。 目前对表面活性剂性质的实验研究报道较多,但是只有非线性和频共振光谱和X射线反射等很少的现代实验手段能够进行油水界面性质的研究。因而通过实验研究获得表面活性剂在油水界面上聚集行为的分子水平上的信息难度较大。而通过计算机模拟可以提供许多分子水平上的信息,增加人们对表面活性剂性质的了解。耗散粒子动力学(Dissipative Particle Dynamics,DPD)模拟是目前计算化学的前沿研究领域,与分子动力学模拟(MD)等其它模拟方法相比,可以提供更大时间尺度和聚集体尺度范围内的相关信息。因此,采用介观模拟方法研究表面活性剂在油水界面上的聚集行为,掌握表面活性剂在油水界面上聚集的规律,以及各种因素对其界面性质和结构特性的影响,对实际应用具有一定的指导意义。 本论文采用DPD模拟方法,通过确立适当的模型和关键参数,并结合前人实验和模拟结果,分析研究了表面活性剂浓度和结构、油水比例对油水界面上表面活性剂聚集行为的影响;分别探讨不同浓度和聚合度的聚合物对表面活性剂在油水界面上聚集行为的影响,考察了表面活性剂分子层弯曲模量、头-尾间距离、有序参数等结构性质和界面密度、界面厚度、界面张力等界面性质的变化。论文主要研究了以下几方面的内容: 1.表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)在油水界面的聚集行为的研究。 CTAB在油水体积比为0.5-3.0范围内形成良好的油水两相界面,CTAB分子主要吸附在油水界面上且排布有序。随着CTAB浓度和油水比例的增加,CTAB分子在界面上的排列更加直立有序,界面厚度逐渐增加。油水比例的变化对CTAB头-尾间距离和有序参数影响较小,但是表面活性剂的浓度对其影响较大。表面活性剂浓度较高时,由于界面发生弯曲,有序参数呈下降趋势。同时我们发现,CTAB在油水界面上具有较高的界面效率。 2.分子结构对表面活性剂油水界面聚集行为的影响。 如果头基的亲水性很强,双尾或双头型表面活性剂的降低界面张力的效率明显的比单头或单尾的高。由于尾基的吸引作用,分支型表面活性剂存在的油水界面厚度较高。通过对表面活性剂分子链的结构进行研究发现,随着界面覆盖率增高,油水界面上表面活性剂分子链更加直立有序。疏水尾基或者亲水头基数目的增加降低了表面活性剂分子链的伸展性和有序性。通过对过饱和的表面活性剂单分子层的研究发现刚性硬度较大的单分子层在结构演变过程中很难形成肿胀的胶团。 3.聚合物的存在对表面活性剂在油水界面上聚集行为的影响。 聚合物与表面活性剂一样,主要聚集在油水界面上,但同时表面活性剂分子会缔合到聚合物链上,疏水作用是其主要推动力。体系中增加的聚合物主要吸附在界面上,所以聚合物数目增加,界面上以及缔合在聚合物上的表面活性剂分子在界面的排列更加直立有序,聚合物密度峰增高变宽。表面活性剂/聚合物复合体系降低油水界面张力的能力比单一体系的高,且体系中聚合物数目越多,界面张力越低。聚合物的存在使得形成油水两相界面的油水体积比范围有所扩大,达到界面饱和所需表面活性剂浓度降低。表面活性剂浓度增加,表面活性剂分子头-尾间距离增大,聚合物界面密度也随之增大,界面厚度明显变大。表面活性剂浓度继续增大,部分聚合物链被从界面上挤出,导致聚合物的密度峰降低并变宽。油水比例增加,聚合物链在垂直界面方向变得更加伸展,部分聚合物链伸入油相当中,表现为聚合物密度峰降低且略有变宽。 4.不同聚合度的聚合物对表面活性剂在油水界面上聚集行为的影响。 随着聚合物聚合度的增加,缔合在聚合物上的表面活性剂头-尾间距离逐渐增大,因而其在界面上的排布更加紧密,表面活性剂头基和尾基的界面密度峰高度增加,宽度变窄。聚合物聚合度增加,界面厚度逐渐升高,油水界面张力降低。
【学位授予单位】:中国海洋大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2012
【分类号】:O647.2

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